1、 重庆大学本科学生毕业设计（论文）机器视觉平台的结构设计与动态仿真学 生：袁沙学 号：20073062指导教师：廖强专 业：机械电子工程重庆大学机械工程学院二 O 一一年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityMachine vision platform structure design and dynamic simulationUndergraduate: Yuan ShaSupervisor: Prof. Liao Qiang Major: Mechatronics EngineeringCollege of Mechani
2、cal EngineeringChongqing UniversityJune 2011重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要摘 要近年来，视觉测量技术发展迅速，应用领域不断扩展，测量精度日益提高，但尚不能满足高科技发展，精密细微加工，在线检测等方面的要求。而传统的测量仪器只能在操作人员的牵引下完成对被测表面的测量，测量效率已经跟不上科研实验、生产加工的节奏。因而，研究人员不断寻求新的途径和手段，基于机器视觉的测量平台将机器视觉技术引入测量平台的测量过程中，通过处理采集到的视场图像，得到相机与被测表面的准确位置，被引导测量系统完成自动测量。该系统将测量平台的高精度特点与机器视觉技术的柔性相
3、结合，可以提高机器视觉测量平台的工作效率。本文从机器视觉技术出发，详细阐述了基于主动视觉的二维精密检测技术的基本原理、基本方法和在工程中的成功应用。并在平面二维检测的基础上，通过对主动视觉技术的研究，设计了一套主动视觉二维精密检测系统。该系统通过对目标边缘自动跟踪来计算目标的几何特征参数（如长度、直径、角度等），具有较高的测量精密。本文侧重于基于主动视觉的二维精密检测系统的机器视觉平台的结构设计与动态仿真。主要研究内容及结论如下：在二维精密检测基本原理的基础上，研究分析主动视觉系统在工程实践中的应用，提出基于主动视觉精密检测的整体方案。完成主要完成摄像机伺服移动平台、系统光学平台的设计、照明系
4、统的设计。搭建主动视觉精密检测平台，建立了一个全新的视觉测量空间坐标体系。实验证明，本文所完成的基于主动视觉的自准直跟踪系统的方案是可行的，有较高的检测和定位精度，位置精度为 ，角度精度达到 。52关键词：主动视觉，伺服移动平台，光学平台，三维测量重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTIn recent years, the rapid development of the visual measurement techniques, applications continue to expand, increasing accuracy, but still ca
5、n not meet the high-tech development, precision fine processing, and online testing and other requirements.The traditional measuring instruments can only be done under the traction operator on the measured surface measurement, measurement of efficiency has not keep up with scientific experiments, pr
6、oduction and processing of rhythm.Thus, researchers continue to seek new ways and means of measurement based on machine vision machine vision technology into the platform will be measured during the measurement platform, by processing the collected field image, get the camera and measured the exact
7、location of the surface was measurement system to complete the automatic measurement guide.The system features high-precision measurement platform with the flexibility of machine vision technology combined with machine vision measurement platform can improve the work efficiency.This departure from t
8、he machine vision technology, detailed two-dimensional active vision based detection technology, the basic principles of precision, the basic methods and success in engineering applications.Detected in the two-dimensional, based on active vision technology through research, design a set of precise t
9、wo-dimensional active vision inspection system.The system automatically tracks the target edge of the target to calculate geometric parameters (such as length, diameter, angle, etc.), with a higher measurement precision.This paper focuses on two-dimensional active vision-based precision machine visi
10、on inspection system platform design and dynamic simulation. Main contents and conclusions are as follows:The basic principles of two-dimensional precision inspection, based on active vision system research and analysis in engineering practice in the application of active vision based precision test
11、ing proposed overall program.Completion of the camera server to complete the major mobile platform, the system optical platform design, lighting design.Active vision to build sophisticated detection platform, the establishment of a new coordinate system for visual measurement space.Experimental resu
12、lts show that the completion of this active vision-based tracking system of self-alignment scheme is feasible, a higher accuracy of detection and location, location accuracy, precision angle.重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTIKeywords：Active Vision, Servo mobile platform,Optical bench, Three-dimensional meas
13、urement重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录目 录中文摘要 .ABSTRACT1 绪论 .11.1 机器视觉概述 11.2 机器视觉技术的发展 .21.3 主动视觉及其特点 21.4 主动视觉系统的组成 .31.5 毕业设计的内容和意义 31.5.1 设计内容 31.5.2 设计意义 42 机器视觉平台伺服移动单元结构设计 .52. 1 机器视觉平台的组成及原理 62. 2 三维伺服移动单元 62.2.1 伺服移动平台方案设计 72.2.2 线性滑轨的选择计算 .72.2.3 精密滚珠丝杠的选择计算 .92.2.4 高品质伺服电机的选择计算 .122.2.5 弹性联轴器的选择 .142
14、.2.6 光栅尺的选择 .152. 3 系统光学平台 162. 4 三维伺服平台和光学平台检测报告 .162.5 本章小结 .173 机器视觉平台光学照明系统设计 183. 1 光源 .183. 2 照明系统 .183. 3 成像系统（远心光路的应用） 193 .4.照明系统设计 .203. 5 本章小结 .234 机器视觉平台的搭建与三维仿真 244.1 机器视觉三维伺服移动单元 244.2 机器视觉照明系统 274.3 本章小结 27重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录I5 机器视觉平台系统误差分析 285.1 系统误差分析 295.2 各轴垂直度误差分析 .295.3 本章小结 326
15、 总结 33参考文献 35重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论01 绪 论1.1 机器视觉概述用机器人代替人类去工作，让人类从枯燥冗繁的工作中解放出来一直是人类的梦想。虽然有许多工业机器人已经成功地应用于汽车、机械、电工电子、橡胶、食品、木材等诸多领域，但只能局限于做一些简单的、重复性的工作，究其发展与应用受限制的原因，主要是机器人智能程度不高，不能完全根据现场情况自主地进行工作。机器视觉技术最早起源于上世纪 50 年代的统计模式，虽然机器视觉技术相对其它技术，起步教晚，但其发展速度很快。由于机器视觉技术用摄像机与计算机模拟人类的眼睛与大脑，很大程度上提高了机器人的智能识别系统。把计算机
16、的高速性、可重复性与机器视觉的柔性相结合，可以大大提高机器人的柔性和自动化程度。通过摄像头采集被测工件的形状等轮廓参数(也可以采集色彩、纹理等信息)，通过图像处理得到被测工件的特征参数，用这些特征参数与预存的标准参数进行比较，判断被测工件是否合格，通过控制执行机构，带动传送平台上的被测工件移动到对应产品区域;通过这种机器视觉的检测方法，不仅测量效率比人工测量快，而且测量准确，因此类似的以机器视觉技术为基础的工件检测已经在很多工厂应用。在这一领域，主要有两类方法：一类是仿生学的方法，参照人类视觉系统的结构原理，建立相应的处理模块，完成类似的功能和工作；另一类是工程的方法，从分析人类视觉过程的功能
17、着手，并不去刻意模拟人类视觉系统内部结构，而仅考虑系统的输入和输出，并采用任何现有的可行手段实现系统功能。它主要具有以下几个特点：（1）精度高；作为一个精确的测量仪器，设计优秀的视觉系统能够对一千个或更多部件的一个进行空间测量。因为此种测量不需要接触，所以对脆弱部件没有磨损和危险。（2）连续性；视觉系统可以使人们免受疲劳之苦。因为没有人工操作者，也就没有了人为造成的操作变化。多个系统可以设定单独运行。（3）成本低效率高；随着计算机处理器价格的急剧下降，机器视觉系统成本效率也变得越来越高。一个价值一万美元的视觉系统可以轻松取代三个人工探测者，而每个工人每年需要二千美元的工资。另外，视觉系统的操作
18、和维持费用非常低。（4）灵活性；视觉系统能够进行各种不同的测量。当应用变化以后，只需软件做相应变化或者升级以适应新的需求即可。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论11.2 机器视觉技术的发展随着计算机科学、人工智能与数字信号处理技术的迅猛发展，人们开始把机器视觉作为一个重要的学术领域进行研究。从美国麻省理工学院 (MIT)Marr教授这一代人所做的奠基工作开始追溯，这门学科至少已有三四十年的历史。20 世纪 50 年代，机器视觉被归入模式识别学科，当时的研究工作主要集中在二维图像分析和识别上，如印刷体字符识别、工件表面质量检测、医学显微图片和航空图片的分析和解释等。60 年代，Rober
19、ts 通过计算机从图像中提取出诸如立方体、楔形体、棱柱体等规则物体的三维结构，并对物体形状及物体的空间关系进行描述，开创了以理解三维场景为目的的三维机器视觉的研究。70年代，己经出现了一些视觉应用系统。70 年代中期，麻省理工学院人工智能(Al)实验室正式开设“机器视觉” 课程，同时，MIT AI 实验室吸引了国际上许多知名学者参与机器视觉的理论、算法、系统设计的研究。可以说，对机器视觉的全球性研究热潮是从 20 世纪 80 年代开始的。到了 80 年代中期，机器视觉获得了蓬勃发展，新概念、新方法、新理论不断涌现，比如，基于感知特征群的物体识别理论框架、主动视觉理论框架、视觉集成理论框架等。国
20、内机器视觉发展的真正开始是 20 世纪 80 年代，20 世纪 90 年代进入发展期，近几年的发展尤为迅速。中国正在成为世界机器视觉发展最活跃的地区之一，其中最主要的原因是中国己经成为全球的加工中心，伴随着许多先进的生产线迁入中国，一些具有国际先进水平的机器视觉系统也进人中国。对这些机器视觉系统的维护和提升而产生的市场需求也将国际机器视觉企业吸引而至，国内的机器视觉企业在与国际机器视觉企业的学习与竞争中不断成长。1.3 主动视觉及其特点主要视觉是将摄像机固定在可以精确控制的移动平台上，并且摄像机的位置参数等信息可以被计算机所读取，可以进行实时判断测量。同时在主动视觉系统中，摄像机的移动可以根据
21、操作者的主观意愿来随意获取物体特性图像。主动视觉是当前计算机视觉发展的趋势和研究热点，在一些主动性要求高或者被动视觉中难以实现目标运动的场合，主动视觉体现出巨大的优势。它主要强调二点：一是认为视觉系统应具有主动感知的能力，如机器人视觉，人脸表情和人体行为的描述与识别；二是认为视觉系统应基于一定的任务或目的，如反恐领域人体识别与自动跟踪，高速移动目标的跟踪与三维重建，轮船船身表面的焊缝检测，汽车车身成型缺陷在线检测等。相对于被动视觉系统而言，主动视觉系统具有如下优势：已知相机运动参数的情况下，许多计算变得更加简单，重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论2如相机标定、立体视觉、运动视觉，尤其许
22、多非线性问题可以变成线性问题求解；其次主动视觉系统应具有主动感知的能力，它强调注视机制(Attention)，强调对分布于不同空间范围和时间段上的信号采用不同的分辨率有选择性地感知，这种主动感知既可在硬件层上通过摄像机物理参数的调整实现。它通过视觉处理与控制系统相连，构成了环境与系统的交互作用环，高效地完成假设检验、信息融合，与环境的交互作用实现。1.4 主动视觉系统的组成基于主动视觉的精密检测系统主要由以下几部分组成：主控计算机、成像单元（含光学镜头） 、照明单元、图像处理与分析单元、控制相机作三维运动的精密伺服移动单元、反馈环节等。其基本结构如图 1.1 所示。图 1.1 主动视觉精密测量
23、系统组成框图从视觉系统的运行环境分类，可分为基于 PC 系统和基于微处理控制器系统。基于 PC 的系统利用了其开放性，高度的编程灵活性和良好的 Windows 界面，同时系统总体成本较低。系统内含高性能图像捕获卡,一般可接多个镜头，配套软件方面，从低到高有几个层次，如 Windows95/98/NT 环境下 C/C+编程用 DLL，可视化控件 ActiveX 提供 VB 和 VC+下的图形化编程环境， 甚至 Windows 下的面向对象的机器视觉组态软件，用户可用它快速开发复杂高级的应用。在基于微处理控制器的系统中，视觉的作用更像一个智能化的传感器，图像处理单元独立于系统，通过串行总线和 I/
24、O 与微处理控制器交换数据。系统硬件一般利用高速专用 ASIC 或嵌入式计算机进行图像处理，系统软件保存在图像处理器中，通过类似于游戏键盘的简单装置对显示在监视器中的菜单进行配置，或在 PC 上开发软件然后下载。基于微处理控制器的系统体现了可靠性高、集成化，小型化、高速化、低成本的特点。 1.5 毕业设计的内容和意义1.5.1 设计内容重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论3机器视觉的应用之一就是用于零件的几何形状的测量，这是目前非接触测量的一个主要发展方向。该毕业设计的内容就是为实现零件几何形状的测量而搭建一个合适的平台并进行仿真。主动视觉二维精密检测平台硬件上主要包括光学平台、搭载相机
25、做精确移动的三维伺服移动平台、工件载物平台以及系统光学照明平台。由于主动视觉系统的精确测量以及系统标定等重要技术都与平面度以及空间几何位置有很大的关系。因此首先要选择具有较高平面度的光学平台，这样尽可能保证在平台上的其他装置保持在同一平面上。主动视觉单元主要搭载相机做自动边缘跟踪，应该具有较高的移动定位精度和分辨率。系统光学照明对目标的边缘的好坏有很大的影响，针对不同的检测量应制作加工专门的平台。本次毕业设计主要完成以下几个方面的内容：（1)完成结构设计分析，确定机构的支撑方案。（2）正确选用高品质伺服电机、精密滚珠丝杆、线性滑轨以及弹性联轴器，并 正确连接、装配。（3）在坐标轴上安装光栅等相
26、应的反馈元件。（4）完成三坐标伺服平台的设计，绘制相应的零件图、装配图。（5）进行整个三坐标伺服平台的动态仿真，满足相应的技术指标。（6）光学照明系统的设计分析。（7）机器视觉平台的误差分析。1.5.2 设计意义机器视觉系统通过图像获取装置(主要为 CMOS 摄像机和 CCD 摄像机)采集被测目标图像，然后将图像送至图像处理单元，根据像素分布和亮度、颜色等信息，进行目标尺寸、形状、颜色等的判别与测量，图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，实现目标的识别与定位，进而控制现场的设备动作，它是一种人工智能检测装置，可代替人来完成繁琐、细致的检测工作，以实现加工的无人智能诊断，提高产品的合格
27、率。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论4重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 机器视觉平台伺服移动单元的结构设计 52 机器视觉平台伺服移动单元的结构设计主动视觉二维精密检测平台硬件上主要包括光学平台、搭载相机做精确移动的三维伺服移动平台、工件载物平台以及系统光学照明平台。由于主动视觉系统的精确测量以及系统标定等重要技术都与平面度以及空间几何位置有很大的关系。因此首先要选择具有较高平面度的光学平台，这样尽可能保证在平台上的其他装置保持在同一平面上。主动视觉单元主要搭载相机做自动边缘跟踪，应该具有较高的移动定位精度和分辨率。系统光学照明对目标的边缘的好坏有很大的影响，针对不同的检测量应制
28、作加工专门的平台。2.1 机器视觉平台的组成及原理基于主动视觉的精密检测系统主要由以下几部分组成：主控计算机、成像单元（含光学镜头） 、照明单元、图像处理与分析单元、控制相机作三维运动的精密伺服移动单元、反馈环节等。其基本结构如图 2.1 所示。 图 2.1 主动视觉精密测量系统组成框图机器视觉测量平台，通过控制伺服位移平台，准确定位摄像头和被测工件，完成工件的自动测量。通过摄像头采集被测工件的形状等轮廓参数，通过图像处理得到被测工件的特征参数，用这些特征参数与预存的标准参数进行比较，判断被测工件是否合格。其基本原理如图 2.2 所示。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 机器视觉平台伺服移动
29、单元的结构设计 6图 2.2 机器视觉平台原理图2.2 三维伺服移动单元毕业设计的主要目标是在精密检测系统中完成对目标轮廓的描述，需要让相机围绕目标轮廓环绕一周，从而得到整个完整的目标轮廓边缘。该系统中所采用的相机是 JAI/PUNIX TM1327GE 相机，该相机采用加强版2/3”线阵扫描 CCD 图像传感器,其动态视场为 矩形目标区域 。m71.698.CCD 平面的像元数为 。每个像元的尺寸为 。)(104)(392VH 45.6采样频率为 30fp/s.系统中的光学镜头采用 4 倍远心物镜头，焦距为 。0因此视场的大小变为 ，像元尺寸变为 。m675 12系统的分辨率提高了 4 倍。
30、基于主动视觉的精密检测系统，主要是完成目标的几何尺寸的检测。我们首先要得到图像边缘轮廓信息，通过完整的边缘点来计算拟合出目标的直径、长度以及角度等参数。从实现方式上来看，首先我们要控制摄像机，围绕目标运动一周。将目标的边缘离散化，通过多幅图像来拼接出目标的边缘。因此我们的结构设计应首先满足功能上的要求。在高精度测量中，工件的边缘轮廓是由多幅图像缝合而成的，即搭载相机的工作平台要多次移动。因此，工作台的定位精度（机械误差）对测量精度的影响非常大，较大的误差会使图像的缝合产生错位，从而带来测量误差，甚至可能使轮廓跟踪无法结束，因为过大的错位会导致系统无法正确的判定起始点。因此我们在结构上拟采用以下
31、方案解决该问题如图 2.3。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 机器视觉平台伺服移动单元的结构设计 7平行度精度平行度控制器 精密滚珠丝杠副精密光栅编码器伺服电机 双列直线导轨摄像机图 2.3 控制及精密移动单元系统框图2.2.1 伺服移动平台方案设计移动平台主要由电机座、轴承座、工作台、底座、电机、联轴器、丝杆和导轨组成。其中电机采用高品质伺服电机，导轨采用圆形截面滚珠导轨，丝杠采用滚珠丝杠，联轴器采用弹性联轴器。根据设计要求，确定位移平台外形尺寸如下：底座尺寸（mm）： 长 宽 高：500 160 22工作台尺寸（mm）：长 宽 高：160 160 20丝杠受力：中心载荷 300N移动平
32、台技术参数表 2.1 行程 mm 中心负载 最大速度 重复定位精度300 30kg 50（mm/s） 3 m2.2.2 线性滑轨的选择计算由于需承受载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高、因此，选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。（1）导轨型式：直线滚珠导轨（2）导轨长度：ml460导轨受力：中心负载 W=300N， 因此本系统负载相对较小。查手册后得出MGN9H 型直线滚动导轨的额定动载荷为 850N，大于实际动载荷；因此采用 SBC直线导轨，型号为 SBG15SL。并采用两列两个直线滚动导轨来实现移动平台的支撑。重庆大学本科学生毕业设计（论
33、文） 2 机器视觉平台伺服移动单元的结构设计 8（3）滑轨参数滑轨参数单位：mm 表 2.2安装尺寸 滑块尺寸安装孔尺寸 注油嘴型号高度 HE W2 宽度W长度 L B*J M*1L1 K T安装孔T1 NSBG15SL28 2.8 9.5 34 58.8 26*26 M4*5 38.8 25.2 8 3.5 8 5单位：mm（4）计算滚动导轨副的距离额定寿命 L滚动导轨副的距离额定寿命可用下列公式计算：导轨尺寸 承载量 重量静态力矩(N.m)宽W1高H1螺距F螺栓孔 d*D*hG 导轨的最大长度动态C(N)静态C0(N)MP0 MP0 MP0滑块N导轨N/m15 15 60 4.5*7.6*
34、5.3 20 3000 850 1370 7 5 5 0.2 1.45重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 机器视觉平台伺服移动单元的结构设计 9滚动体为球时 (2.1)350WCTHOfFL式中：L 为滚动导轨副的距离额定寿命（km） ； 为额定载荷（N） ，查表得o1370N； 为硬度系数，导轨面的硬度为 5664HRC 时， =1.0； 为温度系Hf HfTf数，当工作温度不超过 100 时， =1； 为接触系数，每根导轨条上装两个CoTfcf滑块时 =0.81； 为载荷 /速度系数，有冲击振动或 时，cfWf min/60=2.0。F 为每个滑块的工作载荷（N） 。WfN754/30/
35、mF工作时，考虑到承受的工作台等重量，而这些重量都通过工作台直接作用在滑块上，故取 F=100N。所以： 30.28113750L km507.4L 大于滚动导轨的期望寿命，满足设计要求，初选的滚动导轨副可采用。2.2.3 精密滚珠丝杆的选择计算滚珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杆被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杆的特点：(1)与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3。 (2)高精度的保证。 (3
36、)微进给可能。 (4)无侧隙、刚性高。 (5)高速进给可能。 精度公差:C10,C7,C5,C3,C2,C1-数字越小，精度越高。滚珠丝杆设计计算：(1)丝杠牵引力计算：Fm=1.414 W=1.414 0.04 300N=17N (2.2)式中 导轨摩擦系数 =0.15-0.18（铸铁导轨）或 =0.03-0.05（氟塑料导轨） ，取 u=0.04。(2)疲劳强度计算滚珠丝杆的当量动负荷 Cm 为重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 机器视觉平台伺服移动单元的结构设计 10(2.3)mWFfLC3式中 L=工作寿命（10 转） ，L=60NT/10 。N 为丝杆转速（r/min） ，T 为使
37、66用时间寿命（h） ，测量机械取：T=15000(h） 。各类机械预期工作时间（Lh）表 2.3机械类型 Lh 备注普通机械 5000100000普通机床 10000数控机床 15000精密机床 20000测示机械 15000航空机械 100Lh=250（天）*16（小时）*10（年）*0.5(开机率）fw载荷系数，无冲击取 1-1.2，一般情况取 1.2-1.5，有冲击取 1.5-2.5.此处取 1.2。精度系数， 1、2 级取 1,3、4 级取 1.1。此处取 1。f丝杠导程 t=5mm，工作台最大速度为 50（mm/sec）即为 3m/min。 得丝杠转速： min)/(605/3/)
38、0( rtN所以 5401(1666TLNCm72.543由上式求得的当量动负荷应小于丝杆的额定动负荷 Cm。根据本次毕业设计要求 X、Y、Z 三轴移动形程大于 300mm，滚珠丝杆导程为 5mm，以及上述计算结果，查手册选定精密滚珠丝杆型号为 FSW14-5B1 型精密滚珠丝杠副。丝杠参数表 2.4 公称直径导程珠径珠卷数刚度K（N/u动负荷静负荷螺帽 法兰 法兰孔 接触面长重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 机器视觉平台伺服移动单元的结构设计 11m) C(N) C0(N)D L F T BCD-EX Y Z S14 5 3.1752.5*1 10 710 1216 37 40 57 1
39、1 45 5.5 9.5 5.5 12（2）刚度验算滚珠丝杠的刚度按下式校核(2.4)321式中 丝杠弹性变形允许的螺距误差，按下表选取精度等级 3 级。丝杠弹性变形允许的行程误差表 2.5丝杠精度等级 1 2 3 4 5允许误差（um/m）6 8 12 16 23丝杠拉压弹性位移，按下式计算：1一端固定，一端自由或简支的丝杠： (2.5)(1mAElF两端固定的丝杠： (2.6)(1mAElF其中，Fm 是轴向载荷（N);A 是丝杠内径截面积（ ） ；E 是弹性模量，2m钢的 ； 是螺母至轴固定端的最远距离（mm） 。)/(0.225NEl27.重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 机器视觉
40、平台伺服移动单元的结构设计 12=0.120um 521 10.75.043-丝杆副内滚珠与滚道的接触变形。 。其中 是预紧力为额2 2/KFm2定载荷 1/3 时的接触刚度，可查手册。7.10/2-滚动轴承的接触变形。当轴承未施加预紧力时 ,3推力球轴承： (um) (2.7)3/235.ZDw3/2Fm向心推力球轴承： （um） (2.8)/1523sin4.03/2式中，Z 是滚珠体数目； 是滚动体直径（mm） ； 是名义接触角； 是w mF轴向载荷（N） 。当轴承预紧且预紧力 时， 可取为上述值的 1/2./mF2查手册选择单向推力球轴承（GB/T301-1995)。轴承代号 5100
41、0 型 51104，d=14mm，D=30mm,T=10mm。mTDw5219/3040Z0.284um322375.8.45.0/)8.1.0( 所以所选丝杠满足条件。（3)滚珠丝杆的支承方式滚珠丝杆的支承方式主要有以下几种：(a)一端轴向固定一端自由。轴向刚度较低，适用于低转速的短丝杠。(b)一端轴向固定一端简支。适用于较长丝杆。(c)两端均轴向固定。适用于对刚度及位移精度要求较高的长丝杠。根据设计要求，选择第二种支承方式。2.2.4 高品质伺服电机的选择计算本次毕业设计选择伺服电机是因为伺服电机有以下优点：(1)自动调整高性能的实时自动调整增益。根据负载惯重的变化，与自适应滤波器配合，重
42、庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 机器视觉平台伺服移动单元的结构设计 13从低刚性到高刚性都可以自动调整增益。因旋转方向不同而产生不同负载转矩的垂直轴情况下，也可以自动进行调整。具备异常速度检测功能，因此可以将增益调整过程中产生的异常速度调整到正常。通过显示面板操作，可以在监控实时调整情况的同时，进行设置和确认。(2)高速高响应速度响应频率最高达 1KHz。内置有瞬时速度观测器，可以高速、高分辩率地检测出电机的转速。高性能的机械适应性。无论是易产生共振的传送带驱动机械，还是高刚性的丝杆传动机械，都可以高性能的自动调整功能来实现高速定位。(3)低振动内置自适应滤波器，可以根据机械共振频率不同而
43、自动地调整陷波滤波器的频率。可以控制由于机械不稳定以及共振频率变化而发生的噪音。内置了不同于自适应滤波器的两个独立通道的滤波器。两个陷波滤波器可以以 1Hz 为单位、分别设置陷波的频率和幅度。内置了两个通道的振动抑制滤波器，可以抑制刚性较低的机械在启动和停止时产生的振动。两个通道的振动频率，可以根据旋转方向的不同而自动地切换；或者也可以分别对应于由于外部输入信号切换而产生的机械位置变化而导致的振动频率。即使设置的振动频率和滤波器的数值不确切，也不会导致不稳定状况。(1)丝杠转速 已知丝杠导程 t=5mm，最大速度 =3m/minL)(min605./31tnL由于电机与丝杠通过弹性联轴器直联，
44、减速比 1/R=1/1，R=1,所以电机轴转速 =丝杠转速=600 。M)(i1（2)负载转矩 由前面已知 =0.04， 取 0.95（N m） (2.9)01.95.14320.RtWTL （3)负载转动惯量直线运动部分 (2.10).(102.4.32502 241 mkgRtmJL 滚珠丝杠 由前面已知滚珠丝杠长度 =0.5m，丝杠直径Bl=0.014m， =7.87 。Bd30/kg重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 机器视觉平台伺服移动单元的结构设计 14(2.11).(1048. )014.(5187.34.3223mkgdlJBB弹性联轴器 (2.12).(9.)0.( 242
45、4 mkgCC 换算到电机轴侧的负载转动惯量 ).(108.).18.20( 2441JJGBL （4)选择伺服电机（a）选定条件 电机额定转矩)(.mNTL容许负载转速in601M容许负载转动惯量.84.2kgJ根据选择条件，可选择以下电机： 伺服电机 SGMJV-01A。（b）伺服电机的各参数额定输出：100（W）额定转速：3000（ ）1min额定转矩：0.318 )(N瞬时最大转矩：1.11电机转子转动惯量： ).(1065.24kg电机转子转动惯量：0.0665 ).(10324mkg编码器分辨率：20bit（1048576P/rev）2.2.5 弹性联轴器的选择弹性联轴器常由金属圆
46、棒线切割而成，常用的材质有铝合金、不锈钢、工程塑料。弹性联轴器运用平行或螺旋切槽系统来适应各种偏差和精确传递扭矩。弹性联轴器通常具备良好的性能而且有价格上的优势，在很多步进、伺服系统实际应用中，弹性联轴器是首选的产品。一体成型的设计使弹性联轴器实现了零间隙地传递扭矩和无须维护的优势。弹性联轴器主要有以下两个基本的系列：螺旋槽型和平行槽型。在本次毕业设计中选择佛山市顺德区洽润传动机械有限公司生产的 KH4 双节膜片联轴器。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 2 机器视觉平台伺服移动单元的结构设计 15图 2.4 弹性联轴器特点：无间隙的轴与轴套连接；安装容易、结构紧凑；低惯量、适合于高速运转；采用高强度铝合金、不锈钢膜片组合制成；专业为伺服、步进电机设计。外形零件图：选型尺寸表 2.62.2.6 光栅尺的选择光栅尺位移传感器（简称光栅尺） ，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。光栅尺系统：图 2.5 光栅尺型号 D L d1、d2 轴径 L1 L2 L3 M 拧紧力矩（N.m）KH4-34 34 41 7，8 ，9，10，11，12，143.6 12.2 9.4
