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微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 机械学院 140108 班 史永杰摘要目前我国大部分轴承产品加工企业，特别是一些中小规模的生产单位，对产品感官指标的检测还要借助于人的视觉和个人主观判断能力,因而占用了大量的人力,而且由于受到个人的视力、情绪、疲劳、光线等因素的影响,工作效率低,分选差异大。如何提高检测效率、检测的准确度，成为一个重要的研究课题。本次设计引入了一个新的现代化的检测技术：基于图像识别技术的在线检测。本次我的任务主要是设计整个检测线以及与其配套的相关执行系统、及相关软件。设计出了以同步带为传送方式的轴承输送带，设计出了 4 轴机械手，及其控制电器图，并编制了以部分系统软件。经过设计，证明基于机器视觉的轴承在线检测系统的开发完确是可行的，我们的设计完全可以用到轴承生产企业中去。关键字：图像识别；在线检测；同步带；机械手Abstract Currently ，most of bearings production enterprises of our country , especially some factories of medium and small scale, still need to ask for help from the persons sense of vision and personal subjective judgment abilities to the examination of the product sense organs index sign, as result of taking up a great deal of manpower, and because of being affect by the factors, such as personal sight, motion, fatigue and ray.etc., the work efficiency is low, and the difference of choosing is obvious. How to raise the degree of the efficiency and accurate examination, becomes an important research topic.This design led to go into a new modernized of examination technique: on-line examination based on image understanding technique. My mission mainly is to design the whole examination line performance system, and software with its kit of related. We have designed bearings belt taking synchronously belt as the conveying way, 4 stalk mechanical hands, and electric appliances controlling diagram, also we have drawn up parts of system software.Through designing, it shows that the development of bearings on-line examination system is reasonable; Our design can used in the manufactures of bearings production.Keywords: image understanding; on-line examination; synchronously belt; manipulator微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 机械学院 140108 班 史永杰目录第一章 概 述 11.1 前 言 11.2 国内外发展情况11.3 课题研究内容1第二章 系统总体设计32.1 系统总体技术分析 32.2 总体系统工作原理 22.3 系统描述及关键问题分析 42.4 系统总体的组成 52.5 总体系统的设计任务 6第三章 输送线的设计 73.1 自动线的设计选用要点 73.2 同步带简介 73.3 同步带的设计计算 10第四章 机械手的设计 164.1 引言164.2 机械手的组成 164.3 机械手的整体功能 174.4 机械手手部得设计 194.5 臂部设计 204.6 机身设计 214.7 底座设计 244.8 滚动轴承的选择计算 274.9 联轴器的选择 274.10 机械手的基本参数28微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 机械学院 140108 班 史永杰第五章 中间轴轴径估计295.1 初估轴径 295.2 零件的强度校核 30第六章 电路图设计336.1 微机测控系统的基本组成 336.2 基本工作流程过程396.3 单片机应用系统设计 396.4 机械手流程图 406.5 相关的系统程序 42总 结 43致 谢45参考文献 46附录 48基于局部平滑和数理统计实验的边缘检测技术摘要一个基于局部平滑和数理统计假设试验的边缘检测技术被提出，为检测和限制分布边缘和顶部边缘的光华和统计假设试验程序成为一个固定格式。得到了关于灰度面积和试验结果。讨论了所提技术的工作情况的优点、局限、典型因素。列出了提高的可能和将来研究方向。关键字： 边缘检测 数理统计实验 图像处理1 介绍大部分计算机视图识别系统中，边缘检测是前后处理阶段，在几乎所有的执行系统的展示中，精确可靠的边缘检测是一个典型的因素。随着各种亮度轮廓的变化，各种各样的边缘检测被文献定义。本文中我们只讨论他们中的二个。首先，是分布边缘，它指出了图像亮度功能的一个不连续。另一个，被称为顶端分布，他指出了图像功能连续但是在视图功能的起初规则物中的不连续性，更高阶段边缘可被类似的定义。但是，分布边缘阶段和顶端边缘被用来解释现实世界图像中的最普通发生边缘。因此，文章中提出的和讨论的边缘检测技术主要是针对检测中的这两种类型。Torre 和 Poggio(1986)和 Peli 和 Mallah(1982)提出了一个优秀的边缘检测概要。传统的边缘检测器，例如斜度检测器，Laplacian 检测器，或者 LaplacianGaussian 检测器提出搞跨度过滤操作。这些操作器仅仅适合检测有限类的边缘，并且，它对噪声非常敏感，会导致边缘分裂。最近几年的边缘检测技术基于最优过滤，随机邻域模型，表面适应，启发式国家空间研究，导向扩散，余留分析，攀岩式研究的总体开支最小化，模拟磨炼，平均领域磨炼，遗传学算法。在这篇论文中我们提出了一个可换方法。在一个灰度因素中，我们考虑了以给定因素P 为中心的一个 9x9 领域，这一个 9x9 矩阵可以被看作 9 个 3x3 次级矩阵的统一体。我们把被一个这样的数的矩阵称为 SO 因素，为了把他们从 SO 中区分出来，我们有时把原始图素称为 FO 因素，或者简单的称为图素。包含 P 的 SO 图素被称为 ， 有两对对角)2(P)(域毗连的 SO 图素构成的集合 ，并且有两对直接毗连 SO 图素构成的集合 ，下标 4DN4N指的是相配元素在 中是 的 4 个相连领域。对 和 中每一个 SO 图素，我们估4)2(P4ND计他们元素的加权平均为 3x3FO 图素。在加重的平均数中，每一个 FO 图素的加重决定于他跟 P 距离。加重的平均数中，每一个 FO 图素的加重决定于他跟 P 的距离。加重的平均数被认为是相对的 SO 图素的灰度水平值。必须指出的是，尽管每一个原图素的灰度水平是在 0255 范围中的典型整数。SO 图素的灰度水平是全体实数。因此在 SO 图素的上下文章中，术语灰度水平多少是一个符号的滥用，但他仍然不是混淆读者的原因。我们用计算机对 和 中每一对相对的 SO 图素测试不同灰度水平值得绝对值。这四个不同值中的4ND最大绝对值，被定义为 ， 是决定 P 是不是分布边缘因素的主要标准。如果在 P pM的 9x9 领域中没有分布边缘因素，这时我们预测 非常小，因此，8 个 SO 因素的灰度pM水平应该是彼此相当接近。如果 P 是一个分布边缘的图素，我们可以至少找到一对 SO 图素，图素被穿越图素 P 的边缘分割。也就是说这样的一对中的一个 SO 图素可被认为依靠边缘的一边，另一个图素依靠于边缘的另一边。根据我们的试验和试验结果，我们发现对大多数因素，这一个假设是正确的。因此，这种情况中，为这个 SO 图素对应值得绝对值的差异可能是导致 值很大的主要原因。于是我们可用统计学假设测试程序为 选择pMpM一个开始值。当决定着开始值大小时要考虑两个因素；一个是不可避免的噪音引起的灰度水平值的变化。另一个是由图像强度功能本身变化引起的灰度值得变化。我们提示并采用局部平滑技术来区分这两种变量来决定开始值（初始值） 。对于顶部边缘，就分布边缘而言，新增加的情况跟那个 相似。我们仍然得到另一个为顶部边缘特殊设计的条件。如果一p个因素满足两个条件，那么他就被标为顶部边缘因素。从如上我们所给出的方法的简单讨论，我们可以看出使用局部光滑概念和 SO 像素概念来移除噪音。同时也用每一对 SO 图素灰度水平值差异，沿着四个方向来检测边缘。而且，在边缘检测中，一定程度上他消除了不明显亮度功能的变化的影响。跟那些基于表面适应技术的相比，我们可以看出，我们没有在一个图像因素 P 的领域中使用模型来模拟不明显图像亮度功能，也没有计算它的复合物估计值。相反地，我们直接使用灰度水平值差异为每一对 SO 图素来测量灰度水平对 P 的不连续程度。考虑到非常明显的图像亮度变化，这使得我们的技术模型独立，因此更灵活。不像其他绝大多数在文章中被发现的操作者，在边缘检测中，我们的技术考虑了四个不同独立方向，而不是仅仅在 X 和 Y 方向。考虑到不明显图像亮度功能的局部光滑，这使得我们的技术更加灵活。文章中其余部分安排如下：在第二部分，我们讨论我们的分布边缘检测技术，并且简述了一个分布边缘检测算法。我们讨论了一些影响我们算法运行的典型因素，并且跟传统的边缘技术比如 Sobel 和 Log 造作器进行了比较。在第三部分，我们提出并分析了关于一些灰度面积图像的算法结果。在第四部分，我们提出了一个顶部边缘检测的算法，并且用一个简单的例子进行了解释。最后，我们总结了全文，并且简述了未来的研究方向。2 分布边缘检测我们使用符号 P（i.j ）表示在点（ i，j ）处图素的灰度水平， （i=1，2，N，j=1,2, M）.在每一个图像图素 P（i.j ）处，在图素点（ i，j ）中心处，构建了他们的矩阵。假设图像在边界处事被包围的，以图素 P（i.j）为中心的 9x9 矩阵构成了 9 个 SO 图素。SO 图素的中心被称为 （i,j）,狠命，很明显地， （i,j）有二对构成集合 的对角线领域图素)2( )2( DN和两对构成集合 的直接领域 SO 图素。根据他们的位置，这些 SO 图素被定义为4N（i+r,j+t）)2(P( )。1,tr我们利用计算机测试了 3x3 FO 像素和一个 SO 像素的灰度水平值得权重，认为权重就是 SO 像素灰度水平值。通过考虑 SO 像素 （i-1,j+1） ，我们解释了计算权重的过程，)2(P如图 1 所示，在平均权重中我们用的权重集合 描述如图，像素 （i-5431,a)2(P1,j+1）用同样的权重。就距离尺寸来说，可以被认为到 P（i.j）点是等距离的。我们要求权数 满足如下条件：54321,a（i） 125432a.5,4321,0iai图 1 以像素 P（i.j ）为中心的 9x9 模板图 2 ， 满足的比例关系54321,a)(321b(2) 是按照线性顺序依次递减，并且有一定的比例关系，如图a（2-a）中，水平轴上数字4 ，5，6，7，8说明了一个事情：权数 a 像素距离 P（i.j）是 4个单位，其他依此类推，所用的距离尺寸是 的距离尺寸，条件（i）保证了权数是正数4D并且是标准化的。条件（2）保证了随着到像素 P（i，j ）距离的增长，权数是线性递减的。这两个条件实际上反映了在用统计中心平滑技术上的三角形中心密度功能。对一个关于多类型平滑中心，详细讨论，我们参考了最近很吸引读者的一本书，作者是 Wang 和 Jone。我们加强了一个额外限制，那就是直角三角形的斜边，如图 2（a ）.跟横轴相交在点9。这说明了一个事实，那就是像素跟 P（i，j ）距离为 9 或者更远时，在我们关心的领域之外，一个满足了以上所有要求的唯一连续权重 才可以被确定：54321,a（2.1）7/,/3274,/5,4321a相同的权重被用在属于 的其他 SO 像素中。那就是 DN),1()2jiP和 。),()2jiP)1,()2jiP考虑到 SO 像素 的权重 ，我们要求权数满足如下条件：)( )(3321b（i） 3321b,0ii（ii） 随着到像素 P（i，j）距离的增达，权数线性递减；（iii ） 直角三角形斜边叫水平轴于点 5，如图 2（b）.后面的合理的条件跟我们所引用权数 相同。满足以上所有条件的唯一方法是,ia给出 。 18/,96/)(3321b（2.2）相同权数被用在属于 的 SO 像素中。那就是 和4N),1()2jiP),1()2jiP),1()2jiP给出权数就可以得到像素 和 的灰度水平：),1()2jiP),()2ji用类似的方法可以得到其他的 和 SO 像素的灰度水平。直观地说，4N， ，)1,()1,()2)2 jiPjiP )1,()1,()2)2 jiPjiP和 的差可被当为在像素)()( ,)()( j处的不连续度的度量。如果在以像素 为中心的 9x9 面板中，没有分布边,ji ,i缘像素，那么上述所有的差将会是非常小，另一方面，如果 是一个分布边缘像素，),(jiP那么他们中一些可能被预计非常大。然而，其他两种因素也需要考虑：一个是在 9x9 面板中不明显图像亮度功能的变化，另一个实在图像中可能的噪音引起的水度水平的变化。直观上，亮度功能沿着一个方向上的变化可以通过它的初次命令定向复合物来测量。从方向 P（i+3，j-3）到 P（i-3，j+3） ，我们用 来估计初次命2/)()1,(djiD令定向复合物，在那里：2/)()1,(djiD（2.5）在这儿， 和 被认为是定向复合物在 P（i-3，j+3 ） ，P（i+3，j-3）的各自的估计1d2值，而 是他们的平均值。著名的拉格朗日中值定理中微积分告诉我们，对一),(jiD个函数 f(x)和两点 ，只要在区间 中 f(x)值不等，则有： 21,x ,21x。这个等式说明，当 x 从 ，f(x),),()( 2112 xffxf 2变 到的变化值近似等于两点之间的距离与导数之积。我们定义：， )1,(625)1,(* jiDjiD )1,(625)1,(* jiDji， 。 38 )1,(38*ji（2.7）和 被用来测量从 P（i+3，j+3 ）到),1(),1(),1( * jijiji ),1(*jiP（i-3， j-3） ，从 P（i+3，j-3）到 P（i-3，j+3）,从 P（i+3，j ）到 P（i-3，j） ，从P（i，j+3） ，P （i，j-3）的各自的亮度功能变化。我们定义他们为修正术语，此亮度函数是线性，而且此时在 P（i,j）不存在边缘时，边缘检测标准值等于 0，因此选择乘法因子 25/6，8/3 。换句话说，两度函数的线性变化受边缘检测方法的限制，这些二乘法因子的复合物用 A 给出，我们定义： )1,()1,()1,( *)2)21 jiDjiPjiP)()(2 ),(), *)2()(3 jijiji1,1)()2(4 DP其中g(i,j) 是真实灰度水平，n(i,j)是独立统一分布的噪声模型，其中均值为零，方差为 。2 ,.2,.2),(,),( MjNjinjigji 经过一些简单的代数处理，我们可以得到：（2.9）,60.2)()(31stdt ,7951.)()(42stdt指的是标准偏差 ，我们定义ifor i=1,3 ; for i=2,4; ./ii ./ii（2.10）如果在以 P（i，j）为中心的 9x9 面板中没有边缘像素，通过统计学中心限制理论，（2.8）全部近似于正态分布，均值为 0，方差为 。因此，他们中门每一个是,4321218 个可观的灰度水平的线性联合。我们定义：,max 4321),( jiPM（2.11）作为分布边缘检测标准。统计实验相对应的 计算如下：),(jiMp)(,(CjiPp总体来说，当在以 P（i，j）为中心的 9x9 面板中没有边缘像素时，同时，当 非常小时， 另一方面，如果.)(),(的 几 率几 乎 没 有 超 越 CjMp我们有足够的理由在 9x9 面板中得到边缘像素， 在这种情.),(CjiMp远 远 大 于况下，我们定义 P（i，j） 就是一个分布边缘像素。因此， 可以作为 的初)(),(jiMp始值。但在大多数情况下，我们不知道 值，必须从图像数据中估测，再下面的讨论中，我们提出了两个估计 的方法。 的可应用初始值可被算出。),(jiMp（2.12）)(2/)1(4ZC简评 2.1决定重要水平 ，没有混淆时，我们有时可以把它作为初始值，表 1 列2/)1(4举了几个 值，对应着的 值和 的值。2/)1(42/)1(4Z在上述假设测试方法中，对每一个像素检测一个错误边缘的可能几率是 。另一方面，边缘跳动值小于 时，可以被忽略。尽管它涉及到可靠水平 ，因7951.2/)(41Z 为使用了中心极限定理，它提供了有限样本容量的近似正态分布，这个关系仅是一个近似。在典型应用中，初始值仍然需要一定探索调整。理论上来说，建立一个统计统一的边缘监测方法是没有苦难的。因此，随着图像空间解决方法的增长，丢失边缘或者检测错误边缘的几率会趋向于 0，我们建议由兴趣的读者可以看相关讨论获取这方面更多的细节知识。的一个自然期望是以 P（i，j ）为中心的 9x9 面板的灰度水平的样本标准复合值。但是如果在面板中有边缘像素，则期望值很不充分。因此，我们用如下方法提出了期望值 。在每一个 8 领域 SO 像素中，我们计算出了 3x3 FO 像素的灰度水平的样本均方差，这些均方差定义如下： )0,(,10,),(2 trtrjis我们定义： )1,(),(),(),1(),( * jijijijimedanji ；2/,1, 22ss；/)1,()()( jijiji；/, 22ss；2/),()1()1( jijiji我们假设 P（i ，j）是边缘像素，那么上面所有例子的 SO 对中，至少有一对是这样的，在那一对中，其中一个 SO 像素是边缘的一边，另一个是像素的另一边。 的期望值基于上述 SO 像素对将不会被以像素 P（i,j）为中心的 9x9 面板中的边缘存在而影响。换句话说，提供了一个 的好的期望值，是否在以 P（i,j）为中心的 9x9 面板中有边缘像素。),(ji我们把 称为 的 0 要求期望，因为样本方差 可被认为是随机均值平),(2tjris方，当在 SO 像素 中，样本均值被认为是真实 FO 像素的灰度水平的期望),(2tjriP时，样本均值是一个零阶期望，它是一个零阶多项式。明显地，每一个 是 的一个粗略期望，因)0,(,10,),(2 trtrjis 2为在相应的 SO 像素中，样本均值是实际上的 FO 像素灰度水平是一个粗略期望。一个更精确的 期望可以如下构造。在每一个 8 个领域 SO 像素 （i-r,j-t）中，我们完成了一 )2(P（2.14）个低级平方平面适度。得到了随机均值平方 ，然后通过一些代数运算，我),(2*tjris们得到了 的如下表示: ),(2*tjris（2.15）)(61 YPXY 是一个 9x1 矢量，这些元素是在 （i-r,j-t ）执行为主的扫描方式中的 3x3 FO 像素灰2(度水平，9x9 矩阵 如下：x（2.16）我们接着定义：)1,(),1(),1(),(),( * jijijijimedanji （2.17）在这里：；2/)1,(),()1,( 2*2* jisjisji；/),j；/)(),1(),( 2*2* isjisji；2/)1,1j我们对如上讨论的分布边缘检测方法做一个总结：1 对每一个像素，P（i，j ）其中 i=1，2，N, j= 1,2,M, 考虑以 P（i,j ）为中心的 9x9 面板，用公式（2.1）-（2.4）计算 （i-r,j-t） ，此时，)2(P（2.18）和1,0,ti )0,(,tr2 用公式（2.5）（2.7）计算 和),1(),1(),1* jiDjijiD),(*jiD3 用公式（2.8）和（2.10） ， （2.11）计算 的值。),(jiMp4 用公式（2.13）（2.14）或者（2，172.18）来得到 的一个期望值。用公式（2.12）得到一初始值 ，在很多的实际应用中， 可以)(C2/)1(4Z选择在 7.5 或者 10 。5 比较 与 大小，若 则 P（i，j）可以被确定为一),(jiMp( ),10(,jiMp个分布边缘素像。我们可以用如下简短的评论确认我们的边缘检测技术：评论 2.2在公式（2.3）和（2.4）中，我们用公式 2.1，2.2 中给出的不等权数来代替相等权数。因为如下考虑：如果我们在式 2.3 和 2.4 中使用了公式 2.1，和 2.2 中的不等权重，那时：， 如果我们在式 2.3 和 2.4 3572.0)1,()2jiPstd 36.0),1()2jiPstd中用等权数，那么 。这些标准偏差1,()() jiPstd值说明：用同样的权数或者不同的权数在噪声剔除能力中几乎是一样的，但是，同一权数比不同权数的模糊影响大。对于更多的关于权数选择的详细讨论，我们建议由兴趣的读者可以阅读 Gonzalez Woods，主编的书的第四章的 4.3 节，出版于 1992 年。另一个用不同权数代替统一权数的考虑就是为了增加边缘检测精度。如果我们用相同的权数，那时，距离实际边缘的 3 个单元像素仍然有很大的可能被检测出来。如果我们在以 P（i,j）为中心的 9x9 面板中使用不同权数，就像我们在公式 2.3-2.4 中那样， SO 像素的权数中心很接近P（i,j） ，这样会使可能检测到的边缘局限性增加。实际上，在距离实际边缘 2 个单位处的像素很难被检测到。简评 2.3我们建议在公式 2.12 中使用 0 级或者初级的 期望，我们也可以用 的高级期望，但那将会涉及很大的一个计算空间。我们的试验结果显示，在大多数实际应用中，初级期望提供了足够的精度，因为最小的正方形平面，为小区域中的真实图像亮度表面提供了一个很好的适应。而那些小区域的图像亮度函数时连续的。简评 2.4P（i,j）为中心的 9x9 面板是最小的尺寸面板，他包含了以无重叠的 SO 像素为中心的8 个领域，这简化了我们的理论分析。简评 2.5在模型中，我们假设噪音样本 n(i,j)是独立的，满足统一分布，且有同一个方差 ，2然而，在大多数情况下，噪声样本是相互关联的，它的方差可能是一个与空间坐标有关的函数。在后者的情况下，我们的方法仍然是很适用的，因为我们提出的方差期望是一个局部集合模型，在式 2-9 中，我们确定假设噪音样本是独立的。如果噪音是相互关联的，式 2-9 中的系数需要作适当的修改，而修改决定着相关模型。对于相关细节的讨论，我们建议由兴趣的读者参考 Cressie 写的相关书。比较那些传统的边缘检测技术，我们的边缘检测标准由如下优势：1 通过使用校正方法，不明显亮度函数变化几乎从边缘检测标准中删除。更特别的是，有着合适值。),(jiMp),(21),(.2),( jighjiCjiP如果（i,j）处的像素是一个边缘像素，否则，C（i ，j）指的是在像素（ i，j）处亮度函数的分布长度，h 是窗口亮度。不明显亮度函数的变化对于边缘检测的影响被二阶方程所反映。对于大多数其他边缘检测，这个影响值近似于),(21),( jigjig，因此线性函数 从我们的边缘检测标准中排除。 ),(jihg2 在构造边缘检测标准时我们用方法 4 代替了原来故有的 X，Y 方向。这使得在处理图像亮度函数的局部光滑能力上，我们的方法更加灵活。3 在边缘检测过程中，校正函数导致了噪音进入，但是，通过引入 FO 和 SO 像素概念，通过在每一个 SO 中使用局部平滑方法，噪音的影响已经被极大的消除。每一个 SO 中灰度水平的噪音变化大约是每一个 FO 的噪音变化的 1/9。本文下一个部分的实验结果将会证明上述观点。微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-121第一章 论述1.1 前言检测技术是现代制造业的基础技术之一,是保证产品质量的关键。随着现代制造业的发展,许多传统的检测技术已不能满足其需要,表现在:现代制造产品种类有很大的扩充,现代制造强调实时、在线、非接触检测,现代产品的制造精度大大提高;现代制造业的进步需要研究新型的产品检测技术。计算机工业图象检测是将计算机视觉应用于工业检测的一门交叉学科。计算机视觉,指的是利用计算机技术对景物的图象进行识别,以实现对人视觉功能的扩展。利用这一技术可以解决许多工业图象检测环节的问题,以取代落后的人工检测,提高检测效率和工业自动化水平,构成带视觉环节的反馈控制系统。视觉检测技术具有非接触、速度快、精度合适、现场抗干扰能力强等突出的优点,能很好地满足现代制造业的需求,在实际中显示出广阔的应用前景。视觉检测技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴检测技术,可用于工业领域的很多方面,如零件检验与尺寸测量、零件的缺陷检查、零件装配、机器人的引导和零件的识别等。轴承是机械行业的一个非常重要的零件,使用极其普遍且品种繁多,轴承的加工精度和质量关系到机械产品的使用性能和质量,因此对各种轴承的加工质量检测一直是轴承加工厂家关心的问题。1.2 国内外的发展现状目前我国大部分轴承产品加工企业，特别是一些中小规模的生产单位，对产品感官指标的检测还要借助于人的视觉和个人主观判断能力,因而占用了大量的人力,而且由于受到个人的视力、情绪、疲劳、光线等因素的影响,工作效率低,分选差异大。而且这种用肉眼检测轴承接触面的方法来测量齿面加工精度,这种检测方法是不足以胜任的,因为检测质量的结果依据各个检测员而不同。虽然座标检测机能对齿面进行批量检测,但目前市售测量机不能精确地检测轴面周边和不规则的表面,而且此类检测机需要相当长的检测时间。且该检测机的自动化程度不高,检测产品单一,且开发费用较高，与我国现有肉食品加工业的先进生产装备水平极不相符,也制约了机械制造业的长足发展。1.3 课题研究内容基于机器视觉（图像识别）的监测技术在有些行业已经得到较好的应用，而且创造了极高的价值。针对目前轴承检测过程中暴露出的问题, 为了提高生产效率，节约成本，我们必须建立一种全新的检测技术，用以替代落后的人工检测。而采用基于计算机的视觉检测和图象处理技术,设计一轴承外表的自动视觉检测系统,成为我们必然的选择。本文根据我国目前的检测系统的发展水平，监测系统的设计要求，发展现状，今后的发展趋势，对可以在企业内部使用的基于图像识别模式的检测系统进行研究，采微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-122用同步带做为输送线，用两个四自由度机械手代替人工操作，用 CCD 摄像机进行图像采集，经过处理后，用先进的单片机进行集中控制，实现了自动化，准确化检测，提高了检测系统的可靠性、准确性、实用性。微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-123第二章 系统总体设计2.1 系统总体技术分析基于图像识别技术的轴承检测系统是提高精确化，高速化，自动化检测的重要方法，目前图象检测技术在诸如:液面和厚度的自动检测、焊缝自动跟踪、集成电路芯片焊点的自动定位、零件表面坏损的自动检测、印刷电路板表面缺陷的自动检测等领域都已有较好的应用。因此通过光-电技术、图象识别处理技术及计算机控制技术等,对“对轴承的感官指标进行在线图象检测”的关键性技术进行研究应该是可行的。这种采用 CCD 采集图像的检测技术主要有以下几个优点：100%的检测比例,这样可以更好地控制产品质量 ,而许多人工检验是抽样检验;一致的检验效果,不存在疲劳问题;可以降低检测成本,提高产品质量的可信度;可以面向所有的轴承产品,甚至其它的机械零部件；22 系统的工作原理轴承外表视觉检测系统,在线工作。生产流水线中被测轴承按照一定的节拍在输送带上运动,由机械手在特定的位置将其搬到戴检测位置，然后由 CCD 摄像机进行图像提取。图象的获取与轴承的运动同步进行;被测轴承的各检测项目信息处于特定的背景中,通过图象预处理将其从中提取出来,与设置的标准模板匹配,即对已有的模板与被检测物体进行分析,对两个图形的相似程度进行度量,并返回图形之间的相似度值,通过相似度值来判断模板与被检测物体是否相同或相似,同时将检测结果及时报告或通讯给其它执行系统,从而实现对轴承加工质量的正确分类(一定要求的正品和废品) 。因此,该视觉检测系统由下列子系统组成: 光源和光学成像系统; 摄像与图象处理系统 ;用于控制摄像、图象处理、图象分析的计算机系统;与生产线的同步通讯和运动控制系统; 输出检测结果系统，执行系统。其一般过程如图 1 所示。具体工作流程如下：1 当启动检测线，第一个轴承到位以后，经过视觉传感器，判断目标是否到位，然后由控制机发出启动机械手甲的指令，当甲手启动到位的时候，要求那个轴承也恰好到位，此时，机械手可直接抓取目标；2 当机械手甲将目标放到检测位置时，由传感器 2 判断目标到位情况，然后由控制机发出指令，启动 CCD，进行第一个目标检测，经过一系列的图像处理，判断图形真伪，然后传给控制机；3 当为不合格的目标时，控制机发出指令，机械手乙动作，将目标放到废品箱；4 如果不是废品，则将目标放到生产线上。5 以后，每隔 4 秒钟，CCD 获取图像一次。而两个机械手则实现放料，送料。微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-124计算机图像采集卡CCD机械手甲 废品箱机械手乙 XY机械控制箱2.3 系统描述及关键问题分析轴承质量的检测方法,检测系统，既要适应检测生产线工作方式的不同,又要适应轴承换型的要求,同时还要满足一定的实时性要求.由于生产过程中,必须对每一个轴承都进行检测,这就要求图像检测、图像处理的速度必须跟得上生产线的运行速度.在摄像用光方面,既可采用背光也可采用正光.实践表明:如果采用背光 ,有利于对图像进行目标分割采用图像处理方法,进行轴承质量在线检测,需要解决以下几个关键问题:(1)目标(轴承 ,下同)分割轴承的合格与否,最终要归于它所包含的每一个检测小目标是否全部合格,所以能否把这些小目标全部并且正确地从图像背景中分割提取出来,微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-125是整个检测任务中的首要问题.(2)摄像同步及目标定位在获取药板图像时,我们让一幅图像里只包含一个完整的轴承,也就是一次只检测一轴承.这样,每当开启整个生产线后，一个轴承被传送到图1 中 A 处时,必须由生产线即时给出表示该轴承已就位的同步信号,并送给计算机以启动图像采集和处理.以后 CCD 则按照一定的频率进行图像采集。目标定位与 CCD 图像传感器的工作原理,以及同步信号的接入位置有关.这里采用廉价的主要应用于普通监控场合的 CCD 图像传感器进行轴承图像获取,它按照普通电视制式工作而没有外部触发拍摄功能,它的一帧视频图像一般占时 40ms.图像传感器与生产线相互独立地工作生产线给出的同步信号送给计算机,通知计算机在从视频采集卡送来的视频流中截获一帧图像.由于生产线给出的同步信号的周期取决于所要检测的轴承在运动方向的长度。.因此,大多数情况下,同步信号周期不是 40ms 的整倍数,这样在轴承被传送到 CCD 图像传感器视场中心位置的瞬间,生产线发出同步信号通知计算机试图采集此时的视场景物图像,然而大多数情况下此时的视场景物并不能被捕获到,实际获取到的图像大多数都是在中心位置之前或之后一段时间( 不大于 40ms)拍摄到的,即实际获取到的图像与中心位置的图像发生了错位, CCD 图像传感器实际获取到的发生了错位的图像.由于目标偏出视场,这就需要把摄像区扩大,以使目标不会偏出,但也不能过分大,以免一幅图像中包含两个完整轴承.所以,在实际检测识别时就需要跟踪这种错位导致的抖动以捕获到目标.（3）机械手跟生产线，CCD 的同步问题。当地一个轴承到位以后，经过传感器的判断，由控制机发出启动机械手甲的指令，当甲手启动到位的时候，要求那个轴承也恰好到位，此时，机械手可直接抓去；当机械手甲将目标放到检测位置时，控制机发出指令，CCD 动作。进行第一个目标检测，以后，每隔一定时间，CCD 获取图像一次。当有不合格的目标是，控制机发出指令，机械手乙动作，将目标放到废品箱，如果没有废品，则将目标放到生产线上。（4）机械手的协调运动；要求机械手为四轴联动，这样，就对机械手的内部构造，动力系统的控制同步技术等提出了一定的要求；2.4 轴承缺损检测系统的组成基于机器视觉技术的轴承缺损检测系统总体上由硬件和软件两大部分组成由图 1 我们可以看出，硬件装置包括传送装置，机械手。传送装置在机器中分为两个区域:检测区和分离区。在检测区 ,通过高速摄像机将传送中连续的轴承图像传输到计算机中,计算机对记录下的图像进行分析,分辨出损坏轴承。当轴承进入分离区时,横向机械操作手执行剔除命令,使废品落入废品箱,而成品正常落入成品区,从而实现成品和废品的分离。软件主要包括对机械手控制程序的设计，计算机图像处理，控制机的指令设计。因此整个系统包括：传送线、 机械手、CCD 摄像机、一些传感器、控制电路，上位机、下位机等。微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1262.5 总体系统设计任务1 传送带的形式、速度、及其它参数；2 机械手的设计和工艺要求；3 为机械手各轴选择电机和驱动机构；4 电机的控制顺序等；5 计算机控制系统设计；2.6设计工作量（1）设计图量 A0 号 4 张：其中：总布置图 A0 一张部件装配图 A0 一张零件图折合 A0 一张单片机控制原理图 A0 一张（2）说明书 2.5 万字左右微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-127第三章 输送线的设计而在现代化工业生产领域中，材料的搬运，机床上下料，整机的装配等实现自动化是十分必要的。自动上下料装置使散乱的中小型工件毛胚经过定向机构，实现定向排列，然后顺次的由上下料机构把她送到工作位置中去，并把工件取走。我们的轴承在线检测是大批量生产，要求检测率高，机动工时短，3.1 自动线的设计选用要点：1 按照生产批量或者生产率计算出所需的上料节拍，或者上料生产率，2 根据工件的类型，尺寸，形状，从必要性和可能性综合考虑合理的自动化程度，选用合理的送料、定向机构。3 当上下料装置的总体反感确定以后，应作深入的分析和评价，一个好的输送线应该达到：1） 提高设备生产率，显著减轻工人的劳动强度；2）工作稳定可靠，运转噪音小，不会损伤工件，使用寿命长；3）结构紧凑简单，最大限度地采用标准化零部件，通用性好，易于制造，易于维修，成本低；传送线的方式有很多种，照工作原理，又摩擦传动，齿形传动，啮合传动，流体传动，电力传动等。而每一个传动有很多类型，比如啮合传动中的链传动：套筒辊子链，套筒链，齿形链等。经过充分考虑，我们决定采用效率很高的同步带作为我们的输送线。3.2 同步带简介一、同步带传动的特点及应用同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力（见图 721） ，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体,这种带薄而且轻，故可用于较高速度。传动时的线速度可达 50m/s，传动比可达 10，效率可达 98。传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。其主要缺点是制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。所以同步带广泛应用于要求传动比准确的中、小功率传动中，如家用电器、计算机、仪器及机床、化工、石油等机械。微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-128同步带有单面有齿和双面有齿两种，简称单面带和双面带。双面带又有对称齿型（DI）和交错齿型（DII）之分（见图 721） 。同步带齿有梯形齿和弧形齿两类。同步带型号分为最轻型 MXL、超轻型 XXL、特轻型 XL、轻型 L、重型 H、特重型 XH、超重型 XXH 七种。梯形齿同步带传动已有标准（GB113611136289） 。在规定张紧力下，相邻两齿中心线的直线距离称为节距，以 p 表示。节距是同步带传动最基本的参数。当同步带垂直其底边弯曲时，在带中保持原长度不变的周线，称为节线，节线长以 LP表示。同步带带轮的齿形推荐采用渐开线齿形，可用范成法加工而成。也可以使用直边齿形。以下是同步带设计计算步鄹：计算项目 单位 公式及数据 说明设计功率PdkW Pd=(k0+k1+k2)Pk0工况因数，见表 13158k1张紧轮影响因数，见表 13159k2增速传动因数，见表 13160P传动功率，kW节距Pb mm根据 Pb 和 n1，由图 13-1-8选取 n1小带轮转速，r/min小带轮齿数 z1z1z minzmin见表 13-1-61小带轮节圆直径 d1mm 带速 v m/s 型号 MXL，XXL，XL L， H XHXXHvmax 4050 3540 2530传动比 i n2大带轮转速，r/min大带轮齿数 z2z2=iz1 大带轮节 mm 微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-129圆直径 d2初定中心距 a0mm 0.7(d1+d2)a02(d 1+d2)初定带的节线长度Lop 及其齿数 zbmm 按表 13-1-48，13-1-49，13-1-50，13-1-51 选取接近的 Lp值及其齿数 zb计算中心距 amm 1小带轮包角小带轮啮合齿数 zm一般 zmz m min=6额定功率P0kWTa带宽为 bso的许用工作拉力，见表 13-1-64m带宽为 bso的单位长度的质量，kg/m，见表 13-1-64带宽bs mm 按表 13147 选定bso选定型号的基准宽度，mm，见表 13-1-64kz小带轮啮合齿数因数作用在轴上的力 FrN 微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-12103.3 同步带的设计计算一 用作输送带（1）给出传动要求1）传递名义功率： P = 2.2 KW;2) 主动轴转速=从动轴转速 min/10r3) 原动机 2.2kw 异步电动机4）运转时间 每天 24 小时5) 中心距要求： a= 1000mm（2）传送带的节距和型号1）计算设计功率a) 由表 6-61 查的载荷的修正系数 8.10kb) 计算设计功率 )(963wPmd2） 传送带型号和节距由 。查图 6-9 节距代号为 H。对应节距为 )(96.3kwPdin/10rH ： s b2th12.7 40 6.12 2.29 3.663) 确定带直径和节线长1 由表 6-69。H 形带，带轮转速 min/10r最小齿数 Z = I4 ，取 Z=36小带轮直径zpdb6.4537.221 2 选择带长 pL180/)(2/)(cos211ddap m8.24576.450查表 6-59，同步带长 GB11616-89，取 mLp2450Zb齿 数微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-12113 传动中心距： mZpMb7.520)2(81Pab4.1(212（4） 选择标准带宽1 确定基准额定功率Z= 36 ， 转速mzpdb6.14537.221 。min/0r由表 6-60，内插法，H 型带基准额定功率 。kwP.02 确定额定功率A 啮合齿数 zk 6)(2(1211ZazentZbm则： zB 带宽系数 （ 同步带基准带宽）wk14.0)(sb2.76sosobC 确定额定 P 14.00)(smzPk3 选择带宽： 根据设计要求， d则可以得到： 856.2)(14.0kZPbs按表 6- 58，查 mm2.76s（5） 结果整理1 选用 H 型同步带 mb.120b齿 数微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1212mmmLp25402.76sb2 带轮 3621Zzpdb6.14537.221 3 传送带中心距近似计算的： ma.0我们将传送带分成十分， sTLv/6.524则，我们选择 。的 原 动 机smn/30二 用作传动带1）传递名义功率： P = 2.2 KW;2) 主动轴转速=从动轴转速 min/30r3) 原动机 2.2kw 异步电动机4）运转时间 每天 24 小时5) 中心距要求： a= 500mm（2）传送带的节距和型号1）计算设计功率a) 由表 6-61 查的载荷的修正系数 8.10kb) 计算设计功率 )(9630wPmd2） 传送带型号和节距由 。查图 6-9 节距代号为 H。对应节距为 )(96.3kwPd in/1rH ： s b2th12.7 40 6.12 2.29 3.663) 确定带直径和节线长微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-12131 由表 6-69。H 形带，带轮转速 min/30r最小齿数 Z = I4 ，取 Z=14传动比 6.52301ni按照标准带轮齿数，取.7812i 72Z小带轮直径 mzpdb6.5147.1b0.29.224 选择带长 pL180/)(2/)(cos2211ddap 534.5.arcsinrin2 180)26.0.91(34.05pL= 15995.42mm查表 6-59，同步带长 GB11616-89，取 mLp2.160Zb齿 数5 传动中心距： ZpMb175.2)2(81mZPab496.0(212（6） 选择标准带宽微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-12142 确定基准额定功率按照标准带轮齿数，取26.781iZ72Z转速 。min/30r由表 6-60，内插法，H 型带基准额定功率 。kwP4.02 确定额定功率A 啮合齿数 zk 6)(2(1211ZazentZbm则： zB 带宽系数 （ 同步带基准带宽）wk14.0)(sb2.76sosobC 确定额定 P 14.00)(smzPk3 选择带宽： 根据设计要求， d则可以得到： 856.2)(14.0kZPbs按表 6- 58，查 mm2.76s（7） 结果整理1 选用 H 型同步带 mb.1261b齿 数mmLp260.7s2 带轮 41Zd.5172 m0693 传送带中心距近似计算的： a4.2微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1215第四章 机械手的设计4.1 引言微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1216机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：(1) 机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2) 在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。(3) 可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。（4） 可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5） 宇宙及海洋的开发。(6) 军事工程及生物医学方面的研究和试验。轴承装卸工业机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序 Z 轨迹或其它要求实现抓取 Z 搬运工件或操纵工具的自动化装置。4.2 搬运机械手的组成我们的目标是实现对在线运行的轴承的抓取，并将它放到待检测位置，这个位置是固定不动的。等检测结束之后，由另外一个机械手将目标搬走，然后由原来的机械手继续放料，实现了一个循环。因此，由我们的设计任务可以得到，我们的检测系统中需要两个机械手。他的动作则需要实现转动，升降运动，伸缩运动，抓取物体。4.2.1 机械手的组成工业机械手 控 制 装 置检 测 装 置控 制 系 统 驱 动 元 件 和 传 动 装 置驱 动 系 统 底 座机 身臂 部手 部执 行 系 统4.2.2 机械手的自由度由设计任务，我们可以轻松的得到他的自由度为四，即：底座的转动，机身的升微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1217降，臂部的伸缩，手部的抓取。43 机械手的整体设计功能我们的检测系统中整形机构包括了多关节机械手和控制箱两部分组成。多关节机械手共有 3 个关节动作和一个抓手动作，使用二个步进电机分别控制二个关节的动作，一个步进电机控制底盘转动，一个电机控制手臂伸缩。二个油缸控制两个关节，抓手的抓物动作由油缸控制。控制箱部分由电源、单片机、步进电机驱动模块及相应的按钮组成。以下是此次我们设计的机械手的工作框图机械手甲废品箱机械手乙 XYABDC图示我们的机械手动作顺序，此为一个循环微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1218机械手甲开始动作甲手完成下降、抓取目标、上升、将目标放到检测点机械手乙启动CCD 开始检测（甲手返回A 上方）检测结束乙完成转动，下降，抓取目标，上升，机械手甲启动乙继续完成转动，下降，放物，上升，缩回 B 点，序号 动作（机械手甲） 时间(s)1 在 A 点上方下降 0.22 抓取目标 O23 在 A 点上升 0.24 转动到 C 点上方 0.35 下降到 C 点， 0.26 放下目标（启动 CCD） 0.27 上升到 C 点上方 0.28 转回到 A 点上方 0.3序号 动作（机械手乙） 时间（s）1 CCD 检测结束，发出启动机械手乙指令 共需 2S2 由 B 上方转动到 C 点上方 0.23 在 C 点上方下降 0.24 抓取目标 0.25 在 C 点上升 0.26 转动到 D 点上方 0.37 下降到 D 点， 0.28 放下目标 0.29 上升到 D 点上方 0.210 缩回到 B 点上方 0.3微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1219从上面可以看出，机械手甲动作，到检测完毕机械手乙动作并在 C 点将目标抓取到手后机械手甲开始下一个动作，完成了一个循环。则经过以上的计时，我们可以知道计算得到一个循环的时间：甲手从启动到 T=1.3; CCD 摄像机工作时间为 T2=2s 乙手动抓住目标T3=0.6此时，甲手开始下一个循环，也就是说，当乙手往起升的时候，甲手刚好下降。则。总的循环周期：T= 1.3+2+0.6=3.9取 T=4s，这就是各个机器的循环周期，也是整个系统工作的周期。则，从系统开始工作，各个机器启动之后，他们的工作周期都是 4s,即：每隔 4s钟动作一个循环。4.4 机械手手部的设计我们抓取的目标是半径为 r=20mm 的轴承，轴承的大小，形状决定了我们设计的手部的大小，形状。经过分析，我们设计的手部是手指式手部。我们设计的是手指式手部。手指式手部是以手指的张开和闭合来抓持工件，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，故应用最广。机械手的手部采用油缸控制，缸活塞后退时抓紧工件，缸活塞前进时松开工件。4.4.1 机械手的设计难点搬运机械手是按照一定的轨迹实现的运动，而且，在检测系统中，有着时间的限制，因此，要求我们的机械手工作速度快，运动平稳，尤其要求定位精度高。因此，必须对设计中的难点进行足够的分析，设计合理的结构，以满足要求。下面按类别对设计难点进行说明手部：1 其手部抓持工件的迅速，准确和牢固程度都将直接影响机械手的工作性能，根据手部所抓持工件的形状、尺寸、重量、材料和表面状况的不同，手部具有多种结构型式。2 手指要有足够的加紧力。为使手指夹紧工件，除考虑被抓持工件的重量之外，还应该考虑工件在传递过程中所产生的动载荷。3 手指应有一定的开闭范围，其大小不仅与工件尺寸有关，而且必须注意手部接近工件的运动路线及方位的影响。4 应该保证工件在手内的准确定位。5 保证手部有足够的柔度，轴承是金属品，而且是对表面质量要求很高，在抓取的时候，不能对工件造成损害。4.4.2 手指加紧力的计算 GkgfKN321微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1220式中 安全系数，通常取 1.2-2；1K动载荷系数；此处为 12方位系数 此处为 0.53G 被夹持工件的重量。经过计算，机械手的加紧力为：N=2kgf4.5 臂部的设计臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支撑手部和腕部，主要用来改变工件的位置，手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。臂部设计的难点1 刚度要好 要合理的选择臂部的截面形状和轮廓尺寸。为了解决这个问题，在机械手的臂部，用了钢管最为他的导向杆。2 偏重力矩要小 在手部的油缸的设计中，我们的李很小，所以，用了一个小的油缸，再臂部的一段，我们安装了一个较大的电机，而且，那一段还可以加铁块进行重量平衡。臂部设计中，我们用了四根导向柱，用来提到他的导向定位精度。电机的选取我们采用了丝杠螺母传动机构。有一个电机经过联轴器直接带动丝杠轴，实现了伸缩运动。由于我们的设计进度要求很高，力比较小，因此选取 sl 系列伺服电机。4.6 机身的设计机身是支撑臂部的部件。升降，回转，和俯仰运动机构等都安装在机身上。我们采用升降油缸，实现了升降运动。液压传动系统的设计，按照以下程序进行：a 明确设计依据，进行工矿分析。设计的依据有：（1） 主机的结构、动作循环和主要技术要求，如运动平稳性、动作精度、动作连锁、自动化程度和效率等。（2） 液压系统的工作环境，如温度及其变化范围、潮湿、振动、冲击、尘砂、腐蚀或者易燃等。（3）其他要求，如对液压装置的重量，外形，尺寸，经济性等。B 拟定液压系统方案。包括：选定系统的工作压力，拟定系统的主要回路和综合考虑其他问题。C 计算或者选定液压系统及元件的参数，包括：液压执行器尺寸和所需流量，泵的规格和驱动功率，各种液压元件的规格，管道尺寸和油管容量。微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1221D 验算液压系统的性能。包括：管道和元件的压力损失，系统地发热量和温升，液压冲击。对升降运动的油缸计算如下：1、 液压缸工作压力确定由表可以查的 P1=16MPa.2、 液压缸内径 D 和活塞杆直径 d 的确定单活塞杆液压缸可简化为：，fcFPdDFP2)(41422P1液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力 Pp=16Mp。P2液压缸回油腔背压力，初算时按表估计：P2=0.81.5X（1+50%100%） ，估计P2=1.2Mp。F工作循环中最大的外负载.F=4000N.Ffc液压缸密封处摩擦力,它的精确值不易求得 ,常用液压缸的机械效率 进行估算F+Ffc= , 液压缸的机械效率，一般 =0.90.97， 取 0.95，将以上代cmcmcm入 ， =0.63，得到 D=74mm。)(1242DdpPFDcmD 取 80mm，d 取 50mm.对选定后的液压缸内径 D，必须进行最小稳定速度的验算，要保证液压缸节流腔的微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1222有效工作面积 A，必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积 Amin,即 min， 流量阀最小稳定流量iii/vqsm/20inminq， A= =12246mm ,Amin=4x106/60/200=333.34minL)(2dD2,AAmin,说明液压缸可以保证最小稳定速度。23、液压缸壁厚和外径的确定液压缸壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸壁厚一般指缸筒结构中最薄处的壁厚。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异，一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径 D 与其壁厚 的比值 D/ 10 圆筒称为薄壁圆筒，起重运输机械的液压缸一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按公式： ，2Py液压缸壁厚（m）;D液压缸内径（m）;Py实验压力，一般取最大工作压力的 1.251.5 倍； 缸筒材料的许用应力。 =110MPa, ,取5.91026.5.20mm。4、 液压缸工作行程的确定由表和实际情况选取 400mm。5、 最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离 H 称为最小导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此，设计时必须保证有一定的最小导向长度。对一般的液压缸，最小导向长度 H 应满足以下要求： 20DLHL液压缸的最大行程，L=400mm；D 液压缸的内径,D=80mm。. m628046、 缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞杆的行程与活塞的宽度之和，缸体外形长度还要考虑到两端盖的厚度，一般液压缸缸体长度不应大于内径的 2030 倍，即微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1223L1 (2030)X106=32004800mm 。7 验算活塞杆的强度和稳定性： 由于活塞杆只受轴向载荷，因而采用如下公式进行验算：35.7 /D ，F其中 F液压缸输出力， 活塞杆的许用压力（Mpa） ，当活塞杆为碳钢时， =100-120（Mpa） ，取 =110（Mpa） 。由此可以得出： 35.7 /63=74.45110， 所以活塞杆满足强度校核。172638 校核活塞杆的稳定性：活塞缸承受压缩载荷时，如果活塞杆的计算长度与活塞杆的直径之比大于 10 时，需要对活塞杆纵向弯曲强度进行计算。本次设计中的活塞杆计算长度与活塞杆直径之比小于 10，故无需进行纵向强度计算。本机械手，我们较好的解决了偏距问题，应该没有偏心载荷的作用，可以采用等截面的方法来进行校核：当 L/km* 时，临界载荷为：nP = *n*E*J/L*Lk2式中 n 为末端条件系数。类型 n LsC一端固定，一端自由0.25 2L 1一端固定，一端铰接2 L/221两端铰接 1 L 0.5两端固定 4 L/2 0.25取一端固定。一端自由，即 n=0.25m 为柔性系数选用铸铁的柔性系数，即 m=70k 为活塞杆的回转半径，本次设计的活塞杆为实心活塞杆，即 k= = ，AJ/4/M其中 为活塞杆的直径。ML 为活塞杆的计算长度，也就是活塞杆在最大伸出距离时，活塞杆支点与液压缸安装点之间的距离。微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1224E 为活塞杆的弹性模量，取 E=2.1*10 Mpa5代如以上数值，可以得到：L/k=596/63/4=37.870* 此式成立，故临界载荷为：2.0P =3.14*3.14*0.25*2.1*10 *63 *3.14/64*596 =11.3*10 （N ）k 5425而本次设计的液压缸最大工作载荷为 17263N，可见，液压缸满足稳定性的要求。注：取液压缸的机械效率 =0.96m4.7 底座的设计底座是整个机体重量的最终承受者，同时，机械手的转动部分就是在在机作内部实现的。当机身转动时，为了不影响机身的油缸内不通油，我们运用了配油盘。机身的传动路线为：电机轴上装有第一级带传动的小带轮，通过同步齿形带原装在中间轴下方的大带轮组成第一级传动，中间轴上方装有第二级带传动的小带轮，通过同步齿形带与安装在配有盘心轴下方的大带轮组成第二级传动。我们选取 45BF003-步进电机。总传动比为： 其中， 3.4i6.21i.12i对于底座传动带的设计计算如下：首级传送带：1）传递名义功率： P = 2.2 KW;2) 主动轴转速=从动轴转速 min/30r3) 原动机 2.2kw 异步电动机4）运转时间 每天 24 小时5) 中心距要求： a= 100mm（2）传送带的节距和型号1）计算设计功率a) 由表 6-61 查的载荷的修正系数 8.10kb) 计算设计功率 )(9630wPmd2） 传送带型号和节距由 。查图 6-9 节距代号为 H。对应节距为 )(96.3kwPd in/1rH ： s b2th12.7 40 6.12 2.29 3.66微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-12253) 确定带直径和节线长1 由表 6-69。H 形带，带轮转速 min/30r最小齿数 Z = I4 ，取 Z=14按照标准带轮齿数，取3612i 62Z小带轮直径 zpdb.5147.21mb6.3.226 选择带长 pL180/)(2/)(cos2211ddap 645.arcsin54.3arcsinrin21806)2.0(438.10pL= 497.4mm查表 6-59，同步带长 GB11616-89，取 mLp5084Zb齿 数7 传动中心距： ZpMb625.7)2(821mZPab.143(212（8） 选择标准带宽4 确定基准额定功率微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1226按照标准带轮齿数，取6.1452iZ362Z转速 。min/30r由表 6-60，内插法，H 型带基准额定功率 。kwP74.02 确定额定功率A 啮合齿数 zk 6)(2(1211ZazentZbm则： zB 带宽系数 （ 同步带基准带宽）wk14.0)(sb21.30sosobC 确定额定 P 14.00)(smzPk3 选择带宽： 根据设计要求， d则可以得到： 856.2)(14.0kZPbs按表 6- 58，查 mm2.38s（9） 结果整理1 选用 H 型同步带 mb7.140b齿 数mmLp5082.38s2 带轮 41Zd6.51362 m4传送带中心距近似计算的： a2.34.8 滚动轴承的选择选择轴承时，首先必须了解和掌握所需配备轴承的机械设备性能，再根据各类微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1227轴承的技术特性和具体工作条件等要求进行轴承类型的选择，最终应该满足设备的使用要求。具体选择时可以参考以下几个方面：1 轴承的载荷轴承所承受载荷的大小、方向、和性质是选择轴承类型的主要依据。一般棍子轴承的承载能力大于求轴承，并且承受冲击载荷的能力强，所以载荷较大的工作场合，优先选用棍子轴承。轴承承受纯径向载荷时，可以选用深沟球轴承，圆柱滚子轴承或者滚针轴承；所承受纯轴向载荷，可选用推力轴承；当径向载荷和轴向载荷联合作用时，一般选用角接触球轴承和圆锥滚子轴承；若径向载荷很大，而轴向载荷很小时，也可以选用深沟球轴承，若轴向载荷很大，径向载荷较小时，可用推力调心滚子轴承，也可用圆柱滚子轴承或者深沟球轴承和推力轴承联合使用。2 支撑限位要求：可以承受双向轴向载荷的轴承，可以作固定支撑用。只承受单向轴向载荷的轴承可以作单向限位支撑。游动支撑轴向不限位，可使轴在支撑上自由伸缩游动，此时可用内，外圈不可分的向心轴承在座孔内游动，也可以用内，外圈可用的圆柱滚子轴承，其内，外圈相对游动。3 轴承的调心性能当轴的中心线与轴承座中心线由于加工、安装等误差的影响而不重合时，或因受力后使轴向弯曲而挠度较大时，会造成轴承的内外圈轴线发生偏斜，这时应该选用调心性能好的调心球轴承或者调心滚子轴承，使轴的偏转角控制在需用值以内，否则会降低轴承寿命。4 轴承的安装和拆卸方便地装拆轴承，也是选用轴承类型时应该考虑的因素之一。当轴承座保护是剖分式而必须沿轴向安装和拆卸轴承时，应优先选用内外圈可分离的轴承。4.9 联轴器的选择联轴器是机械传动中的一种常用轴系部件，它的基本功用是联接两轴，并传递动力和转矩。联轴器联接的两轴，只有在及其停车后并经过拆卸才能被彼此分开。在机械中应用联轴器，可以方便地将组成机器的各个部分连接起来，有利于机器的设计、制造、运输和维修。联轴器的类型很多，通常根据相对位移有无补偿能力划分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。刚性联轴器对相对位移无补偿能力，且全部由刚性零件组成，也没有缓冲减震能力，故适用于被联接的两轴严格对中，在和平稳的场合。挠性联轴器因具有挠性，对相对位移具有补偿能力。他按是否具有弹性元件又分为无弹性元件的脑性联轴器和有弹性元件的脑性联轴器两种。有弹性元件的挠性联轴器，可以依靠弹性元件的变形与蓄能性来缓冲、减振、改善传动系统的工作性能。微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化2005-06-1228此次设计，我们选用的是梅花形弹性联轴器。它的特点是结构简单，具有良好的缓冲、减振能力，补偿两轴相对位移量大，工作温度范围广，适用范围也广，可以用于各种中小功率传动的轴系。连轴器的选择：1) 类型的选择：选择梅花形弹性联轴器。2) 载荷计算：公称转矩：T=9550*P/n=9550*0.2/3000=0.64N*m式中：P 为电动机的功率；n 为电动机转速。由机械设计表 14-1 得，转矩变化比较小，原动机为电动机，所以，Ka=1.3根据机械设计公式 14-1，计算转矩为Tca=Ka*T=1.3*0.64=0.832N*m3) 型号的选择：从 GB4323-84 中查得，选择 Tl1，许用转矩为 6.3N*m，最大许用转速为6600r/min，轴径为 924mm，所以适合。4.10 械手的基本参数圆柱坐标式机械手机身回
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