吕小斌相机内部参数标定装置设计正文

湖南科技大学毕业设计（论文）- 0 -第一章 前言1.1 课题背景相机内参数标定作为实现机械视觉测量的首要环节，机械视觉在各类检验、工业自动化生产线、视觉导航、3D 四轮定位等多个领域得到广泛应用。高精度的相机标定能获得高精度的机器视觉测量。相机标定确定相机模型是参数的过程，参数主要是内部参数，内部参数是相机本身固有的与光、电以及几何结构有关的参数。本论文的主要目的就是对相机内参数的标定装置进行设计与计算，确定相机在不同的机构作用下所能完成的功能，同时提高相机内部参数的标定精度。相机内参数标定从视觉数目方面进行分类，主要有三种主要类型：单目视觉、双目视觉和多视角视觉，从标定方法方面进行分类，主要有传统标定法和创新标定法，不同的方法对应不同的相机模型，相机模型大多可以分为以下两中类型，线性模型和非线性模型。日常生活中所见到的针孔模型为线性模型，是研究者在基于光学成像原理上的进行抽象表达之后的成果。因为相机前镜头在生产过程和安装时，会产生一定程度的变形，这种变形被称为相机畸变。所以线性模型在没有精益的制造技术和高精密的安装技术下很难展现相机成像原理。研究者为了更进一步展现相机的成像原理过程，把相机镜头畸变纳入研究的范围中。相机镜头畸变对相机内参数标定精度有着不可轻视的影响，此外，相机内参数标定的精度还取决于标定方法、标靶的表面制造精度、提取图像特征点坐标的精度等多个因数。现在世界上对相机内参数标定的方法研究方向主要有一下几大方向， 1）标定速度 2）简单的实验环境 3）价格低廉的实验器材以及较高的标定精度。因此确定精确的相机模型以及减少各因素对标定参数精度的影响，构成了相机内参数标定研究的主要内容。本论文主要研究内容就是采用一种简单方便的方法确定相机的位姿关系；然后对DLT 标定法、 两步法以及基于平面靶标标定的张正友法进行研究，再设计装置来Tsai对这些标定方法进行试验，最终确定最好的标定方法。1.2 国内外研究现状人类大多数是通过视觉来获取外界信息，视觉信息量巨大，体现了人类视觉功能的重要性。随着信息技术发展，人们通过计算机等实验器材来实现人类的视觉功能，同时，对机器视觉的要求也越来越高。自 20 世纪 50 年代以来，虽然还未实现使相机视觉领域像人类等生物那样灵活、高效和通用的视觉，但现有的视觉理论和技术不断的得到提高和发展，这使得人类正逐步的逼近梦想，实现梦想。20 世纪 50 年代到 60 年代，机器视觉从二维图像的分析到三维场景为目的的三维视觉研究。期间，B. 在 1966 年首次将最小二乘法引用到相机标定中，并应用在alertH立体坐标测量仪中。到 70 年代，出现一些视觉应用系统。1971 年， 和 提delAbraK湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 1 -出 DLT（直接线性变换）相机标定方法。1975 年，W. 考虑了镜头畸变因素，提aigF出用非线性优化的方法解决相机标定精度问题。在 20 世纪 80 年代，有一种重要的理论框架被广为人知，并成为视觉研究领域的一个核心理论，该理论就是 在 1977rMa年新研究出来的一种计算视觉理论，为整个计算机视觉领域做出了重大贡献。但这一理论框架也存在着大量的不足，许多学者不断的完善，并使这一框架被广泛认知。到了 80 年代中期，机器视觉注入了一些新方法、新理论、新概念，使整个领域得到了迅速发展。1986 年，一种考虑相机畸变的新标定法出现了，是由 提出。而到 90 年代，Tsai在工业、医疗等领域中，机器视觉得到广泛应用，同时多视几何的视觉理论也得到不断的发展。1992 年，相机创新标定方法首次出现在机器视觉领域，是由 提出。tleyHr1999 年，由于 两步法要求的标定物为 3D 立体靶标，其加工和制造精度较难满足，saiT张正友考虑到这一特性，提出了一种新的使用平面靶标标定的两步法。目前很多学者和科研机构在对相机标定深入研究，例如 2010 年，南昌航空大学专门成立了一个研究所，该研究所专门研究视觉测量技术；北京大学也成立了主要研究视觉和听觉的国家重点实验室；浙江大学也成立了研究视觉理解与机器人视觉的实验室等。1.2.1 相机经典标定方法标定方法通过相机标定过程中是否需要标定物可大致分为传统标定方法和创新标定方法。传统的标定方法中，常用的标定方法有 DLT 方法、 两步法以及基于平面Tsai标靶的张正友法等。此类标定方法有一共同的局限性，标定时需要标定物，即一个二维或三维的物体，需要将此标定物放在相机前，利用靶标上一些已知的三维空间点坐标和图像点坐标来计算相机的内外参数。1971 年， 和 提出 DLT（直接线delAbarK性变换）方法，分析了三维标定物和相机图像之间的关系，在线性模型中的成像几何问题，通过求解线性方程而得到这种线性模型的参数估计。该方法快速简单，但由于相机镜头中透镜的曲面误差、透镜组合误差以及 CCD 的制造误差等误差因素存在，而这种方法没有考虑这些误差问题，所以得到的标定精度不高。1975 年，W. 考虑了aiF镜头畸变问题，提出一种用非线性优化的方法解决相机标定的成像问题，如果有较好的初始值，可以较快的收敛，从而得到精度较高的标定参数。然而也是因为标定精度受限于给定的初始值，导致初始值的选取直接影响标定精度，计算量大。1986 年，在 W. 的基础上，提出了两步标定法。第一步用 DLT 对相机参数求解，第二saiTigF步将这些参数值作为初始值代入下一步非线性优化方法中进行精化。该方法结合了线性变换法和非线性优化法的优点，线性部分通过理想的针孔模型解出一部分外部参数，非线性部分考虑了一阶径向畸变，通过上一步解算出的参数再进行线性方程求解，得到其余参数，然后进行迭代优化。而后 在 的算法上进行改进，使得算法也适engWsaiT湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 2 -合较大视场和畸变较大的情况。虽然 两步法简单且精度较高，但是也存在不足之saiT处，只解决了径向畸变问题，没有涉及切向畸变问题，这使得该模型不能解决复杂的畸变问题，且标定物为立体靶标，制作成本较高，操作不易。1999 年，张正友提出了基于 2D 平面靶标的标定法，简单实用且精度较高，因而受到广泛使用。标定过程分为两步：首先用线性方程求出相机的内外参数初步值，再用最大似然估计法优化各参数。只需 3 幅在任意位姿情况下的图片即可标定出相机参数，且标定精度较高。于是该方法常被一些软件平台开发成一套标定程序，方便用户直接使用。目前，有许多软件平台可以实现对标定算法的实现，例如常用的有 、 、VC 等软件。其中，atlbMCVOpen平台开发了一整套用于标定的程序，可以轻松实现标定物为平面靶标和立体靶atlbM标的相机标定的算法，并制作了标准界面，方便用户使用； 平台也开发了有关相机标定的程序代码，用户只需执行命令即可标定。1.2.2 相机创新标定方法相机创新标定方法由 、 等人在 20 世纪 90 年代提出，与传统标定tleyHargrasFu方法不同，此类方法不需要标定物，只需在静态场景中移动相机，这样避免了对靶标高精度制作的要求，或避免在相机前不方便放置标定靶标的情况下应用（如对远距离作业或危险、恶劣情况下作业的机器人等） 。1992 年， 提出的相机创新标定方tleyHar法首次出现在机器视觉领域，相关技术便成为机器视觉的研究热点。一种称为 QR 分解法的方法被首 次提出，并且在相机标定的过程中不需要标定物，只需要控制tleyHar相机做特殊的运动，虽灵活性强，但鲁棒性不高。而后， 提出了一种基于二gerasFu次曲线的创新标定技术, 提出基于二次曲面的创新标定技术、马颂德提出主动视gsTri觉的标定方法等。马颂德提出的主动视觉方法使得标定方法有了一个很高的提升，该方法是指在一个精确控制平台上固定好相机，能够从计算机中读出平台的运动参数，不需要靶标，只需控制相机做互相垂直的运动，然后在不同位置上拍摄图像，通过这些图像标定出相机模型中的参数，也就是相机坐标系与平台坐标系之间的外参数以及相机内参数。其后许多学者在此基础上做了大量工作，将算法改进。虽然主动视觉标定法可以线性求出相机参数，但是由于需要提供控制台，成本较高。目前许多学者深入研究了相机创新标定技术，例如中国自动化研究所的胡占义、孟晓桥，他们在基于平面靶标标定的张正友算法上提出了一种新了圆环点的标定方法。该方法需要相机在不同方位拍摄含有若干条直径的圆环的模板，再根据数学的线性方法求解相机的内部参数。又如吴福朝等人提出了另一种自标定方法，即通过空间平面上两个非平行矩形求取圆环点。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 3 -1.3 相机标定方法在过去的几十年里，不管是机器视觉测量还是摄影测量，在测量领域相机标定方法得到了不断的延伸。研究者们针对零维、一维、二维、三维等标定物，不断提出了新的标定方法，并取得了成果。目前，这些研究方法都比较成熟，现在的主要工作任务是如何用更实用、更简便、更准确快捷的标定方法来实现具体的实际应用问题。1.3.1 相机标定方法分类根据不同的情况而言，标定方法可以分为：（1）根据标定过程中是否需要标定物，可分为传统标定方法和创新标定方法。传统标定方法需要标定物，标定物是有形状和尺寸的物体，可以分为一维标定物、二维标定物和三维标定物等。然后再利用相机拍摄，通过图像采集后，经过线性模型或非线性模型来求解出相机的内部参数和外部参数。根据参数计算方法的不同，还可以进一步分为：最优化算法的方法、考虑畸变补偿的两步法、利用透视变换矩阵的方法。自标定则不需要标定物，利用相机运动，在运动过程中所采集的相机视场中的环境的图像信息间的对应关系而求出相机的内部参数和外部参数。可进一步分为：基于多幅图像间直线对应关系法、基于主动视觉法、基于自动视觉法（可分为基于旋转运动、基于平移运动的方法）等。该类方法优点是灵活，缺点是未知参数较多，并且技术还未成熟，很难达到稳定的结果。一般来说，在对相机参数变化不大、标定精度要求高的场合，首选传统标定方法；而应用于相机前难放标定参照物、精度要求不高的场合，一般选创新标定方法，如虚拟现实等。（2）按采用的相机模型来分，可分为线性算法和非线性算法。 线性算法就是用理想的针孔模型，并用线性方程来求解相机参数。由于没有考虑镜头畸变问题，所以精度达不到要求。目前虽取得了很多很好的成绩，但是许多研究者还在不断努力研究中。非线性算法采用了非线性畸变模型，该算法考虑了非线性畸变参数。在线性算法的基础上，再用非线性优化算法去优化初始参数值。这种方法优点是提高了标定的精度，缺点是算法较为复杂，速度比较慢。不但对初值的选择与预值的精确度要求较高，而且对噪声的强度也比较敏感。有时非线性搜索优化算法不一定达到预期的效果，它不一定能使得相机的各个参数值收敛到全局最优解。1）从求解参数结果来看，分为隐式标定方法和显式标定方法。隐式标定方法能直接把标定参数实现相互之间转换，通过把二维图像点与三维空间点直接转换。典型的有 DLT 法。隐式标定方法直接不考虑中间成像的具体过程，而是用一个简单的矩阵形式来表示二维图像点与三维空间点之间的关系。该方法的优点是简单，计算不复杂，只求解算法中的线性方程参数，从而获得较高效率，实用性强。缺点是标定精度不高，很难满足高精度要求的场合。显示标定方法考虑了具体成像过程，并对相机成像几何湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 4 -模型做了精密的设计。更多的考虑了二维图像点与三维空间点转换，使得各个参数都具有各自的物理意义，最后求解未知参数。其中包括有效焦距偏差、图像中心偏差、水平比例因子、镜头畸变参数等。该方法把相机成像过程中的各种因素都基本上考虑进去了，从而标定精度得到了有效的提高。2）按解题方法来归类，有普通解析法、神经网络法和遗传算法。由于三维空间点与二维图像点之间的关系是一种较为复杂的非线性关系，不能直接用图像坐标系中的像素坐标的像元位置来直接准确的估计空间点的距离，用线性方法来描述这一关系是不太现实的。普通解析法通过三维空间点与二维图像点之间的关系，通过解析几何公式来求解相机的内部参数和外参数，其中内部参数含有畸变系数，再根据求得的内外参数值，将二维图像点与三维空间点的几何关系，而求解三维空间点的世界坐标。神经网络法跳过了求各种相机参数的复杂过程，将三维空间点作为输入样本，二维图像点而作为输出样本。利用复杂的网络关系来实现输入和输出的映射关系，这样可以使精度逼近一种非线性关系，而对于那些不是样本中的二维图像点坐标，也能顺利找到相应的三维空间点的坐标。1.3.2 标靶的实物图片图 1.1 标靶实物图标靶的材料是铝合金，标靶对表面加工的精度要求极高，在标靶的加工过程中成湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 5 -品率较低，价格高昂，因此使用标靶时应极其注意，不能让铝合金板碰触到其他的尖锐的物体造成损伤。其次操作者在搬移标靶时应注意戴白色手套，以免破坏小型的精密镜头。在安装其他带动标靶运动的零件时应保持标靶呈竖直状态，这样一来，标靶才能把位于其前方的图景拍摄下来便于后期的数据信息处理。第二章 相机内参数标定装置设计本次设计的相机内参数标定装置需要把位于装置前方整个空间都要拍摄成像，从各个角度和方位获得足够多的数据信息，以便于后期的数据信息分析。2.1 直动推杆圆柱凸轮设计原理左右摆动运动的实现靠直动推杆圆柱凸轮机构和伸缩杆共同作用，圆柱凸轮上的轨迹和手轮转速大小决定了直动推杆在手轮每转的作用下的运动位移大小、运动速度的快慢和运动加速度的存在以及大小。手轮转速越大，直动直动装置的左右摆动运动可以使相机采集到左右的数据信息。因为左右两根推杆在运动过程中的距离会发生一定范围内的变化，如果不加一根伸缩杆调节一下距离，那么装置左右摆动的运动就会失效，也就是两根推杆卡死不懂动。2.1.1 直动推杆圆柱凸轮设计（1）圆柱凸轮的形成原理将圆柱外表面展开，得一长度为2R的平面移动凸轮机构，其移动速度为V= ，以 V反向移动平面凸轮，相对运动不变，滚子反向移动后其中心点的轨迹即为理论轮廓，其内外包络线为实际轮廓。 湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 6 -图2.1 直动推杆的理论轮廓图图 2.2 直动推杆圆柱凸轮二维图湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 7 -图 2.3 S 和 的关系图图2.4 直动推杆运动轨迹展开图湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 8 -（2）圆柱凸轮简介圆柱凸轮是一种具有曲线轮廓的运动构件，它通过与从动件直动推杆的高副接触，在运动时可以使从动件直动推杆获得连续或不连续的任意预期运动。圆柱凸轮机构在各种机械中有大量的应用。即使在现代化程度很高的自动机械中，圆柱凸轮机构的作用也是不可替代的。图 2.5 圆柱凸轮的三维图直动推杆圆柱凸轮机构由圆柱凸轮、直动推杆从动件和机架三部分组成，结构简单、紧凑，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任意的运动规律。在自动机械中，凸轮机构常与其它机构组合使用，充分发挥各自的优势，扬长避短。由于凸轮机构是高副机构，易于磨损；磨损后会影响运动规律的准确性，因此只适用于传递动力不大的场合。当圆柱凸轮等速回转一周时，圆柱凸轮的曲线外廓推动从动件直动推杆带动标靶完成以下动作：推杆快速接近标靶，标靶开始绕中心线顺时针旋转，停留一段时间再进行逆时针旋转，如此一来，标靶可以把左右的场景拍下来并成像。 （3）从动件常用的运动规律常用的从动件运动规律有等速运动规律、等加速等减速运动规律、余弦加速度运动规律以及摆动运动规律等。1）等速运动规律 其有突变，其加速度和惯性力在理论上为无穷大，致使凸轮机构产生强烈的冲击、湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 9 -噪声和磨损，这种冲击为刚性冲击。因此，等速运动规律只适用于低速、轻载的场合。2）等加速等减速运动规律 从动件在一个行程 h 中，前半行程作等加速运动，后半行程作等减速运动，这种运动规律称为等加速等减速运动规律。通常加速度和减速度的绝对值相等。从机械原理书中得知，这种运动规律的加速度存在三处存在有限的突变，因而会在机构中产生有限的冲击，这种冲击称为柔性冲击。与等速运动规律相比，其冲击程度大为减小。因此，等加速等减速运动规律适用于中速、中载的场合。3）简谐运动规律（余弦加速度运动规律）当一质点在圆周上作匀速运动时，它在该圆直径上投影的运动规律称为简谐运动。因其加速度运动曲线为余弦曲线故也称余弦运动规律，由机械原理书中得知，此运动规律在行程的始末两点加速度存在有限突变，故也存在柔性冲击，只适用于中速场合。但当从动件作无停歇的升降升连续往复运动时，则得到连续的余弦曲线，柔性冲击被消除，这种情况下可用于高速场合。4）摆线运动规律（正弦加速度运动规律） 当一圆沿纵轴作匀速纯滚动时，圆周上某定点 A 的运动轨迹为一摆线，而定点 A运动时在纵轴上投影的运动规律即为摆线运动规律。因其加速度按正弦曲线变化，故又称正弦加速度运动规律，当从动件按正弦加速度规律运动时，在全行程中无速度和加速度的突变，因此不产生冲击，适用于高速场合。了解从动件的运动规律，便于我们在圆柱凸轮机构设计时，根据实际的工作要求进行合理选择。由于直动推杆圆柱凸轮在运动的过程中受到的冲击应该尽量小，以保证标靶运动的精确性，所以选用摆线运动规律。2.2 槽轮拨盘设计原理槽轮拨盘组成的机构可以把主动件拨盘的连续等速回转运动转变为槽轮的间歇运动，同时也可以控制槽轮的回转角度。这类机构大多具有以下几个特点：1 结构巧妙简单；2 外形尺寸相对较小，不占用大的空间；3 工作效率高；平稳地完成转位；4 具有柔性冲击，所以常用于速度不太高的场合。标靶的旋转运动靠槽轮和拨盘的相对运动来实现，手轮的旋转可以带动槽轮的旋转，这样一来，标靶旋转的度数可以由槽轮和拨盘之间的相对旋转度数来决定。标靶旋转一定度数之后，可以由 45 度斜向万向节来实现旋转一定度数之后的翻转运动。2.2.1 槽轮机构简介在图2.1中的外槽轮机构中，主动件拔盘以角速度w1 匀速转动，当拔盘上的圆销转到图1所示的A位置时，拨盘上锁止弧S1的起使边到达中心连线O 1O2位置，槽轮开始转湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 10 -动。当圆销转到A 1时，拔销退出轮槽，拔盘继续转动，槽轮却停止转动，我们称此时的槽轮被锁住，槽轮上的内凹锁止弧和拨盘上的外凸锁止弧啮合在一起。这样，主动拨盘连续转动就转换成槽轮的间歇转动。为避免槽轮在起动和停歇时发生刚性冲击，拔销开始进入和离开轮槽时，轮槽的中心线应和圆销中心A 的运动圆周相切，即拔销转到图1所示位置时，O 1AO 2A。图2.1 外槽轮二维图组成：带圆销的拨盘、带有径向槽的槽轮。拨盘和槽轮上都有锁止弧：槽轮上的凹圆弧、拨盘上的凸圆弧，起锁定作用。工作过程：拨盘连续回转，当两锁止弧接触时，槽轮静止；反之槽轮运动。作用：将连续回转变换为间歇转动。特点：结构简单、制造容易、工作可靠、机械效率高，能平稳地、间歇地进行转位。因槽轮运动过程中角速度有变化 ，不适合高速运动场合。2.2.2 槽轮机构优点(1)结构简单，工作可靠，效率较高;(2)在进入和脱离啮合时运动较平稳，能准确控制转动的角度;(3)转位迅速，从动件能在较短的时间内转过较大的角度;(4)槽轮转位时间与静止时间之比为定值。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 11 -2.2.3 槽轮机构缺点（1）槽轮的转角大小不能调节;（2）槽轮转动的始、末位置加速度变化较大，从而产生冲击:（3）在工作盘定位精度要求较高时，利用锁紧弧面往往满足不了要求，而需另加定位装置。（4）槽轮的制造与装配精度要求较高。由于这些原因，槽轮机构一般应用在转速不高的装置中。2.2.4 槽轮机构的工作原理 槽轮机构，又叫马尔他机构或日内瓦机构，由具有径向槽的槽轮1和具有拨销2的拨杆3组成，其工作原理如图2.2所示。图2.2 槽轮机构工作原理简图当拨杆转过一定的角度，拨动槽轮转过一个分度角，由图(a)所示的位置转到图(b)所示的位置时，拨销退出轮槽，此后，拨杆空转，直至拨销进入槽轮的下一个槽内，才又重复上述的循环。这样，拨杆(主动件)的等速(或变速)连续(或周期)运动，就转换为槽轮( 从动件 )时转时停的间歇运动。槽轮机构常采用锁紧弧定位，即利用拨杆上的外凸圆弧一锁紧弧A与槽轮上的内凹圆弧一定位弧B 的接触锁住槽轮。图(a)所示为拨销开始进入轮槽时的位置关系，这时外凸圆弧面的端点F 点离开凹面中点，槽轮开始转动。图(b) 所示为拨销刚要离开轮槽时的位置关系，这时外凸圆弧面的另一端点E刚好转到内凹圆弧面的中点，拨杆继续转动，E点越过凹面中点，槽轮被锁住。图 (c)为拨销退出轮槽以后的情况，这时，外凸圆弧面与内凹圆弧面密切接触，槽轮被锁住而不能向任何方向转动.由上述工作过程的要求，拨杆上的外凸圆弧缺口应对称于拨杆轴线。2.2.5 主要几何尺寸的设计公式图 2.3 为槽轮机构主要尺寸关系图。图中 O1 为拔盘中心， O2 为槽轮中心，L1 为湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 12 -拨销的轨迹半径;L2 为槽轮半径;L3 为中心距，h 为槽轮槽深, 为拨销半径, 为间隙。rb图2.3 槽轮机构主要几何尺寸关系图设拔盘轴的直径为d.为避免槽轮在起动和停歇时发生刚性冲击，圆销开始进入和离开轮槽时，轮槽的中心线应和圆销中心的运动圆周相切，从而决定了槽轮机构主要尺寸之间的关系，根据图2.4所示槽轮机构的设计计算公式湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 13 -）（ Rcr)(sin212 图2.4 槽轮机构主要几何尺寸计算关系图（1）已知参数：槽轮槽数z,拨盘上圆销数目m,中心距C=O 1O2拨盘上圆销半径R 拨盘转速 n1 (2) 槽轮运动角 :2= z2(3) 拨盘运动角 :2= (4) 拨盘上圆销数目 :m2z/(z-2)(5) 圆销中心轨迹半径 :R1= （6）槽轮外径： (7) 槽轮深度 :h=R1+R2-C+R T +(8) 拨盘回转轴直径 :d1 2（C-R 2）(9) 槽轮轴直径 :d22（C-R 1-R T ）(10) 拨盘上锁止弧所对中心角:=2 （/m-）(11) 锁止弧半径 :R0= R1-b-RT(12) 槽轮每循环运动时间: =(z-2)/z30/n1tf(13) 槽轮每循环停歇时间: =(2z-m(z-2)/( )30/n1dzm(14) 槽轮机构的动停比 k: k=(m(z-2)/(2z-m(z-2)湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 14 -(15) 圆销中心轨迹半径 R1与中心距C的比:=R 1/C=sin(/z)(16) 槽轮角位移： =arc ()/(1- () - +tansicos(17) 槽轮角速度： 2=（ （）- ） 1/（1+ 2-2cos（）co(18) 槽轮角加速度： 2=（ 2-1）sin（） 21/（1+ 2-2cos（） 2）(19) 槽轮最大角速度所在位置：=0 0 一般的取值范围为3-6mm, 当槽轮槽数z较大时。2.2.6 槽轮机构设计方案1）方案1要求槽轮机构的动停比k=1/3设:槽轮槽数Z=4；拨销m=1；中心距C=70；拨销半径R T=2mm；销与槽底间隙=3；槽齿宽b=5求解槽轮机构的尺寸参数：(1) 槽轮运动角： 2=2 /z=2/4= /2(2) 拨盘运动角： 2= -2=/2(3) 拨盘上圆销数目： m=12z/(z-2)=8/2=4(4) 圆销中心轨迹半径： R1=C sin()=70sin(45)=49.5(5) 槽轮外径 :R2=（ ） 2+R2T=49.52+41/2=49.54)sin(c(6) 槽轮深度 :h=R1+R2-C+R T =49.5+49.54-70+2+3=34(7) 拨盘回转轴直径 :d1=12 2（C- R 2 =2(70-49.54)=40.9）(8) 槽轮轴直径 :d2=12 2（C - R1- R T - ）=2(70-49.5-2-3)=31(9) 拨盘上锁止弧所对中心角:=2 （/m）=3/2(10) 锁止弧半径 :R0=R1-b-RT=49.5-5-2=42.5(11) 槽轮机构的动停比 k:k=(m(z-2)/(2z-m(z-2)=2/(8-2)=1/3(12) 圆销中心轨迹半径 R1与中心距C的比:=R 1/C=sin(/z)=sin(/4)=0.707湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 15 -2.2.7 方案1槽轮三维模型图2.5 槽轮三维图1）方案1槽轮设计图纸(1)槽轮湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 16 -图2.6 槽轮部分(2)拨盘槽轮机构的拨盘部分起驱动作用。本机构的拨盘如图7所示，本结构分2层，上层起驱动左右，下层起连接槽轮的作用。两层圈盘实为一体。图2.7拨盘部分2.2.8 槽轮机构的配合和表面粗糙度参照刀尖圆角来设计工件圆角,未注倒角C0.20.8，未注圆角R0.20.8。表面粗糙度配合面和滑动面Ra12.5，可见加工痕迹，一般用于没有相对运动的配合面。其它表面Ra25 ，为达到一般容许公差而切削后自然得到的表面，接触状态要求稳定的面，常见用手接触的面。Ra6.3（微见加工痕迹）和Ra3.2（不见加工痕迹）用于相对运动速度不高的接触面，要精车、精铰、精镗和精铣。拨盘和槽轮孔与轴低速旋转，拨销与槽低速相对运动，用间隙配合H8/f7。没有相对运动的配合，因受力较小，用小的过盈配合H7/h6槽轮外轮廓与拨盘凹弧的配合是H9/e9,大的间隙配合。中心距公差是0.02到0.03。2.2.9 槽轮机构的运动分析湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 17 -(1)槽轮机构运动起来是做变加速运动，槽轮机构的最大角速度出现在=0位置。(2)在拨销进入与脱离轮槽的瞬间，槽轮速度为零，但加速度不为零，所以产生柔性冲击。(3)槽轮机构的角速度和角加速度的变化取决于槽数z。(4)在选择槽数时，应该综合考虑多种因素。对于槽轮机构，槽数越少则工作效率越高，一方面，槽数越少角加速度变化越大，运动平稳性能差，槽轮机构的振动、冲击和噪声将随之加大;另一方面，随着槽数的增加，槽轮的结构尺寸将加大，从动端的惯性力矩也随着加大。同时当槽数z大于9时，槽轮机构的动停比K变化趋于平稳，动力特性的改善也明显减弱，但随着槽数增加将给机构的设计带来的困难将越大。因此，在实际应用中，槽轮机构的槽数多在4到8范围内。2.3 装置其他机构设计原理前后摆动运动的实现靠齿轮齿条之间的相对运动和伸缩杆共同作用，手轮旋转方向的变化，导致齿轮旋转方向的变化，最终决定齿条向前移动还是向后移动。为了保证手轮都在同一平面内，左右摆动运动机构中加了一组蜗杆蜗轮传动装置，这样一来，操作者更便于操作此装置。齿条移动的位移和速度取决于手轮的转速和齿条中的齿距的大小，转速越大，齿距越大，齿条移动的位移和速度越大。齿轮齿条的相对运动可以使相机采集到前后的数据信息。如此一来，45 度斜向万向节可以使相机采集到前后左右所没能采集到的数据信息。标靶的在闲时的竖立状态可以由简易机械手来维持不变。此套相机内参数标定装置由三组典型的运动机构巧妙地完成三个不同的运动方向数据信息采集，操作简单，装置简单但巧妙地完成四个复杂的运动。对于不常用小型的数据信息采集机器，手轮输入运动能量来源很符合装置要求，对于一些常用和大型的数据信息采集机器，选用步进电动机作为运动能量来源值得提倡，对于全自动化的数据信息采集机器，选用数控编程来控制四个复杂运动的逐步完成。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 18 -第三章 齿轮齿条设计3.1 齿轮齿条的概述3.1.1 齿轮传动设计概述齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递率可达到数十万千瓦，圆周速度可达 200m/s。以渐开线齿轮传动较为常用。齿轮传动主要有以下特点：1）效率高 2）结构紧凑 3）工作可靠 4）传动比稳定。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。齿轮的失效形式有以下几种：1.齿轮折断。2.齿面磨损。3.齿面点蚀。4.齿面胶合。5.塑性变形。除此之外，还可能出现过热、侵蚀、电蚀和由于不同原因产生的多种腐蚀与裂纹等等。根据上述失效形式可知，所设计的齿轮传动在具体的工作情况下，必须有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。因此，针对各种失效都应确立相应的设计准则。通常只按保证齿根弯曲疲劳强度既保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。3.1.2 齿轮齿条的材料选择齿条材料的种类很多，在选择过程中应考虑的因素也很多，主要以以下几点作为参考原则：(1)齿轮齿条的材料必须满足工作条件的要求。(2)应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成形方法及热处理和制造工艺。(3)正火碳钢，不论毛坯制作方法如何，只能用于制作载荷平稳或轻度冲击(4)工作下的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调制碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。(5)合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。(6)飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。(7)金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为 3050HBS 或者更多。钢材的韧性好，耐冲击，还可通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面硬度，故适用于来制造齿轮。由于该齿轮承受载荷比较小，应采用软齿面（硬度350HBS） ，故选取调制碳钢，足以满足强度要求，进行设计计算。湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 19 -3.2 齿轮齿条的设计与校核3.2.1 齿轮齿条运动所需的功率设 w 为最低旋转速（r/min） ，T 为以转速 n 旋转时系统的扭矩。n2n 为转速（单位 r/min） （3.1）起升功率 P=Tw （3.2） T=100N*m w 取 1（rad/秒） （3.3）P=Tw=1001(w) （3.4）3.2.2 各系数的选定计算齿轮强度用的载荷系数 K，包括使用系数 、动载系数 、齿间载荷分配AKV系数 及齿向载荷分布系数 ，即 K= （3.5）KAV1）使用系数 A是考虑齿轮啮合时外部因素引起的附加载荷影响的系数。该齿轮传动的载荷状态为轻微冲击，工作部分为标靶，动力来源为手摇，所以使用系数 取 1.25。AK2）动载系数 V3）齿间载荷分配系数 齿轮传动不可避免地会有制造及装配误差，轮齿受载后还要产生弹性变形，对于直齿轮传动，轮齿在啮合过程中，不论是有双对齿啮合过渡到单对齿啮合，或是有单对吃啮合过渡到双对齿啮合的期间，由于啮合齿对的刚度变化，也要引起动载荷。为了计及动载荷的影响，引入了动载系数 ，VK湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 20 -图 3.1 动载系数图4）图 3.1 动载系数 VK由于速度 v 很小，根据上图查得， 取 1.0。V5）齿间载荷分配系数 一对相互啮合的斜齿（或直齿）圆柱齿轮，有两对（或多对）齿同时工作时，则载荷应分配在这两对（或多对）齿上。对于直齿轮及修形齿轮，取 。1HFK6）齿轮载荷分布系数 K当轴承相对于齿轮做不对称配置时，受灾前，轴无弯曲变形，齿轮啮合正常，两个节圆柱恰好相切;受载后，轴产生弯曲变形，轴上的齿轮也就随之偏斜，这就使作用在齿面上的载荷沿接触线分布不均匀。计算齿轮强度时，为了计及齿面上载荷沿接触线分布不均匀的现象，通常以系数来表征齿面上载荷分布不均匀的程度对齿轮强度的影响。K根据机械设计表 10-4 取 =1.37。HK综上所述，最终确定齿轮系数 K= =1.25111.37=1.7125 （3.6）AVK3.2.3 齿轮传动的设计参数和许用应力的选择3.2.4 齿轮的设计计算湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 21 -湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 22 -第四章 蜗杆蜗轮传动的设计计算传动装置中传动零件的参数、尺寸和结构，对其他零部件的设计起决定性的作用，因此，应首先设计计算相机内参数标定装置传动零件。4.1 蜗轮蜗杆材料及类型选择4.1.1 选择蜗杆传动类型根据 GB/T10085-1988 的推荐，选用渐开线蜗杆(ZI)。4.1.2 选择蜗杆蜗轮材料考虑到蜗杆传动的功率不大，速度中等，故蜗杆采用 45 钢；而又希望效率 高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为 4555HRC；蜗轮选用铸锡磷青铜（ZCuSn10P1）,砂模铸造；为了节约贵重有色金属，仅齿圈用青铜铸造，而轮芯用灰铸铁（HT100 ）制造。4.2 设计计算4.2.1 按齿面接触强度设计湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 23 -根据闭式蜗杆蜗轮的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行计算，再校核齿根弯曲疲劳强度。由机械设计根据式子：m2dKT 2 （4.1）AK2)480(Hz(1) 确定载荷系数 因工作是有轻微振动，故取载荷分布不均匀系数 =1，由机械设计表 11-5K选取使用系数=1，由于转速不是很高，冲击不大，可选取动载荷系数 =1.1，VK= =11.0511.1 (4.2)KAV(2) 确定弹性影响系数 EZ因为选用的是锡磷青铜（ZCuSn10P1）的蜗轮和 45 刚蜗杆相配，故 160MpaEZ(3) 确定许用接触应力 H根据蜗轮材料为锡磷青铜（ZCuSn10P1） ，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，可从 机械设计 表 11-7 查得蜗轮的基本许用应力 =268 。HpaM应力循环次数N=60 =6019.55（165365）=1.67316 (4.3)hLjn2 710寿命系数 KHN， （4.4）938.01678HN= （4.5）pa4.251. MH（4）计算 m2d由于 z2=28，T 2=100 =100103 Nmm，故m2dKT 2 511.54 mm3 （4.6）284.512010.)48( ）（H因 z1=2，故从机械设计表 11-2 中查取模数 m=3.15mm,蜗杆分度圆直径d1=35.5mm。 4.2.2 蜗杆与蜗轮主要参数与几何尺寸(1)中心距 a= =61.85mm （4.7）2d1(2)蜗杆：轴向齿距 Pa= = =9.891mm； （4.8）m15.34湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 24 -直径系数 q= =11.27； （4.9）md1齿顶圆直径 =d1+2ha1=d1+2ha*m=35.5+213.15=41.8mm； （4.10）1a齿根圆直径 =d1-2hf1=d1-2(ha*m+c)=35.5-2（1 3.15+0.25 3.15）f =27.625mm； （4.11）分度圆导程角 = = （右旋） ； （4.12）tancrqz103.轴向齿厚 s= =4.9455 mm. （4.13）21m(3)蜗轮：蜗轮齿数： =28；2z变位系数： =0；x螺旋角： 10.03（右旋）蜗轮分度圆直径： =88.2mm； （4.14）2mzd蜗轮喉圆直径： = + =94.5mm； （4.15）2aah蜗轮齿根圆直径： = - = 80.325mm； （4.16）f2f蜗轮咽喉母圆半径： =a- =61.85- 94.5=14.6mm； （4.17）2gr21ad1蜗轮轮缘宽度：B=(0.670.7) =(28.00629.26)mm,取 B=28mm。14.2.3 校核齿根弯曲疲劳强度（4.18）FFaFYmdKTcos53.122当量齿数 = =29.32 （4.19）vz330.18根据 =0， =29.32，从 机械设计图 11-17 中可查得齿形系数 2.442xv 2FaY螺旋系数 = =0.928 （4.20）Y4.许用弯曲应力 = （4.21）F/FNK从表 11-8 中查得由 ZCuSn10P1 制造的蜗轮的基本许用弯曲应力 =56MPa/F寿命系数 =0.731 （4.22）969617300FN= =56 0.731=40.936MPa （4.23）F/K湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 25 -所以 = = 56FYmdKTFan2153. MPa64.3897.0423.681709.5 p即 ,弯曲强度校核满足要求。4.2.4 验算效率 （4.24）)tan(96.05v已知 =10.03， = ， 与相对滑移速度 有关，vvfrct svm/s （4.25）023os10642os106ndvs从机械设计表 11-18 中用插值法查得 =0.0175， =1代入上式得vfv(0.72390.732) 大于原估计值 0.7203，因此不用)tan()9.5.(v重算,且进一步验证了选择的可行性。4.2.5 精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所涉及的蜗杆传动是手动传动。从 GB/10089-1988 中，蜗轮圆周速度=n2 d2/60=0.04m/s1.5 m/s，故查课程设计表 3.66 选取蜗轮、蜗杆为 9 级精度，sv侧隙种类为 f,标注为 9f GB/10089-1988。蜗杆与轴做成一体，即蜗杆轴。蜗轮采用轮箍式，与铸造贴心采用 H7/r6 配合。查课程设计表 3.80 得蜗轮、蜗杆表面粗糙度如下：表 4.1 粗糙度蜗杆轴向齿距极限偏差 =25m；fpx蜗杆轴向齿距累积公差 =48m；1蜗杆齿形公差 ff1=45m；齿面 齿顶圆蜗杆 6.3,3.2 6.3, 3.2蜗轮 6.3,3.2 12.5，6.3湖南科技大学本科生毕业设计（论文）- 26 -查课程设计表 3.70 得：蜗杆齿槽径向跳动公差 fr=40m；查课程设计表 3.70 得：蜗杆齿距极限偏差 =40m；fpt蜗轮齿形公差 ff2=36m。4.2.6 热平衡计算(1)估算散热面积 S（4.26）14.085.63.013.07.75. ）（aS(2)验算油的工作温度 it室温 ，通常取 。0t2散热系数 =8.1517.45：取 =17.5 W/()；啮合效率 ；轴承效率 0.980.99，取轴承效率 2=0.99；搅油效率89.1 0.940.99，搅油效率 3=0.98；= 1 2 3