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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)的邊緣檢測技術(shù)被提出，為檢測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 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)視圖識別系統(tǒng)中，邊緣檢測是前——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技術(shù)主要是針對檢測中的這兩種類型。
Torre 和Poggio(1986)和Peli和Mallah(1982)提出了一個(gè)優(yōu)秀的邊緣檢測概要。傳統(tǒng)的邊緣檢測器，例如斜度檢測器，Laplacian 檢測器，或者Laplacian—Gaussian檢測器提出搞跨度過濾操作。這些操作器僅僅適合檢測有限類的邊緣，并且，它對噪聲非常敏感，會導(dǎo)致邊緣分裂。最近幾年的邊緣檢測技術(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，或者簡單的稱為圖素。包含P的SO圖素被稱為，有兩對對角域毗連的SO圖素構(gòu)成的集合，并且有兩對直接毗連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。對和中每一個(gè)SO圖素，我們估計(jì)他們元素的加權(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)語灰度水平多少是一個(gè)符號的濫用，但他仍然不是混淆讀者的原因。我們用計(jì)算機(jī)對和中每一對相對的SO圖素測試不同灰度水平值得絕對值。這四個(gè)不同值中的最大絕對值，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圖素對應(yīng)值得絕對值的差異可能是導(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SO圖素灰度水平值差異，沿著四個(gè)方向來檢測邊緣。而且，在邊緣檢測中，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SO 圖素來測量灰度水平對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技術(shù)，并且簡述了一個(gè)分布邊緣檢測算法。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)頂部邊緣檢測的算法，并且用一個(gè)簡單的例子進(jìn)行了解釋。最后，我們總結(jié)了全文，并且簡述了未來的研究方向。
2 分布邊緣檢測
我們使用符號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）有二對構(gòu)成集合的對角線領(lǐng)域圖素和兩對構(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，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，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）
作為分布邊緣檢測標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)相對應(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，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）
簡評 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，對應(yīng)著的值和的值。
在上述假設(shè)測試方法中，對每一個(gè)像素檢測一個(gè)錯(cuò)誤邊緣的可能幾率是。另一方面，邊緣跳動值小于時(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)測方法是沒有苦難的。因此，隨著圖像空間解決方法的增長，丟失邊緣或者檢測錯(cuò)誤邊緣的幾率會趨向于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。
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對中，至少有一對是這樣的，在那一對中，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像素對將不會被以像素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）
；
；
；
；
我們對如上討論的分布邊緣檢測方法做一個(gè)總結(jié)：
1 對每一個(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。
我們可以用如下簡短的評論確認(rèn)我們的邊緣檢測技術(shù)：
評論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]：如果我們在式2.3和2.4 中使用了公式2.1，和2.2 中的不等權(quán)重，那時(shí)：， 如果我們在式2.3 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出來。如果我們在以P（i,j）為中心的9x9面板中使用不同權(quán)數(shù)，就像我們在公式2.3-2.4 中那樣，SO像素的權(quán)數(shù)中心很接近P（i,j），這樣會使可能檢測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到。
簡評2.3
我們建議在公式2.12中使用0級或者初級的期望，我們也可以用的高級期望，但那將會涉及很大的一個(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。
簡評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，這簡化了我們的理論分析。
簡評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)的邊緣檢測技術(shù)，我們的邊緣檢測標(biāo)準(zhǔn)由如下優(yōu)勢：
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)的分布長度，h 是窗口亮度。不明顯亮度函數(shù)的變化對于邊緣檢測的影響被二階方程所反映。對于大多數(shù)其他邊緣檢測，這個(gè)影響值近似于，因此線性函數(shù)從我們的邊緣檢測標(biāo)準(zhǔn)中排除。
2 在構(gòu)造邊緣檢測標(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)果將會證明上述觀點(diǎn)。
微型軸承外表面缺陷自動檢測線設(shè)計(jì) 史永杰 機(jī)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(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)、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(jì)算機(jī)工業(yè)圖象檢測是將計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用于工業(yè)檢測的一門交叉學(xué)科。計(jì)算機(jī)視覺,指的是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對景物的圖象進(jìn)行識別],以實(shí)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(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(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?yàn)闄z測質(zhì)量的結(jié)果依據(jù)各個(gè)檢測員而不同。雖然座標(biāo)檢測機(jī)能對齒面進(jìn)行批量檢測,但目前市售測量機(jī)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(jī)需要相當(dāng)長的檢測時(shí)間。且該檢測機(jī)的自動化程度不高,檢測產(chǎn)品單一,且開發(fā)費(fèi)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(jī)械制造業(yè)的長足發(fā)展。
1.3 課題研究內(nèi)容
基于機(jī)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(jià)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(jì)算機(jī)的視覺檢測和圖象處理技術(shù),設(shè)計(jì)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(jì)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(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)了自動化，準(zhǔn)確化檢測，提高了檢測系統(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(diǎn)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(jì)算機(jī)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(gè)優(yōu)點(diǎn)：
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(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(yùn)動,由機(jī)械手在特定的位置將其搬到戴檢測位置，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)動同步進(jìn)行;被測軸承的各檢測項(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,即對已有的模板與被檢測物體進(jìn)行分析,對兩個(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物體是否相同或相似,同時(shí)將檢測結(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(jì)算機(jī)系統(tǒng);與生產(chǎn)線的同步通訊和運(yùn)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(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)出啟動機(jī)械手甲的指令，當(dāng)甲手啟動到位的時(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CCD，進(jìn)行第一個(gè)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(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(shí)還要滿足一定的實(shí)時(shí)性要求.由于生產(chǎn)過程中,必須對每一個(gè)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(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(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,并送給計(jì)算機(jī)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(jià)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(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)線給出的同步信號的周期取決于所要檢測的軸承在運(yùn)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(jì)算機(jī)試圖采集此時(shí)的視場景物圖像,然而大多數(shù)情況下此時(shí)的視場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,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(gè)完整軸承.所以,在實(shí)際檢測識別時(shí)就需要跟蹤這種錯(cuò)位導(dǎo)致的抖動以捕獲到目標(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)出啟動機(jī)械手甲的指令，當(dāng)甲手啟動到位的時(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)放到檢測位置時(shí)，控制機(jī)發(fā)出指令，CCD動作。進(jìn)行第一個(gè)目標(biāo)檢測，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；要求機(jī)械手為四軸聯(lián)動，這樣，就對機(jī)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(jī)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(jī)械手。傳送裝置在機(jī)器中分為兩個(gè)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(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(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是大批量生產(chǎn)，要求檢測率高，機(jī)動工時(shí)短，
3.1 自動線的設(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強(qiáng)度；
2）工作穩(wěn)定可靠，運(yùn)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(gè)傳動有很多類型，比如嚙合傳動中的鏈傳動：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 同步帶簡介
一、同步帶傳動的特點(diǎn)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(diǎn)。
同步帶傳動由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)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(shí)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(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)用于要求傳動比準(zhǔn)確的中、小功率傳動中，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，簡稱單面帶和雙面帶。雙面帶又有對稱齒型（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(shí)，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(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(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(jì)計(jì)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(jī) 2.2kw 異步電動機(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
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(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(jī) 2.2kw 異步電動機(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
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(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、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(xiǎn)場合下工作，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)對在線運(yùn)行的軸承的抓取，并將它放到待檢測位置，這個(gè)位置是固定不動的。等檢測結(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，我們的檢測系統(tǒng)中需要兩個(gè)機(jī)械手。他的動作則需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動，升降運(yùn)動，伸縮運(yùn)動，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，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)動作和一個(gè)抓手動作，使用二個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別控制二個(gè)關(guān)節(jié)的動作，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制底盤轉(zhuǎn)動，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)動模塊及相應(yīng)的按鈕組成。
以下是此次我們設(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)械手動作順序，此為一個(gè)循環(huán)
機(jī)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(diǎn)
機(jī)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(jī)械手甲啟動
乙繼續(xù)完成轉(zhuǎn)動，下降，放物，上升，縮回B點(diǎn)，
序號
動作（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
動作（機(jī)械手乙）
時(shí)間（s）
1
CCD檢測結(jié)束，發(fā)出啟動機(jī)械手乙指令
共需2S
2
由B上方轉(zhuǎn)動到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)械手甲動作，到檢測完畢機(jī)械手乙動作并在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：
甲手從啟動到T=1.3; CCD攝像機(jī)工作時(shí)間為T2=2s 乙手動抓住目標(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)器啟動之后，他們的工作周期都是4s,即：每隔4s鐘動作一個(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，形狀決定了我們設(shè)計(jì)的手部的大小，形狀。經(jīng)過分析，我們設(shè)計(jì)的手部是手指式手部。我們設(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，而且，在檢測系統(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)動平穩(wěn)，尤其要求定位精度高。因此，必須對設(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(shí)候，不能對工件造成損害。
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，手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運(yùn)動形式。
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傳動機(jī)構(gòu)。有一個(gè)電機(jī)經(jīng)過聯(lián)軸器直接帶動絲杠軸，實(shí)現(xiàn)了伸縮運(yùn)動。
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。
液壓傳動系統(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)、動作循環(huán)和主要技術(shù)要求，如運(yùn)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(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。
對升降運(yùn)動的油缸計(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)到缸蓋滑動支承面中點(diǎn)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(jì)時(shí)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(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)算長度與活塞桿的直徑之比大于10時(shí)，需要對活塞桿縱向彎曲強(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)身的傳動路線為：電機(jī)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(jī)。
總傳動比為： 其中，
對于底座傳動帶的設(shè)計(jì)計(jì)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(jī) 2.2kw 異步電動機(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
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(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。游動支撐軸向不限位，可使軸在支撐上自由伸縮游動，此時(shí)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(shí)，或因受力后使軸向彎曲而撓度較大時(shí)，會造成軸承的內(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(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)軸器對相對位移無補(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(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)簡單，具有良好的緩沖、減振能力，補(bǔ)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(jì)算：
公稱轉(zhuǎn)矩：
T=9550*P/n=9550*0.2/3000=0.64N*m
式中：P為電動機(jī)的功率；
n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速。
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表14-1得，轉(zhuǎn)矩變化比較小，原動機(jī)為電動機(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 取Ｃ＝110
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(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(jì)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(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(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(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試，這就是平時(shí)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(jī)，完成系統(tǒng)工作的電器圖。
6.1 微機(jī)測控系統(tǒng)的基本組成
微機(jī)測控系統(tǒng)包括微機(jī)測試系統(tǒng)與微機(jī)控制系統(tǒng)兩個(gè)部分，微機(jī)測試系統(tǒng)即以測試為目的，微機(jī)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(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、系統(tǒng)總線等。硬件組成如圖：
工
業(yè)
對
象
人機(jī)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(jī)
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)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(shí)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(diǎn)：
（1） 結(jié)構(gòu)簡單，可靠，測量力?。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(shí)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(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(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(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(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(bǔ)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(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