自動(dòng)調(diào)焦瞄準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1摘要本文是對(duì)自動(dòng)調(diào)焦原理進(jìn)行理解，理解掌握自動(dòng)調(diào)焦的系統(tǒng)及原理。并針對(duì)CCD 自動(dòng)成像進(jìn)行可翻轉(zhuǎn)的 CCD 機(jī)械手。本機(jī)械手由手腕結(jié)構(gòu)，手臂、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)五個(gè)自由度，分別為三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作上下仰俯運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣目的能夠使得 CCD 鏡頭可以任意旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)到合適角度，對(duì)影像進(jìn)行拍攝抓取。關(guān)鍵詞：自動(dòng)調(diào)焦 機(jī)械手 自由度 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 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(shè)計(jì)，請(qǐng)加 12401814目錄第一章緒論…………….…………………………….………………………………51.1 概述……………………………….………………………………………………51.2 自動(dòng)調(diào)焦的原理……………………………….…………………………………51.3 自動(dòng)調(diào)焦的方式及發(fā)展歷程………………………………….…………101.4 自動(dòng)調(diào)焦應(yīng)用及 CCD 的應(yīng)用………………………………………………12第二章 可翻轉(zhuǎn) CCD 機(jī)械手的設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù)的分析…….……………….……142.1 課題設(shè)計(jì)要求……………………………….…………………………………152.2 課題設(shè)計(jì)方案……………………………….…………………………………152.2.1 機(jī)械手自由度坐標(biāo)的確定……………………………….……………162.2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案的確定……………………………….………162.2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案的確定……………………………….………1642.2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案確定……………………………….…………162.2.5 機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的確定……………………………….……………162.2.6 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案的確定……………………………….……………162.2.7 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程的確定……………………………….………………172.3 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)……….……………………….……………………………172.4 大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的確定…….………………………….………………………182.5 小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的確定…….………………………….………………………192.6 機(jī)械手的運(yùn)功過程分析…………………….……….…………………………202.7 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn) CCD 機(jī)械手零件的設(shè)計(jì)及校核………….………………………………243.1 大臂、小臂和立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………….…………………243.2 往復(fù)油缸的選擇及技術(shù)參數(shù)……………………………….……………………253.3 擺動(dòng)汽缸的選擇及技術(shù)參數(shù)……………………………….……………………263.4 CCD 鏡頭的選擇及技術(shù)參數(shù)……………………………….………………273.5 基座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)………………………………….…………………………………283.5.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)軸的設(shè)計(jì)及校核…………….………………….………………283.5.2 鍵的設(shè)計(jì)及危險(xiǎn)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(shè)計(jì)及校核……………………………….………………333.6 轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及螺栓的校核…………………………….………………………35第四章 基于 SOLIDWORKS 的可翻轉(zhuǎn) CCD 機(jī)械手三維建模…….…………………384.1 主要零部件的三維建?！?…………………………………………………384.2 油缸和氣缸的建?！?……………………………………………………414.3 CCD 鏡頭的建模…….…………………………………………………………424.4 總裝配圖的建?！?…………………………………………………………42總結(jié)………….…………………….……………….……………….……………………43致謝…………………………………….…………………………………………….…44參考文獻(xiàn)…………………….……………………….…………………………………455第一章 緒論1.1 概述AF 在照相機(jī)中是英文 Auto Focus 的縮寫，自動(dòng)調(diào)焦的意思。因此，AF 照相機(jī)即是自動(dòng)調(diào)焦照相機(jī)的簡(jiǎn)稱。 這種照相機(jī)的調(diào)焦是利用電子測(cè)距器自動(dòng)進(jìn)行的。當(dāng)按下照相機(jī)快門按鈕時(shí)，根據(jù)被攝目標(biāo)的距離，電子測(cè)距器可以把前后移動(dòng)的鏡頭控制在相應(yīng)的位置上，或者旋轉(zhuǎn)鏡頭至需要位置，使被攝目標(biāo)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(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 CCD 上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel） 。一塊 CCD 上包含的像素?cái)?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(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD 上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制，每個(gè)小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。1.2 自動(dòng)調(diào)焦的原理自動(dòng)調(diào)焦(AF)系指由照相機(jī)根據(jù)被攝體距離的遠(yuǎn)近，自動(dòng)地調(diào)節(jié)鏡頭的對(duì)焦距離。自從 1977 年第一架實(shí)用型自動(dòng)調(diào)焦照相機(jī)誕生以來，許多照相機(jī)生產(chǎn)廠家均開展了對(duì)自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的研究，從而產(chǎn)生了形形色色的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)。根據(jù)所基于的原理，可以分成測(cè)距法和像檢測(cè)法(又稱調(diào)焦檢測(cè)法)兩大類，下列是自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的分類：┌│─反射時(shí)間測(cè)量法(主動(dòng)型)┌│─VAF┌ ─測(cè)距法── ┤ ┌ ─被動(dòng)型──── ┼ ─STT│ └ ─三角測(cè)量法── ┤ └ ─FCMAF 系統(tǒng)─ ┤ └ ─紅外主動(dòng)型││┌│─對(duì)比度檢測(cè)法(反差檢測(cè)法)└ ─像檢測(cè)法─ ┤ ┌ ─TCL 系統(tǒng)└ ─相位檢測(cè)法── ┤└ ─透鏡分離器系統(tǒng)最早出現(xiàn)的實(shí)用型 AF 系統(tǒng)是美國(guó)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(dòng)型 AF 系統(tǒng)的 Canon AF35M；1981 年出現(xiàn)了采用 SST(固態(tài)三角測(cè)量)的 Canon AF35ML 和日本精工研制的 FCM 系統(tǒng)。上述均屬三角測(cè)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(shí)間測(cè)量法的系統(tǒng)，也屬主動(dòng)型，利用超聲波回波時(shí)間來測(cè)量距離。像檢測(cè)法屬于被動(dòng)型，主要有兩種形式：對(duì)比度檢測(cè)系統(tǒng)和相位檢測(cè)系統(tǒng)。對(duì)比度檢測(cè) AF 系統(tǒng)最早出現(xiàn)在 1981 年推出的 Pentax ME-F 單反機(jī)上，這是利用當(dāng)影像最清晰時(shí)，成像的反差最大的原理而制成的，與手動(dòng)調(diào)焦的磨砂屏焦點(diǎn)檢測(cè)法的原理相似。最早采用相位檢測(cè)法的 AF 系統(tǒng)是美國(guó) 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(jī)上。7測(cè)距法主要應(yīng)用于旁軸平視取景的袖珍相機(jī)上，而像檢測(cè)法則用于單鏡頭反光照相機(jī)上。由于紅外線主動(dòng)型 AF 系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等特點(diǎn)，在現(xiàn)代袖珍相機(jī)中占有很大的比重；而且現(xiàn)在的 AF 單反機(jī)大多采用相位檢測(cè) AF 系統(tǒng)，因此這里僅介紹紅外線主動(dòng)型和相位檢測(cè)型 AF 系統(tǒng)。SST 系統(tǒng)還見于少部分 AF 變焦袖珍相機(jī)(如 Sigma AF Zoom Super 28、70、100 等)， 但工作原理與 VAF 類似；超聲波主動(dòng)型 AF 系統(tǒng)只出現(xiàn)在美國(guó)寶麗萊公司生產(chǎn)的拍立得(又稱瞬時(shí)得或立時(shí)得)相機(jī)上，故這里不予介紹。自從自動(dòng)調(diào)焦相機(jī)(特別是 AF 單反機(jī))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(huì)有助于我們能更好地操縱新型相機(jī)，使拍攝工作更富有實(shí)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(shí)用的和哪些是花架子，可以避免陷入相機(jī)廣告中閃爍其詞的語句和對(duì)攝影器材追求的泥潭中，因而也有利于選購(gòu)合適的相機(jī)。 本章中所介紹的主動(dòng)型 AF 系統(tǒng)是原理性的，在實(shí)際的照相機(jī)中，照相機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)這類 AF 系統(tǒng)的不足亦是進(jìn)行了大量的改造工作，如采用了多束紅外線測(cè)距等，而且 AF 級(jí)數(shù)也越來越多，有些主動(dòng)型 AF 系統(tǒng)已經(jīng)是無級(jí)聚焦了，即聚焦級(jí)數(shù)為無窮多，其性能也越來越接近被動(dòng)型 AF 系統(tǒng)。相位檢測(cè)型被動(dòng)式 AF 系統(tǒng)已經(jīng)為 AF 單反機(jī)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(chǎng)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(jī)的發(fā)展歷程中，自動(dòng)聚焦技術(shù)的飛速發(fā)展自不待言，從原來的單純模仿手動(dòng)聚焦的單一方式發(fā)展到寬區(qū)自動(dòng)聚焦、焦點(diǎn)預(yù)測(cè)自動(dòng)聚焦、自動(dòng)確定被攝主體位置和自動(dòng)變焦構(gòu)圖等，大多數(shù)自動(dòng)聚焦相機(jī)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(diǎn)，這一切都是手動(dòng)聚焦照相機(jī)所不能做到的。簡(jiǎn)言之，只要改變了原來使用手動(dòng)聚焦相機(jī)的習(xí)慣和克服對(duì)新機(jī)種的心理障礙，就會(huì)覺得自動(dòng)聚焦相機(jī)是要比手動(dòng)聚焦相機(jī)好用得多。從固定焦點(diǎn)到自動(dòng)調(diào)焦從照相機(jī)的發(fā)展歷史來看，在焦點(diǎn)調(diào)節(jié)方面，經(jīng)歷了焦點(diǎn)不變——焦點(diǎn)可調(diào)——固定焦點(diǎn)——自動(dòng)調(diào)焦等階段。我們先說明為什么固定焦點(diǎn)照相機(jī)能得以流行的道理；然后再說明調(diào)焦的必要性，從而過渡到自動(dòng)調(diào)焦。我們先來看一組數(shù)據(jù)。假設(shè)照相機(jī)鏡頭焦距為 35mm(相當(dāng)于小廣角鏡頭)，其調(diào)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(diǎn) L1 及最遠(yuǎn)點(diǎn) L2 的關(guān)系為：(L1 和 L2 的單位為 m，本節(jié)所提及的有關(guān)概念的準(zhǔn)確定義及公式請(qǐng)參見【景深概念與計(jì)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(jù)可看出，當(dāng)光圈系數(shù)為 f/4 時(shí)，要求嚴(yán)格些可以保證從1.97m～3.42m 是清晰的；要求不那么嚴(yán)格的話，則可以認(rèn)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(yuǎn)都是清晰的。所以多數(shù)廉價(jià)的固定焦點(diǎn)“傻瓜相機(jī)“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(jī)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(duì)于一些只拍家庭紀(jì)念照而又不懂相機(jī)調(diào)節(jié)的人來說是足夠的了，這就是這類相機(jī)大行其道的理由所在。但是由于光學(xué)透視原理，廣角鏡頭在近距離拍攝時(shí)會(huì)產(chǎn)生“近大遠(yuǎn)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(dāng)調(diào)焦距離為 2m 和鏡頭光圈系數(shù)為 f/4 時(shí)，L1 為 1.93m，L2 為 2.08m；當(dāng)調(diào)焦距離不變而光圈系數(shù)為 f/11 時(shí)，L1 為 1.82m 和 L2 為 2.22m。顯然此時(shí)只適合拍攝主體在 1.82m至 2.22m 范圍之內(nèi)的情形，當(dāng)被攝主體超出這一范圍，其成像結(jié)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(diào)焦距離固定不變，所拍攝出的照片在照片不是放得很大時(shí)，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(diǎn)照相機(jī)的應(yīng)用范圍是極有限的。為了擴(kuò)大鏡頭焦距和提高清晰度，勢(shì)必要使焦點(diǎn)能調(diào)節(jié)。因此在簡(jiǎn)易照相機(jī)上就出現(xiàn)了區(qū)域調(diào)焦系統(tǒng)，如現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)常見的 Ricoh XF-30 袖珍相機(jī)就有區(qū)域調(diào)焦功能。區(qū)域調(diào)焦系統(tǒng)是根據(jù)被攝主體所處的距離不同，選擇相應(yīng)的調(diào)焦距離點(diǎn)，并利用景深使在該點(diǎn)前后一段距離內(nèi)的物體都是清晰的.我們?cè)賮砜匆唤M數(shù)據(jù)。仍假設(shè)照相機(jī)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(diào)焦距離 L(單位為 m)與 L1 及 L2 的關(guān)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(jí)調(diào)節(jié)照相機(jī)鏡頭的調(diào)焦距離， 就可以保證能在 0.92m 至無限遠(yuǎn)處(30m 可以認(rèn)為是無限遠(yuǎn))都能拍攝出清晰的照片。例如當(dāng)被攝主體在 0.92～1.10m處，可以將調(diào)焦距離置于 1m 處；當(dāng)被攝主體在 1.65～2.5m 處，可以將調(diào)焦距離置于 2m 處等。這就是區(qū)域調(diào)焦系統(tǒng)的理論根據(jù)。當(dāng)鏡頭焦距增長(zhǎng)時(shí)，由于景深淺的緣故，若要保證從 1m 至無限遠(yuǎn)都是清晰的，所分級(jí)數(shù)還應(yīng)該相應(yīng)增加。從上面的敘述可看出，如果調(diào)焦級(jí)數(shù) (即鏡頭焦點(diǎn)可調(diào)節(jié)的位置數(shù)量)越多，調(diào)焦精度就越高。當(dāng)調(diào)焦級(jí)數(shù)達(dá)到無窮多級(jí)時(shí)(即鏡頭的調(diào)焦距離是可以無級(jí)地調(diào)節(jié))，調(diào)焦精度為最高。單反機(jī)的鏡頭是可以從某一最近距離至無限遠(yuǎn)任意調(diào)節(jié)，因此這類鏡頭的調(diào)焦精度是最高的。細(xì)心的讀者也許會(huì)從表 3 中看出，0.92m 至 2.55m 之間有 4 個(gè)調(diào)焦級(jí)，而從2.54m 至 30m 只有兩個(gè)調(diào)焦級(jí)。這仍然與景深特性有關(guān)。調(diào)焦距離越近，景深就越淺，所以需要調(diào)節(jié)的位置相應(yīng)就要增多；而調(diào)焦距離越遠(yuǎn)，景深就越大，需要調(diào)節(jié)的位置就相應(yīng)要少些。具有區(qū)域調(diào)焦系統(tǒng)照相機(jī)是能夠提高清晰度，但對(duì)于大多數(shù)人來說，具有使用不方便的一面，因此自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生了。機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。其關(guān)系如圖所示： (1)10（一）執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易構(gòu)件，故應(yīng)用較廣泛平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)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(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)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(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)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(chǎn)生。用負(fù)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(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)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(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))。（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(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正11確方向運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件受力狀態(tài)簡(jiǎn)單。導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和 V 形槽、燕尾槽等導(dǎo)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立往通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。（5）機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。（二）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四中形式，（三）控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(cè)裝置是控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。1.3 自動(dòng)調(diào)焦的方式及發(fā)展歷程自動(dòng)調(diào)焦有幾種不同的方式，目前應(yīng)用最多的是主動(dòng)式紅外系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的工作程序，是從照相機(jī)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(jī)，感應(yīng)器接收到回波。照相機(jī)根據(jù)發(fā)光光束與反射光束所形成的角度來測(cè)知拍攝距離，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦。 采用這種方式的 AF 照相機(jī)，因?yàn)槭怯勺陨戆l(fā)出照射光，所以其對(duì)焦精度與被攝物的亮度和反差無關(guān)，即使是室內(nèi)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(cè)對(duì)象，所以對(duì)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(shí)不能發(fā)揮其功能。 AF 照相機(jī)取景器中心都有一個(gè)自動(dòng)對(duì)焦框，拍攝時(shí)需將其對(duì)準(zhǔn)被攝主體，否則對(duì)焦不準(zhǔn)，影像模糊。如果主體不宜放在畫面的正中，可采用對(duì)焦記憶鎖（AF-L 按鈕）進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦拍攝。 AF 技術(shù)最早被應(yīng)用于小型照相機(jī)，目前 135 單鏡頭反光照相機(jī)均已開始向 AF 化方向發(fā)展。世界各主要照相機(jī)廠家逐漸放棄傳統(tǒng)的手動(dòng)對(duì)焦照相機(jī)，發(fā)展高度電子化的 AF 照相機(jī)。12AF 技術(shù)發(fā)展分為以下幾個(gè)階段： ①?gòu)?85 年后各大相機(jī)生產(chǎn)廠家開始推出自動(dòng)聚焦相機(jī)，它的原理是建立在“影像在完全正確對(duì)焦下，畫面會(huì)獲得至高的反差” ，相機(jī)靠紅外線感應(yīng)器檢測(cè)景物的垂直線，再由機(jī)身里的相位差檢測(cè)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)鏡頭移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焦距的自動(dòng)調(diào)整。對(duì)于一些低反差無直線的單色調(diào)物體比如墻壁等，自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)就會(huì)失靈。第一代 AF 相機(jī)的代表有：美能達(dá)-7000 型、尼康-F501、佳能 EOS-600 系列等。在當(dāng)時(shí)的一些 AF傻瓜相機(jī)上靠機(jī)內(nèi)電源發(fā)射紅外光，通過接受返回的信號(hào)來測(cè)量距離，這種稱為主動(dòng)式自動(dòng)聚焦的方法，盡管畫面沒有橫直線也不影響測(cè)距，但因有效距離太小，無法滿足專業(yè)相機(jī)從長(zhǎng)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(jī)上。 ②到 1988 年后，以美能達(dá)-7000i、尼康-F4 及 F-801、佳能 EOS-1 為代表，運(yùn)用了多組電荷耦件使自動(dòng)調(diào)焦范圍大了 12 倍并可預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的速度，使快門打開的瞬間計(jì)算出主體移動(dòng)后的焦點(diǎn)位置，從而為動(dòng)態(tài)（體育）攝影開創(chuàng)了新天地。 ③智能型自動(dòng)調(diào)焦相機(jī)是將人的思維與相機(jī)操作完美結(jié)合起來，如美能達(dá)－7xi、在測(cè)距元件上加進(jìn) 16 位 CPU 微電腦處理器，在測(cè)距的自動(dòng)化方面增添了符合個(gè)性需要的各種模式，然而對(duì)自動(dòng)聚焦研究的腳步并沒就此停止……，直至 EOS-3 的推出，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)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(dòng)調(diào)焦應(yīng)用及 CCD 應(yīng)用現(xiàn)今自動(dòng)調(diào)焦應(yīng)用最多的應(yīng)用于 CCD 自動(dòng)成像技術(shù)。四十年來，CCD 器件及其應(yīng)用技術(shù)的研究取得了驚人的進(jìn)展，特別是在圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展更為迅速。隨著 CCD 技術(shù)和理論的不斷發(fā)展，CCD 技術(shù)應(yīng)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(dǎo)體材料集成，它能夠13根據(jù)照射在其面上的光線產(chǎn)生相應(yīng)的電荷信號(hào)，在通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成“0”或“1”的數(shù)字信號(hào)，這種數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮和程序排列后，可由閃速存儲(chǔ)器或硬盤卡保存即收光信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的電子圖像信號(hào)，可對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量、分析。 含格狀排列像素的 CCD 應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)掃瞄儀與攝影機(jī)的感光元件。其光效率可達(dá) 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(xué)家的大量采用。 傳真機(jī)所用的線性 CCD 影像經(jīng)透鏡成像于電容陣列表面后，依其亮度的強(qiáng)弱在每個(gè)電容單位上形成強(qiáng)弱不等的電荷。傳真機(jī)或掃瞄儀用的線性 CCD 每次捕捉一細(xì)長(zhǎng)條的光影，而數(shù)碼相機(jī)或攝影機(jī)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(dòng)作，控制電路會(huì)使電容單元上的電荷傳到相鄰的下一個(gè)單元，到達(dá)邊緣最后一個(gè)單元時(shí)，電荷訊號(hào)傳入放大器，轉(zhuǎn)變成電位。如此周而復(fù)始，直到整個(gè)影像都轉(zhuǎn)成電位，取樣并數(shù)位化之后存入內(nèi)存。儲(chǔ)存的影像可以傳送到打印機(jī)、儲(chǔ)存設(shè)備或顯示器。 在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域，CCD 的應(yīng)用更是異彩紛呈。一般的彩色數(shù)碼相機(jī)是將拜爾濾鏡（Bayer filter）加裝在 CCD 上。每四個(gè)像素形成一個(gè)單元，一個(gè)負(fù)責(zé)過濾紅色、一個(gè)過濾藍(lán)色，兩個(gè)過濾綠色（因?yàn)槿搜蹖?duì)綠色比較敏感） 。結(jié)果每個(gè)像素都接收到感光訊號(hào)，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(lán)、綠三種色光，由三片 CCD 各自負(fù)責(zé)其中一種色光的呈像。所有的專業(yè)級(jí)數(shù)位攝影機(jī)，和一部份的半專業(yè)級(jí)數(shù)位攝影機(jī)采用 3CCD 技術(shù)。目前，超高分辨率的 CCD 芯片仍相當(dāng)昂貴，配備 3CCD 的高解析靜態(tài)照相機(jī)，其價(jià)位往往超出許多專業(yè)攝攝影者的預(yù)算。因此有些高檔相機(jī)使用旋轉(zhuǎn)式色彩濾鏡，兼顧高分辨率與忠實(shí)的色彩呈現(xiàn)。這類多次成像的照相機(jī)只能用于拍攝靜態(tài)物品。 經(jīng)冷凍的 CCD 同時(shí)在 1990 年代初亦廣泛應(yīng)用于天文攝影與各種夜視裝置，而各大型天文臺(tái)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(xué)方面有一種奇妙的應(yīng)用方式，能使固定式的望遠(yuǎn)鏡發(fā)揮有如帶追蹤望遠(yuǎn)鏡的功能。方法是讓 CCD 上電荷讀取和移動(dòng)的方向與天體運(yùn)行方向一致，速度也同步，以 CCD 導(dǎo)星不僅能使望遠(yuǎn)鏡有效糾正追蹤誤差，還能使望遠(yuǎn)鏡記錄到比14原來更大的視場(chǎng)。 一般的 CCD 大多能感應(yīng)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(jī)/照相機(jī)等。為了減低紅外線干擾，天文用 CCD 常以液態(tài)氮或半導(dǎo)體冷卻，因室溫下的物體會(huì)有紅外線的黑體輻射效應(yīng)。CCD 對(duì)紅外線的敏感度造成另一種效應(yīng)，各種配備 CCD 的數(shù)碼相機(jī)或錄影機(jī)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(jìn) CCD 在低照度的敏感度，甚至對(duì)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(huì)影響 CCD 表面的像素。天文學(xué)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(yīng)。為去除背景噪聲，要先在快門關(guān)閉時(shí)取影像訊號(hào)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(diǎn)和亮點(diǎn)等等） ，得到更清晰的細(xì)節(jié)。 天文攝影所用的冷卻 CCD 照相機(jī)必須以接環(huán)固定在成像位置，防止外來光線或震動(dòng)影響；同時(shí)亦因?yàn)榇蠖鄶?shù)影像平臺(tái)生來笨重，要拍攝星系、星云等暗弱天體的影像，天文學(xué)家利用“自動(dòng)導(dǎo)星“技術(shù)。大多數(shù)的自動(dòng)導(dǎo)星系統(tǒng)使用額外的不同軸CCD 監(jiān)測(cè)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(jī)上。以光學(xué)裝置把主鏡內(nèi)部份星光加進(jìn)相機(jī)內(nèi)另一顆 CCD 導(dǎo)星裝置，能迅速偵測(cè)追蹤天體時(shí)的微小誤差，并自動(dòng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)馬達(dá)以矯正誤差而不需另外裝置導(dǎo)星。第二章 可調(diào)焦距的 CCD 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案課題研究的系統(tǒng)要求可以對(duì)可調(diào)的焦距 CCD 鏡頭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，本方案采用自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，類似 CCD 可調(diào)鏡頭的機(jī)械手。152.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的組成及控制原理整個(gè)系統(tǒng)包括試驗(yàn)臺(tái)，被測(cè) CCD 變速箱總成，調(diào)速電機(jī)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械手，傳感器，電控柜，微機(jī)等部件。其中電控部分采用微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)整體框圖如圖 2-1。圖 2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1.1 機(jī)械系統(tǒng)的工作原理該系統(tǒng)分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種工作方式。在進(jìn)行 CCD 性能試驗(yàn)，測(cè)量試驗(yàn)中的各項(xiàng)參數(shù)時(shí)，一般采用手動(dòng)方式操作試驗(yàn)臺(tái)。在進(jìn)行 CCD 可靠性試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定要執(zhí)行的工況和工況數(shù)后，一般采用自動(dòng)方式操作試驗(yàn)臺(tái)。自動(dòng)方式利用具有位置控制功能的機(jī)械手來模擬人手的換擋過程。機(jī)械手功能的實(shí)現(xiàn)利用一個(gè)滑動(dòng)副及一個(gè)萬向節(jié)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，滑動(dòng)副由在一套筒內(nèi)嵌入的直線軸承和滑桿構(gòu)成。如圖 2-2機(jī)械手基本構(gòu)成所示。圖 2-2 機(jī)械手基本構(gòu)成162.1.2 機(jī)械手空間運(yùn)動(dòng)模型的簡(jiǎn)化被測(cè)的變速箱含有六個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)倒擋，結(jié)構(gòu)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(shí)際位移同傳感器測(cè)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(jī)械手的基本運(yùn)動(dòng)2.1.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理：同氣動(dòng)系統(tǒng)比較，采用電動(dòng)系統(tǒng)具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械強(qiáng)度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，驅(qū)動(dòng)力大等特點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)最終采用了電動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。由于本設(shè)計(jì)要求的精度高，兩個(gè)電機(jī)通過機(jī)械滑臺(tái)結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)和換擋運(yùn)動(dòng)。同時(shí)在滾珠絲杠上固定的位移傳感器在電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)時(shí)的采集位移信號(hào)，傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。該系統(tǒng)采用位置閉環(huán)控制，由微機(jī)給定電壓值，經(jīng) D/A 變換、18伺服放大后，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)不斷的與位移傳感器測(cè)到的電壓值相比較，若不相等則有電壓輸出，該電壓經(jīng)調(diào)制、放大解調(diào)后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。但是機(jī)械手是一個(gè)非線性的控制對(duì)象，單純的伺服反饋控制難以滿足模擬人手換擋時(shí)的動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)精度的要求。因此在計(jì)算機(jī)檢測(cè)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(dá)到了模擬人手換擋的功能。2.1.4 計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的組成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，需要在微機(jī)、被控制對(duì)象和操作者之間適時(shí)、不斷地交換數(shù)據(jù)信息和控制信息。在總體設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮硬件和軟件措施，解決三者之間可靠的、適時(shí)的進(jìn)行信息交換的通路和分時(shí)控制的時(shí)序安排問題，保證系統(tǒng)能正常地運(yùn)行。設(shè)計(jì)中主要考慮以下幾大方面。（1）選擇微型計(jì)算機(jī)因?yàn)樵撓到y(tǒng)試驗(yàn)內(nèi)容繁多、要求的精度大、穩(wěn)定性高及在試驗(yàn)車間環(huán)境惡劣的情況下工作。普通的微機(jī)難以達(dá)到要求。而同普通的微機(jī)比較，工業(yè)控制機(jī)具有豐富的過程輸入/輸出功能；完善的外部設(shè)備；足夠的存儲(chǔ)容量；配有實(shí)時(shí)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(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。所以該項(xiàng)目選擇了工業(yè)控制機(jī)作為控制系統(tǒng)的主機(jī)。（2）板卡選用在工控機(jī)控制的基礎(chǔ)上，采用祥云計(jì)算機(jī)技術(shù)公司的 PC-1232-K 系列高性能價(jià)格比 12 位 32 通道 110KHz AD/DA 轉(zhuǎn)換板作為 AD/DA 板卡。該板卡主要由 125KHz A/D 轉(zhuǎn)換、多路器、數(shù)字 I/O、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、I/O 口譯碼電路、DMA 及中斷控制邏輯等幾個(gè)部分組成。ADC 使用芯片為自帶采樣保持器的 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)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(fù)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(shí)際數(shù)據(jù)采集速度和±1LSB 的變換誤差。選用了 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器，構(gòu)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(hào)經(jīng)過變送器的處理后通過 A/D 輸入通道傳送給工控機(jī)。12位的 D/A 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成兩路 D/A 通道，工控機(jī)設(shè)定的數(shù)字量經(jīng) A/D、D/A 轉(zhuǎn)換板卡轉(zhuǎn)換成電壓量通過伺服放大器處理后，分別控制選擋電動(dòng)機(jī)和換擋電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)。板卡中采用 8253 定時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)光電編碼器和轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖信號(hào)的測(cè)量。選用 8253 定時(shí)計(jì)數(shù)器六種工作方式中的方式 2。在這種方式，當(dāng) CPU 輸出控制字后，輸出將為高。在寫入數(shù)值后，計(jì)數(shù)器將自動(dòng)對(duì)輸入時(shí)鐘 CLK 計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)過程中輸出始終保持為高，直到計(jì)數(shù)器減為 1 時(shí)，輸出變低。經(jīng)一個(gè) CLK 周期，輸出恢復(fù)為高，且計(jì)數(shù)器開始重新計(jì)數(shù)。方式 2 的一個(gè)特點(diǎn)是能夠連續(xù)工作。如果計(jì)19數(shù)值為 N，則每輸入 N 個(gè) CLK 脈沖，OUT 輸出一個(gè)負(fù)脈沖。因此，這種方式頗似一個(gè)頻率發(fā)生器或分頻器。在計(jì)數(shù)過程中裝入新值，將不影響現(xiàn)行計(jì)數(shù)過程。但是，從下一個(gè)周期開始按新計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù)。GATE 為低電平，將禁止計(jì)數(shù)，并使輸出為高。GATE 變高，計(jì)數(shù)器將重新裝入預(yù)置的計(jì)數(shù)值，并開始計(jì)數(shù)。這樣，GATE 能用硬件對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步。方式 2 一旦被啟動(dòng)之后，只要 GATE 保持為高，計(jì)數(shù)過程就能周而復(fù)始地重復(fù)下去，因此 OUT 端可以產(chǎn)生連續(xù)的波形。在重復(fù)計(jì)數(shù)后，不會(huì)因啟動(dòng)造成實(shí)際計(jì)數(shù)值和初值之間的誤差。此處刪減 NNNNNNNN 字需全套設(shè)計(jì)請(qǐng)聯(lián)系 12401814滾動(dòng)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(shí)影響小，以及能在震動(dòng)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(dāng)標(biāo)準(zhǔn)滾珠軸承不能滿足結(jié)構(gòu)上的使用要求時(shí)。常采用非標(biāo)準(zhǔn)滾珠軸承[即添入式滾動(dòng)支承]，這種支承一般沒有內(nèi)圈和外圈，僅在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件上加工出滾道面，用標(biāo)準(zhǔn)滾珠散裝在滾道內(nèi)。本機(jī)構(gòu)扭矩傳感器中應(yīng)用了這一機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。4.4 滾動(dòng)導(dǎo)軌滾動(dòng)導(dǎo)軌作為作為滾動(dòng)摩擦副的一類具有許多優(yōu)點(diǎn)：1 摩擦系數(shù)小[0.003-0.005]；運(yùn)動(dòng)靈活 2 動(dòng)靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動(dòng)阻力小；而不易產(chǎn)生爬行 3 可以預(yù)緊，剛度高；4 壽命長(zhǎng)；5 潤(rùn)滑方便，可以采用脂潤(rùn)滑，一次裝填長(zhǎng)期使用；6 精度高；7 由專業(yè)廠生產(chǎn)可以外購(gòu)選用。因此滾動(dòng)導(dǎo)軌副廣泛地被應(yīng)用于精密機(jī)床，數(shù)控機(jī)床，測(cè)量機(jī)和測(cè)量?jī)x器等。滾動(dòng)導(dǎo)軌的缺點(diǎn)是：導(dǎo)軌面與滾動(dòng)體是點(diǎn)接觸或線接觸，所以抗震性差，接觸應(yīng)力；對(duì)導(dǎo)軌的表面硬度，表面形狀精度和滾動(dòng)體的尺寸精度要求較高，若滾動(dòng)體的直徑不一致，導(dǎo)軌表面有高低，回使運(yùn)動(dòng)部件傾斜，產(chǎn)生振動(dòng)影響運(yùn)動(dòng)精度；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本較高；對(duì)贓物比較敏感，必須有良好的防護(hù)裝置。對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的基本要求是：1 導(dǎo)向精度 導(dǎo)向精度是導(dǎo)軌副最基本的性能指標(biāo)。移動(dòng)件在沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)，不論有無載荷，都應(yīng)保證移動(dòng)導(dǎo)軌的直線性及其位置的精確性。這是保證機(jī)床運(yùn)行工作質(zhì)量的關(guān)鍵。各種機(jī)床對(duì)導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)。2 耐磨性 導(dǎo)軌副應(yīng)注意在預(yù)定的使用期內(nèi)，保持其導(dǎo)向精度。精密滾動(dòng)導(dǎo)軌副的主要形式是磨損。因此耐磨性是衡量滾動(dòng)導(dǎo)軌副性能的主要指標(biāo)之一。3 剛度 為了保證足夠的剛度，應(yīng)選用最合適的導(dǎo)軌類型，尺寸及其組合。選用可調(diào)間隙和預(yù)緊的導(dǎo)軌副可以提高剛度。4 工藝性 導(dǎo)軌副要便于裝配，調(diào)整，測(cè)量，防塵，潤(rùn)滑和維修保養(yǎng)。第五章 可調(diào)焦距 CCD 機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算5.1 滾珠絲杠設(shè)計(jì)由已知條件知，工作載荷 Fm＝3500×0.1 ＝350N, 取 μ＝0.1 設(shè)絲杠平均轉(zhuǎn)速n＝100r /min.每天開機(jī) 6h 每年 300 個(gè)工作日，要求工作 8 年，滾道硬度 58-62HRC。絲杠傳動(dòng)精度 ±0.04，Z 向滾珠絲桿1.載荷 Fc(N)的計(jì)算Fc＝K FKHKAFmKF KH KA 查自《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》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(shè)選用 FC1 型號(hào)，按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷 Ca 等于或大于 C’a 的原則，查表 2-9 選以下型號(hào)規(guī)格。FC1-2004-2.5,Ca＝5393N=公稱直徑 D0＝20mm 導(dǎo)稱 P＝4螺旋角 λ＝3 038ˊ滾珠直徑 d0＝2.381mm 由尺寸公式計(jì)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(nèi)徑 d1＝D0+2e-2R ＝ (20+2×3.4×10-2-2×1.238) ＝17.59mm由《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》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(yàn)算由于一端固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù) S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) [S] 最大載荷 Fcr＝π 2EⅠa/(μL) 2E＝206GPa由工作臺(tái)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(huì)失穩(wěn)。3.共振驗(yàn)算要絲杠的最大轉(zhuǎn)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(dǎo)程誤差ΔL＝LΔL 0/p＝ 0.34×2×10-3/4×10-3μm＝0.17μm要求絲杠的導(dǎo)程誤差 ΔL 應(yīng)小于其傳動(dòng)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(huì)失穩(wěn)由 Z 面知 因?yàn)? ΔYnmax所以工作不會(huì)發(fā)生共振。Don ΔL Z 向?qū)к? Ts＝2Th·L sn/103＝2×14400×0.34×4×60/10 3＝2350km Y 向?qū)к?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(dǎo)軌上使用 2 個(gè)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(jī)床廠的 HJG-D 系列滾動(dòng)導(dǎo)軌，選用 HJG-D25 型號(hào)能滿足要求,同理 Y 向取 HJG-D25 型號(hào)。5.3 步進(jìn)電機(jī)選擇設(shè)傳動(dòng)比為 2 ， 取 p＝4mm 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 δp ＝0,005 查表知為一級(jí)傳動(dòng) 選 Z1＝20 Z2＝40 m＝2mm 齒寬 b＝20mm電動(dòng)機(jī)的軸上總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)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(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及工作臺(tái)質(zhì)量折算導(dǎo)電動(dòng)機(jī)軸上,得總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的總慣量 J＝Jm+Jd＝5*10 -5kg.m224空載啟動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)軸上的慣性轉(zhuǎn)矩 TJ＝J2πi/p·ω max/Δt最大進(jìn)給為 1m/min=TJ＝5×10 -5×2×3.14×2/0.004×(1/0.025) ＝6.3N.M電動(dòng)機(jī)軸上當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)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(shè)滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力為最大軸向載荷的 1/3則因預(yù)緊力而引起的折算導(dǎo)電動(dòng)機(jī)軸的附加摩擦轉(zhuǎn)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(tái)上的最大軸向載荷折算導(dǎo)電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為Tw＝P/(2πηi) F wmax＝0.004/(2π×0.8×2) ×2319＝0.91N.M空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tq＝T J+Tμ+T0＝6.3+0.14+0.058＝6.498N.M在最大外負(fù)載下工作時(shí),電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為Ts1＝ Tw+Tμ+T0＝0.91+0.14+0.053＝1.108N.M空載啟動(dòng)時(shí)所需電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 Ts1＝T q/0.866＝6.498/0.866 ＝7.50N.M最大外載荷下工作時(shí)所需要電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩滿足要求查得杭州日開電動(dòng)機(jī)廠出品 110BYG250 型步進(jìn)電機(jī)滿足要求，該電機(jī)可保證電動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)。25總結(jié)歷時(shí)三個(gè)月，在導(dǎo)師的辛勤指導(dǎo)和同學(xué)的熱心幫助下，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。此次任務(wù)主要是設(shè)計(jì)可翻轉(zhuǎn)的 CCD 機(jī)械手。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)大學(xué)所學(xué)的知識(shí)有了深刻的認(rèn)識(shí)了解，對(duì)于自己如何去思考問題有了清晰的認(rèn)識(shí)，是對(duì)本專業(yè)知識(shí)更具體的更強(qiáng)化的掌握。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)給出機(jī)構(gòu)所需零件，完成裝配過程是通過SOLIDWORKS 完成的。經(jīng)過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了對(duì) SOLIDWORKS 軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)雖然只是簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但在我自身知識(shí)的運(yùn)用方面是一個(gè)質(zhì)的提高，是以后參加工作或?qū)W習(xí)的一個(gè)很好過渡。在整個(gè)過程中，我學(xué)到了新知識(shí)。增長(zhǎng)了見識(shí)。在今后的日子里，我仍然要不斷的充實(shí)自己，爭(zhēng)取在所學(xué)領(lǐng)域有所作為。腳踏實(shí)地，認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)事求是的學(xué)習(xí)態(tài)度，不怕困難、堅(jiān)持不懈、吃苦耐勞的精神是我在這次設(shè)計(jì)中最大的收益，我想這是一次意志的磨練，是對(duì)我實(shí)際能力的一次提升，也會(huì)對(duì)我未來的學(xué)習(xí)和工作有很大幫助26致謝此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在 XXX 老師悉心指導(dǎo)下完成的。XXX 老師淵博的專業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力，對(duì)我影響深遠(yuǎn)。本論文從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師的精心指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。在此，謹(jǐn)向?qū)煴硎局孕牡母兄x。本論文完成過程中，有太多的同學(xué)、朋友的幫助和關(guān)心，在此向他們致以真摯的謝意。同時(shí)還要感謝曾經(jīng)教導(dǎo)過我的老師，感謝身邊的同學(xué)、老師們的言傳身教。和同學(xué)的友誼時(shí)是我人生的寶貴的財(cái)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(xiàn)[1] 孫恒、陳作模主編，高等教育出版社，2006 年出版[2] 濮良貴、紀(jì)名剛主編,高等教育出版社，2006 年出版[3]大連理工大學(xué)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(xué)工業(yè)出版社,2002 年出版[6]天津大學(xué)主編，天津科學(xué)技術(shù)出版社 1980 年出版[7]章洪甲、王積偉主編，機(jī)械工業(yè)出版，2005 年出版[8]蔡自興主編，清華大學(xué)出版社，2009 年出版[9] 李來英. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社[10] 黃鶴汀主編， 機(jī)械工業(yè)出版社[11] 程康寧主編， 《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》 西安交通大學(xué)出版社[12] 王健民.二維圖像測(cè)量機(jī)及圖像式大尺寸弧長(zhǎng)在線測(cè)量系統(tǒng)的研究[C].哈爾濱工業(yè)大學(xué).博士學(xué)位論文, 1998.1228[13] 王 斧等.CCD 精密測(cè)角系統(tǒng)[J].光電工程,1997,24(1):11~14.[14] 曹國(guó)榮,景芳盛.CCD 用于摩爾條紋細(xì)分技術(shù)[J].計(jì)量學(xué)報(bào),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(xué)報(bào),1995,16(1):107~110.146 計(jì)量學(xué)報(bào) 2002 年 4 月[16]余國(guó)琮. 機(jī)械工程手冊(cè), 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004年3月.[17] 王光斗. 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè), 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2000年11月. 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