自動調焦瞄準裝置結構設計

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1摘要本文是對自動調焦原理進行理解，理解掌握自動調焦的系統(tǒng)及原理。并針對CCD 自動成像進行可翻轉的 CCD 機械手。本機械手由手腕結構，手臂、旋轉結構和驅動機構組成。該設計能實現(xiàn)五個自由度，分別為三個回轉關節(jié)、兩個旋轉關節(jié)。三個回轉關節(jié)作上下仰俯運動，兩個旋轉關節(jié)作圓周旋轉運動。這樣目的能夠使得 CCD 鏡頭可以任意旋轉、翻轉到合適角度，對影像進行拍攝抓取。關鍵詞：自動調焦 機械手 自由度 執(zhí)行機構 CCD2ABSTRACTIn this paper, to understand the principle of auto-focus, understand and grasp the system and the principle of auto-focus. And can be flipped for CCD automatic imaging CCD robot.The robot wrist structure, arm, rotating structure and drive mechanism. This design enables the five degrees of freedom, respectively, three rotary joints, two rotary joints. Three rotary joint circular rotating movement up and down the pitch movement, two rotary joints.So that the purpose of the CCD lens can be rotated, flipped to the right angle shooting crawl image.Key words: auto-focus，Industrial robot ,degrees of freedom ,actuating mechanism. CCD3全套設計，請加 12401814目錄第一章緒論…………….…………………………….………………………………51.1 概述……………………………….………………………………………………51.2 自動調焦的原理……………………………….…………………………………51.3 自動調焦的方式及發(fā)展歷程………………………………….…………101.4 自動調焦應用及 CCD 的應用………………………………………………12第二章 可翻轉 CCD 機械手的設計及相關參數(shù)的分析…….……………….……142.1 課題設計要求……………………………….…………………………………152.2 課題設計方案……………………………….…………………………………152.2.1 機械手自由度坐標的確定……………………………….……………162.2.2 機械手的手部結構方案的確定……………………………….………162.2.3 機械手的手腕結構方案的確定……………………………….………1642.2.4 機械手的手臂結構方案確定……………………………….…………162.2.5 機械手的旋轉機構的確定……………………………….……………162.2.6 機械手的驅動方案的確定……………………………….……………162.2.7 機械手運動過程的確定……………………………….………………172.3 機械手的技術參數(shù)……….……………………….……………………………172.4 大臂的轉動范圍的確定…….………………………….………………………182.5 小臂的轉動范圍的確定…….………………………….………………………192.6 機械手的運功過程分析…………………….……….…………………………202.7 機械手運動過程中的受力分析……………….…………….…………………212.7.1 手腕部的受力分析……………………………….………………………212.7.2 小臂的受力分析……………………………….…………………………222.7.3 大臂的受力分析……………………………….…………………………22第三章 可翻轉 CCD 機械手零件的設計及校核………….………………………………243.1 大臂、小臂和立柱的結構設計……………………………….…………………243.2 往復油缸的選擇及技術參數(shù)……………………………….……………………253.3 擺動汽缸的選擇及技術參數(shù)……………………………….……………………263.4 CCD 鏡頭的選擇及技術參數(shù)……………………………….………………273.5 基座旋轉機構………………………………….…………………………………283.5.1 旋轉機構軸的設計及校核…………….………………….………………283.5.2 鍵的設計及危險截面校核………….…………………….………………303.5.3 軸承的選取及校核……………………………….………………………323.5.4 齒輪與齒條的設計及校核……………………………….………………333.6 轉臺的設計及螺栓的校核…………………………….………………………35第四章 基于 SOLIDWORKS 的可翻轉 CCD 機械手三維建?！?…………………384.1 主要零部件的三維建?！?…………………………………………………384.2 油缸和氣缸的建?！?……………………………………………………414.3 CCD 鏡頭的建?！?…………………………………………………………424.4 總裝配圖的建?！?…………………………………………………………42總結………….…………………….……………….……………….……………………43致謝…………………………………….…………………………………………….…44參考文獻…………………….……………………….…………………………………455第一章 緒論1.1 概述AF 在照相機中是英文 Auto Focus 的縮寫，自動調焦的意思。因此，AF 照相機即是自動調焦照相機的簡稱。 這種照相機的調焦是利用電子測距器自動進行的。當按下照相機快門按鈕時，根據被攝目標的距離，電子測距器可以把前后移動的鏡頭控制在相應的位置上，或者旋轉鏡頭至需要位置，使被攝目標成像最清晰。CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件?？梢苑Q為 CCD 圖像傳感器。CCD 是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數(shù)字信號。 CCD 上植入的微小光敏物質稱作像素（Pixel） 。一塊 CCD 上包含的像素數(shù)越多，其6提供的畫面分辨率也就越高。CCD 的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉換成數(shù)字信號。CCD 上有許多排列整齊的電容，能感應光線，并將影像轉變成數(shù)字信號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。1.2 自動調焦的原理自動調焦(AF)系指由照相機根據被攝體距離的遠近，自動地調節(jié)鏡頭的對焦距離。自從 1977 年第一架實用型自動調焦照相機誕生以來，許多照相機生產廠家均開展了對自動調焦系統(tǒng)的研究，從而產生了形形色色的自動調焦系統(tǒng)。根據所基于的原理，可以分成測距法和像檢測法(又稱調焦檢測法)兩大類，下列是自動調焦系統(tǒng)的分類：┌│─反射時間測量法(主動型)┌│─VAF┌ ─測距法── ┤ ┌ ─被動型──── ┼ ─STT│ └ ─三角測量法── ┤ └ ─FCMAF 系統(tǒng)─ ┤ └ ─紅外主動型││┌│─對比度檢測法(反差檢測法)└ ─像檢測法─ ┤ ┌ ─TCL 系統(tǒng)└ ─相位檢測法── ┤└ ─透鏡分離器系統(tǒng)最早出現(xiàn)的實用型 AF 系統(tǒng)是美國亨尼威爾(Honeywell)公司于 1975 年研制、1977 年在 Konica C35AF 上出現(xiàn)的 VAF 系統(tǒng)；1979 年出現(xiàn)了采用紅外線主動型 AF 系統(tǒng)的 Canon AF35M；1981 年出現(xiàn)了采用 SST(固態(tài)三角測量)的 Canon AF35ML 和日本精工研制的 FCM 系統(tǒng)。上述均屬三角測量系統(tǒng)，雖然名稱不同，但工作原理是類似的。1978 年出現(xiàn)了采用超聲波 AF 系統(tǒng)的寶麗萊(Polaroid)SX-70 SONAR AF，這是一種基于反射時間測量法的系統(tǒng)，也屬主動型，利用超聲波回波時間來測量距離。像檢測法屬于被動型，主要有兩種形式：對比度檢測系統(tǒng)和相位檢測系統(tǒng)。對比度檢測 AF 系統(tǒng)最早出現(xiàn)在 1981 年推出的 Pentax ME-F 單反機上，這是利用當影像最清晰時，成像的反差最大的原理而制成的，與手動調焦的磨砂屏焦點檢測法的原理相似。最早采用相位檢測法的 AF 系統(tǒng)是美國 Honeywell 公司于 1981 年研制的 TCL 系統(tǒng)，首次出現(xiàn)在 1982 年推出的 Olympus OM-30 單反機上。7測距法主要應用于旁軸平視取景的袖珍相機上，而像檢測法則用于單鏡頭反光照相機上。由于紅外線主動型 AF 系統(tǒng)具有結構簡單、成本低廉等特點，在現(xiàn)代袖珍相機中占有很大的比重；而且現(xiàn)在的 AF 單反機大多采用相位檢測 AF 系統(tǒng)，因此這里僅介紹紅外線主動型和相位檢測型 AF 系統(tǒng)。SST 系統(tǒng)還見于少部分 AF 變焦袖珍相機(如 Sigma AF Zoom Super 28、70、100 等)， 但工作原理與 VAF 類似；超聲波主動型 AF 系統(tǒng)只出現(xiàn)在美國寶麗萊公司生產的拍立得(又稱瞬時得或立時得)相機上，故這里不予介紹。自從自動調焦相機(特別是 AF 單反機)出現(xiàn)以來，引出了許多嶄新的概念和功能，熟悉和理解這些概念和功能會有助于我們能更好地操縱新型相機，使拍攝工作更富有實效，也使我們能從形形色色的名詞和功能中分辨出哪些是實用的和哪些是花架子，可以避免陷入相機廣告中閃爍其詞的語句和對攝影器材追求的泥潭中，因而也有利于選購合適的相機。 本章中所介紹的主動型 AF 系統(tǒng)是原理性的，在實際的照相機中，照相機生產廠家對這類 AF 系統(tǒng)的不足亦是進行了大量的改造工作，如采用了多束紅外線測距等，而且 AF 級數(shù)也越來越多，有些主動型 AF 系統(tǒng)已經是無級聚焦了，即聚焦級數(shù)為無窮多，其性能也越來越接近被動型 AF 系統(tǒng)。相位檢測型被動式 AF 系統(tǒng)已經為 AF 單反機所普遍采用，雖然聚焦精度較高，但由于其固有的特性，在低亮度場合是不靈敏甚至不能正常工作的。加上 AF 照明器，就基本上解決了這類系統(tǒng)的不足。在 AF 單反機的發(fā)展歷程中，自動聚焦技術的飛速發(fā)展自不待言，從原來的單純模仿手動聚焦的單一方式發(fā)展到寬區(qū)自動聚焦、焦點預測自動聚焦、自動確定被攝主體位置和自動變焦構圖等，大多數(shù)自動聚焦相機都具有可以單手操作、眼睛不離取景窗就能修改參數(shù)等優(yōu)點，這一切都是手動聚焦照相機所不能做到的。簡言之，只要改變了原來使用手動聚焦相機的習慣和克服對新機種的心理障礙，就會覺得自動聚焦相機是要比手動聚焦相機好用得多。從固定焦點到自動調焦從照相機的發(fā)展歷史來看，在焦點調節(jié)方面，經歷了焦點不變——焦點可調——固定焦點——自動調焦等階段。我們先說明為什么固定焦點照相機能得以流行的道理；然后再說明調焦的必要性，從而過渡到自動調焦。我們先來看一組數(shù)據。假設照相機鏡頭焦距為 35mm(相當于小廣角鏡頭)，其調焦距離 L (指被攝主體平面至鏡頭理想成像平面——即膠卷平面——之間的距離)固定于 2.5m 處，容許彌散圓直徑為 0.033mm，那么鏡頭光圈系數(shù) f 與膠卷平面至清晰8范圍最近點 L1 及最遠點 L2 的關系為：(L1 和 L2 的單位為 m，本節(jié)所提及的有關概念的準確定義及公式請參見【景深概念與計算】)。表 1f 2 2.8 4 5.6 8 11 16 22L1 2.20 2.10 1.97 1.82 1.62 1.44 1.20 1.01L2 2.89 3.08 3.42 4.10 5.42 9.65 ∞ ∞如果容許彌散圓直徑取 0.05mm，則表 2f 2 2.8 4 5.6 8 11 16 22L1 2.08 1.94 1.78 1.59 1.38 1.18 0.95 0.77L2 3.14 3.50 4.22 5.83 13.6 ∞ ∞ ∞由這些數(shù)據可看出，當光圈系數(shù)為 f/4 時，要求嚴格些可以保證從1.97m～3.42m 是清晰的；要求不那么嚴格的話，則可以認為從 1.78m～4.22m 是清晰的。如果光圈系數(shù)取 f/11，容許彌散圓直徑取 0.05mm 的話，那么從 1.18m 至無限遠都是清晰的。所以多數(shù)廉價的固定焦點“傻瓜相機“都是采用小廣角鏡頭(焦距在 35mm 左右)和小光圈(最大光圈為 f/4 或 f/5.6)，至少可以保證從 1.6m 左右至 5.5m 左右是清晰的，也就是說這類相機是依靠廣角鏡頭和小光圈所具有的大景深特性來保證清晰度，對于一些只拍家庭紀念照而又不懂相機調節(jié)的人來說是足夠的了，這就是這類相機大行其道的理由所在。但是由于光學透視原理，廣角鏡頭在近距離拍攝時會產生“近大遠小“的變形現(xiàn)象，并不適合拍攝人物半身像。 解決變形的辦法是使用中焦距鏡頭。但中焦距鏡頭在同樣的光圈之下，其景深要比廣角鏡頭小得多，如焦距為 85mm 的鏡頭，當調焦距離為 2m 和鏡頭光圈系數(shù)為 f/4 時，L1 為 1.93m，L2 為 2.08m；當調焦距離不變而光圈系數(shù)為 f/11 時，L1 為 1.82m 和 L2 為 2.22m。顯然此時只適合拍攝主體在 1.82m至 2.22m 范圍之內的情形，當被攝主體超出這一范圍，其成像結果是不能令人滿意的。另外，仍以焦距為 35mm 左右的鏡頭來說，如果調焦距離固定不變，所拍攝出的照片在照片不是放得很大時，其清晰度是可以接受的；若照片要放得較大，如 12 英寸，原來在小照片上清晰的物體就顯得模糊了。9綜上所述，具有小廣角鏡頭的固定焦點照相機的應用范圍是極有限的。為了擴大鏡頭焦距和提高清晰度，勢必要使焦點能調節(jié)。因此在簡易照相機上就出現(xiàn)了區(qū)域調焦系統(tǒng)，如現(xiàn)在國內市場常見的 Ricoh XF-30 袖珍相機就有區(qū)域調焦功能。區(qū)域調焦系統(tǒng)是根據被攝主體所處的距離不同，選擇相應的調焦距離點，并利用景深使在該點前后一段距離內的物體都是清晰的.我們再來看一組數(shù)據。仍假設照相機鏡頭焦距為 35mm，光圈系數(shù)為 f/4，容許彌散圓直徑為 0.033mm，那么調焦距離 L(單位為 m)與 L1 及 L2 的關系為：L 1.00 1.25 1.50 2.00 3.50 9.00L1 0.92 1.10 1.29 1.65 2.54 4.57L2 1.12 1.44 1.79 2.55 5.62 30.0只要能分 6 級調節(jié)照相機鏡頭的調焦距離， 就可以保證能在 0.92m 至無限遠處(30m 可以認為是無限遠)都能拍攝出清晰的照片。例如當被攝主體在 0.92～1.10m處，可以將調焦距離置于 1m 處；當被攝主體在 1.65～2.5m 處，可以將調焦距離置于 2m 處等。這就是區(qū)域調焦系統(tǒng)的理論根據。當鏡頭焦距增長時，由于景深淺的緣故，若要保證從 1m 至無限遠都是清晰的，所分級數(shù)還應該相應增加。從上面的敘述可看出，如果調焦級數(shù) (即鏡頭焦點可調節(jié)的位置數(shù)量)越多，調焦精度就越高。當調焦級數(shù)達到無窮多級時(即鏡頭的調焦距離是可以無級地調節(jié))，調焦精度為最高。單反機的鏡頭是可以從某一最近距離至無限遠任意調節(jié)，因此這類鏡頭的調焦精度是最高的。細心的讀者也許會從表 3 中看出，0.92m 至 2.55m 之間有 4 個調焦級，而從2.54m 至 30m 只有兩個調焦級。這仍然與景深特性有關。調焦距離越近，景深就越淺，所以需要調節(jié)的位置相應就要增多；而調焦距離越遠，景深就越大，需要調節(jié)的位置就相應要少些。具有區(qū)域調焦系統(tǒng)照相機是能夠提高清晰度，但對于大多數(shù)人來說，具有使用不方便的一面，因此自動調焦系統(tǒng)就應運而生了。機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。其關系如圖所示： (1)10（一）執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。（1）手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易構件，故應用較廣泛平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母多，式彈簧式和重力式等。附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如吸盤內形成負壓或產生電吸磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產生。用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式。（2）手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)。（3）手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置，以保證手指按正11確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和 V 形槽、燕尾槽等導向型式。（4）立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。（5）機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。（二）驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四中形式，（三）控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位系統(tǒng)組成。（四）位置檢測裝置是控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。1.3 自動調焦的方式及發(fā)展歷程自動調焦有幾種不同的方式，目前應用最多的是主動式紅外系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的工作程序，是從照相機發(fā)光元件發(fā)射出一束紅外線光，照射到被攝物主體后反射回照相機，感應器接收到回波。照相機根據發(fā)光光束與反射光束所形成的角度來測知拍攝距離，實現(xiàn)自動對焦。 采用這種方式的 AF 照相機，因為是由自身發(fā)出照射光，所以其對焦精度與被攝物的亮度和反差無關，即使是室內等較暗的環(huán)境下，也可以順利地拍攝。但是，由于這種方式是以被攝物反射的紅外光為檢測對象，所以對反射率較低的被攝物，以及與此相反，表面有反射的被攝物，或面積太小的被攝物，有時不能發(fā)揮其功能。 AF 照相機取景器中心都有一個自動對焦框，拍攝時需將其對準被攝主體，否則對焦不準，影像模糊。如果主體不宜放在畫面的正中，可采用對焦記憶鎖（AF-L 按鈕）進行自動對焦拍攝。 AF 技術最早被應用于小型照相機，目前 135 單鏡頭反光照相機均已開始向 AF 化方向發(fā)展。世界各主要照相機廠家逐漸放棄傳統(tǒng)的手動對焦照相機，發(fā)展高度電子化的 AF 照相機。12AF 技術發(fā)展分為以下幾個階段： ①從 85 年后各大相機生產廠家開始推出自動聚焦相機，它的原理是建立在“影像在完全正確對焦下，畫面會獲得至高的反差” ，相機靠紅外線感應器檢測景物的垂直線，再由機身里的相位差檢測系統(tǒng)來驅動鏡頭移動，實現(xiàn)焦距的自動調整。對于一些低反差無直線的單色調物體比如墻壁等，自動調焦系統(tǒng)就會失靈。第一代 AF 相機的代表有：美能達-7000 型、尼康-F501、佳能 EOS-600 系列等。在當時的一些 AF傻瓜相機上靠機內電源發(fā)射紅外光，通過接受返回的信號來測量距離，這種稱為主動式自動聚焦的方法，盡管畫面沒有橫直線也不影響測距，但因有效距離太小，無法滿足專業(yè)相機從長焦到微距的使用，也不能滿足在創(chuàng)作中控制景深的需要，因而沒被采用到單反相機上。 ②到 1988 年后，以美能達-7000i、尼康-F4 及 F-801、佳能 EOS-1 為代表，運用了多組電荷耦件使自動調焦范圍大了 12 倍并可預測運動物體的速度，使快門打開的瞬間計算出主體移動后的焦點位置，從而為動態(tài)（體育）攝影開創(chuàng)了新天地。 ③智能型自動調焦相機是將人的思維與相機操作完美結合起來，如美能達－7xi、在測距元件上加進 16 位 CPU 微電腦處理器，在測距的自動化方面增添了符合個性需要的各種模式，然而對自動聚焦研究的腳步并沒就此停止……，直至 EOS-3 的推出，可以實現(xiàn)自動對焦的區(qū)域越來越廣，照片拍攝速度也大大提高了。1.4 自動調焦應用及 CCD 應用現(xiàn)今自動調焦應用最多的應用于 CCD 自動成像技術。四十年來，CCD 器件及其應用技術的研究取得了驚人的進展，特別是在圖像傳感和非接觸測量領域的發(fā)展更為迅速。隨著 CCD 技術和理論的不斷發(fā)展，CCD 技術應用的廣度與深度必將越來越大。CCD 是使用一種高感光度的半導體材料集成，它能夠13根據照射在其面上的光線產生相應的電荷信號，在通過模數(shù)轉換器芯片轉換成“0”或“1”的數(shù)字信號，這種數(shù)字信號經過壓縮和程序排列后，可由閃速存儲器或硬盤卡保存即收光信號轉換成計算機能識別的電子圖像信號，可對被測物體進行準確的測量、分析。 含格狀排列像素的 CCD 應用于數(shù)碼相機、光學掃瞄儀與攝影機的感光元件。其光效率可達 70%（能捕捉到 70%的入射光） ，優(yōu)于傳統(tǒng)菲林（底片）的 2%，因此 CCD迅速獲得天文學家的大量采用。 傳真機所用的線性 CCD 影像經透鏡成像于電容陣列表面后，依其亮度的強弱在每個電容單位上形成強弱不等的電荷。傳真機或掃瞄儀用的線性 CCD 每次捕捉一細長條的光影，而數(shù)碼相機或攝影機所用的平面式 CCD 則一次捕捉一整張影像，或從中擷取一塊方形的區(qū)域。一旦完成曝光的動作，控制電路會使電容單元上的電荷傳到相鄰的下一個單元，到達邊緣最后一個單元時，電荷訊號傳入放大器，轉變成電位。如此周而復始，直到整個影像都轉成電位，取樣并數(shù)位化之后存入內存。儲存的影像可以傳送到打印機、儲存設備或顯示器。 在數(shù)碼相機領域，CCD 的應用更是異彩紛呈。一般的彩色數(shù)碼相機是將拜爾濾鏡（Bayer filter）加裝在 CCD 上。每四個像素形成一個單元，一個負責過濾紅色、一個過濾藍色，兩個過濾綠色（因為人眼對綠色比較敏感） 。結果每個像素都接收到感光訊號，但色彩分辨率不如感光分辨率。 用三片 CCD 和分光棱鏡組成的 3CCD 系統(tǒng)能將顏色分得更好，分光棱鏡能把入射光分析成紅、藍、綠三種色光，由三片 CCD 各自負責其中一種色光的呈像。所有的專業(yè)級數(shù)位攝影機，和一部份的半專業(yè)級數(shù)位攝影機采用 3CCD 技術。目前，超高分辨率的 CCD 芯片仍相當昂貴，配備 3CCD 的高解析靜態(tài)照相機，其價位往往超出許多專業(yè)攝攝影者的預算。因此有些高檔相機使用旋轉式色彩濾鏡，兼顧高分辨率與忠實的色彩呈現(xiàn)。這類多次成像的照相機只能用于拍攝靜態(tài)物品。 經冷凍的 CCD 同時在 1990 年代初亦廣泛應用于天文攝影與各種夜視裝置，而各大型天文臺亦不斷研發(fā)高像數(shù) CCD 以拍攝極高解像之天體照片。 CCD 在天文學方面有一種奇妙的應用方式，能使固定式的望遠鏡發(fā)揮有如帶追蹤望遠鏡的功能。方法是讓 CCD 上電荷讀取和移動的方向與天體運行方向一致，速度也同步，以 CCD 導星不僅能使望遠鏡有效糾正追蹤誤差，還能使望遠鏡記錄到比14原來更大的視場。 一般的 CCD 大多能感應紅外線，所以衍生出紅外線影像、夜視裝置、零照度（或趨近零照度）攝影機/照相機等。為了減低紅外線干擾，天文用 CCD 常以液態(tài)氮或半導體冷卻，因室溫下的物體會有紅外線的黑體輻射效應。CCD 對紅外線的敏感度造成另一種效應，各種配備 CCD 的數(shù)碼相機或錄影機若沒加裝紅外線濾鏡，很容易拍到遙控器發(fā)出的紅外線。降低溫度可減少電容陣列上的暗電流，增進 CCD 在低照度的敏感度，甚至對紫外線和可見光的敏感度也隨之提升（信噪比提高） 。 溫度噪聲、暗電流（dark current）和宇宙輻射都會影響 CCD 表面的像素。天文學家利用快門的開闔，讓 CCD 多次曝光，取其平均值以緩解干擾效應。為去除背景噪聲，要先在快門關閉時取影像訊號的平均值，即為“暗框“(dark frame） 。然后打開快門，取得影像后減去暗框的值，再濾除系統(tǒng)噪聲（暗點和亮點等等） ，得到更清晰的細節(jié)。 天文攝影所用的冷卻 CCD 照相機必須以接環(huán)固定在成像位置，防止外來光線或震動影響；同時亦因為大多數(shù)影像平臺生來笨重，要拍攝星系、星云等暗弱天體的影像，天文學家利用“自動導星“技術。大多數(shù)的自動導星系統(tǒng)使用額外的不同軸CCD 監(jiān)測任何影像的偏移，然而也有一些系統(tǒng)將主鏡接駁在拍攝用之 CCD 相機上。以光學裝置把主鏡內部份星光加進相機內另一顆 CCD 導星裝置，能迅速偵測追蹤天體時的微小誤差，并自動調整驅動馬達以矯正誤差而不需另外裝置導星。第二章 可調焦距的 CCD 機械手設計方案課題研究的系統(tǒng)要求可以對可調的焦距 CCD 鏡頭機構設計，本方案采用自動調焦機構設計，類似 CCD 可調鏡頭的機械手。152.1 試驗系統(tǒng)的組成及控制原理整個系統(tǒng)包括試驗臺，被測 CCD 變速箱總成，調速電機，驅動系統(tǒng)，機械手，傳感器，電控柜，微機等部件。其中電控部分采用微機測控系統(tǒng)，系統(tǒng)整體框圖如圖 2-1。圖 2-1 系統(tǒng)結構框圖2.1.1 機械系統(tǒng)的工作原理該系統(tǒng)分為手動操作和自動操作兩種工作方式。在進行 CCD 性能試驗，測量試驗中的各項參數(shù)時，一般采用手動方式操作試驗臺。在進行 CCD 可靠性試驗時，設定要執(zhí)行的工況和工況數(shù)后，一般采用自動方式操作試驗臺。自動方式利用具有位置控制功能的機械手來模擬人手的換擋過程。機械手功能的實現(xiàn)利用一個滑動副及一個萬向節(jié)聯(lián)合實現(xiàn)，滑動副由在一套筒內嵌入的直線軸承和滑桿構成。如圖 2-2機械手基本構成所示。圖 2-2 機械手基本構成162.1.2 機械手空間運動模型的簡化被測的變速箱含有六個前進擋和一個倒擋，結構如圖 2-3 所示。圖 2-3 變速箱擋位圖通過空間模型，將操作桿的實際位移同傳感器測量的位移建立聯(lián)系。圖 2-4 操作桿的空間模型17圖 2-5 機械手的基本運動2.1.3 驅動系統(tǒng)的工作原理：同氣動系統(tǒng)比較，采用電動系統(tǒng)具有機構簡單，機械強度高，傳動平穩(wěn)，易實現(xiàn)無級調速，驅動力大等特點。因此，本設計最終采用了電動方式的驅動系統(tǒng)。以保證系統(tǒng)正常運行。由于本設計要求的精度高，兩個電機通過機械滑臺結構十字交叉的連接在一起，裝置中的伺服系統(tǒng)提供反饋，用來控制操作桿的選擋運動和換擋運動。同時在滾珠絲杠上固定的位移傳感器在電機運動時實時的采集位移信號，傳送到計算機系統(tǒng)中。該系統(tǒng)采用位置閉環(huán)控制，由微機給定電壓值，經 D/A 變換、18伺服放大后，控制電機運動，同時不斷的與位移傳感器測到的電壓值相比較，若不相等則有電壓輸出，該電壓經調制、放大解調后驅動電動機。但是機械手是一個非線性的控制對象，單純的伺服反饋控制難以滿足模擬人手換擋時的動態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)精度的要求。因此在計算機檢測系統(tǒng)中也加入了直接數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的 PID 控制算法，從而很好的達到了模擬人手換擋的功能。2.1.4 計算機檢測系統(tǒng)的組成一個完整的計算機檢測系統(tǒng)，需要在微機、被控制對象和操作者之間適時、不斷地交換數(shù)據信息和控制信息。在總體設計時，要綜合考慮硬件和軟件措施，解決三者之間可靠的、適時的進行信息交換的通路和分時控制的時序安排問題，保證系統(tǒng)能正常地運行。設計中主要考慮以下幾大方面。（1）選擇微型計算機因為該系統(tǒng)試驗內容繁多、要求的精度大、穩(wěn)定性高及在試驗車間環(huán)境惡劣的情況下工作。普通的微機難以達到要求。而同普通的微機比較，工業(yè)控制機具有豐富的過程輸入/輸出功能；完善的外部設備；足夠的存儲容量；配有實時操作系統(tǒng)和過程中斷系統(tǒng)；很高的可靠性；極高的電磁兼容性及抗干擾能力，有很強的環(huán)境適應性。所以該項目選擇了工業(yè)控制機作為控制系統(tǒng)的主機。（2）板卡選用在工控機控制的基礎上，采用祥云計算機技術公司的 PC-1232-K 系列高性能價格比 12 位 32 通道 110KHz AD/DA 轉換板作為 AD/DA 板卡。該板卡主要由 125KHz A/D 轉換、多路器、數(shù)字 I/O、定時/計數(shù)器、I/O 口譯碼電路、DMA 及中斷控制邏輯等幾個部分組成。ADC 使用芯片為自帶采樣保持器的 A/D 轉換器，轉換時間為7.8 μs，該芯片由單一 5V 供電，功耗很低。由于該板卡采用特有的復式 A/D 并行操作方式與特殊電路處理，從根本上保證了 110 KHz 的實際數(shù)據采集速度和±1LSB 的變換誤差。選用了 12 位的 A/D 轉換器，構成 32 路單端 A/D 輸入通道，位移、力等不同傳感器采集到的信號經過變送器的處理后通過 A/D 輸入通道傳送給工控機。12位的 D/A 轉換器構成兩路 D/A 通道，工控機設定的數(shù)字量經 A/D、D/A 轉換板卡轉換成電壓量通過伺服放大器處理后，分別控制選擋電動機和換擋電動機的運動。板卡中采用 8253 定時計數(shù)器實現(xiàn)對光電編碼器和轉速傳感器輸出脈沖信號的測量。選用 8253 定時計數(shù)器六種工作方式中的方式 2。在這種方式，當 CPU 輸出控制字后，輸出將為高。在寫入數(shù)值后，計數(shù)器將自動對輸入時鐘 CLK 計數(shù)。在計數(shù)過程中輸出始終保持為高，直到計數(shù)器減為 1 時，輸出變低。經一個 CLK 周期，輸出恢復為高，且計數(shù)器開始重新計數(shù)。方式 2 的一個特點是能夠連續(xù)工作。如果計19數(shù)值為 N，則每輸入 N 個 CLK 脈沖，OUT 輸出一個負脈沖。因此，這種方式頗似一個頻率發(fā)生器或分頻器。在計數(shù)過程中裝入新值，將不影響現(xiàn)行計數(shù)過程。但是，從下一個周期開始按新計數(shù)值計數(shù)。GATE 為低電平，將禁止計數(shù)，并使輸出為高。GATE 變高，計數(shù)器將重新裝入預置的計數(shù)值，并開始計數(shù)。這樣，GATE 能用硬件對計數(shù)器進行同步。方式 2 一旦被啟動之后，只要 GATE 保持為高，計數(shù)過程就能周而復始地重復下去，因此 OUT 端可以產生連續(xù)的波形。在重復計數(shù)后，不會因啟動造成實際計數(shù)值和初值之間的誤差。此處刪減 NNNNNNNN 字需全套設計請聯(lián)系 12401814滾動支承摩擦阻力矩小，耐磨性好，支承能力較大，溫度劇烈變化時影響小，以及能在震動條件下工作，故可在高速度重載荷情況下使用，但是成本較高。當標準滾珠軸承不能滿足結構上的使用要求時。常采用非標準滾珠軸承[即添入式滾動支承]，這種支承一般沒有內圈和外圈，僅在相對運動的零件上加工出滾道面，用標準滾珠散裝在滾道內。本機構扭矩傳感器中應用了這一機構，其特點是能承受較大載荷，在承受載荷和摩擦力矩方面也有較好的效果，滿足本機構的設計要求。4.4 滾動導軌滾動導軌作為作為滾動摩擦副的一類具有許多優(yōu)點：1 摩擦系數(shù)小[0.003-0.005]；運動靈活 2 動靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動阻力?。欢灰桩a生爬行 3 可以預緊，剛度高；4 壽命長；5 潤滑方便，可以采用脂潤滑，一次裝填長期使用；6 精度高；7 由專業(yè)廠生產可以外購選用。因此滾動導軌副廣泛地被應用于精密機床，數(shù)控機床，測量機和測量儀器等。滾動導軌的缺點是：導軌面與滾動體是點接觸或線接觸，所以抗震性差，接觸應力；對導軌的表面硬度，表面形狀精度和滾動體的尺寸精度要求較高，若滾動體的直徑不一致，導軌表面有高低，回使運動部件傾斜，產生振動影響運動精度；結構復雜，制造困難，成本較高；對贓物比較敏感，必須有良好的防護裝置。對滾動導軌副的基本要求是：1 導向精度 導向精度是導軌副最基本的性能指標。移動件在沿導軌運動時，不論有無載荷，都應保證移動導軌的直線性及其位置的精確性。這是保證機床運行工作質量的關鍵。各種機床對導軌副本身平面度，垂直度及等高，等距的要求都有20規(guī)定或標準。2 耐磨性 導軌副應注意在預定的使用期內，保持其導向精度。精密滾動導軌副的主要形式是磨損。因此耐磨性是衡量滾動導軌副性能的主要指標之一。3 剛度 為了保證足夠的剛度，應選用最合適的導軌類型，尺寸及其組合。選用可調間隙和預緊的導軌副可以提高剛度。4 工藝性 導軌副要便于裝配，調整，測量，防塵，潤滑和維修保養(yǎng)。第五章 可調焦距 CCD 機械手的設計計算5.1 滾珠絲杠設計由已知條件知，工作載荷 Fm＝3500×0.1 ＝350N, 取 μ＝0.1 設絲杠平均轉速n＝100r /min.每天開機 6h 每年 300 個工作日，要求工作 8 年，滾道硬度 58-62HRC。絲杠傳動精度 ±0.04，Z 向滾珠絲桿1.載荷 Fc(N)的計算Fc＝K FKHKAFmKF KH KA 查自《機電一體化設計基礎》表 2-6，2-7，2-8①K F＝ 1.5, KH＝1.0,K A＝1.0 = FC＝1.5×1.0×1.0×350N＝525N使用壽命 L’h＝6×300×8 ＝14400h.21=C’a＝Fc [nmL’h/1.67*104 ] 1/3＝2319N 假設選用 FC1 型號，按滾珠絲杠副的額定動載荷 Ca 等于或大于 C’a 的原則，查表 2-9 選以下型號規(guī)格。FC1-2004-2.5,Ca＝5393N=公稱直徑 D0＝20mm 導稱 P＝4螺旋角 λ＝3 038ˊ滾珠直徑 d0＝2.381mm 由尺寸公式計算滾道半徑 R＝0.52d 0＝0.52×2.381＝1.238mm偏心距 e＝0.07×(1.238-2.318/2) ＝3.4×10 -2mm絲杠內徑 d1＝D0+2e-2R ＝ (20+2×3.4×10-2-2×1.238) ＝17.59mm由《機電一體化設計基礎》表 2-1 知 R＝0.52d 0e＝0.07(R-d 0/2) d1＝D 0+2e-2R 2.穩(wěn)定性驗算由于一端固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù) S，其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(shù) [S] 最大載荷 Fcr＝π 2EⅠa/(μL) 2E＝206GPa由工作臺行程△Z＝320mm 取 L＝340mm＝0.34mⅠa＝πd 14/64＝3.14(0.01759)4/64＝0.04*10 -7m4=Fcr＝(3.14) 2×206×109×0.04×10-7/(2/3×0.34)2＝1.58×10 5N 查表 2-10 取 μ=2/3安全系數(shù) S＝ Fcr/Fm＝1.58×10 5N/3.5×102＝451由表 2-10 差得[S] ＝2.5~3.3 S[S] 所以絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。3.共振驗算要絲杠的最大轉速 nmax T＝350×20／2×10 3tan(3°38”+8/40//)＝0.24N·mΔL0＝4pF/πE d 12+16p2T/π2Gd14＝4×4×350×10 -3/[3.14×206×109×(0.01759)2]+16×（4×10 -3） 2×0.24/[(3.14)2×83.3×109×(0.01759)4]≈＝2×10 -3μm導程誤差ΔL＝LΔL 0/p＝ 0.34×2×10-3/4×10-3μm＝0.17μm要求絲杠的導程誤差 ΔL 應小于其傳動精度的 1/2所以 1/2δ＝1/2×0.04＝0.02＝20μm所以 ΔL＝0.17 選 ρ＝250mm最大載荷 Fcr＝π 2EⅠa/(μL) 2＝(3.14) 2×206×109×0.04×10-7/(2/3×0.25)2S＝Fcr/Fm＝844[S] = 絲杠是安全的，不會失穩(wěn)由 Z 面知 因為 ΔYnmax所以工作不會發(fā)生共振。Don ΔL Z 向導軌 Ts＝2Th·L sn/103＝2×14400×0.34×4×60/10 3＝2350km Y 向導軌 Ts＝2Th·L sn/103＝2×14400×0.25×4×60/10 3＝1728km因滑座數(shù) M=4 所以每導軌上使用 2 個滑座fC＝0.81 fH＝1 fT＝1 fW＝2= Ts＝K(f H fT fC /fW · Ca/F)3 =Ca＝ F(Ts/K)1/3fw/(fH fT fC) 其中 F＝ F∑/M＝2800/4 ＝700N=Z 向 Ca＝700(2350/50) 1/3×2/(0.81×1×1) ＝5333N若選漢江機床廠的 HJG-D 系列滾動導軌，選用 HJG-D25 型號能滿足要求,同理 Y 向取 HJG-D25 型號。5.3 步進電機選擇設傳動比為 2 ， 取 p＝4mm 系統(tǒng)脈沖當量 δp ＝0,005 查表知為一級傳動 選 Z1＝20 Z2＝40 m＝2mm 齒寬 b＝20mm電動機的軸上總當量負載轉動慣量計算,絲杠等有效直徑 φ43mm由 i＝αp/360δ p 得 α＝360δ p i/p =360×0.005×2/4＝0.9°Js＝π×7.8×10 3×(0.020)4×0.42/32＝5.14×10 5kg.m2JZ1＝π×7.8×10 3×(0.020)4×0.02/32＝0.24×10 -5kg.m2JZ2＝π×7.8×10 3×(0.040)4×0.02/32＝3.9×10 -5kg.m2將各傳動件轉動慣量及工作臺質量折算導電動機軸上,得總當量負載轉動慣量Jd＝J Z1 +( JZ2 +Js)1/i2+(p/2πi)2m＝0.24×10 -5+(3.9×10-5+5.14×10-5)1/2+(0.004/2πi)2×350＝ 10.21×10-5kg.m2Jm 在 1/4≤Jd/Jm≤1 取 Jm 為 4×10-4kg.m2步進電動機軸上的總慣量 J＝Jm+Jd＝5*10 -5kg.m224空載啟動時,電動機軸上的慣性轉矩 TJ＝J2πi/p·ω max/Δt最大進給為 1m/min=TJ＝5×10 -5×2×3.14×2/0.004×(1/0.025) ＝6.3N.M電動機軸上當量摩擦轉矩Tμ＝p/(2πi)Fμ＝0.004/(2π×0.8×0.2) ×350×9.8×0.1 ＝0.14N.M總效率取 η＝0.8設滾珠絲杠螺母副的預緊力為最大軸向載荷的 1/3則因預緊力而引起的折算導電動機軸的附加摩擦轉矩為T0＝P/(2πηi)F 0(1-η02) ＝ P/(2πηi) Fwmax/3 (1-η02) ＝0.004/(2π×0.8×2) ×2319/3(1-0.9 2) ＝0.058N.M工作臺上的最大軸向載荷折算導電動機軸上的負載轉矩為Tw＝P/(2πηi) F wmax＝0.004/(2π×0.8×2) ×2319＝0.91N.M空載啟動時電動機軸上的總負載轉矩 Tq＝T J+Tμ+T0＝6.3+0.14+0.058＝6.498N.M在最大外負載下工作時,電動機軸上的總負載轉矩為Ts1＝ Tw+Tμ+T0＝0.91+0.14+0.053＝1.108N.M空載啟動時所需電動機最大轉矩 Ts1＝T q/0.866＝6.498/0.866 ＝7.50N.M最大外載荷下工作時所需要電動機最大靜轉矩Ts2＝T 1/(0.3~0.5) ＝1.108/(0.3~0.5)≈2.2~3.7N.M由于 Ts＝10N.MT s1＝7.5N.M所以步進電機最大靜轉矩滿足要求查得杭州日開電動機廠出品 110BYG250 型步進電機滿足要求，該電機可保證電動機正常啟動。25總結歷時三個月，在導師的辛勤指導和同學的熱心幫助下，本次畢業(yè)設計終于完成了。此次任務主要是設計可翻轉的 CCD 機械手。通過本次畢業(yè)設計，對大學所學的知識有了深刻的認識了解，對于自己如何去思考問題有了清晰的認識，是對本專業(yè)知識更具體的更強化的掌握。此次畢業(yè)設計給出機構所需零件，完成裝配過程是通過SOLIDWORKS 完成的。經過本次畢業(yè)設計完成了對 SOLIDWORKS 軟件的學習和應用。 本次畢業(yè)設計雖然只是簡單的機械結構設計，但在我自身知識的運用方面是一個質的提高，是以后參加工作或學習的一個很好過渡。在整個過程中，我學到了新知識。增長了見識。在今后的日子里，我仍然要不斷的充實自己，爭取在所學領域有所作為。腳踏實地，認真嚴謹，實事求是的學習態(tài)度，不怕困難、堅持不懈、吃苦耐勞的精神是我在這次設計中最大的收益，我想這是一次意志的磨練，是對我實際能力的一次提升，也會對我未來的學習和工作有很大幫助26致謝此次畢業(yè)設計是在 XXX 老師悉心指導下完成的。XXX 老師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，精益求精的工作作風，誨人不倦的高尚師德，嚴以律己、寬以待人的崇高風范樸實無華、平易近人的人格魅力，對我影響深遠。本論文從選題到完成，每一步都是在導師的精心指導下完成的，傾注了導師大量的心血。在此，謹向導師表示衷心的感謝。本論文完成過程中，有太多的同學、朋友的幫助和關心，在此向他們致以真摯的謝意。同時還要感謝曾經教導過我的老師，感謝身邊的同學、老師們的言傳身教。和同學的友誼時是我人生的寶貴的財富，感謝他們陪我走過人生中重要的四年。臨畢業(yè)之際，祝他們工作順利，事業(yè)有成。27參考文獻[1] 孫恒、陳作模主編，高等教育出版社，2006 年出版[2] 濮良貴、紀名剛主編,高等教育出版社，2006 年出版[3]大連理工大學主編,高等教育出版社，2007 年出版[4]劉鴻問主編，高等教育出版社，2004 年出版[5]成大先主編，化學工業(yè)出版社,2002 年出版[6]天津大學主編，天津科學技術出版社 1980 年出版[7]章洪甲、王積偉主編，機械工業(yè)出版，2005 年出版[8]蔡自興主編，清華大學出版社，2009 年出版[9] 李來英. 北京：機械工業(yè)出版社[10] 黃鶴汀主編， 機械工業(yè)出版社[11] 程康寧主編， 《機械工程控制基礎》 西安交通大學出版社[12] 王健民.二維圖像測量機及圖像式大尺寸弧長在線測量系統(tǒng)的研究[C].哈爾濱工業(yè)大學.博士學位論文, 1998.1228[13] 王 斧等.CCD 精密測角系統(tǒng)[J].光電工程,1997,24(1):11~14.[14] 曹國榮,景芳盛.CCD 用于摩爾條紋細分技術[J].計量學報,1995,16(2):116~119.[15] 張廣軍.衍射條紋 CCD 擬合定位及精度分析[J].儀器儀表學報,1995,16(1):107~110.146 計量學報 2002 年 4 月[16]余國琮. 機械工程手冊, 化學工業(yè)出版社, 2004年3月.[17] 王光斗. 機床夾具設計手冊, 上?？茖W技術出版社, 2000年11月. 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