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微型軸承外表面缺陷自動檢測線設計 史永杰 機械科學與工程及自動化 第一章 論述 1.1前言 檢測技術是現代制造業(yè)的基礎技術之一,是保證產品質量的關鍵。隨著現代制造業(yè)的發(fā)展,許多傳統的檢測技術已不能滿足其需要,表現在:現代制造產品種類有很大的擴充,現代制造強調實時、在線、非接觸檢測,現代產品的制造精度大大提高;現代制造業(yè)的進步需要研究新型的產品檢測技術。 計算機工業(yè)圖象檢測是將計算機視覺應用于工業(yè)檢測的一門交叉學科。計算機視覺,指的是利用計算機技術對景物的圖象進行識別],以實現對人視覺功能的擴展。利用這一技術可以解決許多工業(yè)圖象檢測環(huán)節(jié)的問題,以取代落后的人工檢測,提高檢測效率和工業(yè)自動化水平,構成帶視覺環(huán)節(jié)的反饋控制系統。視覺檢測技術具有非接觸、速度快、精度合適、現場抗干擾能力強等突出的優(yōu)點,能很好地滿足現代制造業(yè)的需求,在實際中顯示出廣闊的應用前景。視覺檢測技術是建立在計算機視覺研究基礎上的一門新興檢測技術,可用于工業(yè)領域的很多方面,如零件檢驗與尺寸測量、零件的缺陷檢查、零件裝配、機器人的引導和零件的識別等。 軸承是機械行業(yè)的一個非常重要的零件,使用極其普遍且品種繁多,軸承的加工精度和質量關系到機械產品的使用性能和質量,因此對各種軸承的加工質量檢測一直是軸承加工廠家關心的問題。 1.2 國內外的發(fā)展現狀 目前我國大部分軸承產品加工企業(yè)，特別是一些中小規(guī)模的生產單位，對產品感官指標的檢測還要借助于人的視覺和個人主觀判斷能力,因而占用了大量的人力,而且由于受到個人的視力、情緒、疲勞、光線等因素的影響,工作效率低,分選差異大。而且這種用肉眼檢測軸承接觸面的方法來測量齒面加工精度,這種檢測方法是不足以勝任的,因為檢測質量的結果依據各個檢測員而不同。雖然座標檢測機能對齒面進行批量檢測,但目前市售測量機不能精確地檢測軸面周邊和不規(guī)則的表面,而且此類檢測機需要相當長的檢測時間。且該檢測機的自動化程度不高,檢測產品單一,且開發(fā)費用較高，與我國現有肉食品加工業(yè)的先進生產裝備水平極不相符,也制約了機械制造業(yè)的長足發(fā)展。 1.3 課題研究內容 基于機器視覺（圖像識別）的監(jiān)測技術在有些行業(yè)已經得到較好的應用，而且創(chuàng)造了極高的價值。針對目前軸承檢測過程中暴露出的問題, 為了提高生產效率，節(jié)約成本，我們必須建立一種全新的檢測技術，用以替代落后的人工檢測。而采用基于計算機的視覺檢測和圖象處理技術,設計一軸承外表的自動視覺檢測系統,成為我們必然的選擇。 本文根據我國目前的檢測系統的發(fā)展水平，監(jiān)測系統的設計要求，發(fā)展現狀，今后的發(fā)展趨勢，對可以在企業(yè)內部使用的基于圖像識別模式的檢測系統進行研究，采用同步帶做為輸送線，用兩個四自由度機械手代替人工操作，用CCD攝像機進行圖像采集，經過處理后，用先進的單片機進行集中控制，實現了自動化，準確化檢測，提高了檢測系統的可靠性、準確性、實用性。 第二章 系統總體設計 2.1 系統總體技術分析 基于圖像識別技術的軸承檢測系統是提高精確化，高速化，自動化檢測的重要方法，目前圖象檢測技術在諸如:液面和厚度的自動檢測、焊縫自動跟蹤、集成電路芯片焊點的自動定位、零件表面壞損的自動檢測、印刷電路板表面缺陷的自動檢測等領域都已有較好的應用。 因此通過光-電技術、圖象識別處理技術及計算機控制技術等,對“對軸承的感官指標進行在線圖象檢測”的關鍵性技術進行研究應該是可行的。這種采用CCD采集圖像的檢測技術主要有以下幾個優(yōu)點： ①100%的檢測比例,這樣可以更好地控制產品質量,而許多人工檢驗是抽樣檢驗; ②一致的檢驗效果,不存在疲勞問題; ③可以降低檢測成本,提高產品質量的可信度; ④可以面向所有的軸承產品,甚至其它的機械零部件； 2．2 系統的工作原理 軸承外表視覺檢測系統,在線工作。生產流水線中被測軸承按照一定的節(jié)拍在輸送帶上運動,由機械手在特定的位置將其搬到戴檢測位置，然后由CCD攝像機進行圖像提取。圖象的獲取與軸承的運動同步進行;被測軸承的各檢測項目信息處于特定的背景中,通過圖象預處理將其從中提取出來,與設置的標準模板匹配,即對已有的模板與被檢測物體進行分析,對兩個圖形的相似程度進行度量,并返回圖形之間的相似度值,通過相似度值來判斷模板與被檢測物體是否相同或相似,同時將檢測結果及時報告或通訊給其它執(zhí)行系統,從而實現對軸承加工質量的正確分類(一定要求的正品和廢品)。因此,該視覺檢測系統由下列子系統組成:光源和光學成像系統;攝像與圖象處理系統;用于控制攝像、圖象處理、圖象分析的計算機系統;與生產線的同步通訊和運動控制系統;輸出檢測結果系統，執(zhí)行系統。其一般過程如圖1所示。具體工作流程如下： 1 當啟動檢測線，第一個軸承到位以后，經過視覺傳感器，判斷目標是否到位，然后由控制機發(fā)出啟動機械手甲的指令，當甲手啟動到位的時候，要求那個軸承也恰好到位，此時，機械手可直接抓取目標； 2 當機械手甲將目標放到檢測位置時，由傳感器2判斷目標到位情況，然后由控制機發(fā)出指令，啟動CCD，進行第一個目標檢測，經過一系列的圖像處理，判斷圖形真?zhèn)危缓髠鹘o控制機； 3 當為不合格的目標時，控制機發(fā)出指令，機械手乙動作，將目標放到廢品箱； 4 如果不是廢品，則將目標放到生產線上。 5 以后，每隔4秒鐘，CCD獲取圖像一次。而兩個機械手則實現放料，送料。 計算機 圖像采集卡 CCD 機械手甲 廢品箱 機械手乙 X Y 機械控制箱 2.3 系統描述及關鍵問題分析 軸承質量的檢測方法,檢測系統，既要適應檢測生產線工作方式的不同,又要適應軸承換型的要求,同時還要滿足一定的實時性要求.由于生產過程中,必須對每一個軸承都進行檢測,這就要求圖像檢測、圖像處理的速度必須跟得上生產線的運行速度.在攝像用光方面,既可采用背光也可采用正光.實踐表明:如果采用背光,有利于對圖像進行目標分割 采用圖像處理方法,進行軸承質量在線檢測,需要解決以下幾個關鍵問題: (1)　目標(軸承,下同)分割　軸承的合格與否,最終要歸于它所包含的每一個檢測小目標是否全部合格,所以能否把這些小目標全部并且正確地從圖像背景中分割提取出來,是整個檢測任務中的首要問題. (2)　攝像同步及目標定位　在獲取藥板圖像時,我們讓一幅圖像里只包含一個完整的軸承,也就是一次只檢測一軸承.這樣,每當開啟整個生產線后，一個軸承被傳送到圖1中A處時,必須由生產線即時給出表示該軸承已就位的同步信號,并送給計算機以啟動圖像采集和處理.以后CCD則按照一定的頻率進行圖像采集。 目標定位與CCD圖像傳感器的工作原理,以及同步信號的接入位置有關.這里采用廉價的主要應用于普通監(jiān)控場合的CCD圖像傳感器進行軸承圖像獲取,它按照普通電視制式工作而沒有外部觸發(fā)拍攝功能,它的一幀視頻圖像一般占時40ms.圖像傳感器與生產線相互獨立地工作生產線給出的同步信號送給計算機,通知計算機在從視頻采集卡送來的視頻流中截獲一幀圖像.由于生產線給出的同步信號的周期取決于所要檢測的軸承在運動方向的長度。.因此,大多數情況下,同步信號周期不是40ms的整倍數,這樣在軸承被傳送到CCD圖像傳感器視場中心位置的瞬間,生產線發(fā)出同步信號通知計算機試圖采集此時的視場景物圖像,然而大多數情況下此時的視場景物并不能被捕獲到,實際獲取到的圖像大多數都是在中心位置之前或之后一段時間(不大于40ms)拍攝到的,即實際獲取到的圖像與中心位置的圖像發(fā)生了錯位, CCD圖像傳感器實際獲取到的發(fā)生了錯位的圖像.由于目標偏出視場,這就需要把攝像區(qū)擴大,以使目標不會偏出,但也不能過分大,以免一幅圖像中包含兩個完整軸承.所以,在實際檢測識別時就需要跟蹤這種錯位導致的抖動以捕獲到目標. （3）機械手跟生產線，CCD的同步問題。當地一個軸承到位以后，經過傳感器的判斷，由控制機發(fā)出啟動機械手甲的指令，當甲手啟動到位的時候，要求那個軸承也恰好到位，此時，機械手可直接抓去；當機械手甲將目標放到檢測位置時，控制機發(fā)出指令，CCD動作。進行第一個目標檢測，以后，每隔一定時間，CCD獲取圖像一次。當有不合格的目標是，控制機發(fā)出指令，機械手乙動作，將目標放到廢品箱，如果沒有廢品，則將目標放到生產線上。 （4）機械手的協調運動；要求機械手為四軸聯動，這樣，就對機械手的內部構造，動力系統的控制同步技術等提出了一定的要求； 2.4 軸承缺損檢測系統的組成 基于機器視覺技術的軸承缺損檢測系統總體上由硬件和軟件兩大部分組成 由圖1我們可以看出，硬件裝置包括傳送裝置，機械手。傳送裝置在機器中分為兩個區(qū)域:檢測區(qū)和分離區(qū)。在檢測區(qū),通過高速ＣＣＤ攝像機將傳送中連續(xù)的軸承圖像傳輸到計算機中,計算機對記錄下的圖像進行分析,分辨出損壞軸承。當軸承進入分離區(qū)時,橫向機械操作手執(zhí)行剔除命令,使廢品落入廢品箱,而成品正常落入成品區(qū),從而實現成品和廢品的分離。 軟件主要包括對機械手控制程序的設計，計算機圖像處理，控制機的指令設計。 因此整個系統包括：傳送線、 機械手、CCD攝像機、一些傳感器、控制電路，上位機、下位機等。 2.5總體系統設計任務 1 傳送帶的形式、速度、及其它參數； 2 機械手的設計和工藝要求； 3 為機械手各軸選擇電機和驅動機構； 4 電機的控制順序等； 5 計算機控制系統設計；； 2.6．設計工作量 （1）設計圖量A0號4張： 其中： 總布置圖A0一張 部件裝配圖A0一張 零件圖折合A0一張 單片機控制原理圖A0一張 （2）說明書2.5萬字左右 第三章 輸送線的設計 而在現代化工業(yè)生產領域中，材料的搬運，機床上下料，整機的裝配等實現自動化是十分必要的。自動上下料裝置使散亂的中小型工件毛胚經過定向機構，實現定向排列，然后順次的由上下料機構把她送到工作位置中去，并把工件取走。 我們的軸承在線檢測是大批量生產，要求檢測率高，機動工時短， 3.1 自動線的設計選用要點： 1 按照生產批量或者生產率計算出所需的上料節(jié)拍，或者上料生產率， 2 根據工件的類型，尺寸，形狀，從必要性和可能性綜合考慮合理的自動化程度，選用合理的送料、定向機構。 3 當上下料裝置的總體反感確定以后，應作深入的分析和評價，一個好的輸送線應該達到： 1） 提高設備生產率，顯著減輕工人的勞動強度； 2）工作穩(wěn)定可靠，運轉噪音小，不會損傷工件，使用壽命長； 3）結構緊湊簡單，最大限度地采用標準化零部件，通用性好，易于制造，易于維修，成本低； 傳送線的方式有很多種，照工作原理，又摩擦傳動，齒形傳動，嚙合傳動，流體傳動，電力傳動等。而每一個傳動有很多類型，比如嚙合傳動中的鏈傳動：套筒輥子鏈，套筒鏈，齒形鏈等。經過充分考慮，我們決定采用效率很高的同步帶作為我們的輸送線。 3.2 同步帶簡介 一、同步帶傳動的特點及應用 同步帶傳動具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。 同步帶傳動由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力（見圖7–21），故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準確的傳動比。同步帶通常以鋼絲繩或玻璃纖維繩為抗拉體，氯丁橡膠或聚氨酯為基體,這種帶薄而且輕，故可用于較高速度。傳動時的線速度可達50m/s，傳動比可達10，效率可達98％。傳動噪音比帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨性好，不需油潤滑，壽命比摩擦帶長。其主要缺點是制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴格。所以同步帶廣泛應用于要求傳動比準確的中、小功率傳動中，如家用電器、計算機、儀器及機床、化工、石油等機械。 同步帶有單面有齒和雙面有齒兩種，簡稱單面帶和雙面帶。雙面帶又有對稱齒型（DI）和交錯齒型（DII）之分（見圖7–21）。同步帶齒有梯形齒和弧形齒兩類。同步帶型號分為最輕型MXL、超輕型XXL、特輕型XL、輕型L、重型H、特重型XH、超重型XXH七種。梯形齒同步帶傳動已有標準（GB11361~11362–89）。 在規(guī)定張緊力下，相鄰兩齒中心線的直線距離稱為節(jié)距，以p表示。節(jié)距是同步帶傳動最基本的參數。當同步帶垂直其底邊彎曲時，在帶中保持原長度不變的周線，稱為節(jié)線，節(jié)線長以LP表示。 同步帶帶輪的齒形推薦采用漸開線齒形，可用范成法加工而成。也可以使用直邊齒形。 以下是同步帶設計計算步鄹： 計算項目 單位 公式及數據 說明 設計功率Pd kW Pd=(k0+k1+k2)P k0—工況因數，見表13158 k1—張緊輪影響因數，見表13159 k2—增速傳動因數，見表13160 P—傳動功率，kW 節(jié)距Pb mm 根據Pb和n1，由圖13-1-8選取 n1—小帶輪轉速，r/min 小帶輪齒數z1 　 z1≥zmin zmin見表13-1-61 　 小帶輪節(jié)圓直徑d1 mm 　 帶速v m/s 型號 MXL， XXL，XL L，H XH XXH vmax 40～50 35～40 25～30 傳動比i 　 n2—大帶輪轉速，r/min 大帶輪齒數z2 　 z2=iz1 　 大帶輪節(jié)圓直徑d2 mm 　 初定中心距a0 mm 0.7(d1+d2)＜a0＜2(d1+d2) 　 初定帶的節(jié)線 長度Lop及其齒數zb mm 按表13-1-48，13-1-49，13-1-50，13-1-51選取接近的Lp值及其齒數zb 計算中心距a mm α1—小帶輪包角 小帶輪嚙合齒數zm 　 一般zm≥zm min=6 額定功率P0 kW Ta—帶寬為bso的許用工作拉力，見表13-1-64 m—帶寬為bso的單位長度的質量，kg/m，見表13-1-64 帶寬bs mm 按表13147選定 bso—選定型號的基準寬度，mm，見表13-1-64 kz—小帶輪嚙合齒數因數 作用在軸上的力Fr N 　 3.3 同步帶的設計計算 一 用作輸送帶 （1）給出傳動要求 1）傳遞名義功率： P = 2.2 KW; 2) 主動軸轉速=從動軸轉速 3) 原動機 2.2kw 異步電動機 4）運轉時間 每天24小時 5) 中心距要求： a= 1000mm （2）傳送帶的節(jié)距和型號 1）計算設計功率 a) 由表6-61查的載荷的修正系數 b) 計算設計功率 2） 傳送帶型號和節(jié)距 由 。查圖6-9節(jié)距代號為H。對應節(jié)距為 H ： s 12.7 40 6.12 2.29 3.66 3) 確定帶直徑和節(jié)線長 1 由表6-69。H 形帶，帶輪轉速 最小齒數 Z = I4 ，取Z=36 小帶輪直徑 2 選擇帶長 查表6-59，同步帶長GB11616-89，取 3 傳動中心距： （4） 選擇標準帶寬 1 確定基準額定功率 Z= 36 ， 轉速。 由表6-60，內插法，H型帶基準額定功率 。 2 確定額定功率 A 嚙合齒數 則： B 帶寬系數 （同步帶基準帶寬） C 確定額定P 3 選擇帶寬： 根據設計要求， 則可以得到： 按表 6- 58，查 mm （5） 結果整理 1 選用H型同步帶 mm 2 帶輪 3 傳送帶中心距近似計算的： 我們將傳送帶分成十分， 則，我們選擇 。 二 用作傳動帶 1）傳遞名義功率： P = 2.2 KW; 2) 主動軸轉速=從動軸轉速 3) 原動機 2.2kw 異步電動機 4）運轉時間 每天24小時 5) 中心距要求： a= 500mm （2）傳送帶的節(jié)距和型號 1）計算設計功率 a) 由表6-61查的載荷的修正系數 b) 計算設計功率 2） 傳送帶型號和節(jié)距 由 。查圖6-9節(jié)距代號為H。對應節(jié)距為 H ： s 12.7 40 6.12 2.29 3.66 3) 確定帶直徑和節(jié)線長 1 由表6-69。H 形帶，帶輪轉速 最小齒數 Z = I4 ，取Z=14 傳動比 按照標準帶輪齒數，取 小帶輪直徑 4 選擇帶長 = 15995.42mm 查表6-59，同步帶長GB11616-89，取 5 傳動中心距： （6） 選擇標準帶寬 2 確定基準額定功率 按照標準帶輪齒數，取 轉速。 由表6-60，內插法，H型帶基準額定功率 。 2 確定額定功率 A 嚙合齒數 則： B 帶寬系數 （同步帶基準帶寬） C 確定額定P 3 選擇帶寬： 根據設計要求， 則可以得到： 按表 6- 58，查 mm （7） 結果整理 1 選用H型同步帶 mm 2 帶輪 3 傳送帶中心距近似計算的： 第四章 機械手的設計 4.1 引言 機械手是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。 機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如： (1) 機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。 (2) 在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中 它可以用來組裝零部件。 (3) 可在勞動條件差，單調重復易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。 （4） 可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。 (5） 宇宙及海洋的開發(fā)。 (6) 軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。 軸承裝卸工業(yè)機械手是一種模仿人手部分動作，按照預先設定的程序Z軌跡或其它要求實現抓取Z搬運工件或操縱工具的自動化裝置。 4.2 搬運機械手的組成 我們的目標是實現對在線運行的軸承的抓取，并將它放到待檢測位置，這個位置是固定不動的。等檢測結束之后，由另外一個機械手將目標搬走，然后由原來的機械手繼續(xù)放料，實現了一個循環(huán)。 因此，由我們的設計任務可以得到，我們的檢測系統中需要兩個機械手。他的動作則需要實現轉動，升降運動，伸縮運動，抓取物體。 4.2.1 機械手的組成 工業(yè)機械手 4.2.2 機械手的自由度 由設計任務，我們可以輕松的得到他的自由度為四，即：底座的轉動，機身的升降，臂部的伸縮，手部的抓取。 4．3 機械手的整體設計功能 我們的檢測系統中整形機構包括了多關節(jié)機械手和控制箱兩部分組成。多關節(jié)機械手共有3個關節(jié)動作和一個抓手動作，使用二個步進電機分別控制二個關節(jié)的動作，一個步進電機控制底盤轉動，一個電機控制手臂伸縮。二個油缸控制兩個關節(jié)，抓手的抓物動作由油缸控制?？刂葡洳糠钟呻娫?、單片機、步進電機驅動模塊及相應的按鈕組成。 以下是此次我們設計的機械手的工作框圖 機械手甲 廢品箱 機械手乙 X Y A B D C 圖示我們的機械手動作順序，此為一個循環(huán) 機械手甲開始動作 甲手完成下降、抓取目標、上升、將目標放到檢測點 機械手乙啟動 CCD開始檢測（甲手返回A 上方）———檢測結束 乙完成轉動，下降，抓取目標，上升， 機械手甲啟動 乙繼續(xù)完成轉動，下降，放物，上升，縮回B點， 序號 動作（機械手甲） 時間(s) 1 在A點上方下降 0.2 2 抓取目標 O．2 3 在A點上升 0.2 4 轉動到C點上方 0.3 5 下降到C點， 0.2 6 放下目標（啟動CCD） 0.2 7 上升到C點上方 0.2 8 轉回到A點上方 0.3 序號 動作（機械手乙） 時間（s） 1 CCD檢測結束，發(fā)出啟動機械手乙指令 共需2S 2 由B上方轉動到C點上方 0.2 3 在C點上方下降 0.2 4 抓取目標 0.2 5 在C點上升 0.2 6 轉動到D點上方 0.3 7 下降到D點， 0.2 8 放下目標 0.2 9 上升到D點上方 0.2 10 縮回到B點上方 0.3 從上面可以看出，機械手甲動作，到檢測完畢機械手乙動作并在C點將目標抓取到手后機械手甲開始下一個動作，完成了一個循環(huán)。則經過以上的計時，我們可以知道計算得到一個循環(huán)的時間： 甲手從啟動到T=1.3; CCD攝像機工作時間為T2=2s 乙手動抓住目標T3=0.6 此時，甲手開始下一個循環(huán)，也就是說，當乙手往起升的時候，甲手剛好下降。 則?？偟难h(huán)周期：T= 1.3+2+0.6=3.9 取T=4s，這就是各個機器的循環(huán)周期，也是整個系統工作的周期。 則，從系統開始工作，各個機器啟動之后，他們的工作周期都是4s,即：每隔4s鐘動作一個循環(huán)。 4.4 機械手手部的設計 我們抓取的目標是半徑為r=20mm的軸承，軸承的大小，形狀決定了我們設計的手部的大小，形狀。經過分析，我們設計的手部是手指式手部。我們設計的是手指式手部。手指式手部是以手指的張開和閉合來抓持工件，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，故應用最廣。 機械手的手部采用油缸控制，缸活塞后退時抓緊工件，缸活塞前進時松開工件。 4.4.1機械手的設計難點 搬運機械手是按照一定的軌跡實現的運動，而且，在檢測系統中，有著時間的限制，因此，要求我們的機械手工作速度快，運動平穩(wěn)，尤其要求定位精度高。因此，必須對設計中的難點進行足夠的分析，設計合理的結構，以滿足要求。 下面按類別對設計難點進行說明 手部： 1 其手部抓持工件的迅速，準確和牢固程度都將直接影響機械手的工作性能，根據手部所抓持工件的形狀、尺寸、重量、材料和表面狀況的不同，手部具有多種結構型式。 2 手指要有足夠的加緊力。為使手指夾緊工件，除考慮被抓持工件的重量之外，還應該考慮工件在傳遞過程中所產生的動載荷。 3 手指應有一定的開閉范圍，其大小不僅與工件尺寸有關，而且必須注意手部接近工件的運動路線及方位的影響。 4 應該保證工件在手內的準確定位。 5 保證手部有足夠的柔度，軸承是金屬品，而且是對表面質量要求很高，在抓取的時候，不能對工件造成損害。 4.4.2 手指加緊力的計算 式中 ——安全系數，通常取1.2-2； ——動載荷系數；此處為1 ——方位系數 此處為0.5 G ——被夾持工件的重量。 經過計算，機械手的加緊力為：N=2kgf 4.5 臂部的設計 臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來改變工件的位置，手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。 臂部設計的難點 1 剛度要好 要合理的選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸。為了解決這個問題，在機械手的臂部，用了鋼管最為他的導向桿。 2 偏重力矩要小 在手部的油缸的設計中，我們的李很小，所以，用了一個小的油缸，再臂部的一段，我們安裝了一個較大的電機，而且，那一段還可以加鐵塊進行重量平衡。 臂部設計中，我們用了四根導向柱，用來提到他的導向定位精度。 電機的選取 我們采用了絲杠螺母傳動機構。有一個電機經過聯軸器直接帶動絲杠軸，實現了伸縮運動。 由于我們的設計進度要求很高，力比較小，因此選取sl系列伺服電機。 4.6 機身的設計 機身是支撐臂部的部件。升降，回轉，和俯仰運動機構等都安裝在機身上。 我們采用升降油缸，實現了升降運動。 液壓傳動系統的設計，按照以下程序進行： a 明確設計依據，進行工礦分析。設計的依據有： （1） 主機的結構、動作循環(huán)和主要技術要求，如運動平穩(wěn)性、動作精度、動作連鎖、自動化程度和效率等。 （2） 液壓系統的工作環(huán)境，如溫度及其變化范圍、潮濕、振動、沖擊、塵砂、腐蝕或者易燃等。 （3）其他要求，如對液壓裝置的重量，外形，尺寸，經濟性等。 B 擬定液壓系統方案。包括：選定系統的工作壓力，擬定系統的主要回路和綜合考慮其他問題。 C 計算或者選定液壓系統及元件的參數，包括：液壓執(zhí)行器尺寸和所需流量，泵的規(guī)格和驅動功率，各種液壓元件的規(guī)格，管道尺寸和油管容量。 D 驗算液壓系統的性能。包括：管道和元件的壓力損失，系統地發(fā)熱量和溫升，液壓沖擊。 對升降運動的油缸計算如下： 1、 液壓缸工作壓力確定 由表可以查的P1=16MPa. 2、 液壓缸內徑D和活塞桿直徑d的確定 單活塞桿液壓缸可簡化為： ， P1—液壓缸工作壓力，初算時可取系統工作壓力Pp=16Mp。 P2—液壓缸回油腔背壓力，初算時按表估計：P2=0.8~1.5X（1+50%~100%），估計P2=1.2Mp。 F—工作循環(huán)中最大的外負載.F=4000N. Ffc—液壓缸密封處摩擦力,它的精確值不易求得,常用液壓缸的機械效率 進行估算 F+Ffc=, —液壓缸的機械效率，一般 =0.9~0.97，取0.95，將以上代入 ，=0.63，得到D=74mm。 D取80mm，d取50mm. 對選定后的液壓缸內徑D，必須進行最小穩(wěn)定速度的驗算，要保證液壓缸節(jié)流腔的有效工作面積A，必須大于保證最小穩(wěn)定速度的最小有效面積Amin, 即 ， ——流量閥最小穩(wěn)定流量， A==12246mm,Amin=4x106/60/200=333.3,A>Amin,說明液壓缸可以保證最小穩(wěn)定速度。 3、液壓缸壁厚和外徑的確定 液壓缸壁厚由液壓缸的強度條件來計算。 液壓缸壁厚一般指缸筒結構中最薄處的壁厚。從材料力學可知，承受內壓力的圓筒，其內應力分布規(guī)律因壁厚的不同而各異，一般計算時可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。 液壓缸的內徑D與其壁厚的比值D/10圓筒稱為薄壁圓筒，起重運輸機械的液壓缸一般用無縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結構，其壁厚按公式：， —液壓缸壁厚（m）; D—液壓缸內徑（m）; Py—實驗壓力，一般取最大工作壓力的1.25~1.5倍； []—缸筒材料的許用應力。[]=110MPa,[],取20mm。 4、 液壓缸工作行程的確定 由表和實際情況選取400mm。 5、 最小導向長度的確定 當活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到缸蓋滑動支承面中點的距離H稱為最小導向長度。如果導向長度過小，將使液壓缸的初始撓度增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此，設計時必須保證有一定的最小導向長度。對一般的液壓缸，最小導向長度H應滿足以下要求： L—液壓缸的最大行程，L=400mm；D—液壓缸的內徑,D=80mm。 . 6、 缸體長度的確定 液壓缸缸體內部長度應等于活塞桿的行程與活塞的寬度之和，缸體外形長度還要考慮到兩端蓋的厚度，一般液壓缸缸體長度不應大于內徑的20~30倍，即L1(20~30)X106=3200~4800mm 。 7 驗算活塞桿的強度和穩(wěn)定性： 由于活塞桿只受軸向載荷，因而采用如下公式進行驗算： 35.7/D≤[]， 其中 F——液壓缸輸出力， []——活塞桿的許用壓力（Mpa），當活塞桿為碳鋼時，[]=100-120（Mpa），取[]=110（Mpa）。 由此可以得出： 35.7/63=74.45≤110， 所以活塞桿滿足強度校核。 8 校核活塞桿的穩(wěn)定性： 活塞缸承受壓縮載荷時，如果活塞桿的計算長度與活塞桿的直徑之比大于10時，需要對活塞桿縱向彎曲強度進行計算。本次設計中的活塞桿計算長度與活塞桿直徑之比小于10，故無需進行縱向強度計算。 本機械手，我們較好的解決了偏距問題，應該沒有偏心載荷的作用，可以采用等截面的方法來進行校核： 當L/k≥m*時，臨界載荷為： P=*n*E*J/L*L 式中n為末端條件系數。 類型 n L C 一端固定，一端自由 0.25 2L 1 一端固定，一端鉸接 2 L/2 1 兩端鉸接 1 L 0.5 兩端固定 4 L/2 0.25 取一端固定。一端自由，即n=0.25 m為柔性系數選用鑄鐵的柔性系數，即m=70 k為活塞桿的回轉半徑，本次設計的活塞桿為實心活塞桿，即k==，其中為活塞桿的直徑。 L為活塞桿的計算長度，也就是活塞桿在最大伸出距離時，活塞桿支點與液壓缸安裝點之間的距離。 E為活塞桿的彈性模量，取E=2.1*10Mpa 代如以上數值，可以得到： L/k=596/63/4=37.8≥70*此式成立，故臨界載荷為： P=3.14*3.14*0.25*2.1*10*63*3.14/64*596=11.3*10（N） 而本次設計的液壓缸最大工作載荷為17263N，可見，液壓缸滿足穩(wěn)定性的要求。 注：取液壓缸的機械效率=0.96 4.7 底座的設計 底座是整個機體重量的最終承受者，同時，機械手的轉動部分就是在在機作內部實現的。當機身轉動時，為了不影響機身的油缸內不通油，我們運用了配油盤。 機身的傳動路線為：電機軸上裝有第一級帶傳動的小帶輪，通過同步齒形帶原裝在中間軸下方的大帶輪組成第一級傳動，中間軸上方裝有第二級帶傳動的小帶輪，通過同步齒形帶與安裝在配有盤心軸下方的大帶輪組成第二級傳動。 我們選取45BF003-Ⅱ步進電機。 總傳動比為： 其中， 對于底座傳動帶的設計計算如下： 首級傳送帶： 1）傳遞名義功率： P = 2.2 KW; 2) 主動軸轉速=從動軸轉速 3) 原動機 2.2kw 異步電動機 4）運轉時間 每天24小時 5) 中心距要求： a= 100mm （2）傳送帶的節(jié)距和型號 1）計算設計功率 a) 由表6-61查的載荷的修正系數 b) 計算設計功率 2） 傳送帶型號和節(jié)距 由 。查圖6-9節(jié)距代號為H。對應節(jié)距為 H ： s 12.7 40 6.12 2.29 3.66 3) 確定帶直徑和節(jié)線長 1 由表6-69。H 形帶，帶輪轉速 最小齒數 Z = I4 ，取Z=14 按照標準帶輪齒數，取 小帶輪直徑 6 選擇帶長 = 497.4mm 查表6-59，同步帶長GB11616-89，取 7 傳動中心距： （8） 選擇標準帶寬 4 確定基準額定功率 按照標準帶輪齒數，取 轉速。 由表6-60，內插法，H型帶基準額定功率 。 2 確定額定功率 A 嚙合齒數 則： B 帶寬系數 （同步帶基準帶寬） C 確定額定P 3 選擇帶寬： 根據設計要求， 則可以得到： 按表 6- 58，查 mm （9） 結果整理 1 選用H型同步帶 mm 2 帶輪 傳送帶中心距近似計算的： 4.8 滾動軸承的選擇 選擇軸承時，首先必須了解和掌握所需配備軸承的機械設備性能，再根據各類軸承的技術特性和具體工作條件等要求進行軸承類型的選擇，最終應該滿足設備的使用要求。具體選擇時可以參考以下幾個方面： 1 軸承的載荷 軸承所承受載荷的大小、方向、和性質是選擇軸承類型的主要依據。 一般棍子軸承的承載能力大于求軸承，并且承受沖擊載荷的能力強，所以載荷較大的工作場合，優(yōu)先選用棍子軸承。 軸承承受純徑向載荷時，可以選用深溝球軸承，圓柱滾子軸承或者滾針軸承；所承受純軸向載荷，可選用推力軸承；當徑向載荷和軸向載荷聯合作用時，一般選用角接觸球軸承和圓錐滾子軸承；若徑向載荷很大，而軸向載荷很小時，也可以選用深溝球軸承，若軸向載荷很大，徑向載荷較小時，可用推力調心滾子軸承，也可用圓柱滾子軸承或者深溝球軸承和推力軸承聯合使用。 2 支撐限位要求： 可以承受雙向軸向載荷的軸承，可以作固定支撐用。只承受單向軸向載荷的軸承可以作單向限位支撐。游動支撐軸向不限位，可使軸在支撐上自由伸縮游動，此時可用內，外圈不可分的向心軸承在座孔內游動，也可以用內，外圈可用的圓柱滾子軸承，其內，外圈相對游動。 3 軸承的調心性能 當軸的中心線與軸承座中心線由于加工、安裝等誤差的影響而不重合時，或因受力后使軸向彎曲而撓度較大時，會造成軸承的內外圈軸線發(fā)生偏斜，這時應該選用調心性能好的調心球軸承或者調心滾子軸承，使軸的偏轉角控制在需用值以內，否則會降低軸承壽命。 4 軸承的安裝和拆卸 方便地裝拆軸承，也是選用軸承類型時應該考慮的因素之一。當軸承座保護是剖分式而必須沿軸向安裝和拆卸軸承時，應優(yōu)先選用內外圈可分離的軸承。 4.9 聯軸器的選擇 聯軸器是機械傳動中的一種常用軸系部件，它的基本功用是聯接兩軸，并傳遞動力和轉矩。 聯軸器聯接的兩軸，只有在及其停車后并經過拆卸才能被彼此分開。在機械中應用聯軸器，可以方便地將組成機器的各個部分連接起來，有利于機器的設計、制造、運輸和維修。 聯軸器的類型很多，通常根據相對位移有無補償能力劃分為剛性聯軸器和撓性聯軸器兩大類。 剛性聯軸器對相對位移無補償能力，且全部由剛性零件組成，也沒有緩沖減震能力，故適用于被聯接的兩軸嚴格對中，在和平穩(wěn)的場合。 撓性聯軸器因具有撓性，對相對位移具有補償能力。他按是否具有彈性元件又分為無彈性元件的腦性聯軸器和有彈性元件的腦性聯軸器兩種。有彈性元件的撓性聯軸器，可以依靠彈性元件的變形與蓄能性來緩沖、減振、改善傳動系統的工作性能。 此次設計，我們選用的是梅花形彈性聯軸器。它的特點是結構簡單，具有良好的緩沖、減振能力，補償兩軸相對位移量大，工作溫度范圍廣，適用范圍也廣，可以用于各種中小功率傳動的軸系。 連軸器的選擇： 1) 類型的選擇： 選擇梅花形彈性聯軸器。 2) 載荷計算： 公稱轉矩： T=9550*P/n=9550*0.2/3000=0.64N*m 式中：P為電動機的功率； n為電動機轉速。 由《機械設計》表14-1得，轉矩變化比較小，原動機為電動機， 所以，Ka=1.3 根據《機械設計》公式14-1，計算轉矩為 Tca=Ka*T=1.3*0.64=0.832N*m 3) 型號的選擇： 從GB4323-84中查得，選擇Tl1，許用轉矩為6.3N*m，最大許用轉速為6600r/min，軸徑為9~24mm，所以適合。 4.10 械手的基本參數 圓柱坐標式機械手 機身回轉： ，實際需要回轉角度是45； 手臂上下升降： 82mm 手臂升縮： 80mm 抓緊動作： 行程27mm 第五章 中間軸軸徑估計 一、估軸徑 為了繪制軸和軸承部件的結構，確定軸的支撐距離和作用力的位置，先初估軸徑。 軸徑估計公式為： 　　　　立軸　　?。茫?10 則 ； ； 因為此兩軸均有鍵槽，應增大3%，則 立軸　　d1=1.03×22.4=23mm 圓整為 d1=25mm； 二、零件的強度校核 （一）、軸的強度校核計算 1、 定出軸的支撐距離及軸上零件作用力的位置，如圖（a） 2、 軸的簡化與校核 （1）軸的簡化力學模型 將軸簡化為鉸支座（一端固定鉸鏈，另一端活動鉸鏈）的簡支梁 （2）繪制軸的受力簡圖（圖b） （3）作彎矩圖，作出水平彎矩圖（圖c） （4）由所作彎矩圖判斷出截面彎矩最大處最危險，計算其彎矩。 P=Fv,v=2rn,所以, M=F1xl=0.9x31.51=28.36Nm=28360Nmm 3、軸的校核計算 如圖截面，載荷大,有軸肩，存在應力集中，比較危險，應對此截面進行校核計算。 根據第三強度理論進行校核： ＝ 軸使用45號鋼，查得=353MPa 故該軸可以正常工作。 2 滾動軸承的壽命校核 1、 軸承的選擇 根據裝軸承處的軸徑d=￠25,且受到較小的軸向載荷，所以選擇7205C型角接觸球軸承。 2、 求兩處軸承的徑向載荷 A處軸承： C處軸承： 看出C處軸承徑向載荷較大，所以對C處軸承進行校核。 3、 滾動軸承的壽命校核 ① 當量動載荷的計算 對于角接觸球軸承，當量動載荷P為：P= 查得=1.2 ，所以 ② 壽命校核 壽命校核公式為： ——軸承的壽命（單位為h）; n——軸承的轉速r/min n=9 r/min; C——基本額定動載荷, 查得7204C型角接觸球軸承的C=27000N; P——當量動載荷 ，P=3216N.;——取3 3 鍵聯接的強度校核 1、 鍵的強度校核 （1）、選擇鍵聯接的類型和尺寸 一般8級以上精度的齒輪有定心精度要求，應選用平鍵聯接。由于齒輪在軸端，故選用圓頭普通平鍵（A型）。 根據d=22mm,選用鍵：寬度b=8mm,高度h=7mm.。由輪轂寬度并參考鍵長系列，取鍵長L=12mm. 故選用鍵的型號為 ：鍵8×12GB1096—1979。 （2）、鍵的強度校核 鍵的強度校核公式為： T——傳遞的轉矩 T=53.1 N.m K——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度。K=0.5×10=5mm; ——鍵的工作長度 =L—b=12—8=4mm; d——軸的直徑 d=22mm; 查得許用擠壓應力~120Mpa，取其平均值Mpa ≤ Mpa 所以，鍵可以正常工作。鍵的型號為 ：鍵8×12GB1096—1979。 第六章 電器圖設計 由于機械手是按照一定的軌跡來運行的，而這些軌跡需要我們給出準確的定位，然后機械手才能夠去準確的執(zhí)行。而這一軌跡，需要我們去測試，這就是平時我們所知的信息檢測與處理。這一仗我們的任務就是在充分了解其工作程序后，選擇合適的電路，合適的上微機，完成系統工作的電器圖。 6.1 微機測控系統的基本組成 微機測控系統包括微機測試系統與微機控制系統兩個部分，微機測試系統即以測試為目的，微機控制系統以控制為目的。 6.1.1 測控系統的硬件組成 測控系統的硬件可以分為主機、輸入輸出通道、常規(guī)外部設備、接口電路、運行操作臺、系統總線等。硬件組成如圖： 工 業(yè) 對 象 人機對話設備 接口 系 統 總 線 接 口 A/D 轉換 采樣設備 傳感元件 主 機 開關量輸入 圖 6.1 6.1.2 測控系統軟件組成 軟件通常分為兩大類，一類是系統軟件，另一類是應用軟件。 6.1．3 模擬信號的檢測 檢測系統的功能是利用傳感器從被測對象中提取所需要的信號，并把該信號轉化成電信號，在經過中間變換電路將信號放大，轉換，傳輸等，以便進行下一步的處理。 傳感元件 傳感器 基本轉換電路 放大器 濾波器 模數轉換 計算機 圖6.2 模擬信號檢測系統的基本組成 6.1.4 傳感器 電感傳感器是利用線圈自感和互感的變化實現非電量測量的一種裝置。可以用來測量位移，振動，壓力，應變，流量，密度等參數。 電感傳感器的種類很多，根據轉換原理不同，可分為自感式和互感式兩種；柑橘結構形式的不同，可分氣隙式和螺管型兩種。 電感傳感器和其他類型傳感器相比，具有以下優(yōu)點： （1） 結構簡單，可靠，測量力小（銜鐵重為（0.5-200）X0.00001N時，磁吸力為（1-10）X0.00001N ; （2） 分辨力高，，能測量0.1微米，甚至更小的機械位移，能感受0.1秒的微小角位移。傳感器的輸出信號強，電感靈敏度一般每一毫米可以達到數百毫伏，因此有利于信號的傳輸和放大。 （3） 重復性好，線形度優(yōu)良。在一定位移范圍（最小幾十微米，最大達數十甚至數百毫米）內，輸出特性的線形度較好，且比較穩(wěn)定。 當然，電感傳感器也有不足之處，如存在零點殘余電壓，不易于高頻動態(tài)測量等。 6.1.4.1自感式電感傳感器 自感式電感傳感器可分為變間隙型、變面積型和螺管型三種類型。 一、自感式電感傳感器的工作原理 （一）變間隙型電感傳感器 變間隙型電感傳感器的結構示意圖如圖2-1所示。 圖6.3 1.線圈 2.鐵芯 3.銜鐵 傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成。工作時銜鐵與被測物體連接，被測物體的位移將引起空氣隙的長度發(fā)生變化。由于氣隙磁阻的變化，導致了線圈電感量的變化。 線圈的電感可用下式表示： (6-1) 式中，N為線圈匝數；Rm為磁路總磁阻。 對于變間隙式電感傳感器，如果忽略磁路鐵損，則磁路總磁阻為 (6.2) 式中，l1為鐵心磁路長；l2為銜鐵磁路長；A為截面積；μ1為鐵心磁導率；μ2為銜鐵磁導率；μ0為空氣磁導率；δ為空氣隙厚度。 因此有： （6-3） 一般情況下，導磁體的磁阻與空氣隙磁阻相比是很小的，因此線圈的電感值可近似地表示為： （6-4） 由上式可以看出傳感器的靈敏度隨氣隙的增大而減小。為了發(fā)送非線性，氣隙的相對變化量要很小，但過小又將影響測量范圍，所以要兼顧考慮兩個方面。 （二）變面積型電感傳感器 由變氣隙型電感傳感器可知，氣隙長度不變，鐵心與銜鐵之間相對而言覆蓋面積隨被測量的變化面改變，從而導致線圈的電感量發(fā)生變化，這種形式稱之為變面積型電感傳感器，其結構示意圖見圖6-2。 通過對式（6-4）的分析可知，線圈電感量L與氣隙厚度是非線性的，但與磁通截面積A卻是成正比，是一種線性關系。特性曲線參見圖6-3。 圖 6-4 便面積型電感傳感器 圖6-5 電感傳感器特性 （三）螺管型電感式傳感器 圖6-4為螺管型電感式傳感器的結構圖。螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測對象移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關。 圖6-6 螺管型電感傳感器 設線圈長度為l、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數為N、銜鐵進入線圈的長度la、銜鐵的半徑為ra、鐵心的有效磁導率為μm，則線圈的電感量L與銜鐵進入線圈的長度la的關系可表示為 （6-5） 通過以上三種形式的電感式傳感器的分析,可以得出以下幾點結論: ● 變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大,且制作裝配比較困難. ● 變面積型靈敏度較前者小,但線性較好,量程較大,使用比較廣泛. ● 螺管型靈敏度較低,但量程大且結構簡單易于制作和批量生產,是使用最廣泛的一種電感式傳感器. (四)差動電感傳感器 在實際使用中,常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵,構成差動式電感傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測量誤差. 圖6-6是變間隙型、變面積型及螺管型三種類型的差動式電感傳感器。 差動式電感傳感器的結構要求兩個導磁體的幾何尺寸及材料完全相同，兩個線圈的電氣參數和幾何尺寸完全相同。 差動式結構除了可以改善線性、提高靈敏度外，對溫度變化、電源頻率變化等影響，也可以進行補償，從而減少了外界影響造成的誤差。 圖6-7 差動式電感傳感器 a) 變間隙型 b) 變面積型 c) 螺管型 二、自感式電感傳感器的測量電路 交流電橋是電感式傳感器的主要測量電路，它的作用是將線圈電感的變化轉換成電橋電路的電壓或電流輸出。 前面已提到差動式結構可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋也多采用雙臂工作形式。通常將傳感器作為電橋的兩個工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻，也可以是變壓器的二次側繞組或緊耦合電感線圈。圖6。8是交流電橋的幾種常用形式。 （一）電阻平衡臂電橋 電阻平衡臂電橋如圖a所示。Z1、Z2為傳感器阻抗。高R’1=R’2=R’;L1=L2+L;則有Z1=Z2=Z=R’+jwL,另有R1=R2=R。由于電橋工作臂是差動形式，則在工作時，Z1=Z+△Z和Z2=Z—△Z，當ZL→∞時，電橋的輸出電壓為 （6-6） 當ωL＞＞R’時，上式可近似為： (6.7) 圖6-8 交變電橋的幾種形式