微型轴承外表面缺陷自动检测线设计

微型轴承外表面缺陷自动检测线设计,微型,轴承,外表,缺陷,自动检测,设计 微型轴承外表面缺陷自动检测线设计 史永杰 机械科学与工程及自动化 第一章 论述 1.1前言 检测技术是现代制造业的基础技术之一,是保证产品质量的关键。随着现代制造业的发展,许多传统的检测技术已不能满足其需要,表现在:现代制造产品种类有很大的扩充,现代制造强调实时、在线、非接触检测,现代产品的制造精度大大提高;现代制造业的进步需要研究新型的产品检测技术。 计算机工业图象检测是将计算机视觉应用于工业检测的一门交叉学科。计算机视觉,指的是利用计算机技术对景物的图象进行识别],以实现对人视觉功能的扩展。利用这一技术可以解决许多工业图象检测环节的问题,以取代落后的人工检测,提高检测效率和工业自动化水平,构成带视觉环节的反馈控制系统。视觉检测技术具有非接触、速度快、精度合适、现场抗干扰能力强等突出的优点,能很好地满足现代制造业的需求,在实际中显示出广阔的应用前景。视觉检测技术是建立在计算机视觉研究基础上的一门新兴检测技术,可用于工业领域的很多方面,如零件检验与尺寸测量、零件的缺陷检查、零件装配、机器人的引导和零件的识别等。 轴承是机械行业的一个非常重要的零件,使用极其普遍且品种繁多,轴承的加工精度和质量关系到机械产品的使用性能和质量,因此对各种轴承的加工质量检测一直是轴承加工厂家关心的问题。 1.2 国内外的发展现状 目前我国大部分轴承产品加工企业，特别是一些中小规模的生产单位，对产品感官指标的检测还要借助于人的视觉和个人主观判断能力,因而占用了大量的人力,而且由于受到个人的视力、情绪、疲劳、光线等因素的影响,工作效率低,分选差异大。而且这种用肉眼检测轴承接触面的方法来测量齿面加工精度,这种检测方法是不足以胜任的,因为检测质量的结果依据各个检测员而不同。虽然座标检测机能对齿面进行批量检测,但目前市售测量机不能精确地检测轴面周边和不规则的表面,而且此类检测机需要相当长的检测时间。且该检测机的自动化程度不高,检测产品单一,且开发费用较高，与我国现有肉食品加工业的先进生产装备水平极不相符,也制约了机械制造业的长足发展。 1.3 课题研究内容 基于机器视觉（图像识别）的监测技术在有些行业已经得到较好的应用，而且创造了极高的价值。针对目前轴承检测过程中暴露出的问题, 为了提高生产效率，节约成本，我们必须建立一种全新的检测技术，用以替代落后的人工检测。而采用基于计算机的视觉检测和图象处理技术,设计一轴承外表的自动视觉检测系统,成为我们必然的选择。 本文根据我国目前的检测系统的发展水平，监测系统的设计要求，发展现状，今后的发展趋势，对可以在企业内部使用的基于图像识别模式的检测系统进行研究，采用同步带做为输送线，用两个四自由度机械手代替人工操作，用CCD摄像机进行图像采集，经过处理后，用先进的单片机进行集中控制，实现了自动化，准确化检测，提高了检测系统的可靠性、准确性、实用性。 第二章 系统总体设计 2.1 系统总体技术分析 基于图像识别技术的轴承检测系统是提高精确化，高速化，自动化检测的重要方法，目前图象检测技术在诸如:液面和厚度的自动检测、焊缝自动跟踪、集成电路芯片焊点的自动定位、零件表面坏损的自动检测、印刷电路板表面缺陷的自动检测等领域都已有较好的应用。 因此通过光-电技术、图象识别处理技术及计算机控制技术等,对“对轴承的感官指标进行在线图象检测”的关键性技术进行研究应该是可行的。这种采用CCD采集图像的检测技术主要有以下几个优点： ①100%的检测比例,这样可以更好地控制产品质量,而许多人工检验是抽样检验; ②一致的检验效果,不存在疲劳问题; ③可以降低检测成本,提高产品质量的可信度; ④可以面向所有的轴承产品,甚至其它的机械零部件； 2．2 系统的工作原理 轴承外表视觉检测系统,在线工作。生产流水线中被测轴承按照一定的节拍在输送带上运动,由机械手在特定的位置将其搬到戴检测位置，然后由CCD摄像机进行图像提取。图象的获取与轴承的运动同步进行;被测轴承的各检测项目信息处于特定的背景中,通过图象预处理将其从中提取出来,与设置的标准模板匹配,即对已有的模板与被检测物体进行分析,对两个图形的相似程度进行度量,并返回图形之间的相似度值,通过相似度值来判断模板与被检测物体是否相同或相似,同时将检测结果及时报告或通讯给其它执行系统,从而实现对轴承加工质量的正确分类(一定要求的正品和废品)。因此,该视觉检测系统由下列子系统组成:光源和光学成像系统;摄像与图象处理系统;用于控制摄像、图象处理、图象分析的计算机系统;与生产线的同步通讯和运动控制系统;输出检测结果系统，执行系统。其一般过程如图1所示。具体工作流程如下： 1 当启动检测线，第一个轴承到位以后，经过视觉传感器，判断目标是否到位，然后由控制机发出启动机械手甲的指令，当甲手启动到位的时候，要求那个轴承也恰好到位，此时，机械手可直接抓取目标； 2 当机械手甲将目标放到检测位置时，由传感器2判断目标到位情况，然后由控制机发出指令，启动CCD，进行第一个目标检测，经过一系列的图像处理，判断图形真伪，然后传给控制机； 3 当为不合格的目标时，控制机发出指令，机械手乙动作，将目标放到废品箱； 4 如果不是废品，则将目标放到生产线上。 5 以后，每隔4秒钟，CCD获取图像一次。而两个机械手则实现放料，送料。 计算机 图像采集卡 CCD 机械手甲 废品箱 机械手乙 X Y 机械控制箱 2.3 系统描述及关键问题分析 轴承质量的检测方法,检测系统，既要适应检测生产线工作方式的不同,又要适应轴承换型的要求,同时还要满足一定的实时性要求.由于生产过程中,必须对每一个轴承都进行检测,这就要求图像检测、图像处理的速度必须跟得上生产线的运行速度.在摄像用光方面,既可采用背光也可采用正光.实践表明:如果采用背光,有利于对图像进行目标分割 采用图像处理方法,进行轴承质量在线检测,需要解决以下几个关键问题: (1)　目标(轴承,下同)分割　轴承的合格与否,最终要归于它所包含的每一个检测小目标是否全部合格,所以能否把这些小目标全部并且正确地从图像背景中分割提取出来,是整个检测任务中的首要问题. (2)　摄像同步及目标定位　在获取药板图像时,我们让一幅图像里只包含一个完整的轴承,也就是一次只检测一轴承.这样,每当开启整个生产线后，一个轴承被传送到图1中A处时,必须由生产线即时给出表示该轴承已就位的同步信号,并送给计算机以启动图像采集和处理.以后CCD则按照一定的频率进行图像采集。 目标定位与CCD图像传感器的工作原理,以及同步信号的接入位置有关.这里采用廉价的主要应用于普通监控场合的CCD图像传感器进行轴承图像获取,它按照普通电视制式工作而没有外部触发拍摄功能,它的一帧视频图像一般占时40ms.图像传感器与生产线相互独立地工作生产线给出的同步信号送给计算机,通知计算机在从视频采集卡送来的视频流中截获一帧图像.由于生产线给出的同步信号的周期取决于所要检测的轴承在运动方向的长度。.因此,大多数情况下,同步信号周期不是40ms的整倍数,这样在轴承被传送到CCD图像传感器视场中心位置的瞬间,生产线发出同步信号通知计算机试图采集此时的视场景物图像,然而大多数情况下此时的视场景物并不能被捕获到,实际获取到的图像大多数都是在中心位置之前或之后一段时间(不大于40ms)拍摄到的,即实际获取到的图像与中心位置的图像发生了错位, CCD图像传感器实际获取到的发生了错位的图像.由于目标偏出视场,这就需要把摄像区扩大,以使目标不会偏出,但也不能过分大,以免一幅图像中包含两个完整轴承.所以,在实际检测识别时就需要跟踪这种错位导致的抖动以捕获到目标. （3）机械手跟生产线，CCD的同步问题。当地一个轴承到位以后，经过传感器的判断，由控制机发出启动机械手甲的指令，当甲手启动到位的时候，要求那个轴承也恰好到位，此时，机械手可直接抓去；当机械手甲将目标放到检测位置时，控制机发出指令，CCD动作。进行第一个目标检测，以后，每隔一定时间，CCD获取图像一次。当有不合格的目标是，控制机发出指令，机械手乙动作，将目标放到废品箱，如果没有废品，则将目标放到生产线上。 （4）机械手的协调运动；要求机械手为四轴联动，这样，就对机械手的内部构造，动力系统的控制同步技术等提出了一定的要求； 2.4 轴承缺损检测系统的组成 基于机器视觉技术的轴承缺损检测系统总体上由硬件和软件两大部分组成 由图1我们可以看出，硬件装置包括传送装置，机械手。传送装置在机器中分为两个区域:检测区和分离区。在检测区,通过高速ＣＣＤ摄像机将传送中连续的轴承图像传输到计算机中,计算机对记录下的图像进行分析,分辨出损坏轴承。当轴承进入分离区时,横向机械操作手执行剔除命令,使废品落入废品箱,而成品正常落入成品区,从而实现成品和废品的分离。 软件主要包括对机械手控制程序的设计，计算机图像处理，控制机的指令设计。 因此整个系统包括：传送线、 机械手、CCD摄像机、一些传感器、控制电路，上位机、下位机等。 2.5总体系统设计任务 1 传送带的形式、速度、及其它参数； 2 机械手的设计和工艺要求； 3 为机械手各轴选择电机和驱动机构； 4 电机的控制顺序等； 5 计算机控制系统设计；； 2.6．设计工作量 （1）设计图量A0号4张： 其中： 总布置图A0一张 部件装配图A0一张 零件图折合A0一张 单片机控制原理图A0一张 （2）说明书2.5万字左右 第三章 输送线的设计 而在现代化工业生产领域中，材料的搬运，机床上下料，整机的装配等实现自动化是十分必要的。自动上下料装置使散乱的中小型工件毛胚经过定向机构，实现定向排列，然后顺次的由上下料机构把她送到工作位置中去，并把工件取走。 我们的轴承在线检测是大批量生产，要求检测率高，机动工时短， 3.1 自动线的设计选用要点： 1 按照生产批量或者生产率计算出所需的上料节拍，或者上料生产率， 2 根据工件的类型，尺寸，形状，从必要性和可能性综合考虑合理的自动化程度，选用合理的送料、定向机构。 3 当上下料装置的总体反感确定以后，应作深入的分析和评价，一个好的输送线应该达到： 1） 提高设备生产率，显著减轻工人的劳动强度； 2）工作稳定可靠，运转噪音小，不会损伤工件，使用寿命长； 3）结构紧凑简单，最大限度地采用标准化零部件，通用性好，易于制造，易于维修，成本低； 传送线的方式有很多种，照工作原理，又摩擦传动，齿形传动，啮合传动，流体传动，电力传动等。而每一个传动有很多类型，比如啮合传动中的链传动：套筒辊子链，套筒链，齿形链等。经过充分考虑，我们决定采用效率很高的同步带作为我们的输送线。 3.2 同步带简介 一、同步带传动的特点及应用 同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。 同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力（见图7–21），故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体,这种带薄而且轻，故可用于较高速度。传动时的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98％。传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。其主要缺点是制造和安装精度要求较高，中心距要求较严格。所以同步带广泛应用于要求传动比准确的中、小功率传动中，如家用电器、计算机、仪器及机床、化工、石油等机械。 同步带有单面有齿和双面有齿两种，简称单面带和双面带。双面带又有对称齿型（DI）和交错齿型（DII）之分（见图7–21）。同步带齿有梯形齿和弧形齿两类。同步带型号分为最轻型MXL、超轻型XXL、特轻型XL、轻型L、重型H、特重型XH、超重型XXH七种。梯形齿同步带传动已有标准（GB11361~11362–89）。 在规定张紧力下，相邻两齿中心线的直线距离称为节距，以p表示。节距是同步带传动最基本的参数。当同步带垂直其底边弯曲时，在带中保持原长度不变的周线，称为节线，节线长以LP表示。 同步带带轮的齿形推荐采用渐开线齿形，可用范成法加工而成。也可以使用直边齿形。 以下是同步带设计计算步鄹： 计算项目 单位 公式及数据 说明 设计功率Pd kW Pd=(k0+k1+k2)P k0—工况因数，见表13158 k1—张紧轮影响因数，见表13159 k2—增速传动因数，见表13160 P—传动功率，kW 节距Pb mm 根据Pb和n1，由图13-1-8选取 n1—小带轮转速，r/min 小带轮齿数z1 　 z1≥zmin zmin见表13-1-61 　 小带轮节圆直径d1 mm 　 带速v m/s 型号 MXL， XXL，XL L，H XH XXH vmax 40～50 35～40 25～30 传动比i 　 n2—大带轮转速，r/min 大带轮齿数z2 　 z2=iz1 　 大带轮节圆直径d2 mm 　 初定中心距a0 mm 0.7(d1+d2)＜a0＜2(d1+d2) 　 初定带的节线 长度Lop及其齿数zb mm 按表13-1-48，13-1-49，13-1-50，13-1-51选取接近的Lp值及其齿数zb 计算中心距a mm α1—小带轮包角 小带轮啮合齿数zm 　 一般zm≥zm min=6 额定功率P0 kW Ta—带宽为bso的许用工作拉力，见表13-1-64 m—带宽为bso的单位长度的质量，kg/m，见表13-1-64 带宽bs mm 按表13147选定 bso—选定型号的基准宽度，mm，见表13-1-64 kz—小带轮啮合齿数因数 作用在轴上的力Fr N 　 3.3 同步带的设计计算 一 用作输送带 （1）给出传动要求 1）传递名义功率： P = 2.2 KW; 2) 主动轴转速=从动轴转速 3) 原动机 2.2kw 异步电动机 4）运转时间 每天24小时 5) 中心距要求： a= 1000mm （2）传送带的节距和型号 1）计算设计功率 a) 由表6-61查的载荷的修正系数 b) 计算设计功率 2） 传送带型号和节距 由 。查图6-9节距代号为H。对应节距为 H ： s 12.7 40 6.12 2.29 3.66 3) 确定带直径和节线长 1 由表6-69。H 形带，带轮转速 最小齿数 Z = I4 ，取Z=36 小带轮直径 2 选择带长 查表6-59，同步带长GB11616-89，取 3 传动中心距： （4） 选择标准带宽 1 确定基准额定功率 Z= 36 ， 转速。 由表6-60，内插法，H型带基准额定功率 。 2 确定额定功率 A 啮合齿数 则： B 带宽系数 （同步带基准带宽） C 确定额定P 3 选择带宽： 根据设计要求， 则可以得到： 按表 6- 58，查 mm （5） 结果整理 1 选用H型同步带 mm 2 带轮 3 传送带中心距近似计算的： 我们将传送带分成十分， 则，我们选择 。 二 用作传动带 1）传递名义功率： P = 2.2 KW; 2) 主动轴转速=从动轴转速 3) 原动机 2.2kw 异步电动机 4）运转时间 每天24小时 5) 中心距要求： a= 500mm （2）传送带的节距和型号 1）计算设计功率 a) 由表6-61查的载荷的修正系数 b) 计算设计功率 2） 传送带型号和节距 由 。查图6-9节距代号为H。对应节距为 H ： s 12.7 40 6.12 2.29 3.66 3) 确定带直径和节线长 1 由表6-69。H 形带，带轮转速 最小齿数 Z = I4 ，取Z=14 传动比 按照标准带轮齿数，取 小带轮直径 4 选择带长 = 15995.42mm 查表6-59，同步带长GB11616-89，取 5 传动中心距： （6） 选择标准带宽 2 确定基准额定功率 按照标准带轮齿数，取 转速。 由表6-60，内插法，H型带基准额定功率 。 2 确定额定功率 A 啮合齿数 则： B 带宽系数 （同步带基准带宽） C 确定额定P 3 选择带宽： 根据设计要求， 则可以得到： 按表 6- 58，查 mm （7） 结果整理 1 选用H型同步带 mm 2 带轮 3 传送带中心距近似计算的： 第四章 机械手的设计 4.1 引言 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如： (1) 机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 (2) 在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中 它可以用来组装零部件。 (3) 可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。 （4） 可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。 (5） 宇宙及海洋的开发。 (6) 军事工程及生物医学方面的研究和试验。 轴承装卸工业机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序Z轨迹或其它要求实现抓取Z搬运工件或操纵工具的自动化装置。 4.2 搬运机械手的组成 我们的目标是实现对在线运行的轴承的抓取，并将它放到待检测位置，这个位置是固定不动的。等检测结束之后，由另外一个机械手将目标搬走，然后由原来的机械手继续放料，实现了一个循环。 因此，由我们的设计任务可以得到，我们的检测系统中需要两个机械手。他的动作则需要实现转动，升降运动，伸缩运动，抓取物体。 4.2.1 机械手的组成 工业机械手 4.2.2 机械手的自由度 由设计任务，我们可以轻松的得到他的自由度为四，即：底座的转动，机身的升降，臂部的伸缩，手部的抓取。 4．3 机械手的整体设计功能 我们的检测系统中整形机构包括了多关节机械手和控制箱两部分组成。多关节机械手共有3个关节动作和一个抓手动作，使用二个步进电机分别控制二个关节的动作，一个步进电机控制底盘转动，一个电机控制手臂伸缩。二个油缸控制两个关节，抓手的抓物动作由油缸控制。控制箱部分由电源、单片机、步进电机驱动模块及相应的按钮组成。 以下是此次我们设计的机械手的工作框图 机械手甲 废品箱 机械手乙 X Y A B D C 图示我们的机械手动作顺序，此为一个循环 机械手甲开始动作 甲手完成下降、抓取目标、上升、将目标放到检测点 机械手乙启动 CCD开始检测（甲手返回A 上方）———检测结束 乙完成转动，下降，抓取目标，上升， 机械手甲启动 乙继续完成转动，下降，放物，上升，缩回B点， 序号 动作（机械手甲） 时间(s) 1 在A点上方下降 0.2 2 抓取目标 O．2 3 在A点上升 0.2 4 转动到C点上方 0.3 5 下降到C点， 0.2 6 放下目标（启动CCD） 0.2 7 上升到C点上方 0.2 8 转回到A点上方 0.3 序号 动作（机械手乙） 时间（s） 1 CCD检测结束，发出启动机械手乙指令 共需2S 2 由B上方转动到C点上方 0.2 3 在C点上方下降 0.2 4 抓取目标 0.2 5 在C点上升 0.2 6 转动到D点上方 0.3 7 下降到D点， 0.2 8 放下目标 0.2 9 上升到D点上方 0.2 10 缩回到B点上方 0.3 从上面可以看出，机械手甲动作，到检测完毕机械手乙动作并在C点将目标抓取到手后机械手甲开始下一个动作，完成了一个循环。则经过以上的计时，我们可以知道计算得到一个循环的时间： 甲手从启动到T=1.3; CCD摄像机工作时间为T2=2s 乙手动抓住目标T3=0.6 此时，甲手开始下一个循环，也就是说，当乙手往起升的时候，甲手刚好下降。 则。总的循环周期：T= 1.3+2+0.6=3.9 取T=4s，这就是各个机器的循环周期，也是整个系统工作的周期。 则，从系统开始工作，各个机器启动之后，他们的工作周期都是4s,即：每隔4s钟动作一个循环。 4.4 机械手手部的设计 我们抓取的目标是半径为r=20mm的轴承，轴承的大小，形状决定了我们设计的手部的大小，形状。经过分析，我们设计的手部是手指式手部。我们设计的是手指式手部。手指式手部是以手指的张开和闭合来抓持工件，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，故应用最广。 机械手的手部采用油缸控制，缸活塞后退时抓紧工件，缸活塞前进时松开工件。 4.4.1机械手的设计难点 搬运机械手是按照一定的轨迹实现的运动，而且，在检测系统中，有着时间的限制，因此，要求我们的机械手工作速度快，运动平稳，尤其要求定位精度高。因此，必须对设计中的难点进行足够的分析，设计合理的结构，以满足要求。 下面按类别对设计难点进行说明 手部： 1 其手部抓持工件的迅速，准确和牢固程度都将直接影响机械手的工作性能，根据手部所抓持工件的形状、尺寸、重量、材料和表面状况的不同，手部具有多种结构型式。 2 手指要有足够的加紧力。为使手指夹紧工件，除考虑被抓持工件的重量之外，还应该考虑工件在传递过程中所产生的动载荷。 3 手指应有一定的开闭范围，其大小不仅与工件尺寸有关，而且必须注意手部接近工件的运动路线及方位的影响。 4 应该保证工件在手内的准确定位。 5 保证手部有足够的柔度，轴承是金属品，而且是对表面质量要求很高，在抓取的时候，不能对工件造成损害。 4.4.2 手指加紧力的计算 式中 ——安全系数，通常取1.2-2； ——动载荷系数；此处为1 ——方位系数 此处为0.5 G ——被夹持工件的重量。 经过计算，机械手的加紧力为：N=2kgf 4.5 臂部的设计 臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支撑手部和腕部，主要用来改变工件的位置，手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。 臂部设计的难点 1 刚度要好 要合理的选择臂部的截面形状和轮廓尺寸。为了解决这个问题，在机械手的臂部，用了钢管最为他的导向杆。 2 偏重力矩要小 在手部的油缸的设计中，我们的李很小，所以，用了一个小的油缸，再臂部的一段，我们安装了一个较大的电机，而且，那一段还可以加铁块进行重量平衡。 臂部设计中，我们用了四根导向柱，用来提到他的导向定位精度。 电机的选取 我们采用了丝杠螺母传动机构。有一个电机经过联轴器直接带动丝杠轴，实现了伸缩运动。 由于我们的设计进度要求很高，力比较小，因此选取sl系列伺服电机。 4.6 机身的设计 机身是支撑臂部的部件。升降，回转，和俯仰运动机构等都安装在机身上。 我们采用升降油缸，实现了升降运动。 液压传动系统的设计，按照以下程序进行： a 明确设计依据，进行工矿分析。设计的依据有： （1） 主机的结构、动作循环和主要技术要求，如运动平稳性、动作精度、动作连锁、自动化程度和效率等。 （2） 液压系统的工作环境，如温度及其变化范围、潮湿、振动、冲击、尘砂、腐蚀或者易燃等。 （3）其他要求，如对液压装置的重量，外形，尺寸，经济性等。 B 拟定液压系统方案。包括：选定系统的工作压力，拟定系统的主要回路和综合考虑其他问题。 C 计算或者选定液压系统及元件的参数，包括：液压执行器尺寸和所需流量，泵的规格和驱动功率，各种液压元件的规格，管道尺寸和油管容量。 D 验算液压系统的性能。包括：管道和元件的压力损失，系统地发热量和温升，液压冲击。 对升降运动的油缸计算如下： 1、 液压缸工作压力确定 由表可以查的P1=16MPa. 2、 液压缸内径D和活塞杆直径d的确定 单活塞杆液压缸可简化为： ， P1—液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力Pp=16Mp。 P2—液压缸回油腔背压力，初算时按表估计：P2=0.8~1.5X（1+50%~100%），估计P2=1.2Mp。 F—工作循环中最大的外负载.F=4000N. Ffc—液压缸密封处摩擦力,它的精确值不易求得,常用液压缸的机械效率 进行估算 F+Ffc=, —液压缸的机械效率，一般 =0.9~0.97，取0.95，将以上代入 ，=0.63，得到D=74mm。 D取80mm，d取50mm. 对选定后的液压缸内径D，必须进行最小稳定速度的验算，要保证液压缸节流腔的有效工作面积A，必须大于保证最小稳定速度的最小有效面积Amin, 即 ， ——流量阀最小稳定流量， A==12246mm,Amin=4x106/60/200=333.3,A>Amin,说明液压缸可以保证最小稳定速度。 3、液压缸壁厚和外径的确定 液压缸壁厚由液压缸的强度条件来计算。 液压缸壁厚一般指缸筒结构中最薄处的壁厚。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异，一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。 液压缸的内径D与其壁厚的比值D/10圆筒称为薄壁圆筒，起重运输机械的液压缸一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按公式：， —液压缸壁厚（m）; D—液压缸内径（m）; Py—实验压力，一般取最大工作压力的1.25~1.5倍； []—缸筒材料的许用应力。[]=110MPa,[],取20mm。 4、 液压缸工作行程的确定 由表和实际情况选取400mm。 5、 最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此，设计时必须保证有一定的最小导向长度。对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求： L—液压缸的最大行程，L=400mm；D—液压缸的内径,D=80mm。 . 6、 缸体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于活塞杆的行程与活塞的宽度之和，缸体外形长度还要考虑到两端盖的厚度，一般液压缸缸体长度不应大于内径的20~30倍，即L1(20~30)X106=3200~4800mm 。 7 验算活塞杆的强度和稳定性： 由于活塞杆只受轴向载荷，因而采用如下公式进行验算： 35.7/D≤[]， 其中 F——液压缸输出力， []——活塞杆的许用压力（Mpa），当活塞杆为碳钢时，[]=100-120（Mpa），取[]=110（Mpa）。 由此可以得出： 35.7/63=74.45≤110， 所以活塞杆满足强度校核。 8 校核活塞杆的稳定性： 活塞缸承受压缩载荷时，如果活塞杆的计算长度与活塞杆的直径之比大于10时，需要对活塞杆纵向弯曲强度进行计算。本次设计中的活塞杆计算长度与活塞杆直径之比小于10，故无需进行纵向强度计算。 本机械手，我们较好的解决了偏距问题，应该没有偏心载荷的作用，可以采用等截面的方法来进行校核： 当L/k≥m*时，临界载荷为： P=*n*E*J/L*L 式中n为末端条件系数。 类型 n L C 一端固定，一端自由 0.25 2L 1 一端固定，一端铰接 2 L/2 1 两端铰接 1 L 0.5 两端固定 4 L/2 0.25 取一端固定。一端自由，即n=0.25 m为柔性系数选用铸铁的柔性系数，即m=70 k为活塞杆的回转半径，本次设计的活塞杆为实心活塞杆，即k==，其中为活塞杆的直径。 L为活塞杆的计算长度，也就是活塞杆在最大伸出距离时，活塞杆支点与液压缸安装点之间的距离。 E为活塞杆的弹性模量，取E=2.1*10Mpa 代如以上数值，可以得到： L/k=596/63/4=37.8≥70*此式成立，故临界载荷为： P=3.14*3.14*0.25*2.1*10*63*3.14/64*596=11.3*10（N） 而本次设计的液压缸最大工作载荷为17263N，可见，液压缸满足稳定性的要求。 注：取液压缸的机械效率=0.96 4.7 底座的设计 底座是整个机体重量的最终承受者，同时，机械手的转动部分就是在在机作内部实现的。当机身转动时，为了不影响机身的油缸内不通油，我们运用了配油盘。 机身的传动路线为：电机轴上装有第一级带传动的小带轮，通过同步齿形带原装在中间轴下方的大带轮组成第一级传动，中间轴上方装有第二级带传动的小带轮，通过同步齿形带与安装在配有盘心轴下方的大带轮组成第二级传动。 我们选取45BF003-Ⅱ步进电机。 总传动比为： 其中， 对于底座传动带的设计计算如下： 首级传送带： 1）传递名义功率： P = 2.2 KW; 2) 主动轴转速=从动轴转速 3) 原动机 2.2kw 异步电动机 4）运转时间 每天24小时 5) 中心距要求： a= 100mm （2）传送带的节距和型号 1）计算设计功率 a) 由表6-61查的载荷的修正系数 b) 计算设计功率 2） 传送带型号和节距 由 。查图6-9节距代号为H。对应节距为 H ： s 12.7 40 6.12 2.29 3.66 3) 确定带直径和节线长 1 由表6-69。H 形带，带轮转速 最小齿数 Z = I4 ，取Z=14 按照标准带轮齿数，取 小带轮直径 6 选择带长 = 497.4mm 查表6-59，同步带长GB11616-89，取 7 传动中心距： （8） 选择标准带宽 4 确定基准额定功率 按照标准带轮齿数，取 转速。 由表6-60，内插法，H型带基准额定功率 。 2 确定额定功率 A 啮合齿数 则： B 带宽系数 （同步带基准带宽） C 确定额定P 3 选择带宽： 根据设计要求， 则可以得到： 按表 6- 58，查 mm （9） 结果整理 1 选用H型同步带 mm 2 带轮 传送带中心距近似计算的： 4.8 滚动轴承的选择 选择轴承时，首先必须了解和掌握所需配备轴承的机械设备性能，再根据各类轴承的技术特性和具体工作条件等要求进行轴承类型的选择，最终应该满足设备的使用要求。具体选择时可以参考以下几个方面： 1 轴承的载荷 轴承所承受载荷的大小、方向、和性质是选择轴承类型的主要依据。 一般棍子轴承的承载能力大于求轴承，并且承受冲击载荷的能力强，所以载荷较大的工作场合，优先选用棍子轴承。 轴承承受纯径向载荷时，可以选用深沟球轴承，圆柱滚子轴承或者滚针轴承；所承受纯轴向载荷，可选用推力轴承；当径向载荷和轴向载荷联合作用时，一般选用角接触球轴承和圆锥滚子轴承；若径向载荷很大，而轴向载荷很小时，也可以选用深沟球轴承，若轴向载荷很大，径向载荷较小时，可用推力调心滚子轴承，也可用圆柱滚子轴承或者深沟球轴承和推力轴承联合使用。 2 支撑限位要求： 可以承受双向轴向载荷的轴承，可以作固定支撑用。只承受单向轴向载荷的轴承可以作单向限位支撑。游动支撑轴向不限位，可使轴在支撑上自由伸缩游动，此时可用内，外圈不可分的向心轴承在座孔内游动，也可以用内，外圈可用的圆柱滚子轴承，其内，外圈相对游动。 3 轴承的调心性能 当轴的中心线与轴承座中心线由于加工、安装等误差的影响而不重合时，或因受力后使轴向弯曲而挠度较大时，会造成轴承的内外圈轴线发生偏斜，这时应该选用调心性能好的调心球轴承或者调心滚子轴承，使轴的偏转角控制在需用值以内，否则会降低轴承寿命。 4 轴承的安装和拆卸 方便地装拆轴承，也是选用轴承类型时应该考虑的因素之一。当轴承座保护是剖分式而必须沿轴向安装和拆卸轴承时，应优先选用内外圈可分离的轴承。 4.9 联轴器的选择 联轴器是机械传动中的一种常用轴系部件，它的基本功用是联接两轴，并传递动力和转矩。 联轴器联接的两轴，只有在及其停车后并经过拆卸才能被彼此分开。在机械中应用联轴器，可以方便地将组成机器的各个部分连接起来，有利于机器的设计、制造、运输和维修。 联轴器的类型很多，通常根据相对位移有无补偿能力划分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。 刚性联轴器对相对位移无补偿能力，且全部由刚性零件组成，也没有缓冲减震能力，故适用于被联接的两轴严格对中，在和平稳的场合。 挠性联轴器因具有挠性，对相对位移具有补偿能力。他按是否具有弹性元件又分为无弹性元件的脑性联轴器和有弹性元件的脑性联轴器两种。有弹性元件的挠性联轴器，可以依靠弹性元件的变形与蓄能性来缓冲、减振、改善传动系统的工作性能。 此次设计，我们选用的是梅花形弹性联轴器。它的特点是结构简单，具有良好的缓冲、减振能力，补偿两轴相对位移量大，工作温度范围广，适用范围也广，可以用于各种中小功率传动的轴系。 连轴器的选择： 1) 类型的选择： 选择梅花形弹性联轴器。 2) 载荷计算： 公称转矩： T=9550*P/n=9550*0.2/3000=0.64N*m 式中：P为电动机的功率； n为电动机转速。 由《机械设计》表14-1得，转矩变化比较小，原动机为电动机， 所以，Ka=1.3 根据《机械设计》公式14-1，计算转矩为 Tca=Ka*T=1.3*0.64=0.832N*m 3) 型号的选择： 从GB4323-84中查得，选择Tl1，许用转矩为6.3N*m，最大许用转速为6600r/min，轴径为9~24mm，所以适合。 4.10 械手的基本参数 圆柱坐标式机械手 机身回转： ，实际需要回转角度是45； 手臂上下升降： 82mm 手臂升缩： 80mm 抓紧动作： 行程27mm 第五章 中间轴轴径估计 一、估轴径 为了绘制轴和轴承部件的结构，确定轴的支撑距离和作用力的位置，先初估轴径。 轴径估计公式为： 　　　　立轴　　取Ｃ＝110 则 ； ； 因为此两轴均有键槽，应增大3%，则 立轴　　d1=1.03×22.4=23mm 圆整为 d1=25mm； 二、零件的强度校核 （一）、轴的强度校核计算 1、 定出轴的支撑距离及轴上零件作用力的位置，如图（a） 2、 轴的简化与校核 （1）轴的简化力学模型 将轴简化为铰支座（一端固定铰链，另一端活动铰链）的简支梁 （2）绘制轴的受力简图（图b） （3）作弯矩图，作出水平弯矩图（图c） （4）由所作弯矩图判断出截面弯矩最大处最危险，计算其弯矩。 P=Fv,v=2rn,所以, M=F1xl=0.9x31.51=28.36Nm=28360Nmm 3、轴的校核计算 如图截面，载荷大,有轴肩，存在应力集中，比较危险，应对此截面进行校核计算。 根据第三强度理论进行校核： ＝ 轴使用45号钢，查得=353MPa 故该轴可以正常工作。 2 滚动轴承的寿命校核 1、 轴承的选择 根据装轴承处的轴径d=￠25,且受到较小的轴向载荷，所以选择7205C型角接触球轴承。 2、 求两处轴承的径向载荷 A处轴承： C处轴承： 看出C处轴承径向载荷较大，所以对C处轴承进行校核。 3、 滚动轴承的寿命校核 ① 当量动载荷的计算 对于角接触球轴承，当量动载荷P为：P= 查得=1.2 ，所以 ② 寿命校核 寿命校核公式为： ——轴承的寿命（单位为h）; n——轴承的转速r/min n=9 r/min; C——基本额定动载荷, 查得7204C型角接触球轴承的C=27000N; P——当量动载荷 ，P=3216N.;——取3 3 键联接的强度校核 1、 键的强度校核 （1）、选择键联接的类型和尺寸 一般8级以上精度的齿轮有定心精度要求，应选用平键联接。由于齿轮在轴端，故选用圆头普通平键（A型）。 根据d=22mm,选用键：宽度b=8mm,高度h=7mm.。由轮毂宽度并参考键长系列，取键长L=12mm. 故选用键的型号为 ：键8×12GB1096—1979。 （2）、键的强度校核 键的强度校核公式为： T——传递的转矩 T=53.1 N.m K——键与轮毂键槽的接触高度。K=0.5×10=5mm; ——键的工作长度 =L—b=12—8=4mm; d——轴的直径 d=22mm; 查得许用挤压应力~120Mpa，取其平均值Mpa ≤ Mpa 所以，键可以正常工作。键的型号为 ：键8×12GB1096—1979。 第六章 电器图设计 由于机械手是按照一定的轨迹来运行的，而这些轨迹需要我们给出准确的定位，然后机械手才能够去准确的执行。而这一轨迹，需要我们去测试，这就是平时我们所知的信息检测与处理。这一仗我们的任务就是在充分了解其工作程序后，选择合适的电路，合适的上微机，完成系统工作的电器图。 6.1 微机测控系统的基本组成 微机测控系统包括微机测试系统与微机控制系统两个部分，微机测试系统即以测试为目的，微机控制系统以控制为目的。 6.1.1 测控系统的硬件组成 测控系统的硬件可以分为主机、输入输出通道、常规外部设备、接口电路、运行操作台、系统总线等。硬件组成如图： 工 业 对 象 人机对话设备 接口 系 统 总 线 接 口 A/D 转换 采样设备 传感元件 主 机 开关量输入 图 6.1 6.1.2 测控系统软件组成 软件通常分为两大类，一类是系统软件，另一类是应用软件。 6.1．3 模拟信号的检测 检测系统的功能是利用传感器从被测对象中提取所需要的信号，并把该信号转化成电信号，在经过中间变换电路将信号放大，转换，传输等，以便进行下一步的处理。 传感元件 传感器 基本转换电路 放大器 滤波器 模数转换 计算机 图6.2 模拟信号检测系统的基本组成 6.1.4 传感器 电感传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量测量的一种装置。可以用来测量位移，振动，压力，应变，流量，密度等参数。 电感传感器的种类很多，根据转换原理不同，可分为自感式和互感式两种；柑橘结构形式的不同，可分气隙式和螺管型两种。 电感传感器和其他类型传感器相比，具有以下优点： （1） 结构简单，可靠，测量力小（衔铁重为（0.5-200）X0.00001N时，磁吸力为（1-10）X0.00001N ; （2） 分辨力高，，能测量0.1微米，甚至更小的机械位移，能感受0.1秒的微小角位移。传感器的输出信号强，电感灵敏度一般每一毫米可以达到数百毫伏，因此有利于信号的传输和放大。 （3） 重复性好，线形度优良。在一定位移范围（最小几十微米，最大达数十甚至数百毫米）内，输出特性的线形度较好，且比较稳定。 当然，电感传感器也有不足之处，如存在零点残余电压，不易于高频动态测量等。 6.1.4.1自感式电感传感器 自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。 一、自感式电感传感器的工作原理 （一）变间隙型电感传感器 变间隙型电感传感器的结构示意图如图2-1所示。 图6.3 1.线圈 2.铁芯 3.衔铁 传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。 线圈的电感可用下式表示： (6-1) 式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。 对于变间隙式电感传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为 (6.2) 式中，l1为铁心磁路长；l2为衔铁磁路长；A为截面积；µ1为铁心磁导率；µ2为衔铁磁导率；µ0为空气磁导率；δ为空气隙厚度。 因此有： （6-3） 一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为： （6-4） 由上式可以看出传感器的灵敏度随气隙的增大而减小。为了发送非线性，气隙的相对变化量要很小，但过小又将影响测量范围，所以要兼顾考虑两个方面。 （二）变面积型电感传感器 由变气隙型电感传感器可知，气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化面改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意图见图6-2。 通过对式（6-4）的分析可知，线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积A却是成正比，是一种线性关系。特性曲线参见图6-3。 图 6-4 便面积型电感传感器 图6-5 电感传感器特性 （三）螺管型电感式传感器 图6-4为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。 图6-6 螺管型电感传感器 设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导率为µm，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为 （6-5） 通过以上三种形式的电感式传感器的分析,可以得出以下几点结论: ● 变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难. ● 变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使用比较广泛. ● 螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种电感式传感器. (四)差动电感传感器 在实际使用中,常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁,构成差动式电感传感器,这样可以提高传感器的灵敏度,减小测量误差. 图6-6是变间隙型、变面积型及螺管型三种类型的差动式电感传感器。 差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同，两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同。 差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等影响，也可以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。 图6-7 差动式电感传感器 a) 变间隙型 b) 变面积型 c) 螺管型 二、自感式电感传感器的测量电路 交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图6。8是交流电桥的几种常用形式。 （一）电阻平衡臂电桥 电阻平衡臂电桥如图a所示。Z1、Z2为传感器阻抗。高R’1=R’2=R’;L1=L2+L;则有Z1=Z2=Z=R’+jwL,另有R1=R2=R。由于电桥工作臂是差动形式，则在工作时，Z1=Z+△Z和Z2=Z—△Z，当ZL→∞时，电桥的输出电压为 （6-6） 当ωL＞＞R’时，上式可近似为： (6.7) 图6-8 交变电桥的几种形式