资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共48页)
编号：122377257
类型：共享资源
大小：1.63MB
格式：ZIP
上传时间：2021-04-19
上传人：221589****qq.com
认证信息
个人认证
李**（实名认证）
湖南
IP属地：湖南
40
积分
- 关 键 词：
-
长径
零件
视觉
测量
平台
设计
- 资源描述：
-
大长径比轴类零件视觉测量平台设计,长径,零件,视觉,测量,平台,设计
- 内容简介：
-
南京工程学院毕业设计开题报告课 题 名 称： 大长径比轴类零件视觉测量平台设计 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 讲师 所在院(系)部： 机 械 工 程 学 院 专 业 名 称： 机械电子工程 2012 年 03 月 20 日毕业设计(论文)开题报告学生姓名学 号专 业机械电子工程指导教师姓名职 称讲师所在院(系)部机械工程学院课题来源院级基金课题课题类型工程技术研究课题名称大比径轴类零件视觉测量平台设计毕业设计的内容和意义课题背景：目前，国内火车机车和车辆维修中，主要使用手持量规人工目测车轮表面，由于量规很难甚至不能真实反映轮廓的磨损大小，因此往往会带来人为的误差，而且一列火车中各个车轮尺寸参数的分组、对比也很困难，从而不利于车轮的维修、车轮副的合理使用和早发现车辆存在的问题。视觉测量是研究用计算机来模拟人类宏观视觉功能的科学和技术。视觉测量系统的基本任务之一是从摄像机获取的图片信息出发，获取三维空间中物体的几何信息，并由此重建和识别物体1。目前，机器视觉测量技术广泛地应用于智能机器人、夜视眼镜、三维成像、坐标测量等领域。在国外，立体视觉测量还用于人体头部轮廓的建模。机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足的场合，常用视觉测量技术来替代人工视觉测量；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，而用视觉检测方法则可以大大的提高生产效率和生产的自动化程度2。并且视觉测量易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术之一3。本课题以此为背景对视觉测量系统的三维运动平台进行设计和研究。课题内容：本课题旨在设计出局部具有非常高精度的测量系统，然后采用图像配准的方法，进行大长径比轴类零件几何量测量。1、提出：对于大长径比轴类零件的精确测量一直是一个难点，以前常常是用游标卡尺进行测量，这种测量方法不但精度不能保证而且测量的过程比较漫长，不宜用于现在的快节奏、自动化的生产。随着工程上对精度的要求的提高，这种常规的测量显然已经不能再满足我们的生产要求了。现在随着视觉技术的不断发展，视觉测量应运而生，事实也证明了这种测量技术在工程中的优势，不但具有较高的精度，而且通过自动化的控制，可以保证这种测量方法的测量速度。但是，不同的工程对测量精度的要求是不同的，所以如何控制视觉测量过程中的测量精度，是个很重要的问题。2、解决方法：视觉测量的过程中至少有两个方面会影响我们测量的精度，第一点就是照相机的像素高低，这个可以通过不同的生产要求配备不同精度的照相机。这一点我们无法改变，但是第二点就是我们可以控制的了，我们可以通过对照相机的支撑平台，也就是三维运动平台进行设计，我们可以通过三维运动平台调节照相机相对于大长径轴类零件的位置。然后通过控制程序控制照相机的运动速度来达到工程所要求的测量精度。3、设计内容：针对设计所要求的是测量50mm以上的机械零件和符合生产节拍这两个条件对三维运动平台进行总体的设计，旋转该三维运动平台所需要的各个零部件，并使各个零部件满足运动距离要求、刚度要求、抗扭度等要求。然后将所有的零件组装成一个三维运动平台，到这里机械部分就已经结束了，接下来就是要对三维运动平台4的控制部分进行设计，使得三维运动平台的运动速度，以及它的定会能力能够满足生产的要求。这就是整个毕业设计的全部内容。课题意义：建立一个三维运动平台并不是我们的最终目的，我们进行三维平台的设计，只是为了给视觉测量系统提供一个载台。设计完以后，还要添加一些视觉测量设备，另外还要把它们与计算机连接起来，通过计算机的处理，把那些互有重叠的图片变成我们所需要的尺寸参数。对三维运动平台的设计会涉及到视觉测量的精度，我们要通过控制系统控制平台在三维方向上的运动，来调节照相机与轴类零件的距离以及照相机的运动定位、运动速度。使得我们设计出来的视觉测量系统可以满足工程上的不同的精度要求。文献综述基于计算机视觉的测量技术作为一种非接触式的先进测量技术，具有精度高、非接触、成本低等诸多优点，随着计算机技术摄像机械制造工艺的提高，以及图像处理技术的不断发展，其测量精度也在不断的提高，在生产实践中的应用也日益广泛，越来越受到人们的重视5。在国外，机器视觉的应用主要体现在半导体及电子行业，其中大概4O 都集中在半导体行业。具体如PCB印刷电路；SMT表面贴装；电子生产加工设备；机器视觉系统还在质量检测的各个方面已经得到了广泛的应用，并且其产品在应用中占据着举足轻重的地位11。而在中国，以上行业本身就属于新兴的领域，再加之机器视觉产品技术的普及不够，加上发达国家的技术封锁，导致机器视觉在以上各行业的应用几乎空白。 目前在我国随着配套基础建设的完善，技术、资金的积累，各行各业对采用图像和机器视觉技术的工业自动化、智能化需求开始广泛出现，国内有关大中专院校、研究所和企业近两年在图像和机器视觉技术领域进行了积极思索和大胆的尝试，逐步开始了工业现场和其它领域的应用。并且在结构光测量、多目视觉、近景摄影测量等方面取得了一定的成果。如中科院自动化识别国家重点实验室采用平面激光的主动三维信息获取研制成功三维面像采集与重建系统6，并应用于口腔医学中；赵建才等利用双目视觉测量技术与三坐标测量机相结合，开发了一种汽车形貌三维曲面测量装置，能实现大范围的非接触式测量7；邹定海等研究白车身三维激光视觉检测系统8，9，采用激光技术，利用基于三角法的主动和被动视觉检测技术实现被测三维坐标的准确测量，实现整个白车身的尺寸检测，目前已经用于汽车生产线；华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心对线机构激光机器视觉三角测量光路进行了研究，给出了通用光路计算公式，该公式对机器视觉测量系统的光路结构设计具有一定的指导意义10。通过以上的综述可以看出，视觉测量技术被运用在了许多的专业领域，并且也取得了一定程度的成功。我们通过对三维运动平台的设计也是视觉测量的一种应用形式，通过对三维运动平台与视觉测量装置的整合可以得到一种专门对大长径轴类零件的尺寸进行测量的设备，对这类零件的测量精度的提高有很大的好处。参考文献1、 王凤伟. 机器视觉测量系统的研究与应用D. 合肥: 合肥工业大学, 20062、 廖强, 刘兆东, 郭静, 等. 主动视觉技术在精密测量中的应用研究J. 计算机工程与应用, 2009 3、 张广军, 视觉测量M. 科学出版社, 2008 4、 张建民等. 机电一体化系统设计M. 高等教育出版社（第三版）, 2007 5、 楚锋. 基于计算机视觉的三维测量实现方法研究D. 东北大学, 2006 6、 徐常胜, 徐焱, 田英利等. 三维面像数据采集和重建系统J. 中国图像图形学报, 1998 7、 赵建才, 闵新力, 万德安汽车形貌三维曲面测量装置的研究J. 机械加工与自动化, 20018、 邹定海, 叶声华, 王春和, 等. 用于在线测擐的视觉检测系统J. 仪器仪表学报, 1995 9、 邾继贵, 王防, 王仲, 等三维尺寸视觉测最系统J. 现代计基测试, 1999 10、 席斌, 钱峰机器视觉测量系统在工业在线检测中的应用J. 工业控制计算机, 2005 11、 徐婉莹, 黄新生. 一种适应于旋转、平移和大尺度变换的图像配准方法研究J. 信号处理（SIGNAL PROCESSING）, 2009研究内容通过对机电一体系统设计知识的了解，首先对三维运动平台进行整体的设计，使得它能够满足一定的测量要求，再画出它们的三维图以及平面图（包括总装配图和各零件图）。并且编制非标准及标准件目录。通过以下两个设计要求：1、测量50mm以上的机械零件，2、符合生产节拍，进行一定的计算，再根据刚度、转矩等要求选择合适的零件，根据所选的零件，用绘图工具画出它们的三维图和平面图。最后根据所选的零件画出三维平台的装配图。做完这些，机械部分就已经结束了。然后根据精度要求用汇编语言编写出适合的运动控制程序。这就研究的所有的内容。研究计划第三周 熟悉设计项目及相关资料；第四周 撰写开题报告，总体方案设计；第五周 翻译外文资料，总体方案设计；第六周 视觉部件计算与选型；第七周 测量平台设计及绘图；第八周 测量平台设计及绘图；第九周 测量平台设计及绘图；第十周 驱动及控制系统的设计；第十一周 驱动及控制系统的设计；第十二周 其他零部件的设计及绘图；第十三周 绘制总装配图，编制非标及标准件目录；第十四周 绘制总装配图，编制非标及标准件目录；第十五周 撰写毕业设计说明书；第十六周 撰写毕业设计说明书，答辩准备特色与创新近年来，基于图像处理的三维测量技术得到了快速发展。与传统的尺寸检测技术相比，视觉检测具有工作范围大、柔性好、抗干扰能力强，并具有高效率、高精度的优点。因此，计算机视觉技术在几何尺寸测量领域发挥越来越大优势。因此，本课题旨在设计出局部具有非常高精度的测量系统，然后采用图像配准的方法，进行大长径比轴类零件几何量测量。指导教师意 见 指导教师签名： 年 月 日 教研室意见院部意见主任签名： 年 月 日 教学院长签名： 年 月 日6标准零件目录序号名称数量备注1螺钉M5362密封圈63深沟球轴承620044推力球轴承5220425推力球轴承5220216内六角圆柱头螺钉M687十字槽盘头螺钉M448十字槽盘头螺钉M5369步进电机90BYG3502310联轴器YL3111平键212六角螺母M102标准及非标准件目录序号名称数量备注1轴套112端盖33挡油环35垫片96X、Y方向螺母支座213FFZD1204-3丝杠214FFZD2505-3丝杠115滑台320导轨副GGB16AA421导轨副GGB20AA222GGB16AA导轨对应滑块823GGB20AA导轨对应滑块424Z方向螺母支座125X方向导轨支架126X方向导轨支架127X方向导轨支架128各种支架9南京工程学院机械工程学院毕业设计材料清单专业： 学 生 学 号题目： 大比径轴类零件视觉测量平台设计 序号毕业设计清单份数备 注1毕业设计任务书1份2毕业设计开题报告1份3外文翻译1份4毕业设计说明书(论文)1本5毕业设计其它成果(1)总装配图0#1张(2)丝杆零件图2#2张(3)丝杠支撑图2#1张(4)导轨零件图3# 2张(5)滚珠丝杠组装图3#2张（6）端盖、滑台、滑块零件图3#5张（7）挡油环、轴套零件图4#2张填表人： 验收人：南京工程学院毕业设计说明书（论文）目录前言1第一章绪论21.1 计算机视觉21.1.1 计算机视觉概述21.2.3 视觉检测的发展趋势81.3 课题提出及其研究意义91.4本文主要内容10第二章 视觉部件计算与选型112.1 工业相机类型简介112.2工业相机参数简介122.3工业镜头的基本参数132.4相机的计算选型152.4.1 相机的各参数如下152.4.2 相机和镜头选择16第三章 测量平台设计193.1 三维滑台总体方案设计193.2 工作滑台丝杠选择与计算193.2.1 工作滑台丝杠的选择193.2.2丝杠的计算：233.3工作滑台与滚动导轨副选择与设计333.3.1 直线运动滚动导轨副的分类、特点及作用333.3.2直线滚动导轨副的计算343.3.3滚动导轨的润滑与防护36第四章 驱动及其控制系统设计374.1步进电机的工作原理374.2 步进电机选择374.3步进电机的驱动与控制404.4硬件接线示意图43第五章 结论44参考文献45前言工业检测是指在工业生产中运用一定的测试技术和手段对生产环境、工况、产品进行测试和检验，其检测结果是对生产过程进行控制的重要指标，直接影响着生产效率和质量。形状尺寸检测是工业检测中的一部分，其内容包括结构尺寸、形状误差检测等。传统的形状尺寸检测手段有卡尺、量规、万能工具显微镜、轮廓仪、X射线等，这些检测手段在工业生产中发挥着巨大的作用，但是随着现代工业的发展和进步，特别是在一些高精产业，传统的检测手段己经不能满足生产的需要，卡尺、量规等检测手段虽然简便、快捷，但测量数据较少，精度不高，万能工具显微镜、轮廓仪等检测手段虽然有较高的精度，但要求在特定的设备、特定的环境下进行检测，不但劳动强度大，效率低，而且检测过程同生产过程是分离的，这与现代工业所要求的在线检测、实时控制的要求不符。对于大尺寸零件，传统测量方法，主要采用两种方法：一是直接法，这种方法需要大尺寸导轨或标准件，成本高，精度低；二是间接法，如弓高弦长法，滚子法等，这类方法本身存在测量原理误差，并且测量可靠性不高。现代工业大型零件加工，不但检测精度要求较高，而且要求在线检测，保证加工精度，传统检测技术难以满足要求。对于大型零件，视觉检测技术可以对零件的不同部位进行拍摄，得到多幅局部重叠的图像，然后利用图像之间的信息冗余进行图像拼接得到零件的完整图像，对拼接后的图像进行分析可以得到零件的完整结构尺寸，这种检测方法不仅简单、经济，同时能够达到较高的精度。因此，视觉测量技术正是在这种情况下应运而生。第一章 绪论1.1 计算机视觉1.1.1 计算机视觉概述视觉使人类得以感知和理解周边的世界，是人类从大自然中获取知识的最主要的手段。据统计，在人类获取的信息中，视觉信息约占 80%，其它的如听觉信息、味觉信息、触觉信息等加起来约占20%1。由 此可见视觉信息对人类的重要性，而图像正是人类获取视觉信息的主要途径。三维的客观世界投影到人类的视网膜上形成二维图像，通过双目的视觉功能从二维的图像中提取出有关三维世界的信息，这是人类的视觉过程。计算机视觉又称机器视觉，是指利用计算机和一些辅助设备来实现人的视觉功能，从而实现对外界事物和客观三维世界的感知2。计算机视觉是一门新兴的学科，它的发展得益于神经生理学、心理学与认知科学对动物视觉系统的研究，计算机视觉的研究目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能力。这种能力将不仅使机器能感知三维环境总物体的几何信息，包括它的形状、位置、姿态、运动等，而且能对他们进行描述、存储、识别与理解。伴随着人类对视觉认识和计算机技术的快速发展，利用计算机模拟人类的视觉系统成为科学技术发展的必然趋势。计算机视觉已经成为令人感兴趣的前沿研究领域之一，因为需要用计算机视觉这一技术来证明对视觉机理认识的正确与否，而且通过对人类视觉的模拟，可以帮助人类重新认识人的视觉机理，从而在许多未知问题上产生重大突破。在计算机视觉系统中，信息的处理和分析可以分为两个阶段：图像处理阶段（亦可称为视觉的低水平和中水平阶段）、图像分析和理解阶段（又称高水平处理阶段）。当人看一幅图像或一处景物时，人的视觉可以得到物体关于整体和局部细节的信息，计算机视觉的主要任务就是凭借一定的理论及算法，运用计算机技术实现类似于人的视觉功能。但近年来人们对D.Marr的理论和三维重建问题产生了疑问，逐渐认识到D.Marr的理论框架的严重不足3。在解决视觉实际问题的研究过程中，出现了主动视觉等概念。一些新的视觉理论的提出，从深层次触及了计算机视觉的底层根本问题。1.1.2 计算机视觉的发展计算机视觉是一个相当新且发展十分迅速的研究领域，并成为计算机科学的重要研究领域之一。计算机视觉始于 20 世纪 50 年代，主要工作集中在二维图像分析和识别上。60 年代中期，R.Roberts 的研究工作开创了以理解三维场景为目的的三维计算机视觉的研究。70 年代，D.Marr 教授在麻省理工学院（MIT）AI 实验室领导一个以博士生为主体的研究小组从事视觉理论方面的研究工作，逐步形成了关于视觉的计算理论。D.Marr 认为, 视觉可分为三个阶段4。第一阶段是早期视觉(early vision) ,其目的是抽取观察者周围景物表面的物理特性, 如距离、表面方向、材料特性(反射、颜色、纹理)等,具体来说包括边缘检测、双目立体匹配、由阴影确定形状、由纹理确定形状、光流计算等；第二阶段是二维半简图(2.5D sketch) 或本征图像( Intrinsic Image) , 它是在以观察者为中心的坐标系中描述表面的各种特性, 根据这些描述, 可以重建物体边界、按表面和体积分割景物, 但在以观察者为中心的坐标系中只能得到可见表面的描述,得不到遮挡表面的描述, 故称二维半简图；第三阶段是三维模型(视觉信息处理的最后一个层次)，是用二维半简图中得到的表面信息建立适用于视觉识别的三维形状描述, 这个描述应该与观察者的视角无关,也就是在以物体为中心的坐标系中, 以各种符号和几何结构描述物体的三维结构和空间关系。D.Marr 视觉理论从信息处理的角度系统地概括了心理物理学、神经生理学、临床神经病学等方面业已取得的成果，是视觉研究中迄今为止最为完善的理论，并逐步为大多数计算机视觉研究者所接受，而成为这一领域中的主导思想。它使计算机视觉的研究有了一个比较明确的体系，并大大地推动了计算机视觉研究的发展。近年来，计算机视觉的应用技术研究推动了其理论上的发展。同时，许多学者在计算机视觉科学的现状与目标、理论与方法以及实验与应用等方面产生了许多不同的见解，并进行了广泛的有益的争论，这些争论是严肃的、认真的、尖锐的、实事求是的，在很大程度上促进了计算机视觉技术的发展，把以 D.Marr 视觉理论为基础的三维重构学派拓宽到全新的主动视觉方法及面向应用的视觉方法。近十年来，随着计算机视觉理论的迅速发展，它逐渐发展成一门由计算机技术、控制理论、模式识别、人工智能和生物技术等众多领域交叉综合的新学科，它在某些科技领域中卓有成效的应用，引起了学术界和工业界的极大兴趣和重视，其应用范围也日益扩大，涉及到机器人、工业检测、物体识别、医学图像分析、军事导航和交通管理等诸多领域。1.2 计算机视觉检测技术1.2.1计算机视觉检测技术随着计算机视觉技术和光电技术得到飞速的发展，已经出现了一种新的检测技术计算机视觉检测技术，所谓视觉检测就是检测被测目标时，把图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用的检测方法，其目的是从图像中提取有用的信号，它是以现代光学为基础，融光电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代检测技术。由于计算机视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于与设计信息及加工控制信息集成，基于视觉检测技术的仪器设备能够实现智能化、数字化、小型化、网络化和多功能化，具备在线检测、实时分析、实时控制的能力，在军事、工业、商业、医学等领域得到广泛关注和应用。计算机视觉作为一种非接触检测手段已经越来越引起人们的重视，计算机视觉检测一般是指确定一个产品对于给定的一组标准要求的偏差的过程5。检测通常涉及指定零件的特征如配件完整性、表面完好性和几何尺寸的测量等。视觉检测是计算机视觉众多应用中最为重要的领域之一，现代视觉理论和技术的发展,不仅在于模拟人眼能完成的功能，更重要的是它能完成人眼所不能胜任的工作,所以视觉技术作为当今最新技术,在电子、光学和计算机等技术不断成熟和完善的基础上得到了突飞猛进的发展。在过去的二十几年里，视觉技术的迅猛发展使视觉检测成为许多自动化生产系统的一个重要组成部分。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测试技术。与计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同, 视觉检测技术是质量检验、定量检验和非接触测量的重要手段。重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量。视觉检测技术的目的在于：提高检测的安全性和可靠性；加强产品质量监控；提高生产的柔性和自动化程度。在一些特定的应用场合或人工视觉难以满足要求的场合，常常用计算机视觉来替代人工视觉，实验表明，在大批量工业生产过程中，用视觉检测方法比用人工视觉检测方法可以获得更高的精度和效率，原因在于人工视觉检测者的疲劳和非一致性，而且很多检测任务对于人工来说费时和费工，对于一些精密零件的几何参数的检测，还需借助于昂贵的精密仪器，使检测成本大为提高。据报道人工检测最多只能够达到80 %的有效性。相比之下，视觉检测可以保证产品检测的一致性，它不仅能够检测产品是否合格，而且还能够检测出具体的偏差值，进而实现对产品生产过程中出现的质量问题进行监控、分析和统计。在一些需要机器完成质量保证的场合，可以将生产任务与生产过程或制造周期集成起来，使整个生产过程完全由计算机控制，这在CIMS环境中已经得到应用。视觉检测不仅可以节约劳动力成本，而且还能够在一些不适合人工作业的危险环境工作，达到非接触检测的目的。视觉检测技术在理论和方法上主要依赖图像处理和模式识别技术。在计算机视觉技术的发展过程中，由于其原理和应用目的的不同派生了许多分类方法。对于字符、图形和片状物体等平面内可识别的理解、检测属于二维视觉方法；对于三维物体的识别、重建和测量属于三维视觉方法。视觉信息处理方法包括：图像的增强、复原、重建、体征提取、分割、几何处理、识别等。根据原理的不同又可分为基于区域的视觉方法、基于特征的视觉方法、基于模型的视觉方法和基于规则的视觉方法等。自 1979 年 D.Marr提出关于视觉的计算理论之后，基于特征（主要指边缘信息）的视觉方法引起了广泛的重视。边缘的检测并不是直接取决于图像的灰度，而是取决于图像灰度的变化，因此检测的边缘具有较高的固定性。采用不同的边缘检测方法，可以获得不同精度的边缘信息，研究具有高定位精度的边缘提取方法是获得高质量视觉信息特征的重要手段1.2.2计算机视觉检测技术的发展现状计算机视觉的研究始于20世纪60年代初Roberts对积木世界的研究，这项研究被认为是计算机视觉研究中的开拓性工作6。对于计算机视觉的研究，根据采用的照明方式和几何关系的不同，主要可以分为两大类:主动三维视觉检测和被动三维视觉检测。被动三维视觉检测与主动视觉方法不同，采用非结构光照明方式，从一个或多个摄像机获取的二维图像中确定距离信息，形成三维型面数据。被动视觉检测通常用于对目标的识别、理解和位置形态的分析，在无法采用结构光照明时更具有独特的优势7。下面简单介绍几种常用的测量方法。a.单目视觉测量技术单目视觉测量是指仅利用一台视觉设备拍摄单张图片来进行测量工作，具有结构简单、相机标定简单、避免了立体视觉中的视场小、立体匹配困难的不足等清华大学汽车安全与节能国家重点实验室利用单目视觉实时监测本车与前方障碍物之间的距离，首先研究了较为适用于汽车自动驾驶的几何关系推导法，进而提出了基于单目视觉的实时测距算法，算法具有较高的准确性，可以满足测距要求，还可以满足汽车智能化控制的实时性要求。吉林大学交通学院智能车辆课题组同样利用车载单目计算机视觉，在对行车道内的前方车辆进行快速探测以及对摄像机进行预先标定的基础上，探讨仅利用摄像机内部参数和透视投影几何关系，有效计算前方车辆距离8。模拟及模具技术国家重点实验室，开发计算机单目视觉测量系统，控制摄像头对实物连续拍摄和实时处理，利用建立的模型将二维坐标转换成三维坐标再以点云的形式重构出物体，实现三维自动测量。随着光学、电子学以及计算机技术的发展，单目视觉技术不断进步，逐渐实用化，已可以应用于工农业业检测、生物医学、虚拟现实等领域9。b.双目视觉测量技术双目立体视觉测量技术属于被动式测量，是计算机视觉的一个重要分支。由不同位置的两台或者一台摄像机(CDD)经过移动或旋转拍摄同一场景的两幅图像，通过计算空间点在两幅图像中的视差，获得该点的三维坐标值。在国外研究方面，日本东京大学将实时双目立体视觉和机器人整体姿态信息集成，开发了仿真机器人动态行走导航系统10。麻省理工学院计算机系提出一种新的用于智能交通工具的传感器融合方法由雷达系统提供目标深度的大致范围，利用双目立体视觉提供粗略的目标深度信息，结合改进的图像分割算法，能够在高速环境下对视频图像中的目标位置进行分割，而传统的目标分割算法难以在高速实时环境中得到令人满意的结果。华盛顿大学与微软公司合作为火星卫星“探测者”号研制了宽基线立体视觉系统，使“探测者”能够在火星上对其即将跨越的几千米内的地形进行精确的定位和导航。系统使用同一个摄像机在“探测者”的不同位置上拍摄图像对，拍摄间距越大，基线越宽，能观测到越远的地貌。系统采用非线性优化得到两次拍摄图像时摄像机的相对准确的位置，利用鲁棒性强的最大似然概率法结合高效的立体搜索进行图像匹配，得到亚像素精度的视差，并根据此视差计算图像对中各点的三维坐标。相比传统的体视系统，能够更精确地绘制“探测者”号周围的地貌和以更高的精度观测到更远的地形。在国内，通过广大科技工作者的共同努力，双目立体视觉技术同样已广泛应用于生产、生活中，成为工业检测、生物医学、虚拟现实等邻域的关键技术。哈尔滨工业大学采用异构双目活动视觉系统实现全自主足球机器人导航11，将一个固定摄像机和一个可以水平旋转的摄像机，分别安装在机器人的顶部和中下部，可以同时监视不同方位视点，体现出比人类视觉优越的一面，通过合理的资源分配及协调机制，使机器人在视野范围、测距精度及处理速度方面达到最佳匹配。双目协调技术可使机器人同时捕捉多个有效目标，观测相同目标时通过数据融合，也可提高测量精度。在其他传感器失效的情况下，仅仅依靠双目协调仍然可以实现全自主足球机器人导航。华南理工大学针对骨外科手术导航中对手术器械位置和姿态的定位与跟踪需要，研究了基于面阵双目视觉传感的被动式光学立体定位跟踪系统，并能够完全满足定位及跟踪精度要求12。武汉大学利用摄影测量方法和计算机视觉技术得出了一套完整的、由双目立体序列图像确定场景中目标运动信息的方法与步骤。有效地解决了运动目标三维特征点的对应问题，研究的成果对于立体计算机视觉和智能机器人的研究有着重要的理论意义和实际应用价值。目前，基于机器视觉的研究主要存在以下几个问题:基于计算机视觉的检测系统就是以计算机为基本平台，利用图像传感器、图像采集卡、数据采集卡、灯光以硬件构成的计算机视觉系统，综合利用与计算机视觉相近或相关学科的技术，进行二维或三维立体测量的检测系统。不同的检测任务决定了不同的计算机视觉检测系统构成及算法的不同，计算机视觉检测系统的应用具有以下特点。(l)视觉检测的优越性计算机视觉的本质是利用二维投影来重建三维物体的可视部分，包括计算距离测量、物体运动参数以及恢复物体表面物理特性。形状尺寸检测是计算机视觉技术在测量测试领域中非常重要的应用。(2)被测物体的特殊性在工业界，计算机视觉系统所要检测的目标特征迥异，很难研发一种通用的计算机视觉检测系统完成所有的检测任务。(3)检测速度与精度的矛盾性检测速度和检测精度是衡量视觉检测系统的两个重要性能指标。精度指标是检测系统最基本的性能指标，系统必须满足一定的精度，才能保证检测结果的可信性，获得的数据才有意义;另一方面，视觉检测系统检测速度往往需要跟其它生产节拍相一致，是实现生产效率的保证。图像的数据非常丰富，是实现高精度检测的前提，但也正因为如此使得运算量大、计算复杂。因此构建实际的测量系统需要在测量精度、测量速度以及成本之间寻求一个最优组合，这就对系统在图像处理、目标识别与分析、信息传递等方面提出了严格的要求。总之，计算机视觉检测系统具有广阔的应用前景，具有与其他检测系统显著的不同，并且优缺点并存。计算机视觉检测系统的构建，需要针对实际问题，组建合理的光学成像系统，在已有的计算机视觉理论基础上，寻求恰当地、优化地图像处理算法、目标识别算法、信息存储与通讯、精确的摄像机标定、立体匹配技术等相关技术，以组建最优解决方案。如何快速、自动、非接触且高精度地完成检测任务是研究者必须考虑的问题。1.2.3 视觉检测的发展趋势视觉检测技术是一种很有发展前途的自动检测技术，可以实现智能化、柔性、快速和低成本的检测。随着计算机视觉理论研究不断深入, 视觉检测将很快在各行各业中广泛应用。视觉检测技术的发展趋势主要体现在以下几点:(l) 实现在线实时检测，视觉检测执行时间在很大程度上取决于低层图像处理 ( 图像平滑、滤波、分割等)速度。因此，使用专用硬件实现独立于环境的处理算法，可大大提高图像处理速度。(2) 实现智能化检测，从 CAD 系统中提取零件视觉模型与检测信息 ( 包括零件位置与方向、摄像机视角等 ), 选定检测项目、检测点和检测路径, 建立智能检测规划, 并控制工业机器人抓取零件并放置到合适的位置进行检测。(3) 实现高精度检测，与视觉系统相比, CMM 在检测精度和测量空间范围上占有很大优势, 因此，基于CMM的视觉检测系统已经成为视觉检测技术的一种新趋势。集成化的CMM和视觉检测系统可以利用视觉系统迅速识别零件的形状及其在测量平台上的位置和状态,完成机器坐标系、零件坐标系、摄像机坐标系之间的转换, 帮助 CMM 实现检测路径自动形成与测量结果判断。同时深入研究亚像素定位技术, 使之应用到实际的检测系统中,以提高检测精度和降低系统成本。(4)计算机视觉柔性检测技术目前几乎所有的计算机视觉检测系统都只适用于解决特定的检测任务，建立一种较为通用的视觉检测系统，以适用于不同条件下的检测任务，进而实现对目标进行“完全检测”,是目前和将来视觉检测系统的一个发展方向。1.3 课题提出及其研究意义传统的形状尺寸检测手段有卡尺、量规、万能工具显微镜、轮廓仪、X射线、三坐标测量仪等，这些检测手段在工业生产中发挥着巨大的作用，但是随着现代工业的发展和进步，传统的检测手段己经不能满足生产的需要，因此在一些不适合于人工作业的危险工作环境、大比径轴类零件及人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉。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测试技术。与计算机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同，视觉检测技术是质量检验、定量检验和非接触测量的重要手段。重点研究物体的几何尺寸及物体的位置测量。视觉检测不仅可以节约劳动力成本，而且还能够在一些不适合人工作业的危险环境工作，达到非接触检测的目的。视觉测量系统具有工作范围大、柔性好、抗干扰能力强，并具有高效率、高精度的优点。因此，计算机视觉测量技术在零件尺寸测量领域发挥越来越大优势。 工业检测的复杂性和多样性，也必然使工业图像检测技术呈现出复杂性和多样性，这种复杂性和多样性为我们提供了广阔的研究领域。总之，随着计算机视觉技术自身的成熟和发展,计算机视觉检测技术必将在现代和未来制造企业中得到越来越广泛的应用。而这次设计的三维运动滑台则给了视觉测量系统一个运动的平台，通过利用滑台在Y、Z两个方向上的运动调节相机与被测件之间的距离来适应不同的测量要求，在利用X方向上的移动来对大长径轴类零件的不同部位进行拍摄。通过这个运动平台同样的一个视觉测量系统可以满足不同的用户不同的测量精度要求。使得视觉测量系统的测量更加的具有灵活性，更加容易适应生产的需要。1.4本文主要内容1. 视觉部件的计算选型：主要涉及机器视觉中工业镜头的计算方式，相机和镜头的选择技巧，相机型号和镜头型号的选择，相机和镜头的精度计算。2测量平台的设计：主要涉及测量平台的总体方案设计，测量平台的质量的估算，测量平台的各滑台的设计等方面。3其他零部件的设计：主要涉及滚珠丝杠的计算选型，滚动导轨副的计算和选型等方面。4控制和驱动的设计：主要涉及步进电机的相关参数计算，选型等方面。第二章 视觉部件计算与选型2.1 工业相机类型简介CCD 是60年代末期由贝尔试验室发明。开始作为一种新型的PC存储电路，很快 CCD具有许多其他潜在的应用，包括信号和图像(硅的光敏性)处理。CCD 是在薄的硅晶片上处理一系列不同的功能，在每一个硅晶片上分布几个相同的IC等可产生功能的元件，被选择的IC从硅晶片上切下包装在载体里用在系统上。总结下来，CCD 主要有以下几种类型:1、面阵CCD工业相机: 允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。2、线阵CCD工业相机:用一排像素扫描过图片，做三次曝光分别对应于红、绿、蓝三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。3、三线传感器CCD工业相机: 在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖 RGB滤镜，当捕捉彩色图片时，完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机，以产生高的分辨率和光谱色阶。4、交织传输CCD工业相机:这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化，允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。5、全幅面CCD工业相机: 此种CCD 具有更多电量处理能力，更好动态范围，低噪音和传输光学分辨率，全幅面CCD 允许即时拍摄全彩图片。全幅面 CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面CCD 曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像，并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投摄到作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决 定量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行，直到所有的信息传输完毕。接着，系统进行精确的图像重组。2.2工业相机参数简介工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成为有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，相机的不仅是直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关。主要参数如下:1. 分辨率(Resolution):相机每次采集图像的像素点数(Pixels)，对于数字工业相机机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机 机则是取决于视频制式，PAL制为768*576，NTSC制为640*480。2. 像素深度(Pixel Depth):即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字工业相机机一般还会有10Bit、12Bit等3. 最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate):相机机采集传输图像的速率，对于面阵相机机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec.)，对于线阵相机机为每秒采集的行数(Hz)。4. 曝光方式(Exposure)和快门速度(Shutter):对于线阵相机机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以 与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵工业相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字工业相机机一般都提供外触发采图的功能。快门速 度一般可到10微秒，高速工业相机还可以更快。5. 像元尺寸(Pixel Size):像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机机靶面的大小。目前数字工业相机像元尺寸一般为3m-10m，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。6. 光谱响应特性(Spectral Range):是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350nm1000nm,一些相机机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系 统需要对红外感光时可去掉该滤镜2.3工业镜头的基本参数工业镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，那么摄像头所输出的图像；就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出，这与我们家用摄像机和照相机的原理是一致的。 当人眼的肌肉无法将晶状体拉伸至正常位置时，也就是人们常说的近视眼，眼前的景物就变得模糊不清；摄像头与镜头的配合也有类似现象，当图像变得不清楚时， 可以调整摄像头的后焦点，改变CCD芯片与工业镜头基准面的距离(相当于调整人眼晶状体的位置)，可以将模糊的图像变得清晰。 由此可见，镜头在闭路监控系统中的作用是非常重要的。工程设计人员和施工人员都要经常与镜头打交道:设计人员要根据物距、成像大小计算镜头焦距，施工人员经常进行现场调试，其中一部分就是把镜头调整到最佳状态。 1.工业镜头的安装尺寸，接口所有的摄象机镜头均是螺纹口的，CCD摄象机的镜头安装有两种工业标准，即C安装座和CS安装座。两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。C安装座:从镜头安装基准面到焦点的距离是17526mm。CS安装座:特种C安装，此时应将摄象机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是125mm。如果要将一个C安装座镜头安装到一个C S安装座摄象机上时，则需要加装一个5mm厚的接圈。2.镜头的尺寸摄象机镜头尺寸分镜头可以分为1英寸、23英寸、12英寸、13英寸、14英寸、15英寸等规格，下面是一个简单的芯片尺寸规格表: 表2-1 芯片尺寸规格表格式1英寸2/3英寸1/2英寸1/3英寸1/4英寸高度9.6mm6.6 mm4.8 mm3.6 mm2.4 mm宽度12.8mm8.8 mm6.4 mm4.8 mm3.2 mm摄像机镜头规格应视摄象机的CCD尺寸而定，两者应相对应。大概: 摄像机的CCD靶面大小为12英寸时，镜头应选12英寸。 摄像机的CCD靶面大小为13英寸时，镜头应选13英寸。 摄像机的CCD靶面大小为14英寸时，镜头应选14英寸。如果镜头尺寸比摄像机CCD靶面尺寸大时，将使图像视野比镜头视野小，即不能很好地利用镜头的视野；如果镜头尺寸比摄像机CCD靶面尺寸小时，将发生“隧道效应”，即图像有圆形的黑框，像在隧道里拍的一样。监控相机一般都比较小，甚至小于1/3英寸；工业相机稍微大一些，一般1/2英寸到1英寸不等；传统的135相机底片比当前的一般感光芯片都 大，36mm24mm(1.4英寸0.9英寸)，画面对角线长度为43mm(1.7英寸)，即是1.7英寸的，120中幅相机，其感光面尺寸有三 种:4560mm、6060mm和9060mm，可见画幅更大。3.镜头的光圈，F值光圈的主要作用是通过控制镜头光量的大小满足成像所需的合适照度。光圈越大，靶面成像照度越大，摄像机输出信号强度越大，信噪比越高。可以理解，通光孔径越大，通过的光量越大；但我们关心的是到达芯片的光量，而焦距越长，意味着芯片离镜头中心越远，相应的光就越弱，所以，标准光圈大小的参数应该与两个变量有关，孔径，焦距。光圈系数，即F值即是用来来表征光圈的大小的参数。它等于镜头焦距f和通光孔径D之比。光通量与F值的平方成反比关系，F值越小，光通量越大。F值的 规律是后一个值正好是前一个数值的2 倍，所以，光圈调大一挡，光量减少2倍。常用值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等几个等级。一般光圈都可以调节，从而有手动光圈(manual iris)和自动光圈(autoiris)之分。手动光圈工业镜头是的最简单的工业镜头，适用于光照条件相对稳定的条件下，手动光圈由数片金属薄片构成。光通量靠镜头外径上的个环调节。旋转此圈可 使光圈收小或放大。在照明条件变化大的环境中或不是用来监视某个固定目标，应采用自动光圈工业镜头，比如在户外或人工照明经常开关的地方，自动光圈镜头的 光圈的动作由马达驱动，马达受控于摄像机的视频信号。自动光圈工业镜头又有两类:一类是将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈，镜头本身包含放大器电路，用以将摄像头传来的视频幅度 信号转换成对光圈马达的控制，这称为视频(VIDEO)驱动型；另一类则利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈，称为直流(DC)驱动型，这种镜头只包含 电流计式光圈马达，要求摄像头内有放大器电路。对于各类自动光圈工业镜头，通常还有两项可调整旋钮，一是ALC调节 (测光调节)，有以峰值测光和根据目标发光条件平均测光两种选择， 一般取平均测光档；另一个是LEVEL调节(灵敏度)，可将输出图像变得明亮或者暗淡。2.4相机的计算选型2.4.1 相机的各参数如下1. WD 物距 工作距离(Work Distance，WD)。 2. FOV 视场 视野(Field of View，FOV)3. DOV 景深(Depth of Field)。 4. Ho:视野的高度5. Hi:摄像机有效成像面的高度(Hi来代表传感器像面的大小) 6. PMAG:镜头的放大倍数 7. f:镜头的焦距 8. LE:镜头像平面的扩充距离图2-1 相机的计算原理图2.4.2 相机和镜头选择1、相机的主要参数: 感光面积SS(Sensor Size)2、镜头的主要参数: 焦距FL(Focal Length) 最小物距Dmin(minimum Focal Distance)3、其他参数: 视野FOV(Field of View) 像素pixel FOVmin=SS(Dmin/FL)图2-2 各参数关系图精度等级3级该精度等级下的公差数值表:表2-2 精度等级公差数值表尺寸范围偏差范围尺寸范围偏差范围3-62.580-12066-102.5120-180810-183180-2501018-304250-3151230-504315-4001350-805400-50015尺寸范围单位为毫米(mm),偏差范围单位为微米(m,1/1000毫米)初选MV-VS045FC/FM型号相机和AFT-0614MP型号镜头，其基本参数如下：表2-3 相机的基本参数表表2-4 镜头的基本参数表其中SS=6.4mm Dmin=0.1m=3.937in FL=6mm pixel=780582FOVmin=6.4（3.937/6）=4.199mm 4.199/780=0.0054mm=5.4m15m结论：所选相机和镜头可达到理想精度。第三章 测量平台设计3.1 三维滑台总体方案设计由于相机要在空间内运动，用以调节和被测物体间的距离，以达到最佳的拍摄效果，提高测量精度，因此要为相机设计一个三维滑台，实现相机的运动要求， 其中：X轴机架固定在地面，Z轴丝杠和导轨固定在X轴滑块上，Y轴丝杠和导轨固定在Z轴滑块上，Y轴滑块上固定相机，这样即可使相机达到运动要求，在空间三维运动。3.2 工作滑台丝杠选择与计算3.2.1 工作滑台丝杠的选择1） 丝杠传动形式选择:丝杠螺母机构（螺旋传动机构）主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变为旋转运动。这些传动机构既有以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等），也有以传递运动为主的（如工作台的进给丝杠），还有调整零件之间相对位置的（如螺旋传动机构）。丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分，滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本底，具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大，传动效率底（30%-40%）。滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂，制造成本高，但其最大优点是摩擦阻力矩小，传动效率高（92%-98%）其具有螺旋槽的丝杆与螺母之间装有中间传动元件滚珠。丝杠与螺母相对运动的组合情况有四种基本形式：1.螺母固定丝杠转动并移动。该传动形式因螺母本身起着支撑作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度。但其轴向尺寸不易太长，刚性较差，因此只适用于行程较小的场合。2.丝杠转动螺母移动。该传动形式需限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑、丝杠刚性较好，适用于行程较大的场合。3.螺母转动丝杠移动；该传动形式需要限制螺母移动和丝杠的转动，由于结构较复杂且占用轴向空间较大，故应用较少。4.丝杠固定螺母移动并转动。该传动方式结构简单、紧凑，但在多数情况下，使用极不方便，故很少应用。图3-1丝杠与螺母相对运动的组合情况的四种基本形式滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性： 滚珠丝杠副发热率低，温升小以及在加工过程中对丝杠采取预拉伸并预 ；紧消除轴向间隙等措施，使丝杠副具有高的定位精度和重复定位精度；传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长、同步性能好等优点。根据设计任务书要求所选传动形式为丝杠转动，螺母移动的滚珠丝杠。特点是需要限制螺母的传动，需要导向装置。其特点是结构紧凑，丝杆刚性较好，适用于工作行程较大的场合。2） 滚珠循环方式的选择:滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整也不方便。外循环方式中的滚珠在循环反向时，离开丝杠螺纹滚道，在螺母体内或体外做循环运动。因为该丝杠用于视觉测量平台，其往复运动较频繁，负载不大。内循环中的螺纹预紧螺母式滚珠丝杠结构简单、工艺性好、容易制造，精度符合要求，所以选用此方式。3）精度等级的选择:根据JB/T3162.2-91标准，对滚珠丝杠副的精度分成六个等级，即C，D，E，F，G，H级。最高精度为C级，最低精度为H级；而JB/T3162.2-1991为1，2，3，4，5，7，10共七个等级，最高为1级，最低为10级。由于是采用开环进给系统，丝杠传动距离为Lx=700mm,Ly=700mm，Lz=700mm由下表可得：根据定位精度和重复定位精度的要求可选用4级。表3-1精度要求选用表4）间隙的调整与预紧方式选择:滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道面接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回，这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的稳定性。在实际应用中，有五种调整预紧系统方法双螺母垫片调整预紧式，双螺母螺纹预紧式，双螺母齿差调整预紧式，弹簧式自动调整预紧式，单螺母变位导程自顶紧式和单螺母滚珠过盈预紧式。双螺母螺纹调整预紧式的特点是结构简单刚度高、预紧可靠，使用中调整方便。考虑到本次设计精度要求不高，可以尽量选择较简单的预紧形式，故本设计采用双螺母垫片预紧式。5）支撑方式选择:丝杠的轴承组合及轴承座以及其它刚性零件的连接不足，将严重轴承丝杠副的传动精度和刚度。为了提高轴向刚度，常用以推力轴承为主的轴承组合来支承丝杠，当轴向载荷较小时，也可用角接触球轴承来支承丝杠。支承方式有单推单推式，双推-双推式，双推简支式，双推-自由式。如下图：图3-2四种基本支撑方式其中双推简支式一端安装推力轴承与深沟球轴承的组合，另一端仅安装深沟球轴承，双推端可预拉伸安装，预紧力小，轴承寿命较高，适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统，结合本次设计丝杠行程较长、速度中等、精度较高等情况，选择这种传动方式。其轴向刚度较低，使用时应注意减少丝杠热变形的影响。6）止动方式的选择:因滚珠丝杠传动效率高，无自锁作用，故在垂直安装状态，必须设置防止因驱动力中断而发生逆传动的自锁、制动或重力平衡装置。常用的制动装置有体积小、重量轻、易于安装的超越离合器。7）润滑和密封方式的设计选择:滚珠丝杠副可用防尘密封圈或防护套密封来防止灰尘及杂质进入滚珠丝杠副，使用润滑剂来提高其耐磨性及传动效率，从而维护其传动精度、延长其使用寿命。密封圈有接触式和非接触式两种，将其装在滚珠螺母的的两端即可。接触式密封圈用具有弹性的耐油橡胶或尼龙等材料制成，因此有接触压力并产生一定的摩擦力矩，但其防尘效果好。为使滚珠丝杠副能充分发挥机能，在其工作状态下，必须润滑，润滑方式主要有以下两种：（1）脂润滑：润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3，部分滚珠丝杠副出厂时在螺母内部已加注GB7324-94 2#锂基润滑脂；（2）油润滑：润滑油的给油量标准如表16所示，但是随行程、润滑油的种类、使用条件（热抑制量）等的不同而有所变化。请注意使用。在这里选用润滑油。润滑油的给油量标准（间隔3分钟）表3-2轴颈与给油量的关系表轴 颈 (mm)给油量 (cc)480.0310140.0515180.0720250.1028320.1536400.2545500.3055630.40701000.503.2.2丝杠的计算：1）X轴方向滑台丝杠的设计计算照相机的质量为5N,上滑台质量 300N，最快速度，滑台移动最大距离，轴向移动误差小于等于，使用寿命，丝杠副的工作载荷： ( 1 ）丝杠副的设计计算：滚动丝杠摩擦系数： 滚动丝杠摩擦力：设：让滑台在0.1秒内加速到0.1 m/s由 即 牵引力：总工作负载：设传动效率：轴向载荷计算公式： 式中-载荷系数，查表得，取=1.2 -硬度系数，查表得，取=1.0-精度系数，查表得，取=1.0求得载荷（2）根据寿命条件计算额定动载荷，初选导程，可得（ 3 ）根据必须的额定动载荷选择丝杠副尺寸，由查南京工艺装备制造有限公司网站得如下规格：考虑各种因素，初选FFZD1204-3内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，其中： 公称直径： 导程： 螺旋角：滚珠直径：圈数列数：13螺纹滚道半径：=0.52 =0.522.381= 1.24偏心距：=0.707(R-/2)=0.707(1.24-2.381/2)=0.035丝杠底径：=+2-2 = 12+20.035-21.24=9.5（4）稳定性验算：假设为双推-简支（F-S），因为丝杠较长，所以用压杆稳定来求临界载荷 = 式中 -丝杠的弹性模量，对于钢=206GPa；-丝杠危险截面的轴惯性转矩，=；-长度系数，两端用铰接时，=2/3；取丝杠长： =0.8所以 =2.86故 S=2.53.3(参考上表)，丝杠是安全的不会失稳。 临界转速验证：高速运转时，需要验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杆的最高转速。临界转速可按公式计算： =9910=99105104=1500，所以不会发生共振。表3-3各种支撑方式对应个参数表 支撑方式有关系数双推自由FO双推简支FS双推双推FF稳定系数S342.53.3- 长度系数22/3- 临界转速系数1.8753.9274.730（ 5 ）刚度验算：滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为 式中 A-丝杠的截面积，A=； -丝杠的极惯性矩，=； -钢的切变模量，对于钢=83.3GPa； -转矩(Nm)，,其中为摩擦角，这里取，即=35.50.023Nm按最不利的情况，即取，则 丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为 通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即 该丝杠的导程误差满足上式要求，所以器刚度可满足要求。（ 6 ）效率验算：滚珠丝杠副的传动效率为 = 要求在92%98%之间，所以该丝杠副能满足使用要求。经上述计算验证，FFZD1204-3各项性能指标均符合设计要求，可以选用。2）Z轴方向滑台丝杠的设计计算照相机的质量，X轴方向滑台质量，X轴方向滑台质量，最大距离，轴向移动误差小于等于，使用寿命，丝杠副的工作载荷：设：让滑台在0.1秒内加速到0.1 m/s由 即 牵引力：总工作负载：设传动效率：轴向载荷计算公式： 按上表查得，取=1.2，=1.0，=1.0求得载荷（2）根据寿命条件计算额定动载荷，初选导程，可得（ 3 ）根据必须的额定动载荷选择丝杠副尺寸，由查南京工艺装备制造有限公司网站得如下规格：考虑各种因素，初选FFZD2505-3内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，其中： 公称直径： 导程： 螺旋角：滚珠直径：圈数列数：13螺纹滚道半径：=0.52 =0.523.5= 1.82偏心距：=0.707(R-/2)=0.707(1.82-3.5/2)=0.050丝杠底径：=21.9（4）稳定性验算：假设为双推-简支（F-S），因为丝杠较长，所以用压杆稳定来求临界载荷 =式中 -丝杠的弹性模量，对于钢=206GPa； -丝杠危险截面的轴惯性转矩，=；-长度系数，两端用铰接时，=2/3；取丝杠长： =0.8所以 =80.77故 S=2.53.3(参考上表)，丝杠是安全的不会失稳。 速验证：高速运转时，需要验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杆的最高转速。临界转速可按公式计算： =9910=991011766=1200，所以不会发生共振。（ 5 ）刚度验算：滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为 式中 A-丝杠的截面积，A=； -丝杠的极惯矩，=； -钢的切变模量，对于钢=83.3GPa； -转矩(Nm)，,其中为摩擦角，这里取，即=719.20.286Nm按最不利的情况，即取，则 丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为 通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即 该丝杠的导程误差满足上式要求，所以器刚度可满足要求。（ 6 ）效率验算：滚珠丝杠副的传动效率为 = 要求在92%98%之间，所以该丝杠副能满足使用要求。3）Y轴方向滑台丝杠的设计计算照相机的质量，X轴方向滑台质量，Z轴方向滑台质量，Y轴方向滑台质量,最大距离，轴向移动误差小于等于，使用寿命，丝杠副的工作载荷：滚动丝杠摩擦系数： 滚动丝杠摩擦力：设：让滑台在0.1秒内加速到0.1 m/s由 即 牵引力：总工作负载：设传动效率：轴向载荷计算公式： 按上表查得，取=1.2，=1.0，=1.0求得载荷（2）根据寿命条件计算额定动载荷，初选导程，可得（ 3 ）根据必须的额定动载荷选择丝杠副尺寸，由查南京工艺装备制造有限公司网站得如下规格：考虑各种因素，初选FFZD1204-3内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，其中： 公称直径： 导程： 螺旋角：滚珠直径：圈数列数：13螺纹滚道半径：=0.52 =0.522.381= 1.24偏心距：=0.707(R-/2)=0.707(1.24-2.381/2)=0.035丝杠底径：=+2-2 = 12+20.035-21.24=9.5（4）稳定性验算：假设为双推-简支（F-S），因为丝杠较长，所以用压杆稳定来求临界载荷 =式中 -丝杠的弹性模量，对于钢=206GPa； -丝杠危险截面的轴惯性转矩，=； -长度系数，两端用铰接时，=2/3； 取丝杠长： =0.8所以 =2.86故 S=2.53.3(参考上表)，丝杠是安全的不会失稳。 速验证：高速运转时，需要验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杆的最高转速。临界转速可按公式计算： =9910=99105104=1500，所以不会发生共振。（ 5 ）刚度验算：滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为 式中 A-丝杠的截面积，A=； -丝杠的极惯矩，=； -钢的切变模量，对于钢=83.3GPa； -转矩(Nm)，,其中为摩擦角，这里取，即=105.20.069Nm按最不利的情况，即取，则 丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为 通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2，即 该丝杠的导程误差满足上式要求，所以器刚度可满足要求。（ 6 ）效率验算：滚珠丝杠副的传动效率为 = 要求在92%98%之间，所以该丝杠副能满足使用要求。3.3工作滑台与滚动导轨副选择与设计3.3.1 直线运动滚动导轨副的分类、特点及作用（1）滚动导轨副的分类直线运动滚动导轨副的滚动体有循环和不循环两种类型。这两种类型又将导轨副分成多种形式。按照滚动体不循环的有滚珠导轨副，滚针导轨副，圆柱滚子导轨副等；滚动体循环的有筏子导轨块，滚动花键副，直线运动球轴承及其支承，滚珠导轨块。（2）特点: 摩擦系数小，运动灵活； 动静摩擦系数相同，因而启动阻力小，不易产生爬行； 可以预紧，刚度高； 寿命长； 精度高； 润滑方便，可以采用脂润滑，一次装填，长期使用；由专业厂生产，可以外购选用。基本要求：（1）导向精度；（2）耐磨性；（3）刚度；（4）工艺性由于滚动直线导轨副的特殊结构，使其具有垂直向上、向下和左右水平四方向额定载荷相等（见图）,且额定载荷大，刚性好，刚度高，三个方向抗颠覆力矩能力大，适用于各种载荷机床。本次设计选用此型号的滚动直线导轨副。图3-3 导轨示意图（3）导轨的结构和作用直线滚动导轨副包括导轨条和滑块两部分，主要功用是导向和承载。导轨通常为两根，装在支承件上。每根导轨条上有两个滑块，固定在移动件上，如移动件较长，也可在一根导轨条上装3个或3个以上滑块。如移动件较宽，也可以用3根或3根以上的导轨条。如果移动件的刚度较高，则少装为好。在两条导轨条中，一条为基准导轨，上面有基准面，滑块上有基准面；另一条为从动导轨。导轨材料选择低合金铸铁。图3-4 导轨结构图3.3.2直线滚动导轨副的计算1) X轴方向滑台滚动导轨副计算:直线滚动导轨副的计算与滚动轴承相仿，以在一定的载荷下行走一定的距离，90%的支承不发生点蚀为依据。这个载荷称为滚动导轨的额定动载荷，可从产品样本中查到。直线滚动导轨副的主要参数，其中为额定动载荷，为额定静载荷（KN）。这个行走距离称为滚动导轨的距离额定寿命，它可以根据滚动导轨的额定动载荷用下面公式进行计算：滚动体为球时 式中：为滚动导轨副的距离额定寿命（km）；为额定动载荷（N），初选滚动导轨型号后，可以从样本中查出 初选导轨为南京工艺装备制造的GGB16AA型导轨。额定动载荷=8.51KN，额定静载荷=13.38KN。为每个滑块上的工作载荷（N）；F=42.6/4 = 10.65N为硬度系数，由下表查得：取=1.0表3-4导轨面硬度 HRC58645550硬度系数 1.00.80.53 为温度系数，当工作温度不超过100时，=1；由下表查得表3-5工作温度（）100100150150200200250温度系数1.000.900.730.60为接触系数，由每根导轨上滑块数决定，=0.81，由下表查得表3-6每根导轨滑块数二个三个四个五个接触系数 0.810.720.660.61为载荷/速度系数，由下表查得，取=1.5，由下表查得表3-7冲击、速度情况无冲击振动轻冲击振动有冲击振动载荷/速度系数11.51.522.03.5计算可得: 如果把距离额定寿命换算为小时额定寿命，则 = 式中S为移动件行程长度（m）；为移动件每分钟往复次数（min-1），为安全起见，取，可得 设计所需时间15000，满足设计要求，初选的导轨可用。2）Y轴与Z轴滚动导轨副计算同理，Y轴Z轴都选用南京工艺装备制造有限公司的GGB16AA和GGB20AA型导轨，经验算可满足要求。3.3.3滚动导轨的润滑与防护要注意工作环境与装配过程中的清洁，不能有铁屑、杂质、灰尘等粘附在导轨副上。若工作环境有粉尘时，除利用导轨的密封外，还应考虑增加防尘装置。如下图所示。 润滑的主要目的是减小磨擦和磨损以防止过热，破坏其内部结构，影响导轨副的运动功能。当滚动直线导轨副的运行速度为高速时（V15m/min）,推荐使用N32润滑油（GGB443-84）,40时28.535.2cst, 相当于旧标准的20号机械油，定期润滑或接油管强制润滑（如下图所示）。低速时（V2.5=1.11。而初选的电动机的最大静转矩为5，满足要求。所以，初选电动机的转矩满足要求4.3步进电机的驱动与控制（1）三相六拍分配状态表4-1三相六拍分配状态转向1-2相通电CPDCBA代码转向 正A0000101H反AB1001103HB2001002HBC3011006HC4010004HCA511000CH（2）Z轴方向电动机是三相六拍，控制精度0.0083mm/步，转动一圈移动5mm。因为滑台最大移动距离700mm ,所以移动到另一端转动圈数为140圈。可赋值R1=140=8CH，R2=100=064H,R3=6X、Y轴方向电动机是三相六拍，控制精度0.0067mm/步，转动一圈移动4mm。因为滑台最大移动距离700mm ,所以移动到另一端转动圈数为140圈。可赋值R1=175=0AFH，R2=100=064H,R3=6（3）程序Z方向的控制程序ORG 0000HAJMP MAINORG 000BHAJMP TT0ORG 0300HMAIN: LP1： MOV R1，#8CH LP2： MOV R2，#064H （赋步数值）LP3： MOV R3, #06HMOV DPTR，#TAB1LP4： CLR A MOVC A，A+DPTR
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号