微型軸承外表面缺陷自動檢測線設(shè)計

微型軸承外表面缺陷自動檢測線設(shè)計,微型,軸承,外表,缺陷,缺點,自動檢測,設(shè)計 微型軸承外表面缺陷自動檢測線設(shè)計 史永杰 機械科學(xué)與工程及自動化 第一章 論述 1.1前言 檢測技術(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)代制造強調(diào)實時、在線、非接觸檢測,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)品檢測技術(shù)。 計算機工業(yè)圖象檢測是將計算機視覺應(yīng)用于工業(yè)檢測的一門交叉學(xué)科。計算機視覺,指的是利用計算機技術(shù)對景物的圖象進(jìn)行識別],以實現(xiàn)對人視覺功能的擴(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(gòu)成帶視覺環(huán)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)。視覺檢測技術(shù)具有非接觸、速度快、精度合適、現(xiàn)場抗干擾能力強等突出的優(yōu)點,能很好地滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求,在實際中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。視覺檢測技術(shù)是建立在計算機視覺研究基礎(chǔ)上的一門新興檢測技術(shù),可用于工業(yè)領(lǐng)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(dǎo)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(zhì)量關(guān)系到機械產(chǎn)品的使用性能和質(zhì)量,因此對各種軸承的加工質(zhì)量檢測一直是軸承加工廠家關(guān)心的問題。 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 目前我國大部分軸承產(chǎn)品加工企業(yè)，特別是一些中小規(guī)模的生產(chǎn)單位，對產(chǎn)品感官指標(biāo)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(zhì)量的結(jié)果依據(jù)各個檢測員而不同。雖然座標(biāo)檢測機能對齒面進(jìn)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(dāng)長的檢測時間。且該檢測機的自動化程度不高,檢測產(chǎn)品單一,且開發(fā)費用較高，與我國現(xiàn)有肉食品加工業(yè)的先進(jìn)生產(chǎn)裝備水平極不相符,也制約了機械制造業(yè)的長足發(fā)展。 1.3 課題研究內(nèi)容 基于機器視覺（圖像識別）的監(jiān)測技術(shù)在有些行業(yè)已經(jīng)得到較好的應(yīng)用，而且創(chuàng)造了極高的價值。針對目前軸承檢測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技術(shù)，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(shù),設(shè)計一軸承外表的自動視覺檢測系統(tǒng),成為我們必然的選擇。 本文根據(jù)我國目前的檢測系統(tǒng)的發(fā)展水平，監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要求，發(fā)展現(xiàn)狀，今后的發(fā)展趨勢，對可以在企業(yè)內(nèi)部使用的基于圖像識別模式的檢測系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行圖像采集，經(jīng)過處理后，用先進(jìn)的單片機進(jìn)行集中控制，實現(xiàn)了自動化，準(zhǔn)確化檢測，提高了檢測系統(tǒng)的可靠性、準(zhǔn)確性、實用性。 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 2.1 系統(tǒng)總體技術(shù)分析 基于圖像識別技術(shù)的軸承檢測系統(tǒng)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(shù)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(lǐng)域都已有較好的應(yīng)用。 因此通過光-電技術(shù)、圖象識別處理技術(shù)及計算機控制技術(shù)等,對“對軸承的感官指標(biāo)進(jìn)行在線圖象檢測”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采集圖像的檢測技術(shù)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(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量的可信度; ④可以面向所有的軸承產(chǎn)品,甚至其它的機械零部件； 2．2 系統(tǒng)的工作原理 軸承外表視覺檢測系統(tǒng),在線工作。生產(chǎn)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(jìn)行圖像提取。圖象的獲取與軸承的運動同步進(jìn)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(yù)處理將其從中提取出來,與設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)模板匹配,即對已有的模板與被檢測物體進(jìn)行分析,對兩個圖形的相似程度進(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物體是否相同或相似,同時將檢測結(jié)果及時報告或通訊給其它執(zhí)行系統(tǒng),從而實現(xiàn)對軸承加工質(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、圖象分析的計算機系統(tǒng);與生產(chǎn)線的同步通訊和運動控制系統(tǒng);輸出檢測結(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)啟動檢測線，第一個軸承到位以后，經(jīng)過視覺傳感器，判斷目標(biāo)是否到位，然后由控制機發(fā)出啟動機械手甲的指令，當(dāng)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(biāo)； 2 當(dāng)機械手甲將目標(biāo)放到檢測位置時，由傳感器2判斷目標(biāo)到位情況，然后由控制機發(fā)出指令，啟動CCD，進(jìn)行第一個目標(biāo)檢測，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； 3 當(dāng)為不合格的目標(biāo)時，控制機發(fā)出指令，機械手乙動作，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。而兩個機械手則實現(xiàn)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(tǒng)描述及關(guān)鍵問題分析 軸承質(zhì)量的檢測方法,檢測系統(tǒng)，既要適應(yīng)檢測生產(chǎn)線工作方式的不同,又要適應(yīng)軸承換型的要求,同時還要滿足一定的實時性要求.由于生產(chǎn)過程中,必須對每一個軸承都進(jìn)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(chǎn)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(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,需要解決以下幾個關(guān)鍵問題: (1)　目標(biāo)(軸承,下同)分割　軸承的合格與否,最終要歸于它所包含的每一個檢測小目標(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,是整個檢測任務(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,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(dāng)開啟整個生產(chǎn)線后，一個軸承被傳送到圖1中A處時,必須由生產(chǎn)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(jìn)行圖像采集。 目標(biāo)定位與CCD圖像傳感器的工作原理,以及同步信號的接入位置有關(guān).這里采用廉價的主要應(yīng)用于普通監(jiān)控場合的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40ms.圖像傳感器與生產(chǎn)線相互獨立地工作生產(chǎn)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(chǎn)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(shù)情況下,同步信號周期不是40ms的整倍數(shù),這樣在軸承被傳送到CCD圖像傳感器視場中心位置的瞬間,生產(chǎn)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(shù)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(shù)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(biāo)偏出視場,這就需要把攝像區(qū)擴(kuò)大,以使目標(biāo)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(dǎo)致的抖動以捕獲到目標(biāo). （3）機械手跟生產(chǎn)線，CCD的同步問題。當(dāng)?shù)匾粋€軸承到位以后，經(jīng)過傳感器的判斷，由控制機發(fā)出啟動機械手甲的指令，當(dāng)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(dāng)機械手甲將目標(biāo)放到檢測位置時，控制機發(fā)出指令，CCD動作。進(jìn)行第一個目標(biāo)檢測，以后，每隔一定時間，CCD獲取圖像一次。當(dāng)有不合格的目標(biāo)是，控制機發(fā)出指令，機械手乙動作，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）機械手的協(xié)調(diào)運動；要求機械手為四軸聯(lián)動，這樣，就對機械手的內(nèi)部構(gòu)造，動力系統(tǒng)的控制同步技術(shù)等提出了一定的要求； 2.4 軸承缺損檢測系統(tǒng)的組成 基于機器視覺技術(shù)的軸承缺損檢測系統(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?shù)接嬎銠C中,計算機對記錄下的圖像進(jìn)行分析,分辨出損壞軸承。當(dāng)軸承進(jìn)入分離區(qū)時,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(xiàn)成品和廢品的分離。 軟件主要包括對機械手控制程序的設(shè)計，計算機圖像處理，控制機的指令設(shè)計。 因此整個系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計任務(wù) 1 傳送帶的形式、速度、及其它參數(shù)； 2 機械手的設(shè)計和工藝要求； 3 為機械手各軸選擇電機和驅(qū)動機構(gòu)； 4 電機的控制順序等； 5 計算機控制系統(tǒng)設(shè)計；； 2.6．設(shè)計工作量 （1）設(shè)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(shè)計 而在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，材料的搬運，機床上下料，整機的裝配等實現(xiàn)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(jīng)過定向機構(gòu)，實現(xiàn)定向排列，然后順次的由上下料機構(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是大批量生產(chǎn)，要求檢測率高，機動工時短， 3.1 自動線的設(shè)計選用要點： 1 按照生產(chǎn)批量或者生產(chǎn)率計算出所需的上料節(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化程度，選用合理的送料、定向機構(gòu)。 3 當(dāng)上下料裝置的總體反感確定以后，應(yīng)作深入的分析和評價，一個好的輸送線應(yīng)該達(dá)到： 1） 提高設(shè)備生產(chǎn)率，顯著減輕工人的勞動強度； 2）工作穩(wěn)定可靠，運轉(zhuǎn)噪音小，不會損傷工件，使用壽命長； 3）結(jié)構(gòu)緊湊簡單，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，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(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 同步帶簡介 一、同步帶傳動的特點及應(yīng)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(zhǔn)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(dá)50m/s，傳動比可達(dá)10，效率可達(dá)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(yán)格。所以同步帶廣泛應(yīng)用于要求傳動比準(zhǔn)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(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)距是同步帶傳動最基本的參數(shù)。當(dāng)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(shè)計計算步鄹： 計算項目 單位 公式及數(shù)據(jù) 說明 設(shè)計功率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—增速傳動因數(shù)，見表13160 P—傳動功率，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 MXL， XXL，XL L，H XH XXH vmax 40～50 35～40 25～30 傳動比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(zhuǎn)速=從動軸轉(zhuǎn)速 3) 原動機 2.2kw 異步電動機 4）運轉(zhuǎn)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(shè)計功率 a) 由表6-61查的載荷的修正系數(shù) b) 計算設(shè)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(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 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 查表6-59，同步帶長GB11616-89，取 3 傳動中心距： （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(zhuǎn)速=從動軸轉(zhuǎn)速 3) 原動機 2.2kw 異步電動機 4）運轉(zhuǎn)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(shè)計功率 a) 由表6-61查的載荷的修正系數(shù) b) 計算設(shè)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(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 1 由表6-69。H 形帶，帶輪轉(zhuǎn)速 最小齒數(shù) Z = I4 ，取Z=14 傳動比 按照標(biāo)準(zhǔn)帶輪齒數(shù)，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(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算的： 第四章 機械手的設(shè)計 4.1 引言 機械手是在機械化、自動化生產(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)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(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)了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)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(fù)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(yīng)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(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(diào)重復(fù)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(xué)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(yù)先設(shè)定的程序Z軌跡或其它要求實現(xiàn)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(biāo)是實現(xiàn)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(jié)束之后，由另外一個機械手將目標(biāo)搬走，然后由原來的機械手繼續(xù)放料，實現(xiàn)了一個循環(huán)。 因此，由我們的設(shè)計任務(wù)可以得到，我們的檢測系統(tǒng)中需要兩個機械手。他的動作則需要實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(shè)計任務(wù)，我們可以輕松的得到他的自由度為四，即：底座的轉(zhuǎn)動，機身的升降，臂部的伸縮，手部的抓取。 4．3 機械手的整體設(shè)計功能 我們的檢測系統(tǒng)中整形機構(gòu)包括了多關(guān)節(jié)機械手和控制箱兩部分組成。多關(guān)節(jié)機械手共有3個關(guān)節(jié)動作和一個抓手動作，使用二個步進(jìn)電機分別控制二個關(guān)節(jié)的動作，一個步進(jìn)電機控制底盤轉(zhuǎn)動，一個電機控制手臂伸縮。二個油缸控制兩個關(guān)節(jié)，抓手的抓物動作由油缸控制。控制箱部分由電源、單片機、步進(jìn)電機驅(qū)動模塊及相應(yīng)的按鈕組成。 以下是此次我們設(shè)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(biāo)、上升、將目標(biāo)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(jié)束 乙完成轉(zhuǎn)動，下降，抓取目標(biāo)，上升， 機械手甲啟動 乙繼續(xù)完成轉(zhuǎn)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(biāo) O．2 3 在A點上升 0.2 4 轉(zhuǎn)動到C點上方 0.3 5 下降到C點， 0.2 6 放下目標(biāo)（啟動CCD） 0.2 7 上升到C點上方 0.2 8 轉(zhuǎn)回到A點上方 0.3 序號 動作（機械手乙） 時間（s） 1 CCD檢測結(jié)束，發(fā)出啟動機械手乙指令 共需2S 2 由B上方轉(zhuǎn)動到C點上方 0.2 3 在C點上方下降 0.2 4 抓取目標(biāo) 0.2 5 在C點上升 0.2 6 轉(zhuǎn)動到D點上方 0.3 7 下降到D點， 0.2 8 放下目標(biāo) 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(biāo)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(jīng)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(biāo)T3=0.6 此時，甲手開始下一個循環(huán)，也就是說，當(dāng)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(tǒng)工作的周期。 則，從系統(tǒng)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(shè)計 我們抓取的目標(biāo)是半徑為r=20mm的軸承，軸承的大小，形狀決定了我們設(shè)計的手部的大小，形狀。經(jīng)過分析，我們設(shè)計的手部是手指式手部。我們設(shè)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(yīng)性，故應(yīng)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(jìn)時松開工件。 4.4.1機械手的設(shè)計難點 搬運機械手是按照一定的軌跡實現(xiàn)的運動，而且，在檢測系統(tǒng)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(shè)計中的難點進(jìn)行足夠的分析，設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)，以滿足要求。 下面按類別對設(shè)計難點進(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動路線及方位的影響。 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，而且是對表面質(zhì)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(shù)，通常取1.2-2； ——動載荷系數(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)過計算，機械手的加緊力為：N=2kgf 4.5 臂部的設(shè)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(shè)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(dǎo)向桿。 2 偏重力矩要小 在手部的油缸的設(shè)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(jìn)行重量平衡。 臂部設(shè)計中，我們用了四根導(dǎo)向柱，用來提到他的導(dǎo)向定位精度。 電機的選取 我們采用了絲杠螺母傳動機構(gòu)。有一個電機經(jīng)過聯(lián)軸器直接帶動絲杠軸，實現(xiàn)了伸縮運動。 由于我們的設(shè)計進(jìn)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(shè)計 機身是支撐臂部的部件。升降，回轉(zhuǎn)，和俯仰運動機構(gòu)等都安裝在機身上。 我們采用升降油缸，實現(xiàn)了升降運動。 液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計，按照以下程序進(jìn)行： a 明確設(shè)計依據(jù)，進(jìn)行工礦分析。設(shè)計的依據(jù)有： （1） 主機的結(jié)構(gòu)、動作循環(huán)和主要技術(shù)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(tǒng)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(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(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(nèi)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(tǒng)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(fù)載.F=4000N. Ffc—液壓缸密封處摩擦力,它的精確值不易求得,常用液壓缸的機械效率 進(jìn)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(nèi)徑D，必須進(jìn)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(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，一般計算時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(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(yīng)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(dǎo)向長度的確定 當(dāng)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(dǎo)向長度。如果導(dǎo)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(shè)計時必須保證有一定的最小導(dǎo)向長度。對一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長度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、 缸體長度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長度應(yīng)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(yīng)大于內(nèi)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(jìn)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(dāng)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(jìn)行計算。本次設(shè)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(jìn)行縱向強度計算。 本機械手，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，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(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(shè)計 底座是整個機體重量的最終承受者，同時，機械手的轉(zhuǎn)動部分就是在在機作內(nèi)部實現(xiàn)的。當(dāng)機身轉(zhuǎn)動時，為了不影響機身的油缸內(nèi)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(jìn)電機。 總傳動比為： 其中， 對于底座傳動帶的設(shè)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(zhuǎn)速=從動軸轉(zhuǎn)速 3) 原動機 2.2kw 異步電動機 4）運轉(zhuǎn)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(shè)計功率 a) 由表6-61查的載荷的修正系數(shù) b) 計算設(shè)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(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 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 = 497.4mm 查表6-59，同步帶長GB11616-89，取 7 傳動中心距： （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(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(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，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(dāng)徑向載荷和軸向載荷聯(lián)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(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(nèi)，外圈不可分的向心軸承在座孔內(nèi)游動，也可以用內(nèi)，外圈可用的圓柱滾子軸承，其內(nèi)，外圈相對游動。 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，或因受力后使軸向彎曲而撓度較大時，會造成軸承的內(nèi)外圈軸線發(fā)生偏斜，這時應(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(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，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)軸器是機械傳動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。在機械中應(yīng)用聯(lián)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(shè)計、制造、運輸和維修。 聯(lián)軸器的類型很多，通常根據(jù)相對位移有無補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(lián)接的兩軸嚴(yán)格對中，在和平穩(wěn)的場合。 撓性聯(lián)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(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、改善傳動系統(tǒng)的工作性能。 此次設(shè)計，我們選用的是梅花形彈性聯(lián)軸器。它的特點是結(jié)構(gòu)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(lián)軸器。 2) 載荷計算： 公稱轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。 由《機械設(shè)計》表14-1得，轉(zhuǎn)矩變化比較小，原動機為電動機， 所以，Ka=1.3 根據(jù)《機械設(shè)計》公式14-1，計算轉(zhuǎn)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(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)式機械手 機身回轉(zhuǎn)： ，實際需要回轉(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(jié)構(gòu)，確定軸的支撐距離和作用力的位置，先初估軸徑。 軸徑估計公式為： 　　　　立軸　　?。茫?10 則 ； ； 因為此兩軸均有鍵槽，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(xué)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(yīng)力集中，比較危險，應(yīng)對此截面進(jìn)行校核計算。 根據(jù)第三強度理論進(jìn)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(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C處軸承進(jìn)行校核。 3、 滾動軸承的壽命校核 ① 當(dāng)量動載荷的計算 對于角接觸球軸承，當(dāng)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(zhuǎn)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(dāng)量動載荷 ，P=3216N.;——取3 3 鍵聯(lián)接的強度校核 1、 鍵的強度校核 （1）、選擇鍵聯(lián)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(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(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。鍵的型號為 ：鍵8×12GB1096—1979。 第六章 電器圖設(shè)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(zhǔn)確的定位，然后機械手才能夠去準(zhǔn)確的執(zhí)行。而這一軌跡，需要我們?nèi)y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(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，完成系統(tǒng)工作的電器圖。 6.1 微機測控系統(tǒng)的基本組成 微機測控系統(tǒng)包括微機測試系統(tǒng)與微機控制系統(tǒng)兩個部分，微機測試系統(tǒng)即以測試為目的，微機控制系統(tǒng)以控制為目的。 6.1.1 測控系統(tǒng)的硬件組成 測控系統(tǒng)的硬件可以分為主機、輸入輸出通道、常規(guī)外部設(shè)備、接口電路、運行操作臺、系統(tǒng)總線等。硬件組成如圖： 工 業(yè) 對 象 人機對話設(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 開關(guān)量輸入 圖 6.1 6.1.2 測控系統(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 模擬信號的檢測 檢測系統(tǒng)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(zhuǎn)化成電信號，在經(jīng)過中間變換電路將信號放大，轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)?，以便進(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 計算機 圖6.2 模擬信號檢測系統(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現(xiàn)非電量測量的一種裝置?？梢杂脕頊y量位移，振動，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： （1） 結(jié)構(gòu)簡單，可靠，測量力?。ㄣ曡F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(dá)到數(shù)百毫伏，因此有利于信號的傳輸和放大。 （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(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(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(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(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(guān)。 圖6-6 螺管型電感傳感器 設(shè)線圈長度為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(gòu)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(jié)構(gòu)要求兩個導(dǎo)磁體的幾何尺寸及材料完全相同，兩個線圈的電氣參數(shù)和幾何尺寸完全相同。 差動式結(jié)構(gòu)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(jìn)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(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。 前面已提到差動式結(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形式，則在工作時，Z1=Z+△Z和Z2=Z—△Z，當(dāng)ZL→∞時，電橋的輸出電壓為 （6-6） 當(dāng)ωL＞＞R’時，上式可近似為： (6.7) 圖6-8 交變電橋的幾種形式