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基于局部平滑和數(shù)理統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)的邊緣檢測(cè)技術(shù)
摘要
一個(gè)基于局部平滑和數(shù)理統(tǒng)計(jì)假設(shè)試驗(yàn)的邊緣檢測(cè)技術(shù)被提出，為檢測(cè)和限制分布邊緣和頂部邊緣的光華和統(tǒng)計(jì)假設(shè)試驗(yàn)程序成為一個(gè)固定格式。得到了關(guān)于灰度面積和試驗(yàn)結(jié)果。討論了所提技術(shù)的工作情況的優(yōu)點(diǎn)、局限、典型因素。列出了提高的可能和將來研究方向。
關(guān)鍵字： 邊緣檢測(cè) 數(shù)理統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn) 圖像處理
1 介紹
大部分計(jì)算機(jī)視圖識(shí)別系統(tǒng)中，邊緣檢測(cè)是前——后處理階段，在幾乎所有的執(zhí)行系統(tǒng)的展示中，精確可靠的邊緣檢測(cè)是一個(gè)典型的因素。隨著各種亮度輪廓的變化，各種各樣的邊緣檢測(cè)被文獻(xiàn)定義。本文中我們只討論他們中的二個(gè)。首先，是分布邊緣，它指出了圖像亮度功能的一個(gè)不連續(xù)。另一個(gè)，被稱為頂端分布，他指出了圖像功能連續(xù)但是在視圖功能的起初規(guī)則物中的不連續(xù)性，更高階段邊緣可被類似的定義。但是，分布邊緣階段和頂端邊緣被用來解釋現(xiàn)實(shí)世界圖像中的最普通發(fā)生邊緣。因此，文章中提出的和討論的邊緣檢測(cè)技術(shù)主要是針對(duì)檢測(cè)中的這兩種類型。
Torre 和Poggio(1986)和Peli和Mallah(1982)提出了一個(gè)優(yōu)秀的邊緣檢測(cè)概要。傳統(tǒng)的邊緣檢測(cè)器，例如斜度檢測(cè)器，Laplacian 檢測(cè)器，或者Laplacian—Gaussian檢測(cè)器提出搞跨度過濾操作。這些操作器僅僅適合檢測(cè)有限類的邊緣，并且，它對(duì)噪聲非常敏感，會(huì)導(dǎo)致邊緣分裂。最近幾年的邊緣檢測(cè)技術(shù)基于最優(yōu)過濾，隨機(jī)鄰域模型，表面適應(yīng)，啟發(fā)式國(guó)家空間研究，導(dǎo)向擴(kuò)散，余留分析，攀巖式研究的總體開支最小化，模擬磨煉，平均領(lǐng)域磨煉，遺傳學(xué)算法。
在這篇論文中我們提出了一個(gè)可換方法。在一個(gè)灰度因素中，我們考慮了以給定因素P為中心的一個(gè)9x9 領(lǐng)域，這一個(gè)9x9矩陣可以被看作9個(gè)3x3次級(jí)矩陣的統(tǒng)一體。我們把被一個(gè)這樣的數(shù)的矩陣稱為SO因素，為了把他們從SO中區(qū)分出來，我們有時(shí)把原始圖素稱為FO因素，或者簡(jiǎn)單的稱為圖素。包含P的SO圖素被稱為，有兩對(duì)對(duì)角域毗連的SO圖素構(gòu)成的集合，并且有兩對(duì)直接毗連SO圖素構(gòu)成的集合，下標(biāo)4指的是相配元素在中是的4個(gè)相連領(lǐng)域。對(duì)和中每一個(gè)SO圖素，我們估計(jì)他們?cè)氐募訖?quán)平均為3x3FO圖素。在加重的平均數(shù)中，每一個(gè)FO圖素的加重決定于他跟P 距離。加重的平均數(shù)中，每一個(gè)FO圖素的加重決定于他跟P 的距離。加重的平均數(shù)被認(rèn)為是相對(duì)的SO 圖素的灰度水平值。必須指出的是，盡管每一個(gè)原圖素的灰度水平是在0~255范圍中的典型整數(shù)。SO圖素的灰度水平是全體實(shí)數(shù)。因此在SO圖素的上下文章中，術(shù)語(yǔ)灰度水平多少是一個(gè)符號(hào)的濫用，但他仍然不是混淆讀者的原因。我們用計(jì)算機(jī)對(duì)和中每一對(duì)相對(duì)的SO圖素測(cè)試不同灰度水平值得絕對(duì)值。這四個(gè)不同值中的最大絕對(duì)值，被定義為， 是決定P 是不是分布邊緣因素的主要標(biāo)準(zhǔn)。如果在P 的9x9領(lǐng)域中沒有分布邊緣因素，這時(shí)我們預(yù)測(cè)非常小，因此，8個(gè)SO 因素的灰度水平應(yīng)該是彼此相當(dāng)接近。如果P是一個(gè)分布邊緣的圖素，我們可以至少找到一對(duì)SO 圖素，圖素被穿越圖素P的邊緣分割。也就是說這樣的一對(duì)中的一個(gè)SO圖素可被認(rèn)為依靠邊緣的一邊，另一個(gè)圖素依靠于邊緣的另一邊。根據(jù)我們的試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)大多數(shù)因素，這一個(gè)假設(shè)是正確的。因此，這種情況中，為這個(gè)SO圖素對(duì)應(yīng)值得絕對(duì)值的差異可能是導(dǎo)致值很大的主要原因。于是我們可用統(tǒng)計(jì)學(xué)假設(shè)測(cè)試程序?yàn)檫x擇一個(gè)開始值。當(dāng)決定著開始值大小時(shí)要考慮兩個(gè)因素；一個(gè)是不可避免的噪音引起的灰度水平值的變化。另一個(gè)是由圖像強(qiáng)度功能本身變化引起的灰度值得變化。我們提示并采用局部平滑技術(shù)來區(qū)分這兩種變量來決定開始值（初始值）。對(duì)于頂部邊緣，就分布邊緣而言，新增加的情況跟那個(gè)相似。我們?nèi)匀坏玫搅硪粋€(gè)為頂部邊緣特殊設(shè)計(jì)的條件。如果一個(gè)因素滿足兩個(gè)條件，那么他就被標(biāo)為頂部邊緣因素。
從如上我們所給出的方法的簡(jiǎn)單討論，我們可以看出使用局部光滑概念和SO像素概念來移除噪音。同時(shí)也用每一對(duì)SO圖素灰度水平值差異，沿著四個(gè)方向來檢測(cè)邊緣。而且，在邊緣檢測(cè)中，一定程度上他消除了不明顯亮度功能的變化的影響。跟那些基于表面適應(yīng)技術(shù)的相比，我們可以看出，我們沒有在一個(gè)圖像因素P 的領(lǐng)域中使用模型來模擬不明顯圖像亮度功能，也沒有計(jì)算它的復(fù)合物估計(jì)值。相反地，我們直接使用灰度水平值差異為每一對(duì)SO 圖素來測(cè)量灰度水平對(duì)P 的不連續(xù)程度?？紤]到非常明顯的圖像亮度變化，這使得我們的技術(shù)模型獨(dú)立，因此更靈活。不像其他絕大多數(shù)在文章中被發(fā)現(xiàn)的操作者，在邊緣檢測(cè)中，我們的技術(shù)考慮了四個(gè)不同獨(dú)立方向，而不是僅僅在X 和Y方向。考慮到不明顯圖像亮度功能的局部光滑，這使得我們的技術(shù)更加靈活。
文章中其余部分安排如下：在第二部分，我們討論我們的分布邊緣檢測(cè)技術(shù)，并且簡(jiǎn)述了一個(gè)分布邊緣檢測(cè)算法。我們討論了一些影響我們算法運(yùn)行的典型因素，并且跟傳統(tǒng)的邊緣技術(shù)比如Sobel和Log造作器進(jìn)行了比較。在第三部分，我們提出并分析了關(guān)于一些灰度面積圖像的算法結(jié)果。在第四部分，我們提出了一個(gè)頂部邊緣檢測(cè)的算法，并且用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行了解釋。最后，我們總結(jié)了全文，并且簡(jiǎn)述了未來的研究方向。
2 分布邊緣檢測(cè)
我們使用符號(hào)P（i.j）表示在點(diǎn)（i，j）處圖素的灰度水平，（i=1，2，…N，j=1,2, …M）.
在每一個(gè)圖像圖素P（i.j）處，在圖素點(diǎn)（i，j）中心處，構(gòu)建了他們的矩陣。假設(shè)圖像在邊界處事被包圍的，以圖素P（i.j）為中心的9x9矩陣構(gòu)成了9個(gè)SO圖素。SO圖素的中心被稱為（i,j）,狠命，很明顯地，（i,j）有二對(duì)構(gòu)成集合的對(duì)角線領(lǐng)域圖素和兩對(duì)構(gòu)成集合的直接領(lǐng)域SO圖素。根據(jù)他們的位置，這些SO圖素被定義為（i+r,j+t）
()。
我們利用計(jì)算機(jī)測(cè)試了3x3 FO像素和一個(gè)SO像素的灰度水平值得權(quán)重，認(rèn)為權(quán)重就是SO像素灰度水平值。通過考慮SO像素（i-1,j+1），我們解釋了計(jì)算權(quán)重的過程，如圖1所示，在平均權(quán)重中我們用的權(quán)重集合描述如圖，像素（i-1,j+1）用同樣的權(quán)重。就距離尺寸來說，可以被認(rèn)為到P（i.j）點(diǎn)是等距離的。我們要求權(quán)數(shù)滿足如下條件：
（i）
圖1 以像素P（i.j）為中心的9x9模板
圖2 ，滿足的比例關(guān)系
(2) 是按照線性順序依次遞減，并且有一定的比例關(guān)系，如圖（2-a）中，水平軸上數(shù)字{4，5，6，7，8}說明了一個(gè)事情：權(quán)數(shù)a像素距離P（i.j）是4個(gè)單位，其他依此類推，所用的距離尺寸是 的距離尺寸，條件（i）保證了權(quán)數(shù)是正數(shù)并且是標(biāo)準(zhǔn)化的。條件（2）保證了隨著到像素P（i，j）距離的增長(zhǎng)，權(quán)數(shù)是線性遞減的。這兩個(gè)條件實(shí)際上反映了在用統(tǒng)計(jì)中心平滑技術(shù)上的三角形中心密度功能。對(duì)一個(gè)關(guān)于多類型平滑中心，詳細(xì)討論，我們參考了最近很吸引讀者的一本書，作者是 Wang 和 Jone。我們加強(qiáng)了一個(gè)額外限制，那就是直角三角形的斜邊，如圖2（a）.跟橫軸相交在點(diǎn)9。這說明了一個(gè)事實(shí)，那就是像素跟P（i，j）距離為9或者更遠(yuǎn)時(shí)，在我們關(guān)心的領(lǐng)域之外，一個(gè)滿足了以上所有要求的唯一連續(xù)權(quán)重才可以被確定：
（2.1）
相同的權(quán)重被用在屬于的其他SO像素中。那就是 和。
考慮到SO像素的權(quán)重，我們要求權(quán)數(shù)滿足如下條件：
（i）
（ii） 隨著到像素P（i，j）距離的增達(dá)，權(quán)數(shù)線性遞減；
（iii） 直角三角形斜邊叫水平軸于點(diǎn)5，如圖2（b）.
后面的合理的條件跟我們所引用權(quán)數(shù)相同。滿足以上所有條件的唯一方法是給出 。 （2.2）
相同權(quán)數(shù)被用在屬于的SO像素中。那就是 和
給出權(quán)數(shù)就可以得到像素和的灰度水平：
用類似的方法可以得到其他的和SO像素的灰度水平。直觀地說，，， 和 的差可被當(dāng)為在像素處的不連續(xù)度的度量。如果在以像素為中心的9x9面板中，沒有分布邊緣像素，那么上述所有的差將會(huì)是非常小，另一方面，如果是一個(gè)分布邊緣像素，那么他們中一些可能被預(yù)計(jì)非常大。然而，其他兩種因素也需要考慮：一個(gè)是在9x9面板中不明顯圖像亮度功能的變化，另一個(gè)實(shí)在圖像中可能的噪音引起的水度水平的變化。
直觀上，亮度功能沿著一個(gè)方向上的變化可以通過它的初次命令定向復(fù)合物來測(cè)量。從方向P（i+3，j-3）到P（i-3，j+3），我們用來估計(jì)初次命令定向復(fù)合物，在那里：
（2.5）
在這兒， 和 被認(rèn)為是定向復(fù)合物在P（i-3，j+3），P（i+3，j-3）的各自的估計(jì)值，而是他們的平均值。著名的拉格朗日中值定理中微積分告訴我們，對(duì)一個(gè)函數(shù)f(x)和兩點(diǎn) ，只要在區(qū)間 中f(x)值不等，則有： 。這個(gè)等式說明，當(dāng)x從，f(x)
的變化值近似等于兩點(diǎn)之間的距離與導(dǎo)數(shù)之積。我們定義：
，
， 。 （2.7）
和被用來測(cè)量從P（i+3，j+3）到P（i-3，j-3），從P（i+3，j-3）到P（i-3，j+3）,從P（i+3，j）到P（i-3，j），從P（i，j+3），P（i，j-3）的各自的亮度功能變化。
我們定義他們?yōu)樾拚g(shù)語(yǔ)，此亮度函數(shù)是線性，而且此時(shí)在P（i,j）不存在邊緣時(shí)，邊緣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值等于0，因此選擇乘法因子25/6，8/3。換句話說，兩度函數(shù)的線性變化受邊緣檢測(cè)方法的限制，這些二乘法因子的復(fù)合物用A 給出，我們定義：
（2.8）
其中{g(i,j)}是真實(shí)灰度水平，{n(i,j)}是獨(dú)立統(tǒng)一分布的噪聲模型，其中均值為零，方差為。
經(jīng)過一些簡(jiǎn)單的代數(shù)處理，我們可以得到：
（2.9）
指的是標(biāo)準(zhǔn)偏差，我們定義
for i=1,3 ; for i=2,4; （2.10）
如果在以P（i，j）為中心的9x9面板中沒有邊緣像素，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)中心限制理論，全部近似于正態(tài)分布，均值為0，方差為。因此，他們中門每一個(gè)是18個(gè)可觀的灰度水平的線性聯(lián)合。我們定義：
（2.11）
作為分布邊緣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)的 計(jì)算如下：
總體來說，當(dāng)在以 P（i，j）為中心的9x9面板中沒有邊緣像素時(shí)，同時(shí)，當(dāng) 非常小時(shí)， 另一方面，如果 我們有足夠的理由在 9x9面板中得到邊緣像素， 在這種情況下，我們定義 P（i，j） 就是一個(gè)分布邊緣像素。因此，可以作為的初始值。但在大多數(shù)情況下，我們不知道值，必須從圖像數(shù)據(jù)中估測(cè)，再下面的討論中，我們提出了兩個(gè)估計(jì)的方法。的可應(yīng)用初始值可被算出。
（2.12）
簡(jiǎn)評(píng) 2.1
決定重要水平，沒有混淆時(shí)，我們有時(shí)可以把它作為初始值，表1列舉了幾個(gè)值，對(duì)應(yīng)著的值和的值。
在上述假設(shè)測(cè)試方法中，對(duì)每一個(gè)像素檢測(cè)一個(gè)錯(cuò)誤邊緣的可能幾率是。另一方面，邊緣跳動(dòng)值小于時(shí)，可以被忽略。盡管它涉及到可靠水平，因?yàn)槭褂昧酥行臉O限定理，它提供了有限樣本容量的近似正態(tài)分布，這個(gè)關(guān)系僅是一個(gè)近似。在典型應(yīng)用中，初始值仍然需要一定探索調(diào)整。理論上來說，建立一個(gè)統(tǒng)計(jì)統(tǒng)一的邊緣監(jiān)測(cè)方法是沒有苦難的。因此，隨著圖像空間解決方法的增長(zhǎng)，丟失邊緣或者檢測(cè)錯(cuò)誤邊緣的幾率會(huì)趨向于0，我們建議由興趣的讀者可以看相關(guān)討論獲取這方面更多的細(xì)節(jié)知識(shí)。
的一個(gè)自然期望是以P（i，j）為中心的9x9面板的灰度水平的樣本標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合值。但是如果在面板中有邊緣像素，則期望值很不充分。因此，我們用如下方法提出了期望值。在每一個(gè)8領(lǐng)域SO像素中，我們計(jì)算出了3x3 FO像素的灰度水平的樣本均方差，這些均方差定義如下：
我們定義：
（2.14）
；
；
；
；
我們假設(shè)P（i，j）是邊緣像素，那么上面所有例子的SO對(duì)中，至少有一對(duì)是這樣的，在那一對(duì)中，其中一個(gè)SO像素是邊緣的一邊，另一個(gè)是像素的另一邊。的期望值基于上述SO像素對(duì)將不會(huì)被以像素P（i,j）為中心的9x9面板中的邊緣存在而影響。換句話說，提供了一個(gè)的好的期望值，是否在以P（i,j）為中心的9x9面板中有邊緣像素。我們把稱為的0要求期望，因?yàn)闃颖痉讲羁杀徽J(rèn)為是隨機(jī)均值平方，當(dāng)在SO像素 中，樣本均值被認(rèn)為是真實(shí)FO像素的灰度水平的期望時(shí)，樣本均值是一個(gè)零階期望，它是一個(gè)零階多項(xiàng)式。
明顯地，每一個(gè)是的一個(gè)粗略期望，因?yàn)樵谙鄳?yīng)的SO像素中，樣本均值是實(shí)際上的FO 像素灰度水平是一個(gè)粗略期望。一個(gè)更精確的期望可以如下構(gòu)造。在每一個(gè)8個(gè)領(lǐng)域SO像素（i-r,j-t）中，我們完成了一個(gè)低級(jí)平方平面適度。得到了隨機(jī)均值平方，然后通過一些代數(shù)運(yùn)算，我們得到了的如下表示:
（2.15）
Y 是一個(gè)9x1矢量，這些元素是在（i-r,j-t）執(zhí)行為主的掃描方式中的3x3 FO像素灰度水平，9x9 矩陣如下：
（2.16）
我們接著定義：
（2.17）
在這里：
（2.18）
；
；
；
；
我們對(duì)如上討論的分布邊緣檢測(cè)方法做一個(gè)總結(jié)：
1 對(duì)每一個(gè)像素，P（i，j）其中 i=1，2，…N, j= 1,2,…M, 考慮以P（i,j）為中心的9x9面板，用公式（2.1）-（2.4）計(jì)算（i-r,j-t），此時(shí)，和
2 用公式（2.5）—（2.7）計(jì)算 和
3 用公式（2.8）和（2.10），（2.11）計(jì)算的值。
4 用公式（2.13）—（2.14）或者（2，17—2.18）來得到的一個(gè)期望值。用公式（2.12）得到一初始值，在很多的實(shí)際應(yīng)用中，可以選擇在7.5或者10 。
5 比較與大小，若則P（i，j）可以被確定為一個(gè)分布邊緣素像。
我們可以用如下簡(jiǎn)短的評(píng)論確認(rèn)我們的邊緣檢測(cè)技術(shù)：
評(píng)論2.2
在公式（2.3）和（2.4）中，我們用公式2.1，2.2中給出的不等權(quán)數(shù)來代替相等權(quán)數(shù)。因?yàn)槿缦驴紤]：如果我們?cè)谑?.3和2.4 中使用了公式2.1，和2.2 中的不等權(quán)重，那時(shí)：， 如果我們?cè)谑?.3 和2.4 中用等權(quán)數(shù)，那么。這些標(biāo)準(zhǔn)偏差值說明：用同樣的權(quán)數(shù)或者不同的權(quán)數(shù)在噪聲剔除能力中幾乎是一樣的，但是，同一權(quán)數(shù)比不同權(quán)數(shù)的模糊影響大。對(duì)于更多的關(guān)于權(quán)數(shù)選擇的詳細(xì)討論，我們建議由興趣的讀者可以閱讀Gonzalez Woods，主編的書的第四章的4.3節(jié)，出版于1992年。另一個(gè)用不同權(quán)數(shù)代替統(tǒng)一權(quán)數(shù)的考慮就是為了增加邊緣檢測(cè)精度。如果我們用相同的權(quán)數(shù)，那時(shí)，距離實(shí)際邊緣的3個(gè)單元像素仍然有很大的可能被檢測(cè)出來。如果我們?cè)谝訮（i,j）為中心的9x9面板中使用不同權(quán)數(shù)，就像我們?cè)诠?.3-2.4 中那樣，SO像素的權(quán)數(shù)中心很接近P（i,j），這樣會(huì)使可能檢測(cè)到的邊緣局限性增加。實(shí)際上，在距離實(shí)際邊緣2個(gè)單位處的像素很難被檢測(cè)到。
簡(jiǎn)評(píng)2.3
我們建議在公式2.12中使用0級(jí)或者初級(jí)的期望，我們也可以用的高級(jí)期望，但那將會(huì)涉及很大的一個(gè)計(jì)算空間。我們的試驗(yàn)結(jié)果顯示，在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，初級(jí)期望提供了足夠的精度，因?yàn)樽钚〉恼叫纹矫?，為小區(qū)域中的真實(shí)圖像亮度表面提供了一個(gè)很好的適應(yīng)。而那些小區(qū)域的圖像亮度函數(shù)時(shí)連續(xù)的。
簡(jiǎn)評(píng)2.4
P（i,j）為中心的9x9面板是最小的尺寸面板，他包含了以無重疊的SO像素為中心的8個(gè)領(lǐng)域，這簡(jiǎn)化了我們的理論分析。
簡(jiǎn)評(píng)2.5
在模型中，我們假設(shè)噪音樣本n(i,j)是獨(dú)立的，滿足統(tǒng)一分布，且有同一個(gè)方差，然而，在大多數(shù)情況下，噪聲樣本是相互關(guān)聯(lián)的，它的方差可能是一個(gè)與空間坐標(biāo)有關(guān)的函數(shù)。
在后者的情況下，我們的方法仍然是很適用的，因?yàn)槲覀兲岢龅姆讲钇谕且粋€(gè)局部集合模型，在式2-9中，我們確定假設(shè)噪音樣本是獨(dú)立的。如果噪音是相互關(guān)聯(lián)的，式2-9中的系數(shù)需要作適當(dāng)?shù)男薷?，而修改決定著相關(guān)模型。對(duì)于相關(guān)細(xì)節(jié)的討論，我們建議由興趣的讀者參考Cressie寫的相關(guān)書。
比較那些傳統(tǒng)的邊緣檢測(cè)技術(shù)，我們的邊緣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)由如下優(yōu)勢(shì)：
1 通過使用校正方法，不明顯亮度函數(shù)變化幾乎從邊緣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中刪除。更特別的是，有著合適值。
如果（i,j）處的像素是一個(gè)邊緣像素，否則，C（i，j）指的是在像素（i，j）處亮度函數(shù)的分布長(zhǎng)度，h 是窗口亮度。不明顯亮度函數(shù)的變化對(duì)于邊緣檢測(cè)的影響被二階方程所反映。對(duì)于大多數(shù)其他邊緣檢測(cè)，這個(gè)影響值近似于，因此線性函數(shù)從我們的邊緣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中排除。
2 在構(gòu)造邊緣檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)我們用方法4代替了原來故有的X，Y方向。這使得在處理圖像亮度函數(shù)的局部光滑能力上，我們的方法更加靈活。
3 在邊緣檢測(cè)過程中，校正函數(shù)導(dǎo)致了噪音進(jìn)入，但是，通過引入FO和SO 像素概念，通過在每一個(gè)SO中使用局部平滑方法，噪音的影響已經(jīng)被極大的消除。每一個(gè)SO中灰度水平的噪音變化大約是每一個(gè)FO的噪音變化的1/9。
本文下一個(gè)部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)證明上述觀點(diǎn)。
微型軸承外表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)線設(shè)計(jì) 機(jī)械學(xué)院140108班 史永杰
摘要
目前我國(guó)大部分軸承產(chǎn)品加工企業(yè)，特別是一些中小規(guī)模的生產(chǎn)單位，對(duì)產(chǎn)品感官指標(biāo)的檢測(cè)還要借助于人的視覺和個(gè)人主觀判斷能力,因而占用了大量的人力,而且由于受到個(gè)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。如何提高檢測(cè)效率、檢測(cè)的準(zhǔn)確度，成為一個(gè)重要的研究課題。
本次設(shè)計(jì)引入了一個(gè)新的現(xiàn)代化的檢測(cè)技術(shù)：基于圖像識(shí)別技術(shù)的在線檢測(cè)。
本次我的任務(wù)主要是設(shè)計(jì)整個(gè)檢測(cè)線以及與其配套的相關(guān)執(zhí)行系統(tǒng)、及相關(guān)軟件。設(shè)計(jì)出了以同步帶為傳送方式的軸承輸送帶，設(shè)計(jì)出了4軸機(jī)械手，及其控制電器圖，并編制了以部分系統(tǒng)軟件。
經(jīng)過設(shè)計(jì)，證明基于機(jī)器視覺的軸承在線檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)完確是可行的，我們的設(shè)計(jì)完全可以用到軸承生產(chǎn)企業(yè)中去。
關(guān)鍵字：圖像識(shí)別；在線檢測(cè)；同步帶；機(jī)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 person's 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
目錄
第一章 概 述 ……………………………………………………………1
1.1 前 言 ……………………………………………………………1
1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況…………………………………………………1
1.3 課題研究?jī)?nèi)容……………………………………………………1
第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)……………………………………………………3
2.1系統(tǒng)總體技術(shù)分析 ………………………………………………3
2.2總體系統(tǒng)工作原理 ………………………………………………2
2.3系統(tǒng)描述及關(guān)鍵問題分析 ………………………………………4
2.4系統(tǒng)總體的組成 …………………………………………………5
2.5 總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù) ……………………………………………6
第三章 輸送線的設(shè)計(jì) ……………………………………………………7
3.1 自動(dòng)線的設(shè)計(jì)選用要點(diǎn) …………………………………………7
3.2 同步帶簡(jiǎn)介 ………………………………………………………7
3.3 同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算 ………………………………………………10
第四章 機(jī)械手的設(shè)計(jì) ……………………………………………………16
4.1引言…………………………………………………………………16
4.2 機(jī)械手的組成 ……………………………………………………16
4.3 機(jī)械手的整體功能 ………………………………………………17
4.4機(jī)械手手部得設(shè)計(jì) ………………………………………………19
4.5 臂部設(shè)計(jì) …………………………………………………………20
4.6 機(jī)身設(shè)計(jì) …………………………………………………………21
4.7 底座設(shè)計(jì) …………………………………………………………24
4.8 滾動(dòng)軸承的選擇計(jì)算 ……………………………………………27
4.9 聯(lián)軸器的選擇 ……………………………………………………27
4.10 機(jī)械手的基本參數(shù)………………………………………………28
第五章 中間軸軸徑估計(jì)……………………………………………………29
5.1 初估軸徑 …………………………………………………………29
5.2 零件的強(qiáng)度校核 …………………………………………………30
第六章 電路圖設(shè)計(jì)…………………………………………………………33
6.1 微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的基本組成 ……………………………………33
6.2 基本工作流程過程………………………………………………39
6.3 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) ……………………………………………39
6.4 機(jī)械手流程圖 …………………………………………………40
6.5 相關(guān)的系統(tǒng)程序 ………………………………………………42
總 結(jié) ………………………………………………………………………43
致 謝…………………………………………………………………………45
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………46
附錄 …………………………………………………………………………48
微型軸承外表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)線設(shè)計(jì) 史永杰 機(jī)械科學(xué)與工程及自動(dòng)化
第一章 論述
1.1前言
檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)之一,是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展,許多傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)已不能滿足其需要,表現(xiàn)在:現(xiàn)代制造產(chǎn)品種類有很大的擴(kuò)充,現(xiàn)代制造強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)、在線、非接觸檢測(cè),現(xiàn)代產(chǎn)品的制造精度大大提高;現(xiàn)代制造業(yè)的進(jìn)步需要研究新型的產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)。
計(jì)算機(jī)工業(yè)圖象檢測(cè)是將計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)的一門交叉學(xué)科。計(jì)算機(jī)視覺,指的是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)景物的圖象進(jìn)行識(shí)別],以實(shí)現(xiàn)對(duì)人視覺功能的擴(kuò)展。利用這一技術(shù)可以解決許多工業(yè)圖象檢測(cè)環(huán)節(jié)的問題,以取代落后的人工檢測(cè),提高檢測(cè)效率和工業(yè)自動(dòng)化水平,構(gòu)成帶視覺環(huán)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)。視覺檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、速度快、精度合適、現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)等突出的優(yōu)點(diǎn),能很好地滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求,在實(shí)際中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。視覺檢測(cè)技術(shù)是建立在計(jì)算機(jī)視覺研究基礎(chǔ)上的一門新興檢測(cè)技術(shù),可用于工業(yè)領(lǐng)域的很多方面,如零件檢驗(yàn)與尺寸測(cè)量、零件的缺陷檢查、零件裝配、機(jī)器人的引導(dǎo)和零件的識(shí)別等。
軸承是機(jī)械行業(yè)的一個(gè)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(zhì)量關(guān)系到機(jī)械產(chǎn)品的使用性能和質(zhì)量,因此對(duì)各種軸承的加工質(zhì)量檢測(cè)一直是軸承加工廠家關(guān)心的問題。
1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀
目前我國(guó)大部分軸承產(chǎn)品加工企業(yè)，特別是一些中小規(guī)模的生產(chǎn)單位，對(duì)產(chǎn)品感官指標(biāo)的檢測(cè)還要借助于人的視覺和個(gè)人主觀判斷能力,因而占用了大量的人力,而且由于受到個(gè)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(cè)軸承接觸面的方法來測(cè)量齒面加工精度,這種檢測(cè)方法是不足以勝任的,因?yàn)闄z測(cè)質(zhì)量的結(jié)果依據(jù)各個(gè)檢測(cè)員而不同。雖然座標(biāo)檢測(cè)機(jī)能對(duì)齒面進(jìn)行批量檢測(cè),但目前市售測(cè)量機(jī)不能精確地檢測(cè)軸面周邊和不規(guī)則的表面,而且此類檢測(cè)機(jī)需要相當(dāng)長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間。且該檢測(cè)機(jī)的自動(dòng)化程度不高,檢測(cè)產(chǎn)品單一,且開發(fā)費(fèi)用較高，與我國(guó)現(xiàn)有肉食品加工業(yè)的先進(jìn)生產(chǎn)裝備水平極不相符,也制約了機(jī)械制造業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展。
1.3 課題研究?jī)?nèi)容
基于機(jī)器視覺（圖像識(shí)別）的監(jiān)測(cè)技術(shù)在有些行業(yè)已經(jīng)得到較好的應(yīng)用，而且創(chuàng)造了極高的價(jià)值。針對(duì)目前軸承檢測(cè)過程中暴露出的問題, 為了提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本，我們必須建立一種全新的檢測(cè)技術(shù)，用以替代落后的人工檢測(cè)。而采用基于計(jì)算機(jī)的視覺檢測(cè)和圖象處理技術(shù),設(shè)計(jì)一軸承外表的自動(dòng)視覺檢測(cè)系統(tǒng),成為我們必然的選擇。
本文根據(jù)我國(guó)目前的檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展水平，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，發(fā)展現(xiàn)狀，今后的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)可以在企業(yè)內(nèi)部使用的基于圖像識(shí)別模式的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用同步帶做為輸送線，用兩個(gè)四自由度機(jī)械手代替人工操作，用CCD攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集，經(jīng)過處理后，用先進(jìn)的單片機(jī)進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，準(zhǔn)確化檢測(cè)，提高了檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性、實(shí)用性。
第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體技術(shù)分析
基于圖像識(shí)別技術(shù)的軸承檢測(cè)系統(tǒng)是提高精確化，高速化，自動(dòng)化檢測(cè)的重要方法，目前圖象檢測(cè)技術(shù)在諸如:液面和厚度的自動(dòng)檢測(cè)、焊縫自動(dòng)跟蹤、集成電路芯片焊點(diǎn)的自動(dòng)定位、零件表面壞損的自動(dòng)檢測(cè)、印刷電路板表面缺陷的自動(dòng)檢測(cè)等領(lǐng)域都已有較好的應(yīng)用。
因此通過光-電技術(shù)、圖象識(shí)別處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等,對(duì)“對(duì)軸承的感官指標(biāo)進(jìn)行在線圖象檢測(cè)”的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行研究應(yīng)該是可行的。這種采用CCD采集圖像的檢測(cè)技術(shù)主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
①100%的檢測(cè)比例,這樣可以更好地控制產(chǎn)品質(zhì)量,而許多人工檢驗(yàn)是抽樣檢驗(yàn);
②一致的檢驗(yàn)效果,不存在疲勞問題;
③可以降低檢測(cè)成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量的可信度;
④可以面向所有的軸承產(chǎn)品,甚至其它的機(jī)械零部件；
2．2 系統(tǒng)的工作原理
軸承外表視覺檢測(cè)系統(tǒng),在線工作。生產(chǎn)流水線中被測(cè)軸承按照一定的節(jié)拍在輸送帶上運(yùn)動(dòng),由機(jī)械手在特定的位置將其搬到戴檢測(cè)位置，然后由CCD攝像機(jī)進(jìn)行圖像提取。圖象的獲取與軸承的運(yùn)動(dòng)同步進(jìn)行;被測(cè)軸承的各檢測(cè)項(xiàng)目信息處于特定的背景中,通過圖象預(yù)處理將其從中提取出來,與設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)模板匹配,即對(duì)已有的模板與被檢測(cè)物體進(jìn)行分析,對(duì)兩個(gè)圖形的相似程度進(jìn)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(cè)物體是否相同或相似,同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果及時(shí)報(bào)告或通訊給其它執(zhí)行系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承加工質(zhì)量的正確分類(一定要求的正品和廢品)。因此,該視覺檢測(cè)系統(tǒng)由下列子系統(tǒng)組成:光源和光學(xué)成像系統(tǒng);攝像與圖象處理系統(tǒng);用于控制攝像、圖象處理、圖象分析的計(jì)算機(jī)系統(tǒng);與生產(chǎn)線的同步通訊和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng);輸出檢測(cè)結(jié)果系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)。其一般過程如圖1所示。具體工作流程如下：
1 當(dāng)啟動(dòng)檢測(cè)線，第一個(gè)軸承到位以后，經(jīng)過視覺傳感器，判斷目標(biāo)是否到位，然后由控制機(jī)發(fā)出啟動(dòng)機(jī)械手甲的指令，當(dāng)甲手啟動(dòng)到位的時(shí)候，要求那個(gè)軸承也恰好到位，此時(shí)，機(jī)械手可直接抓取目標(biāo)；
2 當(dāng)機(jī)械手甲將目標(biāo)放到檢測(cè)位置時(shí)，由傳感器2判斷目標(biāo)到位情況，然后由控制機(jī)發(fā)出指令，啟動(dòng)CCD，進(jìn)行第一個(gè)目標(biāo)檢測(cè)，經(jīng)過一系列的圖像處理，判斷圖形真?zhèn)危缓髠鹘o控制機(jī)；
3 當(dāng)為不合格的目標(biāo)時(shí)，控制機(jī)發(fā)出指令，機(jī)械手乙動(dòng)作，將目標(biāo)放到廢品箱；
4 如果不是廢品，則將目標(biāo)放到生產(chǎn)線上。
5 以后，每隔4秒鐘，CCD獲取圖像一次。而兩個(gè)機(jī)械手則實(shí)現(xiàn)放料，送料。
計(jì)算機(jī)
圖像采集卡
CCD
機(jī)械手甲
廢品箱
機(jī)械手乙
X
Y
機(jī)械控制箱
2.3 系統(tǒng)描述及關(guān)鍵問題分析
軸承質(zhì)量的檢測(cè)方法,檢測(cè)系統(tǒng)，既要適應(yīng)檢測(cè)生產(chǎn)線工作方式的不同,又要適應(yīng)軸承換型的要求,同時(shí)還要滿足一定的實(shí)時(shí)性要求.由于生產(chǎn)過程中,必須對(duì)每一個(gè)軸承都進(jìn)行檢測(cè),這就要求圖像檢測(cè)、圖像處理的速度必須跟得上生產(chǎn)線的運(yùn)行速度.在攝像用光方面,既可采用背光也可采用正光.實(shí)踐表明:如果采用背光,有利于對(duì)圖像進(jìn)行目標(biāo)分割
采用圖像處理方法,進(jìn)行軸承質(zhì)量在線檢測(cè),需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問題:
(1) 目標(biāo)(軸承,下同)分割 軸承的合格與否,最終要?dú)w于它所包含的每一個(gè)檢測(cè)小目標(biāo)是否全部合格,所以能否把這些小目標(biāo)全部并且正確地從圖像背景中分割提取出來,是整個(gè)檢測(cè)任務(wù)中的首要問題.
(2) 攝像同步及目標(biāo)定位 在獲取藥板圖像時(shí),我們讓一幅圖像里只包含一個(gè)完整的軸承,也就是一次只檢測(cè)一軸承.這樣,每當(dāng)開啟整個(gè)生產(chǎn)線后，一個(gè)軸承被傳送到圖1中A處時(shí),必須由生產(chǎn)線即時(shí)給出表示該軸承已就位的同步信號(hào),并送給計(jì)算機(jī)以啟動(dòng)圖像采集和處理.以后CCD則按照一定的頻率進(jìn)行圖像采集。
目標(biāo)定位與CCD圖像傳感器的工作原理,以及同步信號(hào)的接入位置有關(guān).這里采用廉價(jià)的主要應(yīng)用于普通監(jiān)控場(chǎng)合的CCD圖像傳感器進(jìn)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(shí)40ms.圖像傳感器與生產(chǎn)線相互獨(dú)立地工作生產(chǎn)線給出的同步信號(hào)送給計(jì)算機(jī),通知計(jì)算機(jī)在從視頻采集卡送來的視頻流中截獲一幀圖像.由于生產(chǎn)線給出的同步信號(hào)的周期取決于所要檢測(cè)的軸承在運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度。.因此,大多數(shù)情況下,同步信號(hào)周期不是40ms的整倍數(shù),這樣在軸承被傳送到CCD圖像傳感器視場(chǎng)中心位置的瞬間,生產(chǎn)線發(fā)出同步信號(hào)通知計(jì)算機(jī)試圖采集此時(shí)的視場(chǎng)景物圖像,然而大多數(shù)情況下此時(shí)的視場(chǎng)景物并不能被捕獲到,實(shí)際獲取到的圖像大多數(shù)都是在中心位置之前或之后一段時(shí)間(不大于40ms)拍攝到的,即實(shí)際獲取到的圖像與中心位置的圖像發(fā)生了錯(cuò)位, CCD圖像傳感器實(shí)際獲取到的發(fā)生了錯(cuò)位的圖像.由于目標(biāo)偏出視場(chǎng),這就需要把攝像區(qū)擴(kuò)大,以使目標(biāo)不會(huì)偏出,但也不能過分大,以免一幅圖像中包含兩個(gè)完整軸承.所以,在實(shí)際檢測(cè)識(shí)別時(shí)就需要跟蹤這種錯(cuò)位導(dǎo)致的抖動(dòng)以捕獲到目標(biāo).
（3）機(jī)械手跟生產(chǎn)線，CCD的同步問題。當(dāng)?shù)匾粋€(gè)軸承到位以后，經(jīng)過傳感器的判斷，由控制機(jī)發(fā)出啟動(dòng)機(jī)械手甲的指令，當(dāng)甲手啟動(dòng)到位的時(shí)候，要求那個(gè)軸承也恰好到位，此時(shí)，機(jī)械手可直接抓去；當(dāng)機(jī)械手甲將目標(biāo)放到檢測(cè)位置時(shí)，控制機(jī)發(fā)出指令，CCD動(dòng)作。進(jìn)行第一個(gè)目標(biāo)檢測(cè)，以后，每隔一定時(shí)間，CCD獲取圖像一次。當(dāng)有不合格的目標(biāo)是，控制機(jī)發(fā)出指令，機(jī)械手乙動(dòng)作，將目標(biāo)放到廢品箱，如果沒有廢品，則將目標(biāo)放到生產(chǎn)線上。
（4）機(jī)械手的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；要求機(jī)械手為四軸聯(lián)動(dòng)，這樣，就對(duì)機(jī)械手的內(nèi)部構(gòu)造，動(dòng)力系統(tǒng)的控制同步技術(shù)等提出了一定的要求；
2.4 軸承缺損檢測(cè)系統(tǒng)的組成
基于機(jī)器視覺技術(shù)的軸承缺損檢測(cè)系統(tǒng)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(jī)械手。傳送裝置在機(jī)器中分為兩個(gè)區(qū)域:檢測(cè)區(qū)和分離區(qū)。在檢測(cè)區(qū),通過高速ＣＣＤ攝像機(jī)將傳送中連續(xù)的軸承圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,計(jì)算機(jī)對(duì)記錄下的圖像進(jìn)行分析,分辨出損壞軸承。當(dāng)軸承進(jìn)入分離區(qū)時(shí),橫向機(jī)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(shí)現(xiàn)成品和廢品的分離。
軟件主要包括對(duì)機(jī)械手控制程序的設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)圖像處理，控制機(jī)的指令設(shè)計(jì)。
因此整個(gè)系統(tǒng)包括：傳送線、 機(jī)械手、CCD攝像機(jī)、一些傳感器、控制電路，上位機(jī)、下位機(jī)等。
2.5總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)
1 傳送帶的形式、速度、及其它參數(shù)；
2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)和工藝要求；
3 為機(jī)械手各軸選擇電機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；
4 電機(jī)的控制順序等；
5 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；；
2.6．設(shè)計(jì)工作量
（1）設(shè)計(jì)圖量A0號(hào)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(jī)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(shè)計(jì)
而在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，材料的搬運(yùn)，機(jī)床上下料，整機(jī)的裝配等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化是十分必要的。自動(dòng)上下料裝置使散亂的中小型工件毛胚經(jīng)過定向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)定向排列，然后順次的由上下料機(jī)構(gòu)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(cè)是大批量生產(chǎn)，要求檢測(cè)率高，機(jī)動(dòng)工時(shí)短，
3.1 自動(dòng)線的設(shè)計(jì)選用要點(diǎn)：
1 按照生產(chǎn)批量或者生產(chǎn)率計(jì)算出所需的上料節(jié)拍，或者上料生產(chǎn)率，
2 根據(jù)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(dòng)化程度，選用合理的送料、定向機(jī)構(gòu)。
3 當(dāng)上下料裝置的總體反感確定以后，應(yīng)作深入的分析和評(píng)價(jià)，一個(gè)好的輸送線應(yīng)該達(dá)到：
1） 提高設(shè)備生產(chǎn)率，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；
2）工作穩(wěn)定可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)噪音小，不會(huì)損傷工件，使用壽命長(zhǎng)；
3）結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，最大限度地采用標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)，齒形傳動(dòng)，嚙合傳動(dòng)，流體傳動(dòng)，電力傳動(dòng)等。而每一個(gè)傳動(dòng)有很多類型，比如嚙合傳動(dòng)中的鏈傳動(dòng)：套筒輥?zhàn)渔?，套筒鏈，齒形鏈等。經(jīng)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(jiǎn)介
一、同步帶傳動(dòng)的特點(diǎn)及應(yīng)用
同步帶傳動(dòng)具有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。
同步帶傳動(dòng)由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力（見圖7–21），故帶與帶輪間無相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)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(dòng)時(shí)的線速度可達(dá)50m/s，傳動(dòng)比可達(dá)10，效率可達(dá)98％。傳動(dòng)噪音比帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)小，耐磨性好，不需油潤(rùn)滑，壽命比摩擦帶長(zhǎng)。其主要缺點(diǎn)是制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴(yán)格。所以同步帶廣泛應(yīng)用于要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確的中、小功率傳動(dòng)中，如家用電器、計(jì)算機(jī)、儀器及機(jī)床、化工、石油等機(jī)械。
同步帶有單面有齒和雙面有齒兩種，簡(jiǎn)稱單面帶和雙面帶。雙面帶又有對(duì)稱齒型（DI）和交錯(cuò)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(hào)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(dòng)已有標(biāo)準(zhǔn)（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(dòng)最基本的參數(shù)。當(dāng)同步帶垂直其底邊彎曲時(shí)，在帶中保持原長(zhǎng)度不變的周線，稱為節(jié)線，節(jié)線長(zhǎng)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(shè)計(jì)計(jì)算步鄹：
計(jì)算項(xiàng)目
單位
公式及數(shù)據(jù)
說明
設(shè)計(jì)功率Pd
kW
Pd=(k0+k1+k2)P
k0—工況因數(shù)，見表13158
k1—張緊輪影響因數(shù)，見表13159
k2—增速傳動(dòng)因數(shù)，見表13160
P—傳動(dòng)功率，kW
節(jié)距Pb
mm
根據(jù)Pb和n1，由圖13-1-8選取
n1—小帶輪轉(zhuǎn)速，r/min
小帶輪齒數(shù)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(hào)
MXL，
XXL，XL
L，H
XH
XXH
vmax
40～50
35～40
25～30
傳動(dòng)比i
n2—大帶輪轉(zhuǎn)速，r/min
大帶輪齒數(shù)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(zhǎng)度Lop及其齒數(shù)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(shù)zb
計(jì)算中心距a
mm
α1—小帶輪包角
小帶輪嚙合齒數(shù)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(zhǎng)度的質(zhì)量，kg/m，見表13-1-64
帶寬bs
mm
按表13147選定
bso—選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度，mm，見表13-1-64
kz—小帶輪嚙合齒數(shù)因數(shù)
作用在軸上的力Fr
N
3.3 同步帶的設(shè)計(jì)計(jì)算
一 用作輸送帶
（1）給出傳動(dòng)要求
1）傳遞名義功率： P = 2.2 KW;
2) 主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速=從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速
3) 原動(dòng)機(jī) 2.2kw 異步電動(dòng)機(jī)
4）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間 每天24小時(shí)
5) 中心距要求： a= 1000mm
（2）傳送帶的節(jié)距和型號(hào)
1）計(jì)算設(shè)計(jì)功率
a) 由表6-61查的載荷的修正系數(shù)
b) 計(jì)算設(shè)計(jì)功率
2） 傳送帶型號(hào)和節(jié)距
由 。查圖6-9節(jié)距代號(hào)為H。對(duì)應(yīng)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(zhǎng)
1 由表6-69。H 形帶，帶輪轉(zhuǎn)速
最小齒數(shù) Z = I4 ，取Z=36
小帶輪直徑
2 選擇帶長(zhǎng)
查表6-59，同步帶長(zhǎng)GB11616-89，取
3 傳動(dòng)中心距：
（4） 選擇標(biāo)準(zhǔn)帶寬
1 確定基準(zhǔn)額定功率
Z= 36 ， 轉(zhuǎn)速。
由表6-60，內(nèi)插法，H型帶基準(zhǔn)額定功率 。
2 確定額定功率
A 嚙合齒數(shù)
則：
B 帶寬系數(shù) （同步帶基準(zhǔn)帶寬）
C 確定額定P
3 選擇帶寬： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，
則可以得到：
按表 6- 58，查 mm
（5） 結(jié)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(jì)算的：
我們將傳送帶分成十分，
則，我們選擇 。
二 用作傳動(dòng)帶
1）傳遞名義功率： P = 2.2 KW;
2) 主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速=從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速
3) 原動(dòng)機(jī) 2.2kw 異步電動(dòng)機(jī)
4）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間 每天24小時(shí)
5) 中心距要求： a= 500mm
（2）傳送帶的節(jié)距和型號(hào)
1）計(jì)算設(shè)計(jì)功率
a) 由表6-61查的載荷的修正系數(shù)
b) 計(jì)算設(shè)計(jì)功率
2） 傳送帶型號(hào)和節(jié)距
由 。查圖6-9節(jié)距代號(hào)為H。對(duì)應(yīng)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(zhǎng)
1 由表6-69。H 形帶，帶輪轉(zhuǎn)速
最小齒數(shù) Z = I4 ，取Z=14
傳動(dòng)比
按照標(biāo)準(zhǔn)帶輪齒數(shù)，取
小帶輪直徑
4 選擇帶長(zhǎng)
= 15995.42mm
查表6-59，同步帶長(zhǎng)GB11616-89，取
5 傳動(dòng)中心距：
（6） 選擇標(biāo)準(zhǔn)帶寬
2 確定基準(zhǔn)額定功率
按照標(biāo)準(zhǔn)帶輪齒數(shù)，取
轉(zhuǎn)速。
由表6-60，內(nèi)插法，H型帶基準(zhǔn)額定功率 。
2 確定額定功率
A 嚙合齒數(shù)
則：
B 帶寬系數(shù) （同步帶基準(zhǔn)帶寬）
C 確定額定P
3 選擇帶寬： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，
則可以得到：
按表 6- 58，查 mm
（7） 結(jié)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(jì)算的：
第四章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)
4.1 引言
機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。
機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如：
(1) 機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車床、組合機(jī)床上使用較為普遍。
(2) 在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中
它可以用來組裝零部件。
(3) 可在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動(dòng)。
（4） 可在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等。
(5） 宇宙及海洋的開發(fā)。
(6) 軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。
軸承裝卸工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手部分動(dòng)作，按照預(yù)先設(shè)定的程序Z軌跡或其它要求實(shí)現(xiàn)抓取Z搬運(yùn)工件或操縱工具的自動(dòng)化裝置。
4.2 搬運(yùn)機(jī)械手的組成
我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)在線運(yùn)行的軸承的抓取，并將它放到待檢測(cè)位置，這個(gè)位置是固定不動(dòng)的。等檢測(cè)結(jié)束之后，由另外一個(gè)機(jī)械手將目標(biāo)搬走，然后由原來的機(jī)械手繼續(xù)放料，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)循環(huán)。
因此，由我們的設(shè)計(jì)任務(wù)可以得到，我們的檢測(cè)系統(tǒng)中需要兩個(gè)機(jī)械手。他的動(dòng)作則需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，升降運(yùn)動(dòng)，伸縮運(yùn)動(dòng)，抓取物體。
4.2.1 機(jī)械手的組成
工業(yè)機(jī)械手
4.2.2 機(jī)械手的自由度
由設(shè)計(jì)任務(wù)，我們可以輕松的得到他的自由度為四，即：底座的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)身的升降，臂部的伸縮，手部的抓取。
4．3 機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)功能
我們的檢測(cè)系統(tǒng)中整形機(jī)構(gòu)包括了多關(guān)節(jié)機(jī)械手和控制箱兩部分組成。多關(guān)節(jié)機(jī)械手共有3個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作和一個(gè)抓手動(dòng)作，使用二個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制二個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)作，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制底盤轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)電機(jī)控制手臂伸縮。二個(gè)油缸控制兩個(gè)關(guān)節(jié)，抓手的抓物動(dòng)作由油缸控制?？刂葡洳糠钟呻娫?、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及相應(yīng)的按鈕組成。
以下是此次我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手的工作框圖
機(jī)械手甲
廢品箱
機(jī)械手乙
X
Y
A
B
D
C
圖示我們的機(jī)械手動(dòng)作順序，此為一個(gè)循環(huán)
機(jī)械手甲開始動(dòng)作
甲手完成下降、抓取目標(biāo)、上升、將目標(biāo)放到檢測(cè)點(diǎn)
機(jī)械手乙啟動(dòng)
CCD開始檢測(cè)（甲手返回A 上方）———檢測(cè)結(jié)束
乙完成轉(zhuǎn)動(dòng)，下降，抓取目標(biāo)，上升，
機(jī)械手甲啟動(dòng)
乙繼續(xù)完成轉(zhuǎn)動(dòng)，下降，放物，上升，縮回B點(diǎn)，
序號(hào)
動(dòng)作（機(jī)械手甲）
時(shí)間(s)
1
在A點(diǎn)上方下降
0.2
2
抓取目標(biāo)
O．2
3
在A點(diǎn)上升
0.2
4
轉(zhuǎn)動(dòng)到C點(diǎn)上方
0.3
5
下降到C點(diǎn)，
0.2
6
放下目標(biāo)（啟動(dòng)CCD）
0.2
7
上升到C點(diǎn)上方
0.2
8
轉(zhuǎn)回到A點(diǎn)上方
0.3
序號(hào)
動(dòng)作（機(jī)械手乙）
時(shí)間（s）
1
CCD檢測(cè)結(jié)束，發(fā)出啟動(dòng)機(jī)械手乙指令
共需2S
2
由B上方轉(zhuǎn)動(dòng)到C點(diǎn)上方
0.2
3
在C點(diǎn)上方下降
0.2
4
抓取目標(biāo)
0.2
5
在C點(diǎn)上升
0.2
6
轉(zhuǎn)動(dòng)到D點(diǎn)上方
0.3
7
下降到D點(diǎn)，
0.2
8
放下目標(biāo)
0.2
9
上升到D點(diǎn)上方
0.2
10
縮回到B點(diǎn)上方
0.3
從上面可以看出，機(jī)械手甲動(dòng)作，到檢測(cè)完畢機(jī)械手乙動(dòng)作并在C點(diǎn)將目標(biāo)抓取到手后機(jī)械手甲開始下一個(gè)動(dòng)作，完成了一個(gè)循環(huán)。則經(jīng)過以上的計(jì)時(shí)，我們可以知道計(jì)算得到一個(gè)循環(huán)的時(shí)間：
甲手從啟動(dòng)到T=1.3; CCD攝像機(jī)工作時(shí)間為T2=2s 乙手動(dòng)抓住目標(biāo)T3=0.6
此時(shí)，甲手開始下一個(gè)循環(huán)，也就是說，當(dāng)乙手往起升的時(shí)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(gè)機(jī)器的循環(huán)周期，也是整個(gè)系統(tǒng)工作的周期。
則，從系統(tǒng)開始工作，各個(gè)機(jī)器啟動(dòng)之后，他們的工作周期都是4s,即：每隔4s鐘動(dòng)作一個(gè)循環(huán)。
4.4 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)
我們抓取的目標(biāo)是半徑為r=20mm的軸承，軸承的大小，形狀決定了我們?cè)O(shè)計(jì)的手部的大小，形狀。經(jīng)過分析，我們?cè)O(shè)計(jì)的手部是手指式手部。我們?cè)O(shè)計(jì)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(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，故應(yīng)用最廣。
機(jī)械手的手部采用油缸控制，缸活塞后退時(shí)抓緊工件，缸活塞前進(jìn)時(shí)松開工件。
4.4.1機(jī)械手的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
搬運(yùn)機(jī)械手是按照一定的軌跡實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)，而且，在檢測(cè)系統(tǒng)中，有著時(shí)間的限制，因此，要求我們的機(jī)械手工作速度快，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，尤其要求定位精度高。因此，必須對(duì)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)進(jìn)行足夠的分析，設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，以滿足要求。
下面按類別對(duì)設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行說明
手部：
1 其手部抓持工件的迅速，準(zhǔn)確和牢固程度都將直接影響機(jī)械手的工作性能，根據(jù)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(jié)構(gòu)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(yīng)該考慮工件在傳遞過程中所產(chǎn)生的動(dòng)載荷。
3 手指應(yīng)有一定的開閉范圍，其大小不僅與工件尺寸有關(guān)，而且必須注意手部接近工件的運(yùn)動(dòng)路線及方位的影響。
4 應(yīng)該保證工件在手內(nèi)的準(zhǔn)確定位。
5 保證手部有足夠的柔度，軸承是金屬品，而且是對(duì)表面質(zhì)量要求很高，在抓取的時(shí)候，不能對(duì)工件造成損害。
4.4.2 手指加緊力的計(jì)算
式中 ——安全系數(shù)，通常取1.2-2；
——?jiǎng)虞d荷系數(shù)；此處為1
——方位系數(shù) 此處為0.5
G ——被夾持工件的重量。
經(jīng)過計(jì)算，機(jī)械手的加緊力為：N=2kgf
4.5 臂部的設(shè)計(jì)
臂部是機(jī)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(dòng)范圍主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)形式。
臂部設(shè)計(jì)的難點(diǎn)
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(gè)問題，在機(jī)械手的臂部，用了鋼管最為他的導(dǎo)向桿。
2 偏重力矩要小 在手部的油缸的設(shè)計(jì)中，我們的李很小，所以，用了一個(gè)小的油缸，再臂部的一段，我們安裝了一個(gè)較大的電機(jī)，而且，那一段還可以加鐵塊進(jìn)行重量平衡。
臂部設(shè)計(jì)中，我們用了四根導(dǎo)向柱，用來提到他的導(dǎo)向定位精度。
電機(jī)的選取
我們采用了絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)。有一個(gè)電機(jī)經(jīng)過聯(lián)軸器直接帶動(dòng)絲杠軸，實(shí)現(xiàn)了伸縮運(yùn)動(dòng)。
由于我們的設(shè)計(jì)進(jìn)度要求很高，力比較小，因此選取sl系列伺服電機(jī)。
4.6 機(jī)身的設(shè)計(jì)
機(jī)身是支撐臂部的部件。升降，回轉(zhuǎn)，和俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等都安裝在機(jī)身上。
我們采用升降油缸，實(shí)現(xiàn)了升降運(yùn)動(dòng)。
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，按照以下程序進(jìn)行：
a 明確設(shè)計(jì)依據(jù)，進(jìn)行工礦分析。設(shè)計(jì)的依據(jù)有：
（1） 主機(jī)的結(jié)構(gòu)、動(dòng)作循環(huán)和主要技術(shù)要求，如運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、動(dòng)作精度、動(dòng)作連鎖、自動(dòng)化程度和效率等。
（2） 液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境，如溫度及其變化范圍、潮濕、振動(dòng)、沖擊、塵砂、腐蝕或者易燃等。
（3）其他要求，如對(duì)液壓裝置的重量，外形，尺寸，經(jīng)濟(jì)性等。
B 擬定液壓系統(tǒng)方案。包括：選定系統(tǒng)的工作壓力，擬定系統(tǒng)的主要回路和綜合考慮其他問題。
C 計(jì)算或者選定液壓系統(tǒng)及元件的參數(shù)，包括：液壓執(zhí)行器尺寸和所需流量，泵的規(guī)格和驅(qū)動(dòng)功率，各種液壓元件的規(guī)格，管道尺寸和油管容量。
D 驗(yàn)算液壓系統(tǒng)的性能。包括：管道和元件的壓力損失，系統(tǒng)地發(fā)熱量和溫升，液壓沖擊。
對(duì)升降運(yùn)動(dòng)的油缸計(jì)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(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定
單活塞桿液壓缸可簡(jiǎn)化為：
，
P1—液壓缸工作壓力，初算時(shí)可取系統(tǒng)工作壓力Pp=16Mp。
P2—液壓缸回油腔背壓力，初算時(shí)按表估計(jì)：P2=0.8~1.5X（1+50%~100%），估計(jì)P2=1.2Mp。
F—工作循環(huán)中最大的外負(fù)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(jī)械效率 進(jìn)行估算
F+Ffc=, —液壓缸的機(jī)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(duì)選定后的液壓缸內(nèi)徑D，必須進(jìn)行最小穩(wěn)定速度的驗(yàn)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(qiáng)度條件來計(jì)算。
液壓缸壁厚一般指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的壁厚。從材料力學(xué)可知，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律因壁厚的不同而各異，一般計(jì)算時(shí)可分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。
液壓缸的內(nèi)徑D與其壁厚的比值D/10圓筒稱為薄壁圓筒，起重運(yùn)輸機(jī)械的液壓缸一般用無縫鋼管材料，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按公式：，
—液壓缸壁厚（m）;
D—液壓缸內(nèi)徑（m）;
Py—實(shí)驗(yàn)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(yīng)力。[]=110MPa,[],取20mm。
4、 液壓缸工作行程的確定
由表和實(shí)際情況選取400mm。
5、 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定
當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支承面中點(diǎn)到缸蓋滑動(dòng)支承面中點(diǎn)的距離H稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。如果導(dǎo)向長(zhǎng)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(shè)計(jì)時(shí)必須保證有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。對(duì)一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)滿足以下要求：
L—液壓缸的最大行程，L=400mm；D—液壓缸的內(nèi)徑,D=80mm。
.
6、 缸體長(zhǎng)度的確定
液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞桿的行程與活塞的寬度之和，缸體外形長(zhǎng)度還要考慮到兩端蓋的厚度，一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20~30倍，即L1(20~30)X106=3200~4800mm 。
7 驗(yàn)算活塞桿的強(qiáng)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(jìn)行驗(yàn)算：
35.7/D≤[]，
其中 F——液壓缸輸出力，
[]——活塞桿的許用壓力（Mpa），當(dāng)活塞桿為碳鋼時(shí)，[]=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(qiáng)度校核。
8 校核活塞桿的穩(wěn)定性：
活塞缸承受壓縮載荷時(shí)，如果活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度與活塞桿的直徑之比大于10時(shí)，需要對(duì)活塞桿縱向彎曲強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。本次設(shè)計(jì)中的活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度與活塞桿直徑之比小于10，故無需進(jìn)行縱向強(qiáng)度計(jì)算。
本機(jī)械手，我們較好的解決了偏距問題，應(yīng)該沒有偏心載荷的作用，可以采用等截面的方法來進(jìn)行校核：
當(dāng)L/k≥m*時(shí)，臨界載荷為：
P=*n*E*J/L*L
式中n為末端條件系數(shù)。
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(shù)選用鑄鐵的柔性系數(shù)，即m=70
k為活塞桿的回轉(zhuǎn)半徑，本次設(shè)計(jì)的活塞桿為實(shí)心活塞桿，即k==，其中為活塞桿的直徑。
L為活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度，也就是活塞桿在最大伸出距離時(shí)，活塞桿支點(diǎn)與液壓缸安裝點(diǎn)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(shù)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(shè)計(jì)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(jī)械效率=0.96
4.7 底座的設(shè)計(jì)
底座是整個(gè)機(jī)體重量的最終承受者，同時(shí)，機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)部分就是在在機(jī)作內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，為了不影響機(jī)身的油缸內(nèi)不通油，我們運(yùn)用了配油盤。
機(jī)身的傳動(dòng)路線為：電機(jī)軸上裝有第一級(jí)帶傳動(dòng)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(jí)傳動(dòng)，中間軸上方裝有第二級(jí)帶傳動(dòng)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(jí)傳動(dòng)。
我們選取45BF003-Ⅱ步進(jìn)電機(jī)。
總傳動(dòng)比為： 其中，
對(duì)于底座傳動(dòng)帶的設(shè)計(jì)計(jì)算如下：
首級(jí)傳送帶：
1）傳遞名義功率： P = 2.2 KW;
2) 主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速=從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速
3) 原動(dòng)機(jī) 2.2kw 異步電動(dòng)機(jī)
4）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間 每天24小時(shí)
5) 中心距要求： a= 100mm
（2）傳送帶的節(jié)距和型號(hào)
1）計(jì)算設(shè)計(jì)功率
a) 由表6-61查的載荷的修正系數(shù)
b) 計(jì)算設(shè)計(jì)功率
2） 傳送帶型號(hào)和節(jié)距
由 。查圖6-9節(jié)距代號(hào)為H。對(duì)應(yīng)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(zhǎng)
1 由表6-69。H 形帶，帶輪轉(zhuǎn)速
最小齒數(shù) Z = I4 ，取Z=14
按照標(biāo)準(zhǔn)帶輪齒數(shù)，取
小帶輪直徑
6 選擇帶長(zhǎng)
= 497.4mm
查表6-59，同步帶長(zhǎng)GB11616-89，取
7 傳動(dòng)中心距：
（8） 選擇標(biāo)準(zhǔn)帶寬
4 確定基準(zhǔn)額定功率
按照標(biāo)準(zhǔn)帶輪齒數(shù)，取
轉(zhuǎn)速。
由表6-60，內(nèi)插法，H型帶基準(zhǔn)額定功率 。
2 確定額定功率
A 嚙合齒數(shù)
則：
B 帶寬系數(shù) （同步帶基準(zhǔn)帶寬）
C 確定額定P
3 選擇帶寬： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，
則可以得到：
按表 6- 58，查 mm
（9） 結(jié)果整理
1 選用H型同步帶
mm
2 帶輪
傳送帶中心距近似計(jì)算的：
4.8 滾動(dòng)軸承的選擇
選擇軸承時(shí)，首先必須了解和掌握所需配備軸承的機(jī)械設(shè)備性能，再根據(jù)各類軸承的技術(shù)特性和具體工作條件等要求進(jìn)行軸承類型的選擇，最終應(yīng)該滿足設(shè)備的使用要求。具體選擇時(shí)可以參考以下幾個(gè)方面：
1 軸承的載荷
軸承所承受載荷的大小、方向、和性質(zhì)是選擇軸承類型的主要依據(jù)。
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(qiáng)，所以載荷較大的工作場(chǎng)合，優(yōu)先選用棍子軸承。
軸承承受純徑向載荷時(shí)，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(dāng)徑向載荷和軸向載荷聯(lián)合作用時(shí)，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(shí)，也可以選用深溝球軸承，若軸向載荷很大，徑向載荷較小時(shí)，可用推力調(diào)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(lián)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(dòng)支撐軸向不限位，可使軸在支撐上自由伸縮游動(dòng)，此時(shí)可用內(nèi)，外圈不可分的向心軸承在座孔內(nèi)游動(dòng)，也可以用內(nèi)，外圈可用的圓柱滾子軸承，其內(nèi)，外圈相對(duì)游動(dòng)。
3 軸承的調(diào)心性能
當(dāng)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(shí)，或因受力后使軸向彎曲而撓度較大時(shí)，會(huì)造成軸承的內(nèi)外圈軸線發(fā)生偏斜，這時(shí)應(yīng)該選用調(diào)心性能好的調(diào)心球軸承或者調(diào)心滾子軸承，使軸的偏轉(zhuǎn)角控制在需用值以內(nèi)，否則會(huì)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(shí)應(yīng)該考慮的因素之一。當(dāng)軸承座保護(hù)是剖分式而必須沿軸向安裝和拆卸軸承時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用內(nèi)外圈可分離的軸承。
4.9 聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中的一種常用軸系部件，它的基本功用是聯(lián)接兩軸，并傳遞動(dòng)力和轉(zhuǎn)矩。
聯(lián)軸器聯(lián)接的兩軸，只有在及其停車后并經(jīng)過拆卸才能被彼此分開。在機(jī)械中應(yīng)用聯(lián)軸器，可以方便地將組成機(jī)器的各個(gè)部分連接起來，有利于機(jī)器的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸和維修。
聯(lián)軸器的類型很多，通常根據(jù)相對(duì)位移有無補(bǔ)償能力劃分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩大類。
剛性聯(lián)軸器對(duì)相對(duì)位移無補(bǔ)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(lián)接的兩軸嚴(yán)格對(duì)中，在和平穩(wěn)的場(chǎng)合。
撓性聯(lián)軸器因具有撓性，對(duì)相對(duì)位移具有補(bǔ)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(lián)軸器和有彈性元件的腦性聯(lián)軸器兩種。有彈性元件的撓性聯(lián)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(dòng)系統(tǒng)的工作性能。
此次設(shè)計(jì)，我們選用的是梅花形彈性聯(lián)軸器。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的緩沖、減振能力，補(bǔ)償兩軸相對(duì)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(dòng)的軸系。
連軸器的選擇：
1) 類型的選擇：
選擇梅花形彈性聯(lián)軸器。
2) 載荷計(jì)算：
公稱轉(zhuǎn)矩：
T=9550*P/n=9550*0.2/3000=0.64N*m
式中：P為電動(dòng)機(jī)的功率；
n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表14-1得，轉(zhuǎn)矩變化比較小，原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，
所以，Ka=1.3
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》公式14-1，計(jì)算轉(zhuǎn)矩為
Tca=Ka*T=1.3*0.64=0.832N*m
3) 型號(hào)的選擇：
從GB4323-84中查得，選擇Tl1，許用轉(zhuǎn)矩為6.3N*m，最大許用轉(zhuǎn)速為6600r/min，軸徑為9~24mm，所以適合。
4.10 械手的基本參數(shù)
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手
機(jī)身回轉(zhuǎn)： ，實(shí)際需要回轉(zhuǎn)角度是45；
手臂上下升降： 82mm
手臂升縮： 80mm
抓緊動(dòng)作： 行程27mm
第五章 中間軸軸徑估計(jì)
一、估軸徑
為了繪制軸和軸承部件的結(jié)構(gòu)，確定軸的支撐距離和作用力的位置，先初估軸徑。
軸徑估計(jì)公式為：
立軸 ?。茫?10
則 ；
；
因?yàn)榇藘奢S均有鍵槽，應(yīng)增大3%，則
立軸 d1=1.03×22.4=23mm 圓整為 d1=25mm；
二、零件的強(qiáng)度校核
（一）、軸的強(qiáng)度校核計(jì)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(jiǎn)化與校核
（1）軸的簡(jiǎn)化力學(xué)模型
將軸簡(jiǎn)化為鉸支座（一端固定鉸鏈，另一端活動(dòng)鉸鏈）的簡(jiǎn)支梁
（2）繪制軸的受力簡(jiǎn)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(xiǎn)，計(jì)算其彎矩。
P=Fv,v=2rn,所以,
M=F1xl=0.9x31.51=28.36Nm=28360Nmm
3、軸的校核計(jì)算
如圖截面，載荷大,有軸肩，存在應(yīng)力集中，比較危險(xiǎn)，應(yīng)對(duì)此截面進(jìn)行校核計(jì)算。
根據(jù)第三強(qiáng)度理論進(jìn)行校核：
＝
軸使用45號(hào)鋼，查得=353MPa
故該軸可以正常工作。
2 滾動(dòng)軸承的壽命校核
1、 軸承的選擇
根據(jù)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(duì)C處軸承進(jìn)行校核。
3、 滾動(dòng)軸承的壽命校核
① 當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算
對(duì)于角接觸球軸承，當(dāng)量動(dòng)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(zhuǎn)速r/min n=9 r/min;
C——基本額定動(dòng)載荷, 查得7204C型角接觸球軸承的C=27000N;
P——當(dāng)量動(dòng)載荷 ，P=3216N.;——取3
3 鍵聯(lián)接的強(qiáng)度校核
1、 鍵的強(qiáng)度校核
（1）、選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸
一般8級(jí)以上精度的齒輪有定心精度要求，應(yīng)選用平鍵聯(lián)接。由于齒輪在軸端，故選用圓頭普通平鍵（A型）。
根據(jù)d=22mm,選用鍵：寬度b=8mm,高度h=7mm.。由輪轂寬度并參考鍵長(zhǎng)系列，取鍵長(zhǎng)L=12mm. 故選用鍵的型號(hào)為 ：鍵8×12GB1096—1979。
（2）、鍵的強(qiáng)度校核
鍵的強(qiáng)度校核公式為：
T——傳遞的轉(zhuǎn)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(zhǎng)度 =L—b=12—8=4mm;
d——軸的直徑 d=22mm;
查得許用擠壓應(yīng)力~120Mpa，取其平均值Mpa
≤ Mpa
所以，鍵可以正常工作。鍵的型號(hào)為 ：鍵8×12GB1096—1979。
第六章 電器圖設(shè)計(jì)
由于機(jī)械手是按照一定的軌跡來運(yùn)行的，而這些軌跡需要我們給出準(zhǔn)確的定位，然后機(jī)械手才能夠去準(zhǔn)確的執(zhí)行。而這一軌跡，需要我們?nèi)y(cè)試，這就是平時(shí)我們所知的信息檢測(cè)與處理。這一仗我們的任務(wù)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(jī)，完成系統(tǒng)工作的電器圖。
6.1 微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的基本組成
微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)包括微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)與微機(jī)控制系統(tǒng)兩個(gè)部分，微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)即以測(cè)試為目的，微機(jī)控制系統(tǒng)以控制為目的。
6.1.1 測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成
測(cè)控系統(tǒng)的硬件可以分為主機(jī)、輸入輸出通道、常規(guī)外部設(shè)備、接口電路、運(yùn)行操作臺(tái)、系統(tǒng)總線等。硬件組成如圖：
工
業(yè)
對(duì)
象
人機(jī)對(duì)話設(shè)備
接口
系
統(tǒng)
總
線
接
口
A/D
轉(zhuǎn)換
采樣設(shè)備
傳感元件
主
機(jī)
開關(guān)量輸入
圖 6.1
6.1.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件組成
軟件通常分為兩大類，一類是系統(tǒng)軟件，另一類是應(yīng)用軟件。
6.1．3 模擬信號(hào)的檢測(cè)
檢測(cè)系統(tǒng)的功能是利用傳感器從被測(cè)對(duì)象中提取所需要的信號(hào)，并把該信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，在經(jīng)過中間變換電路將信號(hào)放大，轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)龋员氵M(jìn)行下一步的處理。
傳感元件
傳感器
基本轉(zhuǎn)換電路
放大器
濾波器
模數(shù)轉(zhuǎn)換
計(jì)算機(jī)
圖6.2 模擬信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量的一種裝置?？梢杂脕頊y(cè)量位移，振動(dòng)，壓力，應(yīng)變，流量，密度等參數(shù)。
電感傳感器的種類很多，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理不同，可分為自感式和互感式兩種；柑橘結(jié)構(gòu)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(diǎn)：
（1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，測(cè)量力?。ㄣ曡F重為（0.5-200）X0.00001N時(shí)，磁吸力為（1-10）X0.00001N ;
（2） 分辨力高，，能測(cè)量0.1微米，甚至更小的機(jī)械位移，能感受0.1秒的微小角位移。傳感器的輸出信號(hào)強(qiáng)，電感靈敏度一般每一毫米可以達(dá)到數(shù)百毫伏，因此有利于信號(hào)的傳輸和放大。
（3） 重復(fù)性好，線形度優(yōu)良。在一定位移范圍（最小幾十微米，最大達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百毫米）內(nèi)，輸出特性的線形度較好，且比較穩(wěn)定。
當(dāng)然，電感傳感器也有不足之處，如存在零點(diǎn)殘余電壓，不易于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)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(jié)構(gòu)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(shí)銜鐵與被測(cè)物體連接，被測(cè)物體的位移將引起空氣隙的長(zhǎng)度發(fā)生變化。由于氣隙磁阻的變化，導(dǎo)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(shù)；Rm為磁路總磁阻。
對(duì)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(zhǎng)；l2為銜鐵磁路長(zhǎng)；A為截面積；μ1為鐵心磁導(dǎo)率；μ2為銜鐵磁導(dǎo)率；μ0為空氣磁導(dǎo)率；δ為空氣隙厚度。
因此有： （6-3）
一般情況下，導(dǎo)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(duì)變化量要很小，但過小又將影響測(cè)量范圍，所以要兼顧考慮兩個(gè)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(zhǎng)度不變，鐵心與銜鐵之間相對(duì)而言覆蓋面積隨被測(cè)量的變化面改變，從而導(dǎo)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(jié)構(gòu)示意圖見圖6-2。
通過對(duì)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(guān)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(jié)構(gòu)圖。螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測(cè)對(duì)象移動(dòng)，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(guān)。
圖6-6 螺管型電感傳感器
設(shè)線圈長(zhǎng)度為l、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數(shù)為N、銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度la、銜鐵的半徑為ra、鐵心的有效磁導(dǎo)率為μm，則線圈的電感量L與銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度la的關(guān)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(diǎn)結(jié)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制作和批量生產(chǎn),是使用最廣泛的一種電感式傳感器.
(四)差動(dòng)電感傳感器
在實(shí)際使用中,常采用兩個(gè)相同的傳感線圈共用一個(gè)銜鐵,構(gòu)成差動(dòng)式電感傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測(cè)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(dòng)式電感傳感器。
差動(dòng)式電感傳感器的結(jié)構(gòu)要求兩個(gè)導(dǎo)磁體的幾何尺寸及材料完全相同，兩個(gè)線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同。
差動(dòng)式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)溫度變化、電源頻率變化等影響，也可以進(jìn)行補(bǔ)償，從而減少了外界影響造成的誤差。
圖6-7 差動(dòng)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(cè)量電路
交流電橋是電感式傳感器的主要測(cè)量電路，它的作用是將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。
前面已提到差動(dòng)式結(jié)構(gòu)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(gè)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(cè)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(dòng)形式，則在工作時(shí)，Z1=Z+△Z和Z2=Z—△Z，當(dāng)ZL→∞時(shí)，電橋的輸出電壓為
（6-6）
當(dāng)ωL＞＞R’時(shí)，上式可近似為： (6.7)
圖6-8 交變電橋的幾種形式