微型軸承外表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)線設(shè)計(jì)
微型軸承外表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)線設(shè)計(jì),微型,軸承,外表,缺陷,缺點(diǎn),自動(dòng)檢測(cè),設(shè)計(jì)
微型軸承外表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)線設(shè)計(jì) 史永杰 機(jī)械科學(xué)與工程及自動(dòng)化
第一章 論述
1.1前言
檢測(cè)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(cè)技術(shù)已不能滿(mǎn)足其需要,表現(xiàn)在:現(xiàn)代制造產(chǎn)品種類(lèi)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(cè),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(cè)技術(shù)。
計(jì)算機(jī)工業(yè)圖象檢測(cè)是將計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)的一門(mén)交叉學(xué)科。計(jì)算機(jī)視覺(jué),指的是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)景物的圖象進(jìn)行識(shí)別],以實(shí)現(xiàn)對(duì)人視覺(jué)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(cè)環(huán)節(jié)的問(wèn)題,以取代落后的人工檢測(cè),提高檢測(cè)效率和工業(yè)自動(dòng)化水平,構(gòu)成帶視覺(jué)環(huán)節(jié)的反饋控制系統(tǒng)。視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、速度快、精度合適、現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)等突出的優(yōu)點(diǎn),能很好地滿(mǎn)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(jué)檢測(cè)技術(shù)是建立在計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究基礎(chǔ)上的一門(mén)新興檢測(cè)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(cè)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(shí)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(duì)各種軸承的加工質(zhì)量檢測(cè)一直是軸承加工廠家關(guān)心的問(wèn)題。
1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀
目前我國(guó)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(duì)產(chǎn)品感官指標(biāo)的檢測(cè)還要借助于人的視覺(jué)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(cè)軸承接觸面的方法來(lái)測(cè)量齒面加工精度,這種檢測(cè)方法是不足以勝任的,因?yàn)闄z測(cè)質(zhì)量的結(jié)果依據(jù)各個(gè)檢測(cè)員而不同。雖然座標(biāo)檢測(cè)機(jī)能對(duì)齒面進(jìn)行批量檢測(cè),但目前市售測(cè)量機(jī)不能精確地檢測(cè)軸面周邊和不規(guī)則的表面,而且此類(lèi)檢測(cè)機(jī)需要相當(dāng)長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間。且該檢測(cè)機(jī)的自動(dòng)化程度不高,檢測(cè)產(chǎn)品單一,且開(kāi)發(fā)費(fèi)用較高，與我國(guó)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(zhǎng)足發(fā)展。
1.3 課題研究?jī)?nèi)容
基于機(jī)器視覺(jué)（圖像識(shí)別）的監(jiān)測(cè)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(duì)目前軸承檢測(cè)過(guò)程中暴露出的問(wèn)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(cè)技術(shù)，用以替代落后的人工檢測(cè)。而采用基于計(jì)算機(jī)的視覺(jué)檢測(cè)和圖象處理技術(shù),設(shè)計(jì)一軸承外表的自動(dòng)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng),成為我們必然的選擇。
本文根據(jù)我國(guó)目前的檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展水平，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，發(fā)展現(xiàn)狀，今后的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)可以在企業(yè)內(nèi)部使用的基于圖像識(shí)別模式的檢測(cè)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(guò)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(dòng)化，準(zhǔn)確化檢測(cè)，提高了檢測(cè)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(shí)別技術(shù)的軸承檢測(cè)系統(tǒng)是提高精確化，高速化，自動(dòng)化檢測(cè)的重要方法，目前圖象檢測(cè)技術(shù)在諸如:液面和厚度的自動(dòng)檢測(cè)、焊縫自動(dòng)跟蹤、集成電路芯片焊點(diǎn)的自動(dòng)定位、零件表面壞損的自動(dòng)檢測(cè)、印刷電路板表面缺陷的自動(dòng)檢測(cè)等領(lǐng)域都已有較好的應(yīng)用。
因此通過(guò)光-電技術(shù)、圖象識(shí)別處理技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等,對(duì)“對(duì)軸承的感官指標(biāo)進(jìn)行在線圖象檢測(cè)”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(cè)技術(shù)主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
①100%的檢測(cè)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(wèn)題;
③可以降低檢測(cè)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(jué)檢測(cè)系統(tǒng),在線工作。生產(chǎn)流水線中被測(cè)軸承按照一定的節(jié)拍在輸送帶上運(yùn)動(dòng),由機(jī)械手在特定的位置將其搬到戴檢測(cè)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(dòng)同步進(jìn)行;被測(cè)軸承的各檢測(cè)項(xiàng)目信息處于特定的背景中,通過(guò)圖象預(yù)處理將其從中提取出來(lái),與設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)模板匹配,即對(duì)已有的模板與被檢測(cè)物體進(jìn)行分析,對(duì)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(guò)相似度值來(lái)判斷模板與被檢測(cè)物體是否相同或相似,同時(shí)將檢測(cè)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(duì)軸承加工質(zhì)量的正確分類(lèi)(一定要求的正品和廢品)。因此,該視覺(jué)檢測(cè)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(dòng)控制系統(tǒng);輸出檢測(cè)結(jié)果系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)。其一般過(guò)程如圖1所示。具體工作流程如下：
1 當(dāng)啟動(dòng)檢測(cè)線，第一個(gè)軸承到位以后，經(jīng)過(guò)視覺(jué)傳感器，判斷目標(biāo)是否到位，然后由控制機(jī)發(fā)出啟動(dòng)機(jī)械手甲的指令，當(dāng)甲手啟動(dòng)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(cè)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(dòng)CCD，進(jìn)行第一個(gè)目標(biāo)檢測(cè)，經(jīng)過(guò)一系列的圖像處理，判斷圖形真?zhèn)?，然后傳給控制機(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(dòng)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(wèn)題分析
軸承質(zhì)量的檢測(cè)方法,檢測(cè)系統(tǒng)，既要適應(yīng)檢測(cè)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(mǎn)足一定的實(shí)時(shí)性要求.由于生產(chǎn)過(guò)程中,必須對(duì)每一個(gè)軸承都進(jìn)行檢測(cè),這就要求圖像檢測(cè)、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(duì)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(cè),需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(cè)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(lái),是整個(gè)檢測(cè)任務(wù)中的首要問(wèn)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(cè)一軸承.這樣,每當(dāng)開(kāi)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(hào),并送給計(jì)算機(jī)以啟動(dòng)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(hào)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(chǎng)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(méi)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(hào)送給計(jì)算機(jī),通知計(jì)算機(jī)在從視頻采集卡送來(lái)的視頻流中截獲一幀圖像.由于生產(chǎn)線給出的同步信號(hào)的周期取決于所要檢測(cè)的軸承在運(yùn)動(dòng)方向的長(zhǎng)度。.因此,大多數(shù)情況下,同步信號(hào)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(chǎng)中心位置的瞬間,生產(chǎn)線發(fā)出同步信號(hào)通知計(jì)算機(jī)試圖采集此時(shí)的視場(chǎng)景物圖像,然而大多數(shù)情況下此時(shí)的視場(chǎng)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(chǎng),這就需要把攝像區(qū)擴(kuò)大,以使目標(biāo)不會(huì)偏出,但也不能過(guò)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(cè)識(shí)別時(shí)就需要跟蹤這種錯(cuò)位導(dǎo)致的抖動(dòng)以捕獲到目標(biāo).
（3）機(jī)械手跟生產(chǎn)線，CCD的同步問(wèn)題。當(dāng)?shù)匾粋€(gè)軸承到位以后，經(jīng)過(guò)傳感器的判斷，由控制機(jī)發(fā)出啟動(dòng)機(jī)械手甲的指令，當(dāng)甲手啟動(dòng)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(cè)位置時(shí)，控制機(jī)發(fā)出指令，CCD動(dòng)作。進(jìn)行第一個(gè)目標(biāo)檢測(cè)，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(dòng)作，將目標(biāo)放到廢品箱，如果沒(méi)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(dòng)；要求機(jī)械手為四軸聯(lián)動(dòng)，這樣，就對(duì)機(jī)械手的內(nèi)部構(gòu)造，動(dòng)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(cè)系統(tǒng)的組成
基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的軸承缺損檢測(cè)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(cè)區(qū)和分離區(qū)。在檢測(cè)區(qū),通過(guò)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(duì)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(duì)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(dòng)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(hào)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(shuō)明書(shū)2.5萬(wàn)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(dòng)化是十分必要的。自動(dòng)上下料裝置使散亂的中小型工件毛胚經(jīng)過(guò)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(cè)是大批量生產(chǎn)，要求檢測(cè)率高，機(jī)動(dòng)工時(shí)短，
3.1 自動(dòng)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(lèi)型，尺寸，形狀，從必要性和可能性綜合考慮合理的自動(dòng)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(píng)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(dòng)強(qiáng)度；
2）工作穩(wěn)定可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)噪音小，不會(huì)損傷工件，使用壽命長(zhǎng)；
3）結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)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(dòng)，齒形傳動(dòng)，嚙合傳動(dòng)，流體傳動(dòng)，電力傳動(dòng)等。而每一個(gè)傳動(dòng)有很多類(lèi)型，比如嚙合傳動(dòng)中的鏈傳動(dòng)：套筒輥?zhàn)渔?，套筒鏈，齒形鏈等。經(jīng)過(guò)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(jiǎn)介
一、同步帶傳動(dòng)的特點(diǎn)及應(yīng)用
同步帶傳動(dòng)具有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。
同步帶傳動(dòng)由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力（見(jiàn)圖7–21），故帶與帶輪間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)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(dòng)時(shí)的線速度可達(dá)50m/s，傳動(dòng)比可達(dá)10，效率可達(dá)98％。傳動(dòng)噪音比帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)小，耐磨性好，不需油潤(rùn)滑，壽命比摩擦帶長(zhǎng)。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(dòng)比準(zhǔn)確的中、小功率傳動(dòng)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(jiǎn)稱(chēng)單面帶和雙面帶。雙面帶又有對(duì)稱(chēng)齒型（DI）和交錯(cuò)齒型（DII）之分（見(jiàn)圖7–21）。同步帶齒有梯形齒和弧形齒兩類(lèi)。同步帶型號(hào)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(dòng)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(chēng)為節(jié)距，以p表示。節(jié)距是同步帶傳動(dòng)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(zhǎng)度不變的周線，稱(chēng)為節(jié)線，節(jié)線長(zhǎng)以LP表示。
同步帶帶輪的齒形推薦采用漸開(kāi)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(shuō)明
設(shè)計(jì)功率Pd
kW
Pd=(k0+k1+k2)P
k0—工況因數(shù)，見(jiàn)表13158
k1—張緊輪影響因數(shù)，見(jiàn)表13159
k2—增速傳動(dòng)因數(shù)，見(jiàn)表13160
P—傳動(dòng)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(jiàn)表13-1-61
小帶輪節(jié)圓直徑d1
mm
帶速v
m/s
型號(hào)
MXL，
XXL，XL
L，H
XH
XXH
vmax
40～50
35～40
25～30
傳動(dòng)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(zhǎng)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(jiàn)表13-1-64
m—帶寬為bso的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，kg/m，見(jiàn)表13-1-64
帶寬bs
mm
按表13147選定
bso—選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度，mm，見(jiàn)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(dòng)要求
1）傳遞名義功率： P = 2.2 KW;
2) 主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速=從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速
3) 原動(dòng)機(jī) 2.2kw 異步電動(dòng)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(hào)
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(hào)和節(jié)距
由 。查圖6-9節(jié)距代號(hào)為H。對(duì)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(zhǎng)
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(zhǎng)
查表6-59，同步帶長(zhǎng)GB11616-89，取
3 傳動(dòng)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(dòng)帶
1）傳遞名義功率： P = 2.2 KW;
2) 主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速=從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速
3) 原動(dòng)機(jī) 2.2kw 異步電動(dòng)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(hào)
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(hào)和節(jié)距
由 。查圖6-9節(jié)距代號(hào)為H。對(duì)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(zhǎng)
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(dòng)比
按照標(biāo)準(zhǔn)帶輪齒數(shù)，取
小帶輪直徑
4 選擇帶長(zhǎng)
= 15995.42mm
查表6-59，同步帶長(zhǎng)GB11616-89，取
5 傳動(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)，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(lái)的一門(mén)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(dòng)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(dòng)、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(mén)的重視，并越來(lái)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(dòng)化車(chē)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(lái)裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中
它可以用來(lái)組裝零部件。
(3) 可在勞動(dòng)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(dòng)。
（4） 可在危險(xiǎn)場(chǎng)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(kāi)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(dòng)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(dòng)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(duì)在線運(yùn)行的軸承的抓取，并將它放到待檢測(cè)位置，這個(gè)位置是固定不動(dòng)的。等檢測(cè)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(lái)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(cè)系統(tǒng)中需要兩個(gè)機(jī)械手。他的動(dòng)作則需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，升降運(yùn)動(dòng)，伸縮運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，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(cè)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(dòng)作和一個(gè)抓手動(dòng)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(dòng)作，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制底盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)作由油缸控制?？刂葡洳糠钟呻娫础纹瑱C(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及相應(yīng)的按鈕組成。
以下是此次我們?cè)O(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(dòng)作順序，此為一個(gè)循環(huán)
機(jī)械手甲開(kāi)始動(dòng)作
甲手完成下降、抓取目標(biāo)、上升、將目標(biāo)放到檢測(cè)點(diǎn)
機(jī)械手乙啟動(dòng)
CCD開(kāi)始檢測(cè)（甲手返回A 上方）———檢測(cè)結(jié)束
乙完成轉(zhuǎn)動(dòng)，下降，抓取目標(biāo)，上升，
機(jī)械手甲啟動(dòng)
乙繼續(xù)完成轉(zhuǎn)動(dòng)，下降，放物，上升，縮回B點(diǎn)，
序號(hào)
動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(hào)
動(dòng)作（機(jī)械手乙）
時(shí)間（s）
1
CCD檢測(cè)結(jié)束，發(fā)出啟動(dòng)機(jī)械手乙指令
共需2S
2
由B上方轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)作，到檢測(cè)完畢機(jī)械手乙動(dòng)作并在C點(diǎn)將目標(biāo)抓取到手后機(jī)械手甲開(kāi)始下一個(gè)動(dòng)作，完成了一個(gè)循環(huán)。則經(jīng)過(guò)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(dòng)到T=1.3; CCD攝像機(jī)工作時(shí)間為T(mén)2=2s 乙手動(dòng)抓住目標(biāo)T3=0.6
此時(shí)，甲手開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)，也就是說(shuō)，當(dāng)乙手往起升的時(shí)候，甲手剛好下降。
則。總的循環(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(kāi)始工作，各個(gè)機(jī)器啟動(dòng)之后，他們的工作周期都是4s,即：每隔4s鐘動(dòng)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?cè)O(shè)計(jì)的手部的大小，形狀。經(jīng)過(guò)分析，我們?cè)O(shè)計(jì)的手部是手指式手部。我們?cè)O(shè)計(jì)的是手指式手部。手指式手部是以手指的張開(kāi)和閉合來(lái)抓持工件，它對(duì)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(kāi)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(dòng)，而且，在檢測(cè)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(dòng)平穩(wěn)，尤其要求定位精度高。因此，必須對(duì)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(mǎn)足要求。
下面按類(lèi)別對(duì)設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)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(guò)程中所產(chǎn)生的動(dòng)載荷。
3 手指應(yīng)有一定的開(kāi)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(dòng)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(duì)表面質(zhì)量要求很高，在抓取的時(shí)候，不能對(duì)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(guò)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(lái)改變工件的位置，手部在空間的活動(dòng)范圍主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)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(wèn)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(lái)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?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)。有一個(gè)電機(jī)經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器直接帶動(dòng)絲杠軸，實(shí)現(xiàn)了伸縮運(yùn)動(dòng)。
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(dòng)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(dòng)。
液壓傳動(dòng)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(dòng)作循環(huán)和主要技術(shù)要求，如運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、動(dòng)作精度、動(dòng)作連鎖、自動(dòng)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(dòng)、沖擊、塵砂、腐蝕或者易燃等。
（3）其他要求，如對(duì)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(wèn)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(dòng)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(duì)升降運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)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(duì)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(shuō)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(lái)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(chēng)為薄壁圓筒，起重運(yùn)輸機(jī)械的液壓缸一般用無(wú)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(zhǎng)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(dòng)支承面中點(diǎn)的距離H稱(chēng)為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)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(zhǎng)度。對(duì)一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)滿(mǎn)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(zhǎng)度的確定
液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞桿的行程與活塞的寬度之和，缸體外形長(zhǎng)度還要考慮到兩端蓋的厚度，一般液壓缸缸體長(zhǎng)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(mǎn)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(zhǎng)度與活塞桿的直徑之比大于10時(shí)，需要對(duì)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(zhǎng)度與活塞桿直徑之比小于10，故無(wú)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(wèn)題，應(yīng)該沒(méi)有偏心載荷的作用，可以采用等截面的方法來(lái)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(lèi)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(zhǎng)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(jiàn)，液壓缸滿(mǎn)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(dòng)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(dòng)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(pán)。
機(jī)身的傳動(dòng)路線為：電機(jī)軸上裝有第一級(jí)帶傳動(dòng)的小帶輪，通過(guò)同步齒形帶原裝在中間軸下方的大帶輪組成第一級(jí)傳動(dòng)，中間軸上方裝有第二級(jí)帶傳動(dòng)的小帶輪，通過(guò)同步齒形帶與安裝在配有盤(pán)心軸下方的大帶輪組成第二級(jí)傳動(dòng)。
我們選取45BF003-Ⅱ步進(jìn)電機(jī)。
總傳動(dòng)比為： 其中，
對(duì)于底座傳動(dòng)帶的設(shè)計(jì)計(jì)算如下：
首級(jí)傳送帶：
1）傳遞名義功率： P = 2.2 KW;
2) 主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速=從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速
3) 原動(dòng)機(jī) 2.2kw 異步電動(dòng)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(hào)
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(hào)和節(jié)距
由 。查圖6-9節(jié)距代號(hào)為H。對(duì)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(zhǎng)
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(zhǎng)
= 497.4mm
查表6-59，同步帶長(zhǎng)GB11616-89，取
7 傳動(dòng)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(dòng)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(lèi)軸承的技術(shù)特性和具體工作條件等要求進(jìn)行軸承類(lèi)型的選擇，最終應(yīng)該滿(mǎn)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(lèi)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(chǎng)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(dòng)支撐軸向不限位，可使軸在支撐上自由伸縮游動(dòng)，此時(shí)可用內(nèi)，外圈不可分的向心軸承在座孔內(nèi)游動(dòng)，也可以用內(nèi)，外圈可用的圓柱滾子軸承，其內(nèi)，外圈相對(duì)游動(dòng)。
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(huì)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?xún)?nèi)，否則會(huì)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(lèi)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(dòng)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(dòng)力和轉(zhuǎn)矩。
聯(lián)軸器聯(lián)接的兩軸，只有在及其停車(chē)后并經(jīng)過(guò)拆卸才能被彼此分開(kāi)。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(lái)，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(lèi)型很多，通常根據(jù)相對(duì)位移有無(wú)補(bǔ)償能力劃分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器兩大類(lèi)。
剛性聯(lián)軸器對(duì)相對(duì)位移無(wú)補(bǔ)償能力，且全部由剛性零件組成，也沒(méi)有緩沖減震能力，故適用于被聯(lián)接的兩軸嚴(yán)格對(duì)中，在和平穩(wěn)的場(chǎng)合。
撓性聯(lián)軸器因具有撓性，對(duì)相對(duì)位移具有補(bǔ)償能力。他按是否具有彈性元件又分為無(wú)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(lái)緩沖、減振、改善傳動(dòng)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(jiǎn)單，具有良好的緩沖、減振能力，補(bǔ)償兩軸相對(duì)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(dòng)的軸系。
連軸器的選擇：
1) 類(lèi)型的選擇：
選擇梅花形彈性聯(lián)軸器。
2) 載荷計(jì)算：
公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩：
T=9550*P/n=9550*0.2/3000=0.64N*m
式中：P為電動(dòng)機(jī)的功率；
n為電動(dòng)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(dòng)機(jī)為電動(dòng)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(hào)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(dòng)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(jiǎn)化與校核
（1）軸的簡(jiǎn)化力學(xué)模型
將軸簡(jiǎn)化為鉸支座（一端固定鉸鏈，另一端活動(dòng)鉸鏈）的簡(jiǎn)支梁
（2）繪制軸的受力簡(jiǎn)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(duì)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(hào)鋼，查得=353MPa
故該軸可以正常工作。
2 滾動(dòng)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(duì)C處軸承進(jìn)行校核。
3、 滾動(dòng)軸承的壽命校核
① 當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算
對(duì)于角接觸球軸承，當(dāng)量動(dòng)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(dòng)載荷, 查得7204C型角接觸球軸承的C=27000N;
P——當(dāng)量動(dòng)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(lèi)型和尺寸
一般8級(jí)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(zhǎng)系列，取鍵長(zhǎng)L=12mm. 故選用鍵的型號(hào)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(zhǎng)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(hào)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(lái)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(cè)試，這就是平時(shí)我們所知的信息檢測(cè)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(cè)控系統(tǒng)的基本組成
微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)包括微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)與微機(jī)控制系統(tǒng)兩個(gè)部分，微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)即以測(cè)試為目的，微機(jī)控制系統(tǒng)以控制為目的。
6.1.1 測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成
測(cè)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(tái)、系統(tǒng)總線等。硬件組成如圖：
工
業(yè)
對(duì)
象
人機(jī)對(duì)話(huà)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(kāi)關(guān)量輸入
圖 6.1
6.1.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件組成
軟件通常分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是系統(tǒng)軟件，另一類(lèi)是應(yīng)用軟件。
6.1．3 模擬信號(hào)的檢測(cè)
檢測(cè)系統(tǒng)的功能是利用傳感器從被測(cè)對(duì)象中提取所需要的信號(hào)，并把該信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，在經(jīng)過(guò)中間變換電路將信號(hào)放大，轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)?，以便進(jìn)行下一步的處理。
傳感元件
傳感器
基本轉(zhuǎn)換電路
放大器
濾波器
模數(shù)轉(zhuǎn)換
計(jì)算機(jī)
圖6.2 模擬信號(hào)檢測(cè)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(cè)量的一種裝置。可以用來(lái)測(cè)量位移，振動(dòng)，壓力，應(yīng)變，流量，密度等參數(shù)。
電感傳感器的種類(lèi)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(lèi)型傳感器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，測(cè)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(cè)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(hào)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(hào)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(dòng)態(tài)測(cè)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(lèi)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(cè)物體連接，被測(cè)物體的位移將引起空氣隙的長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)；l2為銜鐵磁路長(zhǎng)；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(duì)變化量要很小，但過(guò)小又將影響測(cè)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(zhǎng)度不變，鐵心與銜鐵之間相對(duì)而言覆蓋面積隨被測(cè)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(chēng)之為變面積型電感傳感器，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖6-2。
通過(guò)對(duì)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(jiàn)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(cè)對(duì)象移動(dòng)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度la的關(guān)系可表示為
（6-5）
通過(guò)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(jiǎn)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(dòng)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(dòng)式電感傳感器,這樣可以提高傳感器的靈敏度,減小測(cè)量誤差.
圖6-6是變間隙型、變面積型及螺管型三種類(lèi)型的差動(dòng)式電感傳感器。
差動(dòng)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(dòng)式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對(duì)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(dòng)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(cè)量電路
交流電橋是電感式傳感器的主要測(cè)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(dòng)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(dòng)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
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