基于液體靜力稱(chēng)量的金屬構(gòu)件密度自動(dòng)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張日升，李正偉，黃姝珂，劉俊，李尚政

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng) 621900)

0 前言

固體密度檢測(cè)在各類(lèi)工業(yè)產(chǎn)品和生產(chǎn)過(guò)程中具有廣泛應(yīng)用。對(duì)于精密制造工程而言，各制造工序?qū)饘俳Y(jié)構(gòu)件的要求極高，不僅有多個(gè)精密尺寸和形位公差要求，還對(duì)金屬構(gòu)件的化學(xué)成分、內(nèi)部缺陷、物理性能等有要求。例如，要求其密度范圍為(±0.01)g/cm。為此，在制造過(guò)程中需要采用化學(xué)成分檢測(cè)、密度測(cè)量、尺寸精測(cè)等手段以控制金屬構(gòu)件質(zhì)量、性能的均勻性和一致性。

精密工程中的一些重要結(jié)構(gòu)件，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其密度難以直接測(cè)量計(jì)算得出，長(zhǎng)期采用液體靜力稱(chēng)量法進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)人工測(cè)量多個(gè)相關(guān)參數(shù)最終計(jì)算得出密度。由于在任何測(cè)量環(huán)節(jié)都需要操作人員全程參與，檢測(cè)效率低、批量測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度大，測(cè)量不確定度難以降低。

本文作者針對(duì)人工測(cè)量金屬構(gòu)件密度時(shí)存在的效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)量不確定度難以降低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一臺(tái)基于液體靜力稱(chēng)量的金屬構(gòu)件密度自動(dòng)測(cè)量裝置。通過(guò)分析人工測(cè)量方案得到影響質(zhì)量的關(guān)鍵因素，結(jié)合影響因素針對(duì)性進(jìn)行總體功能設(shè)計(jì)，得到總體架構(gòu)、測(cè)量流程和控制原理。對(duì)自動(dòng)裝置的幾個(gè)主要分系統(tǒng)進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，確?？傮w功能的實(shí)現(xiàn)和測(cè)量質(zhì)量。通過(guò)測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)估實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的批量評(píng)價(jià)，保障測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；通過(guò)批量產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證所研制自動(dòng)測(cè)量裝置的有效性。

1 測(cè)量質(zhì)量影響因素分析

1.1 測(cè)量原理

我國(guó)用于固體密度測(cè)量的方法主要是液體靜力稱(chēng)量法，它是依靠水密度作為基值建立起來(lái)的。液體靜力稱(chēng)量裝置主要由液體靜力天平(包括吊具)、恒溫系統(tǒng)與已知質(zhì)量和體積的浮子或已知密度的參考液體等組成。

固體密度測(cè)定的精度主要取決于物體體積精度。體積測(cè)定的精度比質(zhì)量測(cè)定的精度低，這主要是由于準(zhǔn)確測(cè)定物體在液體中所受浮力比較困難，所以固體密度測(cè)定的精度通常與其體積測(cè)定的精度相差不大。

在高精度的密度測(cè)定中，通常取純水(蒸餾水)作為用液，其中水中質(zhì)量測(cè)量如圖1所示。

圖1 密度檢測(cè)原理示意

1.2 質(zhì)量影響因素分析

密度測(cè)試技術(shù)現(xiàn)存的瓶頸是在測(cè)量待測(cè)件的水中質(zhì)量前和測(cè)量時(shí)，需要兩次等待水面穩(wěn)定，等待時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)大批量產(chǎn)品待測(cè)時(shí)，嚴(yán)重影響效率。

目前人工操作進(jìn)行某個(gè)金屬構(gòu)件密度檢測(cè)的單件測(cè)試過(guò)程約為14 min，影響其檢測(cè)效率和測(cè)量不確定度的因素主要為水中質(zhì)量的準(zhǔn)確稱(chēng)量過(guò)程，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是金屬結(jié)構(gòu)件入水的浸潤(rùn)控制(去氣泡)、水溫波動(dòng)和系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡等引起的測(cè)量誤差的控制。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 總體功能設(shè)計(jì)

根據(jù)液體靜力稱(chēng)量法固體密度的要求，金屬構(gòu)件密度自動(dòng)測(cè)量裝置應(yīng)具備如下主要基礎(chǔ)功能：

(1)全自動(dòng)密度檢測(cè)功能。工件按照要求擺放后，密度檢測(cè)過(guò)程可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守；

(2)精測(cè)系統(tǒng)控制使用獨(dú)立式運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)通信；

(3)工件可靠夾持、上下料；工件浸潤(rùn)沖洗去除表面氣泡功能；

(4)多通道物理信號(hào)采集、傳輸功能，溫度、力等信號(hào)的采集傳輸；

(5)水的溫度和水位需要顯示在上位機(jī)界面，改善人機(jī)關(guān)系；

(6)人機(jī)對(duì)話(huà)功能。應(yīng)具有良好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程控制、測(cè)量過(guò)程參數(shù)及結(jié)果輸出、故障報(bào)警信息顯示等人機(jī)對(duì)話(huà)功能。

2.2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

金屬構(gòu)件密度自動(dòng)測(cè)量裝置主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、控制軟件等部分組成，其中硬件包括精密天平、直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、測(cè)量用機(jī)械手、除氣泡機(jī)構(gòu)、水箱機(jī)構(gòu)等；軟件包括多通道信號(hào)處理程序、PLC程序、人機(jī)交互界面程序等。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)，在控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合下實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的所有性能指標(biāo)?？傮w架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.3 機(jī)電布局與造型方案設(shè)計(jì)

金屬構(gòu)件密度自動(dòng)測(cè)量裝置總體構(gòu)成分為待測(cè)區(qū)、空中測(cè)量區(qū)、入水待測(cè)區(qū)、除氣泡區(qū)、水中測(cè)量區(qū)以及分揀區(qū)等。全自動(dòng)密度精測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的工作模式為流水線模式，整體外形為箱型，長(zhǎng)2 500 mm、寬1 500 mm、箱體高1 600 mm(不含機(jī)械手高度)，總高2 600 mm。其結(jié)構(gòu)分為三層，上層為運(yùn)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)，中層為測(cè)量過(guò)程工位，下層為電氣控制柜。設(shè)備外側(cè)全部安裝可以向外打開(kāi)的活動(dòng)門(mén)板，部分區(qū)域設(shè)置成觀察窗，便于隨時(shí)觀察設(shè)備運(yùn)行情況，其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布局如圖4所示。

圖3 裝置總體布局設(shè)計(jì)

圖4 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

2.4 總體測(cè)量流程設(shè)計(jì)

如圖5所示，金屬構(gòu)件密度自動(dòng)測(cè)量裝置可以分為6個(gè)功能區(qū)：待測(cè)區(qū)、空稱(chēng)區(qū)、交換區(qū)、噴淋區(qū)、水稱(chēng)區(qū)以及分揀區(qū)。

圖5 功能區(qū)劃分設(shè)計(jì)

金屬構(gòu)件密度自動(dòng)測(cè)量裝置的檢測(cè)流程如圖6所示。

圖6 檢測(cè)流程設(shè)計(jì)

檢測(cè)流程具體步驟如下：

(1)清洗干凈的工件首先在干態(tài)下，在空氣中稱(chēng)重，工控機(jī)讀入工件在空氣中的質(zhì)量并存儲(chǔ)到指定位置；

(2)空氣中測(cè)量后，由直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1通過(guò)真空吸盤(pán)將工件轉(zhuǎn)運(yùn)到交換區(qū)；

(3)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2通過(guò)真空吸盤(pán)將交換區(qū)的工件轉(zhuǎn)運(yùn)到噴淋區(qū)，用噴淋清洗方式完成工件表面的氣泡消除；

(4)氣泡消除后，直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)2通過(guò)真空吸盤(pán)將工件轉(zhuǎn)運(yùn)至水稱(chēng)區(qū)，等待水穩(wěn)定，待水稱(chēng)區(qū)天平讀數(shù)穩(wěn)定后, 讀取工件在水中的質(zhì)量測(cè)量值；

(5)通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算工件密度分揀出不合格品和合格品，機(jī)械手在分揀區(qū)進(jìn)行分揀，整個(gè)流程完成。

測(cè)量過(guò)程中涉及的輔助過(guò)程主要包括數(shù)據(jù)采集及處理。

設(shè)測(cè)定工件在空氣中的質(zhì)量，將吊具系統(tǒng)浸入水中掛于天平的下掛鉤后清零，并將工件放入吊具內(nèi)，測(cè)定工件在水中的質(zhì)量。用溫度計(jì)測(cè)量水溫，確定水密度，根據(jù)密度公式計(jì)算工件的密度。在忽略空氣密度的前提下，密度按公式(1)計(jì)算：

(1)

2.5 控制原理設(shè)計(jì)

金屬構(gòu)件密度自動(dòng)測(cè)量裝置的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集過(guò)程均需要按照嚴(yán)格的邏輯流程進(jìn)行控制，采用PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制功能，基于工控機(jī)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)采集與處理軟件完成質(zhì)量、溫度等數(shù)據(jù)的采集以及根據(jù)水溫進(jìn)行水密度選擇，完成金屬構(gòu)件密度的檢測(cè)過(guò)程。檢測(cè)與控制的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 檢測(cè)與控制的總體構(gòu)架設(shè)計(jì)

總體架構(gòu)中數(shù)據(jù)采集和處理模塊用于采集天平測(cè)量的工件干態(tài)質(zhì)量與水中質(zhì)量，同時(shí)測(cè)量水箱溫度以便根據(jù)溫度選擇水的標(biāo)準(zhǔn)密度，最后完成密度計(jì)算并在界面中顯示。PLC程序主要用于控制機(jī)械手按規(guī)定循環(huán)邏輯進(jìn)行工件的抓取、移動(dòng)、放置等邏輯功能。測(cè)量數(shù)據(jù)輸出與打印模塊用于將測(cè)量過(guò)程中間數(shù)據(jù)與密度計(jì)算結(jié)果保存為測(cè)量文件，并且根據(jù)需要打印輸出測(cè)量報(bào)告。

數(shù)據(jù)采集與處理模塊和PLC控制模塊是控制系統(tǒng)的核心。PLC控制部分主要完成接近開(kāi)關(guān)、電磁閥、按鈕開(kāi)關(guān)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等器件的動(dòng)作控制。數(shù)據(jù)采集與處理模塊完成質(zhì)量、溫度等數(shù)據(jù)的采集以及根據(jù)水溫進(jìn)行水密度選擇。兩部分功能按照檢測(cè)邏輯相互配合，共同構(gòu)成整個(gè)檢測(cè)流程，運(yùn)動(dòng)邏輯如圖8所示。

圖8 檢測(cè)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)控制邏輯示意

整個(gè)檢測(cè)流程包括干態(tài)稱(chēng)重、清洗除泡、水中稱(chēng)重、分揀作業(yè)4個(gè)循環(huán)，循環(huán)間按順序執(zhí)行，即：一批零件按照干態(tài)稱(chēng)重循環(huán)所示流程逐個(gè)完成稱(chēng)重后，再逐個(gè)按清洗除泡循環(huán)進(jìn)行除氣泡，最后再逐個(gè)進(jìn)行水中稱(chēng)重。

(1)干態(tài)稱(chēng)重循環(huán)

在干態(tài)稱(chēng)重循環(huán)中，干態(tài)測(cè)量機(jī)械手在開(kāi)機(jī)初始化之后位于待測(cè)區(qū)上方，在測(cè)量啟動(dòng)后，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手向下運(yùn)動(dòng)直至機(jī)械手接近工件；接近開(kāi)關(guān)觸發(fā)后機(jī)械手停止運(yùn)動(dòng)，并打開(kāi)真空管路中的電磁閥為吸盤(pán)提供負(fù)壓，從而將工件拾起；機(jī)械手拾起工件后(即真空管路的電磁閥開(kāi)啟一段時(shí)間后)，機(jī)械手在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下向上運(yùn)動(dòng)直至觸發(fā)上部接近開(kāi)關(guān)，之后機(jī)械手向上運(yùn)動(dòng)停止，由橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手橫向運(yùn)動(dòng)至干態(tài)測(cè)量區(qū)的上方(即圖8(a)中的1、2、3過(guò)程)。干態(tài)稱(chēng)重機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 干態(tài)稱(chēng)重機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

當(dāng)干態(tài)機(jī)械手將工件運(yùn)至干態(tài)測(cè)量區(qū)的上方并觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)時(shí)，橫向運(yùn)動(dòng)停止，機(jī)械手豎直下降；觸發(fā)測(cè)量區(qū)接近開(kāi)關(guān)后機(jī)械手停止運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉真空管路中的電磁閥并打開(kāi)通向大氣的電磁閥以卸去負(fù)壓，工件落入測(cè)量天平托盤(pán)；之后機(jī)械手上升至觸發(fā)測(cè)量區(qū)上部接近開(kāi)關(guān)的位置，停止運(yùn)動(dòng)并等待一段時(shí)間使天平讀數(shù)穩(wěn)定，讀取干態(tài)質(zhì)量；天平讀數(shù)完成后，讀數(shù)程序給出觸發(fā)信號(hào)使機(jī)械手再次向下運(yùn)動(dòng)拾取工件并將它轉(zhuǎn)運(yùn)至交換區(qū)即待入水區(qū)(即圖8(a)中的4、5、6、7、8、9過(guò)程)。

在工件放到待入水區(qū)之后，機(jī)械手按預(yù)定的流程回到初始位置(即圖8(a)中的10、11、12過(guò)程)，干態(tài)稱(chēng)重計(jì)數(shù)器加1(計(jì)數(shù)器數(shù)值小于設(shè)置循環(huán)值)，開(kāi)始下一個(gè)工件的測(cè)量循環(huán)。當(dāng)干態(tài)稱(chēng)重計(jì)數(shù)器數(shù)值等于循環(huán)值后，干態(tài)測(cè)量機(jī)械手在初始位置停止運(yùn)動(dòng)，干態(tài)稱(chēng)重循環(huán)完成，啟動(dòng)清洗除泡循環(huán)。

(2)清洗除泡循環(huán)

清洗除泡循環(huán)啟動(dòng)后，由機(jī)械手交換機(jī)構(gòu)將水中機(jī)械手交換到工作位置，干態(tài)機(jī)械手停止工作。水中機(jī)械手由初始化位置(水中放置區(qū)上方)移動(dòng)到待入水區(qū)，進(jìn)行工件拾取，并將工件轉(zhuǎn)運(yùn)至噴淋區(qū)即除泡區(qū)上方(即圖8(b)中的1、2、3、4、5過(guò)程)。過(guò)程切換采用與干態(tài)稱(chēng)重循環(huán)中相似的接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行觸發(fā)。

工件由水中機(jī)械手轉(zhuǎn)運(yùn)至除泡區(qū)上方觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)后，機(jī)械手下降觸發(fā)除泡區(qū)接近開(kāi)關(guān)，真空管路電磁閥關(guān)閉且通向大氣的電磁閥打開(kāi)，卸壓后工件落入清洗區(qū)的卡口中；之后機(jī)械手上升到位后，啟動(dòng)噴淋清洗，待清洗一段時(shí)候，噴淋停止并復(fù)位；復(fù)位后，機(jī)械手向下運(yùn)動(dòng)拾取工件并轉(zhuǎn)運(yùn)至水中放置區(qū)。

最后水中機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到初始化位置，觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)后，清洗計(jì)數(shù)器加1，開(kāi)始下一件工件的清洗；直至清洗計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)等于設(shè)置值，水中機(jī)械手停止運(yùn)動(dòng)，清洗除泡循環(huán)結(jié)束，并啟動(dòng)水中稱(chēng)重循環(huán)。除氣泡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 除氣泡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

(3)水中稱(chēng)重循環(huán)

水中稱(chēng)重循環(huán)與干態(tài)稱(chēng)重循環(huán)類(lèi)似，但在水中天平吊盤(pán)稱(chēng)重時(shí)，需要等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間以使得天平讀數(shù)穩(wěn)定。其次，在水中稱(chēng)重采集質(zhì)量數(shù)據(jù)的同時(shí)要采集水溫?cái)?shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到指定位置。

在所有工件的原始數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)束后，軟件給出觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)密度數(shù)據(jù)計(jì)算，并在硬件指示燈上給出測(cè)量結(jié)束的標(biāo)識(shí)。水中稱(chēng)重工位設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖11 水中稱(chēng)重工位設(shè)計(jì)圖

(4)分揀環(huán)節(jié)

通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算工件密度分揀出不合格品和合格品，機(jī)械手將工件分揀在分揀區(qū)，整個(gè)流程完成。在分揀區(qū)工件堆垛旁邊加工有U形凹槽，可以使工件上流下的水再次流回水槽，保證設(shè)備下部空間的電氣設(shè)備安全運(yùn)行。分揀工位設(shè)計(jì)如圖12所示。

圖12 分揀工位設(shè)計(jì)圖

3 密度測(cè)量不確定度評(píng)估

3.1 密度標(biāo)準(zhǔn)試件的制造要求

設(shè)計(jì)制作ZL101、ZPbSb10Sn2和Fe-Ni-W 三種材料密度試件各4件。試件主要化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)技術(shù)條件。圓柱形試件外形尺寸為50 mm×10 mm，上下兩端面平行，公差為0.05 mm，表面粗糙度為1.6 μm。試件表面不允許有縫隙孔洞及不可清除的斑點(diǎn)污物，內(nèi)部致密不能有氣孔、夾雜等缺陷。

3.2 密度標(biāo)準(zhǔn)試件密度值測(cè)定

測(cè)試環(huán)境溫度和相對(duì)濕度控制在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)密度測(cè)試方法，在不同測(cè)量?jī)x器、測(cè)試人員及測(cè)試水溫條件下，分別對(duì) ZL101、ZPbSb10Sn2 和Fe-Ni-W試樣進(jìn)行多次測(cè)試，測(cè)出試件在空氣中和水中的質(zhì)量后求出其平均值，根據(jù)式(1)計(jì)算得到試件不同條件下的平均密度。對(duì)平均密度進(jìn)行比較，若沒(méi)有明顯的差異，則求出總平均密度作為該試件的密度標(biāo)準(zhǔn)值。

3.3 密度測(cè)量不確定性計(jì)算

在忽略空氣密度的前提下，密度測(cè)定量是間接量，其密度測(cè)定值是各直接測(cè)定量、、的函數(shù)，各直接測(cè)定量由測(cè)量?jī)x器測(cè)得。因此，密度測(cè)定的不確定度主要來(lái)源于：

(1)試件在空氣中質(zhì)量測(cè)定的重復(fù)性；

(2)試件在水中時(shí)質(zhì)量測(cè)定的重復(fù)性；

(3)水溫的變化；

(4)由天平的檢定分度值引入的不確定度；

(5)由天平讀數(shù)的分散性引入的不確定度。

上述分析的不確定度，采用多次試驗(yàn)的方法來(lái)標(biāo)定。

根據(jù)測(cè)量不確定度的評(píng)定原理，密度測(cè)定的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，將由各直接測(cè)定量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量和天平的檢定分度值及天平讀數(shù)的分散性引入的不確定度分量平方和的平方根確定：

(2)

通過(guò)對(duì)以上3種材料密度標(biāo)準(zhǔn)件的測(cè)試與不確定度分析，得到標(biāo)準(zhǔn)件的密度標(biāo)準(zhǔn)值和不確定度。因此，該密度標(biāo)準(zhǔn)件可作為密度測(cè)試的校正標(biāo)準(zhǔn)，從而可以有效地控制測(cè)試系統(tǒng)，保證密度測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 金屬構(gòu)件密度自動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)

經(jīng)總體設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成裝配、機(jī)電聯(lián)調(diào)后，形成金屬構(gòu)件密度自動(dòng)測(cè)量裝置原型機(jī)如圖13所示。

圖13 金屬構(gòu)件密度自動(dòng)檢測(cè)裝置

目前該自動(dòng)檢測(cè)裝置已用于金屬結(jié)構(gòu)件密度批量檢測(cè)過(guò)程中，通過(guò)多批次產(chǎn)品密度自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示。

表1 密度自動(dòng)檢測(cè)裝置與人工檢測(cè)效果對(duì)比

由表1可知：所研制的自動(dòng)化測(cè)量裝置，通過(guò)結(jié)合自動(dòng)傳感、控制一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從長(zhǎng)流程、人員技能要求高的手工檢測(cè)，到無(wú)人值守自動(dòng)檢測(cè)的轉(zhuǎn)變，檢測(cè)活動(dòng)的勞動(dòng)強(qiáng)度、人員依賴(lài)度大幅下降，單件檢測(cè)時(shí)間由14 min下降至5 min，檢測(cè)效率提高了180%；測(cè)量不確定度由0.004 g/cm降低至0.001 g/cm，不確定度大幅降低了75%。

5 結(jié)論

本文作者針對(duì)人工測(cè)量金屬構(gòu)件密度效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)量不確定度難以降低的問(wèn)題，通過(guò)分析人工測(cè)量方案得到質(zhì)量影響關(guān)鍵因素為金屬構(gòu)件入水浸潤(rùn)控制、水溫波動(dòng)、系統(tǒng)穩(wěn)定平衡。結(jié)合這幾個(gè)影響因素設(shè)計(jì)了自動(dòng)測(cè)量裝置總體功能，形成總體架構(gòu)、測(cè)量流程和控制原理。對(duì)自動(dòng)裝置的幾個(gè)主要分系統(tǒng)進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)，確保了總體功能的實(shí)現(xiàn)和測(cè)量質(zhì)量的一致性；給出測(cè)量不確定性評(píng)估方法以批量評(píng)估測(cè)量結(jié)果，保障測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。金屬構(gòu)件密度自動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果表明：相比人工測(cè)量方法，自動(dòng)檢測(cè)裝置測(cè)量不確定度降低了75%，檢測(cè)效率提高了180%，檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠、重復(fù)性高。研制的自動(dòng)測(cè)量裝置解決了人工測(cè)量效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)量不確定度難以降低的問(wèn)題。