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

自動(dòng)調(diào)焦瞄準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),自動(dòng),調(diào)焦,瞄準(zhǔn),裝置,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 系 別： 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 設(shè)計(jì)(論文)題目： 自動(dòng)調(diào)焦瞄準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 起 迄 日 期: 2012 年9月 24日 — 2012年12月 16 日 設(shè)計(jì)(論文)地點(diǎn): 指 導(dǎo) 教 師: 專業(yè)教研室負(fù)責(zé)人: 發(fā)任務(wù)書日期: 2012　年 8月 25 日 任務(wù)書填寫要求 1．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況指導(dǎo)學(xué)生填寫。此任務(wù)書應(yīng)在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開始前一周內(nèi)填好并發(fā)給學(xué)生； 2．任務(wù)書內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼； 3．任務(wù)書內(nèi)填寫的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過所在專業(yè)主管領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫； 4．任務(wù)書內(nèi)有關(guān)“系別”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應(yīng)寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)號(hào)”要寫全號(hào)，不能只寫最后2位或1位數(shù)字； 5．任務(wù)書內(nèi)“主要參考文獻(xiàn)”的填寫，應(yīng)按照國標(biāo)GB 7714—87《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性； 6．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書 1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： 本課題需要進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦瞄準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并繪制出裝配和零件圖。通過完成本課題，應(yīng)達(dá)到以下目的： 1. 了解自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)原理 2. 掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的方法和步驟； 3. 掌握計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具（AUTOCAD、SOLIDEWORKS等設(shè)計(jì)軟件）的應(yīng)用； 4. 提高分析問題和解決問題的能力； 5. 初步掌握理論指導(dǎo)實(shí)際的工作能力。 2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）： 1、收集整理設(shè)計(jì)所需的資料。并做好外文資料的翻譯工作； 2、對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝分析； 3、進(jìn)行初步設(shè)計(jì)； 4、進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，并論證； 5、進(jìn)行主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并繪制結(jié)構(gòu)草圖； 6、應(yīng)用三維CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用仿真功能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查； 7、完成結(jié)構(gòu)的裝配圖樣和零件圖樣的設(shè)計(jì)工作； 8、整理設(shè)計(jì)資料，認(rèn)真編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書； 9、按規(guī)定時(shí)間上交全部畢業(yè)設(shè)計(jì)資料。  3 對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求： （1） 須繪制小型液壓控制的翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)總裝圖一張、零件圖若干，標(biāo)注清楚，繪圖數(shù)量折合總計(jì)不少于兩張（CAD）零號(hào)圖，打印裝訂成冊(cè)； （2）翻譯機(jī)械相關(guān)外文資料一篇，不少于15000英文印刷字符；中英文分開打印 （3）畢業(yè)設(shè)計(jì)論文總字?jǐn)?shù)15000字左右。 4．主要參考文獻(xiàn)： 1、 李來英. <<注塑成型工藝.>> 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2、 黃鶴汀主編，<<機(jī)械制造裝備>> 機(jī)械工業(yè)出版社 3、 程康寧主編，《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》 西安交通大學(xué)出版社 4、 王健民.二維圖像測(cè)量機(jī)及圖像式大尺寸弧長在線測(cè)量系統(tǒng)的研究[C].哈爾濱工業(yè)大學(xué).博士學(xué)位論文, 1998.12 5、 王　斧等.CCD精密測(cè)角系統(tǒng)[J].光電工程,1997,24(1):11~14. 6、 曹國榮,景芳盛.CCD用于摩爾條紋細(xì)分技術(shù)[J].計(jì)量學(xué)報(bào),1995,16(2):116~119. 7、 張廣軍.衍射條紋CCD擬合定位及精度分析[J].儀器儀表學(xué)報(bào),1995,16(1):107~110.146計(jì)量學(xué)報(bào)2002年4月 8、 余國琮. 機(jī)械工程手冊(cè), 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004年3月. 9、 王光斗. 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè), 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2000年11月. 10、 張大鵬. 電子手冊(cè), 電子工業(yè)出版社, 2003年10月. 11、 趙如福. 金屬機(jī)械加工工藝人員手冊(cè), 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 1995年3月. 12、 章躍. 機(jī)械制造專業(yè)英語 , 機(jī)械工業(yè)出版社,2008. 5．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃： 第 1 ～ 2 周： 查閱相關(guān)論文資料； 第 2 ～ 3 周： 文獻(xiàn)綜述、實(shí)地工廠調(diào)研、撰寫開題報(bào)告； 第 4 ～ 5 周： 熟悉課題設(shè)計(jì)流程與方法、方案構(gòu)思與分析； 第 6 ～ 7 周： 液壓控制的翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算； 第8 ～ 10周： 總體裝配圖和主要零件圖設(shè)計(jì)； 第11 ～12周： 論文撰寫； 5．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃： 起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容 2012年7月22日 ～ 8月15 日 參觀調(diào)研、搜集資料、準(zhǔn)備開題報(bào)告 8月16 日 ～ 9月15日 外文資料翻譯、零件立體造型、結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì) 9月16日 ～ 9月27日 工藝計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、結(jié)構(gòu)草圖 9月28日 ～10月15日 10月16日 ～ 11月20日 模具圖樣（裝配圖、零件圖），設(shè)計(jì)說明書 11月21日 ～ 11月28日 檢查整理設(shè)計(jì)資料、裝訂成冊(cè)并上交 月 日 ～月 日 畢業(yè)答辯 指導(dǎo)教師審查意見： 指導(dǎo)教師（簽名）： 　　　　　　　年 　　月 　　 日 自動(dòng)調(diào)焦(AF)原理 自動(dòng)調(diào)焦(AF)系指由照相機(jī)根據(jù)被攝體距離的遠(yuǎn)近，自動(dòng)地調(diào)節(jié)鏡頭的對(duì)焦距離。自從1977年第一架實(shí)用型自動(dòng)調(diào)焦照相機(jī)誕生以來，許多照相機(jī)生產(chǎn)廠家均開展了對(duì)自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的研究，從而產(chǎn)生了形形色色的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)。根據(jù)所基于的原理，可以分成測(cè)距法和像檢測(cè)法(又稱調(diào)焦檢測(cè)法)兩大類，下列是自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的分類： ┌ │ ─反射時(shí)間測(cè)量法 (主動(dòng)型) ┌ │ ─VAF 　 ┌ ─測(cè)距法── ┤ ┌ ─被動(dòng)型──── ┼ ─STT │ └ ─三角測(cè)量法── ┤ └ ─FCM AF系統(tǒng)─ ┤ └ ─紅外主動(dòng)型 │ │ ┌ │ ─對(duì)比度檢測(cè)法 (反差檢測(cè)法) └ ─像檢測(cè)法─ ┤ ┌ ─TCL系統(tǒng) └ ─相位檢測(cè)法── ┤ └ ─透鏡分離器系統(tǒng) 最早出現(xiàn)的實(shí)用型AF系統(tǒng)是美國亨尼威爾(Honeywell)公司于1975年研制、1977年在Konica C35AF上出現(xiàn)的VAF系統(tǒng)；1979年出現(xiàn)了采用紅外線主動(dòng)型AF系統(tǒng)的Canon AF35M；1981年出現(xiàn)了采用SST(固態(tài)三角測(cè)量)的Canon AF35ML和日本精工研制的FCM系統(tǒng)。上述均屬三角測(cè)量系統(tǒng)，雖然名稱不同，但工作原理是類似的。 1978年出現(xiàn)了采用超聲波AF系統(tǒng)的寶麗萊(Polaroid)SX-70 SONAR AF，這是一種基于反射時(shí)間測(cè)量法的系統(tǒng)，也屬主動(dòng)型，利用超聲波回波時(shí)間來測(cè)量距離。 像檢測(cè)法屬于被動(dòng)型，主要有兩種形式：對(duì)比度檢測(cè)系統(tǒng)和相位檢測(cè)系統(tǒng)。對(duì)比度檢測(cè)AF系統(tǒng)最早出現(xiàn)在1981年推出的Pentax ME-F單反機(jī)上，這是利用當(dāng)影像最清晰時(shí)，成像的反差最大的原理而制成的，與手動(dòng)調(diào)焦的磨砂屏焦點(diǎn)檢測(cè)法的原理相似。 最早采用相位檢測(cè)法的AF系統(tǒng)是美國Honeywell公司于1981年研制的TCL系統(tǒng)，首次出現(xiàn)在1982年推出的Olympus OM-30單反機(jī)上。 測(cè)距法主要應(yīng)用于旁軸平視取景的袖珍相機(jī)上，而像檢測(cè)法則用于單鏡頭反光照相機(jī)上。由于紅外線主動(dòng)型AF系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等特點(diǎn)，在現(xiàn)代袖珍相機(jī)中占有很大的比重；而且現(xiàn)在的AF單反機(jī)大多采用相位檢測(cè)AF系統(tǒng)，因此這里僅介紹紅外線主動(dòng)型和相位檢測(cè)型AF系統(tǒng)。SST系統(tǒng)還見于少部分AF變焦袖珍相機(jī)(如Sigma AF Zoom Super 28、70、100等)， 但工作原理與VAF類似；超聲波主動(dòng)型AF系統(tǒng)只出現(xiàn)在美國寶麗萊公司生產(chǎn)的拍立得(又稱瞬時(shí)得或立時(shí)得)相機(jī)上，故這里不予介紹。 自從自動(dòng)調(diào)焦相機(jī)(特別是AF單反機(jī))出現(xiàn)以來，引出了許多嶄新的概念和功能，熟悉和理解這些概念和功能會(huì)有助于我們能更好地操縱新型相機(jī)，使拍攝工作更富有實(shí)效，也使我們能從形形色色的名詞和功能中分辨出哪些是實(shí)用的和哪些是花架子，可以避免陷入相機(jī)廣告中閃爍其詞的語句和對(duì)攝影器材追求的泥潭中，因而也有利于選購合適的相機(jī)。 本章中所介紹的主動(dòng)型AF系統(tǒng)是原理性的，在實(shí)際的照相機(jī)中，照相機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)這類AF系統(tǒng)的不足亦是進(jìn)行了大量的改造工作，如采用了多束紅外線測(cè)距等，而且AF級(jí)數(shù)也越來越多，有些主動(dòng)型AF系統(tǒng)已經(jīng)是無級(jí)聚焦了，即聚焦級(jí)數(shù)為無窮多，其性能也越來越接近被動(dòng)型AF系統(tǒng)。 相位檢測(cè)型被動(dòng)式AF系統(tǒng)已經(jīng)為AF單反機(jī)所普遍采用，雖然聚焦精度較高，但由于其固有的特性，在低亮度場合是不靈敏甚至不能正常工作的。加上AF照明器，就基本上解決了這類系統(tǒng)的不足。 在AF單反機(jī)的發(fā)展歷程中，自動(dòng)聚焦技術(shù)的飛速發(fā)展自不待言，從原來的單純模仿手動(dòng)聚焦的單一方式發(fā)展到寬區(qū)自動(dòng)聚焦、焦點(diǎn)預(yù)測(cè)自動(dòng)聚焦、自動(dòng)確定被攝主體位置和自動(dòng)變焦構(gòu)圖等，大多數(shù)自動(dòng)聚焦相機(jī)都具有可以單手操作、眼睛不離取景窗就能修改參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，這一切都是手動(dòng)聚焦照相機(jī)所不能做到的。簡言之，只要改變了原來使用手動(dòng)聚焦相機(jī)的習(xí)慣和克服對(duì)新機(jī)種的心理障礙，就會(huì)覺得自動(dòng)聚焦相機(jī)是要比手動(dòng)聚焦相機(jī)好用得多。 從固定焦點(diǎn)到自動(dòng)調(diào)焦 從照相機(jī)的發(fā)展歷史來看，在焦點(diǎn)調(diào)節(jié)方面，經(jīng)歷了焦點(diǎn)不變——>焦點(diǎn)可調(diào)——>固定焦點(diǎn)——>自動(dòng)調(diào)焦等階段。我們先說明為什么固定焦點(diǎn)照相機(jī)能得以流行的道理；然后再說明調(diào)焦的必要性，從而過渡到自動(dòng)調(diào)焦。 我們先來看一組數(shù)據(jù)。假設(shè)照相機(jī)鏡頭焦距為35mm(相當(dāng)于小廣角鏡頭)，其調(diào)焦距離L (指被攝主體平面至鏡頭理想成像平面——即膠卷平面——之間的距離)固定于2.5m處，容許彌散圓直徑為0.033mm，那么鏡頭光圈系數(shù)f與膠卷平面至清晰范圍最近點(diǎn)L1及最遠(yuǎn)點(diǎn)L2的關(guān)系為：(L1和L2的單位為m，本節(jié)所提及的有關(guān)概念的準(zhǔn)確定義及公式請(qǐng)參見【景深概念與計(jì)算】)。 表1 f 2 2.8 4 5.6 8 11 16 22 L1 2.20 2.10 1.97 1.82 1.62 1.44 1.20 1.01 L2 2.89 3.08 3.42 4.10 5.42 9.65 ∞ ∞ 如果容許彌散圓直徑取0.05mm，則 表2 f 2 2.8 4 5.6 8 11 16 22 L1 2.08 1.94 1.78 1.59 1.38 1.18 0.95 0.77 L2 3.14 3.50 4.22 5.83 13.6 ∞ ∞ ∞ 由這些數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)光圈系數(shù)為f/4時(shí)，要求嚴(yán)格些可以保證從1.97m～3.42m是清晰的；要求不那么嚴(yán)格的話，則可以認(rèn)為從1.78m～4.22m是清晰的。如果光圈系數(shù)取f/11，容許彌散圓直徑取0.05mm的話，那么從1.18m至無限遠(yuǎn)都是清晰的。 所以多數(shù)廉價(jià)的固定焦點(diǎn)"傻瓜相機(jī)"都是采用小廣角鏡頭(焦距在35mm左右)和小光圈(最大光圈為f/4或f/5.6)，至少可以保證從1.6m左右至5.5m左右是清晰的，也就是說這類相機(jī)是依靠廣角鏡頭和小光圈所具有的大景深特性來保證清晰度，對(duì)于一些只拍家庭紀(jì)念照而又不懂相機(jī)調(diào)節(jié)的人來說是足夠的了，這就是這類相機(jī)大行其道的理由所在。 但是由于光學(xué)透視原理，廣角鏡頭在近距離拍攝時(shí)會(huì)產(chǎn)生"近大遠(yuǎn)小"的變形現(xiàn)象，并不適合拍攝人物半身像。 解決變形的辦法是使用中焦距鏡頭。但中焦距鏡頭在同樣的光圈之下，其景深要比廣角鏡頭小得多，如焦距為85mm的鏡頭，當(dāng)調(diào)焦距離為2m和鏡頭光圈系數(shù)為f/4時(shí)，L1為1.93m，L2為2.08m；當(dāng)調(diào)焦距離不變而光圈系數(shù)為f/11時(shí)，L1為1.82m和L2為2.22m。顯然此時(shí)只適合拍攝主體在1.82m至2.22m范圍之內(nèi)的情形，當(dāng)被攝主體超出這一范圍，其成像結(jié)果是不能令人滿意的。 另外，仍以焦距為35mm左右的鏡頭來說，如果調(diào)焦距離固定不變，所拍攝出的照片在照片不是放得很大時(shí)，其清晰度是可以接受的；若照片要放得較大，如12英寸，原來在小照片上清晰的物體就顯得模糊了。 綜上所述，具有小廣角鏡頭的固定焦點(diǎn)照相機(jī)的應(yīng)用范圍是極有限的。為了擴(kuò)大鏡頭焦距和提高清晰度，勢(shì)必要使焦點(diǎn)能調(diào)節(jié)。因此在簡易照相機(jī)上就出現(xiàn)了區(qū)域調(diào)焦系統(tǒng)，如現(xiàn)在國內(nèi)市場常見的Ricoh XF-30袖珍相機(jī)就有區(qū)域調(diào)焦功能。 區(qū)域調(diào)焦系統(tǒng)是根據(jù)被攝主體所處的距離不同，選擇相應(yīng)的調(diào)焦距離點(diǎn)，并利用景深使在該點(diǎn)前后一段距離內(nèi)的物體都是清晰的.我們?cè)賮砜匆唤M數(shù)據(jù)。仍假設(shè)照相機(jī)鏡頭焦距為35mm，光圈系數(shù)為f/4，容許彌散圓直徑為0.033mm，那么調(diào)焦距離 L(單位為m)與L1及L2的關(guān)系為： L 1.00 1.25 1.50 2.00 3.50 9.00 L1 0.92 1.10 1.29 1.65 2.54 4.57 L2 1.12 1.44 1.79 2.55 5.62 30.0 只要能分6級(jí)調(diào)節(jié)照相機(jī)鏡頭的調(diào)焦距離， 就可以保證能在0.92m至無限遠(yuǎn)處(30m可以認(rèn)為是無限遠(yuǎn))都能拍攝出清晰的照片。例如當(dāng)被攝主體在0.92～1.10m處，可以將調(diào)焦距離置于1m處；當(dāng)被攝主體在1.65～2.5m處，可以將調(diào)焦距離置于2m處等。這就是區(qū)域調(diào)焦系統(tǒng)的理論根據(jù)。 當(dāng)鏡頭焦距增長時(shí)，由于景深淺的緣故，若要保證從1m至無限遠(yuǎn)都是清晰的，所分級(jí)數(shù)還應(yīng)該相應(yīng)增加。 從上面的敘述可看出，如果調(diào)焦級(jí)數(shù) (即鏡頭焦點(diǎn)可調(diào)節(jié)的位置數(shù)量)越多，調(diào)焦精度就越高。當(dāng)調(diào)焦級(jí)數(shù)達(dá)到無窮多級(jí)時(shí)(即鏡頭的調(diào)焦距離是可以無級(jí)地調(diào)節(jié))，調(diào)焦精度為最高。單反機(jī)的鏡頭是可以從某一最近距離至無限遠(yuǎn)任意調(diào)節(jié)，因此這類鏡頭的調(diào)焦精度是最高的。 細(xì)心的讀者也許會(huì)從表3中看出，0.92m至2.55m之間有4個(gè)調(diào)焦級(jí)，而從2.54m至30m只有兩個(gè)調(diào)焦級(jí)。這仍然與景深特性有關(guān)。調(diào)焦距離越近，景深就越淺，所以需要調(diào)節(jié)的位置相應(yīng)就要增多；而調(diào)焦距離越遠(yuǎn)，景深就越大，需要調(diào)節(jié)的位置就相應(yīng)要少些。 具有區(qū)域調(diào)焦系統(tǒng)照相機(jī)是能夠提高清晰度，但對(duì)于大多數(shù)人來說，具有使用不方便的一面，因此自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生了。 摘要 本文是對(duì)自動(dòng)調(diào)焦原理進(jìn)行理解，理解掌握自動(dòng)調(diào)焦的系統(tǒng)及原理。并針對(duì)CCD自動(dòng)成像進(jìn)行可翻轉(zhuǎn)的CCD機(jī)械手。 本機(jī)械手由手腕結(jié)構(gòu)，手臂、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)五個(gè)自由度，分別為三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作上下仰俯運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)作圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 這樣目的能夠使得CCD鏡頭可以任意旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)到合適角度，對(duì)影像進(jìn)行拍攝抓取。 關(guān)鍵詞：自動(dòng)調(diào)焦 機(jī)械手 自由度 執(zhí)行機(jī)構(gòu) CCD ABSTRACT In this paper, to understand the principle of auto-focus, understand and grasp the system and the principle of auto-focus. And can be flipped for CCD automatic imaging CCD robot. The robot wrist structure, arm, rotating structure and drive mechanism. This design enables the five degrees of freedom, respectively, three rotary joints, two rotary joints. Three rotary joint circular rotating movement up and down the pitch movement, two rotary joints. ?So that the purpose of the CCD lens can be rotated, flipped to the right angle shooting crawl image. Key words: auto-focus，Industrial robot ,degrees of freedom ,actuating mechanism. CCD 目錄 第一章緒論…………….……………………………...…………………………....……....5 1.1概述………………………………...…………………………………..……………5 1.2自動(dòng)調(diào)焦的原理…………..……………………...…………………………………5 1.3自動(dòng)調(diào)焦的方式及發(fā)展歷程……..……………………………...…………10 1.4自動(dòng)調(diào)焦應(yīng)用及CCD的應(yīng)用……………..…………………………………12 第二章 可翻轉(zhuǎn)CCD機(jī)械手的設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù)的分析…….......………………...……14 2.1課題設(shè)計(jì)要求……………..…………………...…………………………………15 2.2課題設(shè)計(jì)方案……………..…………………...…………………………………15 2.2.1機(jī)械手自由度坐標(biāo)的確定……..…………………………...……………16 2.2.2機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案的確定…..……………………………...………16 2.2.3機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案的確定…..……………………………...………16 2.2.4機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案確定……..…………………………...…………16 2.2.5機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的確定…………..……………………...……………16 2.2.6機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案的確定………..………………………...……………16 2.2.7機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程的確定…………..……………………...………………17 2.3機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)……….………………………...……………………………17 2.4大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的確定…….…………………………...………………………18 2.5小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的確定…….…………………………...………………………19 2.6機(jī)械手的運(yùn)功過程分析……………………...………...…………………………20 2.7機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中的受力分析………………...……………...…………………21 2.7.1手腕部的受力分析………………………………...………………………21 2.7.2小臂的受力分析………………………………...…………………………22 2.7.3大臂的受力分析………………………………...…………………………22 第三章 可翻轉(zhuǎn)CCD機(jī)械手零件的設(shè)計(jì)及校核………….………………………………24 3.1大臂、小臂和立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………...…………………24 3.2往復(fù)油缸的選擇及技術(shù)參數(shù)………………………………...……………………25 3.3擺動(dòng)汽缸的選擇及技術(shù)參數(shù)………………………………...……………………26 3.4 CCD鏡頭的選擇及技術(shù)參數(shù)………………………………...………………27 3.5基座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)…………………………………...…………………………………28 3.5.1旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)軸的設(shè)計(jì)及校核…………….…………………...………………28 3.5.2鍵的設(shè)計(jì)及危險(xiǎn)截面校核………….……………………...………………30 3.5.3軸承的選取及校核………………………………...………………………32 3.5.4齒輪與齒條的設(shè)計(jì)及校核………………………………...………………33 3.6轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)及螺栓的校核……………………..………...………………………35 第四章 基于SOLIDWORKS的可翻轉(zhuǎn)CCD機(jī)械手三維建?！?..…………………38 4.1主要零部件的三維建?！?..…………………………………………………38 4.2油缸和氣缸的建?！?..……………………………………………………....41 4.3 CCD鏡頭的建?！?..…………………………………………………………42 4.4總裝配圖的建?！?..…………………………………………………………42 總結(jié)………….…………………….………………...……………….……………………43 致謝……………………………………...……………………………………………...…44 參考文獻(xiàn)……………………...………………………...…………………………………45 第一章 緒論 1.1概述 　AF在照相機(jī)中是英文Auto Focus的縮寫，自動(dòng)調(diào)焦的意思。因此，AF照相機(jī)即是自動(dòng)調(diào)焦照相機(jī)的簡稱。 　　這種照相機(jī)的調(diào)焦是利用電子測(cè)距器自動(dòng)進(jìn)行的。當(dāng)按下照相機(jī)快門按鈕時(shí)，根據(jù)被攝目標(biāo)的距離，電子測(cè)距器可以把前后移動(dòng)的鏡頭控制在相應(yīng)的位置上，或者旋轉(zhuǎn)鏡頭至需要位置，使被攝目標(biāo)成像最清晰。 CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件。可以稱為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制，每個(gè)小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。 1.2自動(dòng)調(diào)焦的原理 自動(dòng)調(diào)焦(AF)系指由照相機(jī)根據(jù)被攝體距離的遠(yuǎn)近，自動(dòng)地調(diào)節(jié)鏡頭的對(duì)焦距離。自從1977年第一架實(shí)用型自動(dòng)調(diào)焦照相機(jī)誕生以來，許多照相機(jī)生產(chǎn)廠家均開展了對(duì)自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的研究，從而產(chǎn)生了形形色色的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)。根據(jù)所基于的原理，可以分成測(cè)距法和像檢測(cè)法(又稱調(diào)焦檢測(cè)法)兩大類，下列是自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的分類： ┌ │ ─反射時(shí)間測(cè)量法 (主動(dòng)型) ┌ │ ─VAF 　 ┌ ─測(cè)距法── ┤ ┌ ─被動(dòng)型──── ┼ ─STT │ └ ─三角測(cè)量法── ┤ └ ─FCM AF系統(tǒng)─ ┤ └ ─紅外主動(dòng)型 │ │ ┌ │ ─對(duì)比度檢測(cè)法 (反差檢測(cè)法) └ ─像檢測(cè)法─ ┤ ┌ ─TCL系統(tǒng) └ ─相位檢測(cè)法── ┤ └ ─透鏡分離器系統(tǒng) 最早出現(xiàn)的實(shí)用型AF系統(tǒng)是美國亨尼威爾(Honeywell)公司于1975年研制、1977年在Konica C35AF上出現(xiàn)的VAF系統(tǒng)；1979年出現(xiàn)了采用紅外線主動(dòng)型AF系統(tǒng)的Canon AF35M；1981年出現(xiàn)了采用SST(固態(tài)三角測(cè)量)的Canon AF35ML和日本精工研制的FCM系統(tǒng)。上述均屬三角測(cè)量系統(tǒng)，雖然名稱不同，但工作原理是類似的。 1978年出現(xiàn)了采用超聲波AF系統(tǒng)的寶麗萊(Polaroid)SX-70 SONAR AF，這是一種基于反射時(shí)間測(cè)量法的系統(tǒng)，也屬主動(dòng)型，利用超聲波回波時(shí)間來測(cè)量距離。 像檢測(cè)法屬于被動(dòng)型，主要有兩種形式：對(duì)比度檢測(cè)系統(tǒng)和相位檢測(cè)系統(tǒng)。對(duì)比度檢測(cè)AF系統(tǒng)最早出現(xiàn)在1981年推出的Pentax ME-F單反機(jī)上，這是利用當(dāng)影像最清晰時(shí)，成像的反差最大的原理而制成的，與手動(dòng)調(diào)焦的磨砂屏焦點(diǎn)檢測(cè)法的原理相似。 最早采用相位檢測(cè)法的AF系統(tǒng)是美國Honeywell公司于1981年研制的TCL系統(tǒng)，首次出現(xiàn)在1982年推出的Olympus OM-30單反機(jī)上。 測(cè)距法主要應(yīng)用于旁軸平視取景的袖珍相機(jī)上，而像檢測(cè)法則用于單鏡頭反光照相機(jī)上。由于紅外線主動(dòng)型AF系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等特點(diǎn)，在現(xiàn)代袖珍相機(jī)中占有很大的比重；而且現(xiàn)在的AF單反機(jī)大多采用相位檢測(cè)AF系統(tǒng)，因此這里僅介紹紅外線主動(dòng)型和相位檢測(cè)型AF系統(tǒng)。SST系統(tǒng)還見于少部分AF變焦袖珍相機(jī)(如Sigma AF Zoom Super 28、70、100等)， 但工作原理與VAF類似；超聲波主動(dòng)型AF系統(tǒng)只出現(xiàn)在美國寶麗萊公司生產(chǎn)的拍立得(又稱瞬時(shí)得或立時(shí)得)相機(jī)上，故這里不予介紹。 自從自動(dòng)調(diào)焦相機(jī)(特別是AF單反機(jī))出現(xiàn)以來，引出了許多嶄新的概念和功能，熟悉和理解這些概念和功能會(huì)有助于我們能更好地操縱新型相機(jī)，使拍攝工作更富有實(shí)效，也使我們能從形形色色的名詞和功能中分辨出哪些是實(shí)用的和哪些是花架子，可以避免陷入相機(jī)廣告中閃爍其詞的語句和對(duì)攝影器材追求的泥潭中，因而也有利于選購合適的相機(jī)。 本章中所介紹的主動(dòng)型AF系統(tǒng)是原理性的，在實(shí)際的照相機(jī)中，照相機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)這類AF系統(tǒng)的不足亦是進(jìn)行了大量的改造工作，如采用了多束紅外線測(cè)距等，而且AF級(jí)數(shù)也越來越多，有些主動(dòng)型AF系統(tǒng)已經(jīng)是無級(jí)聚焦了，即聚焦級(jí)數(shù)為無窮多，其性能也越來越接近被動(dòng)型AF系統(tǒng)。 相位檢測(cè)型被動(dòng)式AF系統(tǒng)已經(jīng)為AF單反機(jī)所普遍采用，雖然聚焦精度較高，但由于其固有的特性，在低亮度場合是不靈敏甚至不能正常工作的。加上AF照明器，就基本上解決了這類系統(tǒng)的不足。 在AF單反機(jī)的發(fā)展歷程中，自動(dòng)聚焦技術(shù)的飛速發(fā)展自不待言，從原來的單純模仿手動(dòng)聚焦的單一方式發(fā)展到寬區(qū)自動(dòng)聚焦、焦點(diǎn)預(yù)測(cè)自動(dòng)聚焦、自動(dòng)確定被攝主體位置和自動(dòng)變焦構(gòu)圖等，大多數(shù)自動(dòng)聚焦相機(jī)都具有可以單手操作、眼睛不離取景窗就能修改參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，這一切都是手動(dòng)聚焦照相機(jī)所不能做到的。簡言之，只要改變了原來使用手動(dòng)聚焦相機(jī)的習(xí)慣和克服對(duì)新機(jī)種的心理障礙，就會(huì)覺得自動(dòng)聚焦相機(jī)是要比手動(dòng)聚焦相機(jī)好用得多。 從固定焦點(diǎn)到自動(dòng)調(diào)焦 從照相機(jī)的發(fā)展歷史來看，在焦點(diǎn)調(diào)節(jié)方面，經(jīng)歷了焦點(diǎn)不變——>焦點(diǎn)可調(diào)——>固定焦點(diǎn)——>自動(dòng)調(diào)焦等階段。我們先說明為什么固定焦點(diǎn)照相機(jī)能得以流行的道理；然后再說明調(diào)焦的必要性，從而過渡到自動(dòng)調(diào)焦。 我們先來看一組數(shù)據(jù)。假設(shè)照相機(jī)鏡頭焦距為35mm(相當(dāng)于小廣角鏡頭)，其調(diào)焦距離L (指被攝主體平面至鏡頭理想成像平面——即膠卷平面——之間的距離)固定于2.5m處，容許彌散圓直徑為0.033mm，那么鏡頭光圈系數(shù)f與膠卷平面至清晰范圍最近點(diǎn)L1及最遠(yuǎn)點(diǎn)L2的關(guān)系為：(L1和L2的單位為m，本節(jié)所提及的有關(guān)概念的準(zhǔn)確定義及公式請(qǐng)參見【景深概念與計(jì)算】)。 表1 f 2 2.8 4 5.6 8 11 16 22 L1 2.20 2.10 1.97 1.82 1.62 1.44 1.20 1.01 L2 2.89 3.08 3.42 4.10 5.42 9.65 ∞ ∞ 如果容許彌散圓直徑取0.05mm，則 表2 f 2 2.8 4 5.6 8 11 16 22 L1 2.08 1.94 1.78 1.59 1.38 1.18 0.95 0.77 L2 3.14 3.50 4.22 5.83 13.6 ∞ ∞ ∞ 由這些數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)光圈系數(shù)為f/4時(shí)，要求嚴(yán)格些可以保證從1.97m～3.42m是清晰的；要求不那么嚴(yán)格的話，則可以認(rèn)為從1.78m～4.22m是清晰的。如果光圈系數(shù)取f/11，容許彌散圓直徑取0.05mm的話，那么從1.18m至無限遠(yuǎn)都是清晰的。 所以多數(shù)廉價(jià)的固定焦點(diǎn)"傻瓜相機(jī)"都是采用小廣角鏡頭(焦距在35mm左右)和小光圈(最大光圈為f/4或f/5.6)，至少可以保證從1.6m左右至5.5m左右是清晰的，也就是說這類相機(jī)是依靠廣角鏡頭和小光圈所具有的大景深特性來保證清晰度，對(duì)于一些只拍家庭紀(jì)念照而又不懂相機(jī)調(diào)節(jié)的人來說是足夠的了，這就是這類相機(jī)大行其道的理由所在。 但是由于光學(xué)透視原理，廣角鏡頭在近距離拍攝時(shí)會(huì)產(chǎn)生"近大遠(yuǎn)小"的變形現(xiàn)象，并不適合拍攝人物半身像。 解決變形的辦法是使用中焦距鏡頭。但中焦距鏡頭在同樣的光圈之下，其景深要比廣角鏡頭小得多，如焦距為85mm的鏡頭，當(dāng)調(diào)焦距離為2m和鏡頭光圈系數(shù)為f/4時(shí)，L1為1.93m，L2為2.08m；當(dāng)調(diào)焦距離不變而光圈系數(shù)為f/11時(shí)，L1為1.82m和L2為2.22m。顯然此時(shí)只適合拍攝主體在1.82m至2.22m范圍之內(nèi)的情形，當(dāng)被攝主體超出這一范圍，其成像結(jié)果是不能令人滿意的。 另外，仍以焦距為35mm左右的鏡頭來說，如果調(diào)焦距離固定不變，所拍攝出的照片在照片不是放得很大時(shí)，其清晰度是可以接受的；若照片要放得較大，如12英寸，原來在小照片上清晰的物體就顯得模糊了。 綜上所述，具有小廣角鏡頭的固定焦點(diǎn)照相機(jī)的應(yīng)用范圍是極有限的。為了擴(kuò)大鏡頭焦距和提高清晰度，勢(shì)必要使焦點(diǎn)能調(diào)節(jié)。因此在簡易照相機(jī)上就出現(xiàn)了區(qū)域調(diào)焦系統(tǒng)，如現(xiàn)在國內(nèi)市場常見的Ricoh XF-30袖珍相機(jī)就有區(qū)域調(diào)焦功能。 區(qū)域調(diào)焦系統(tǒng)是根據(jù)被攝主體所處的距離不同，選擇相應(yīng)的調(diào)焦距離點(diǎn)，并利用景深使在該點(diǎn)前后一段距離內(nèi)的物體都是清晰的.我們?cè)賮砜匆唤M數(shù)據(jù)。仍假設(shè)照相機(jī)鏡頭焦距為35mm，光圈系數(shù)為f/4，容許彌散圓直徑為0.033mm，那么調(diào)焦距離 L(單位為m)與L1及L2的關(guān)系為： L 1.00 1.25 1.50 2.00 3.50 9.00 L1 0.92 1.10 1.29 1.65 2.54 4.57 L2 1.12 1.44 1.79 2.55 5.62 30.0 只要能分6級(jí)調(diào)節(jié)照相機(jī)鏡頭的調(diào)焦距離， 就可以保證能在0.92m至無限遠(yuǎn)處(30m可以認(rèn)為是無限遠(yuǎn))都能拍攝出清晰的照片。例如當(dāng)被攝主體在0.92～1.10m處，可以將調(diào)焦距離置于1m處；當(dāng)被攝主體在1.65～2.5m處，可以將調(diào)焦距離置于2m處等。這就是區(qū)域調(diào)焦系統(tǒng)的理論根據(jù)。 當(dāng)鏡頭焦距增長時(shí)，由于景深淺的緣故，若要保證從1m至無限遠(yuǎn)都是清晰的，所分級(jí)數(shù)還應(yīng)該相應(yīng)增加。 從上面的敘述可看出，如果調(diào)焦級(jí)數(shù) (即鏡頭焦點(diǎn)可調(diào)節(jié)的位置數(shù)量)越多，調(diào)焦精度就越高。當(dāng)調(diào)焦級(jí)數(shù)達(dá)到無窮多級(jí)時(shí)(即鏡頭的調(diào)焦距離是可以無級(jí)地調(diào)節(jié))，調(diào)焦精度為最高。單反機(jī)的鏡頭是可以從某一最近距離至無限遠(yuǎn)任意調(diào)節(jié)，因此這類鏡頭的調(diào)焦精度是最高的。 細(xì)心的讀者也許會(huì)從表3中看出，0.92m至2.55m之間有4個(gè)調(diào)焦級(jí)，而從2.54m至30m只有兩個(gè)調(diào)焦級(jí)。這仍然與景深特性有關(guān)。調(diào)焦距離越近，景深就越淺，所以需要調(diào)節(jié)的位置相應(yīng)就要增多；而調(diào)焦距離越遠(yuǎn)，景深就越大，需要調(diào)節(jié)的位置就相應(yīng)要少些。 具有區(qū)域調(diào)焦系統(tǒng)照相機(jī)是能夠提高清晰度，但對(duì)于大多數(shù)人來說，具有使用不方便的一面，因此自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生了。 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。其關(guān)系如圖所示：(1) （一）執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。 （1）手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易構(gòu)件，故應(yīng)用較廣泛平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。 手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母多，式彈簧式和重力式等。附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。 用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式。 （2）手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))。 （3）手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件受力狀態(tài)簡單。 導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。 （4）立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立往通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。 （5）機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。 （二）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四中形式， （三）控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位系統(tǒng)組成。 （四）位置檢測(cè)裝置是控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。 1.3自動(dòng)調(diào)焦的方式及發(fā)展歷程 自動(dòng)調(diào)焦有幾種不同的方式，目前應(yīng)用最多的是主動(dòng)式紅外系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的工作程序，是從照相機(jī)發(fā)光元件發(fā)射出一束紅外線光，照射到被攝物主體后反射回照相機(jī)，感應(yīng)器接收到回波。照相機(jī)根據(jù)發(fā)光光束與反射光束所形成的角度來測(cè)知拍攝距離，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦。 采用這種方式的AF照相機(jī)，因?yàn)槭怯勺陨戆l(fā)出照射光，所以其對(duì)焦精度與被攝物的亮度和反差無關(guān)，即使是室內(nèi)等較暗的環(huán)境下，也可以順利地拍攝。但是，由于這種方式是以被攝物反射的紅外光為檢測(cè)對(duì)象，所以對(duì)反射率較低的被攝物，以及與此相反，表面有反射的被攝物，或面積太小的被攝物，有時(shí)不能發(fā)揮其功能。 AF照相機(jī)取景器中心都有一個(gè)自動(dòng)對(duì)焦框，拍攝時(shí)需將其對(duì)準(zhǔn)被攝主體，否則對(duì)焦不準(zhǔn)，影像模糊。如果主體不宜放在畫面的正中，可采用對(duì)焦記憶鎖（AF-L按鈕）進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦拍攝。 AF技術(shù)最早被應(yīng)用于小型照相機(jī)，目前135單鏡頭反光照相機(jī)均已開始向AF化方向發(fā)展。世界各主要照相機(jī)廠家逐漸放棄傳統(tǒng)的手動(dòng)對(duì)焦照相機(jī)，發(fā)展高度電子化的AF照相機(jī)。 AF技術(shù)發(fā)展分為以下幾個(gè)階段： 　?、購?5年后各大相機(jī)生產(chǎn)廠家開始推出自動(dòng)聚焦相機(jī)，它的原理是建立在“影像在完全正確對(duì)焦下，畫面會(huì)獲得至高的反差”，相機(jī)靠紅外線感應(yīng)器檢測(cè)景物的垂直線，再由機(jī)身里的相位差檢測(cè)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)鏡頭移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焦距的自動(dòng)調(diào)整。對(duì)于一些低反差無直線的單色調(diào)物體比如墻壁等，自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)就會(huì)失靈。第一代AF相機(jī)的代表有：美能達(dá)-7000型、尼康-F501、佳能EOS-600系列等。在當(dāng)時(shí)的一些AF傻瓜相機(jī)上靠機(jī)內(nèi)電源發(fā)射紅外光，通過接受返回的信號(hào)來測(cè)量距離，這種稱為主動(dòng)式自動(dòng)聚焦的方法，盡管畫面沒有橫直線也不影響測(cè)距，但因有效距離太小，無法滿足專業(yè)相機(jī)從長焦到微距的使用，也不能滿足在創(chuàng)作中控制景深的需要，因而沒被采用到單反相機(jī)上。 　?、诘?988年后，以美能達(dá)-7000i、尼康-F4及F-801、佳能EOS-1為代表，運(yùn)用了多組電荷耦件使自動(dòng)調(diào)焦范圍大了12倍并可預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的速度，使快門打開的瞬間計(jì)算出主體移動(dòng)后的焦點(diǎn)位置，從而為動(dòng)態(tài)（體育）攝影開創(chuàng)了新天地。 　?、壑悄苄妥詣?dòng)調(diào)焦相機(jī)是將人的思維與相機(jī)操作完美結(jié)合起來，如美能達(dá)－7xi、在測(cè)距元件上加進(jìn)16位CPU微電腦處理器，在測(cè)距的自動(dòng)化方面增添了符合個(gè)性需要的各種模式，然而對(duì)自動(dòng)聚焦研究的腳步并沒就此停止……，直至EOS-3的推出，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦的區(qū)域越來越廣，照片拍攝速度也大大提高了。 6 A1 x' N% ^4 h6 W1 N7 o三維網(wǎng)技術(shù)論壇1.4 自動(dòng)調(diào)焦應(yīng)用及CCD應(yīng)用 現(xiàn)今自動(dòng)調(diào)焦應(yīng)用最多的應(yīng)用于CCD自動(dòng)成像技術(shù)。 四十年來，CCD器件及其應(yīng)用技術(shù)的研究取得了驚人的進(jìn)展，特別是在圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展更為迅速。隨著CCD技術(shù)和理論的不斷發(fā)展，CCD技術(shù)應(yīng)用的廣度與深度必將越來越大。CCD是使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料集成，它能夠根據(jù)照射在其面上的光線產(chǎn)生相應(yīng)的電荷信號(hào)，在通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成“0”或“1”的數(shù)字信號(hào)，這種數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮和程序排列后，可由閃速存儲(chǔ)器或硬盤卡保存即收光信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的電子圖像信號(hào)，可對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量、分析。 　　含格狀排列像素的CCD應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)掃瞄儀與攝影機(jī)的感光元件。其光效率可達(dá)70%（能捕捉到70%的入射光），優(yōu)于傳統(tǒng)菲林（底片）的2%，因此CCD迅速獲得天文學(xué)家的大量采用。 　　傳真機(jī)所用的線性CCD影像經(jīng)透鏡成像于電容陣列表面后，依其亮度的強(qiáng)弱在每個(gè)電容單位上形成強(qiáng)弱不等的電荷。傳真機(jī)或掃瞄儀用的線性CCD每次捕捉一細(xì)長條的光影，而數(shù)碼相機(jī)或攝影機(jī)所用的平面式CCD則一次捕捉一整張影像，或從中擷取一塊方形的區(qū)域。一旦完成曝光的動(dòng)作，控制電路會(huì)使電容單元上的電荷傳到相鄰的下一個(gè)單元，到達(dá)邊緣最后一個(gè)單元時(shí)，電荷訊號(hào)傳入放大器，轉(zhuǎn)變成電位。如此周而復(fù)始，直到整個(gè)影像都轉(zhuǎn)成電位，取樣并數(shù)位化之后存入內(nèi)存。儲(chǔ)存的影像可以傳送到打印機(jī)、儲(chǔ)存設(shè)備或顯示器。 　　在數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域，CCD的應(yīng)用更是異彩紛呈。一般的彩色數(shù)碼相機(jī)是將拜爾濾鏡（Bayer filter）加裝在CCD上。每四個(gè)像素形成一個(gè)單元，一個(gè)負(fù)責(zé)過濾紅色、一個(gè)過濾藍(lán)色，兩個(gè)過濾綠色（因?yàn)槿搜蹖?duì)綠色比較敏感）。結(jié)果每個(gè)像素都接收到感光訊號(hào)，但色彩分辨率不如感光分辨率。 　　用三片CCD和分光棱鏡組成的3CCD系統(tǒng)能將顏色分得更好，分光棱鏡能把入射光分析成紅、藍(lán)、綠三種色光，由三片CCD各自負(fù)責(zé)其中一種色光的呈像。所有的專業(yè)級(jí)數(shù)位攝影機(jī)，和一部份的半專業(yè)級(jí)數(shù)位攝影機(jī)采用3CCD技術(shù)。目前，超高分辨率的CCD芯片仍相當(dāng)昂貴，配備3CCD的高解析靜態(tài)照相機(jī)，其價(jià)位往往超出許多專業(yè)攝攝影者的預(yù)算。因此有些高檔相機(jī)使用旋轉(zhuǎn)式色彩濾鏡，兼顧高分辨率與忠實(shí)的色彩呈現(xiàn)。這類多次成像的照相機(jī)只能用于拍攝靜態(tài)物品。 　　經(jīng)冷凍的CCD同時(shí)在1990年代初亦廣泛應(yīng)用于天文攝影與各種夜視裝置，而各大型天文臺(tái)亦不斷研發(fā)高像數(shù)CCD以拍攝極高解像之天體照片。 　　CCD在天文學(xué)方面有一種奇妙的應(yīng)用方式，能使固定式的望遠(yuǎn)鏡發(fā)揮有如帶追蹤望遠(yuǎn)鏡的功能。方法是讓CCD上電荷讀取和移動(dòng)的方向與天體運(yùn)行方向一致，速度也同步，以CCD導(dǎo)星不僅能使望遠(yuǎn)鏡有效糾正追蹤誤差，還能使望遠(yuǎn)鏡記錄到比原來更大的視場。 　　一般的CCD大多能感應(yīng)紅外線，所以衍生出紅外線影像、夜視裝置、零照度（或趨近零照度）攝影機(jī)/照相機(jī)等。為了減低紅外線干擾，天文用CCD常以液態(tài)氮或半導(dǎo)體冷卻，因室溫下的物體會(huì)有紅外線的黑體輻射效應(yīng)。CCD對(duì)紅外線的敏感度造成另一種效應(yīng)，各種配備CCD的數(shù)碼相機(jī)或錄影機(jī)若沒加裝紅外線濾鏡，很容易拍到遙控器發(fā)出的紅外線。降低溫度可減少電容陣列上的暗電流，增進(jìn)CCD在低照度的敏感度，甚至對(duì)紫外線和可見光的敏感度也隨之提升（信噪比提高）。 　　溫度噪聲、暗電流（dark current）和宇宙輻射都會(huì)影響CCD表面的像素。天文學(xué)家利用快門的開闔，讓CCD多次曝光，取其平均值以緩解干擾效應(yīng)。為去除背景噪聲，要先在快門關(guān)閉時(shí)取影像訊號(hào)的平均值，即為"暗框"(dark frame）。然后打開快門，取得影像后減去暗框的值，再濾除系統(tǒng)噪聲（暗點(diǎn)和亮點(diǎn)等等），得到更清晰的細(xì)節(jié)。 　　天文攝影所用的冷卻CCD照相機(jī)必須以接環(huán)固定在成像位置，防止外來光線或震動(dòng)影響；同時(shí)亦因?yàn)榇蠖鄶?shù)影像平臺(tái)生來笨重，要拍攝星系、星云等暗弱天體的影像，天文學(xué)家利用"自動(dòng)導(dǎo)星"技術(shù)。大多數(shù)的自動(dòng)導(dǎo)星系統(tǒng)使用額外的不同軸CCD監(jiān)測(cè)任何影像的偏移，然而也有一些系統(tǒng)將主鏡接駁在拍攝用之CCD相機(jī)上。以光學(xué)裝置把主鏡內(nèi)部份星光加進(jìn)相機(jī)內(nèi)另一顆CCD導(dǎo)星裝置，能迅速偵測(cè)追蹤天體時(shí)的微小誤差，并自動(dòng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)馬達(dá)以矯正誤差而不需另外裝置導(dǎo)星。 第二章 可調(diào)焦距的CCD機(jī)械手設(shè)計(jì)方案 課題研究的系統(tǒng)要求可以對(duì)可調(diào)的焦距CCD鏡頭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，本方案采用自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，類似CCD可調(diào)鏡頭的機(jī)械手。 2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的組成及控制原理 整個(gè)系統(tǒng)包括試驗(yàn)臺(tái)，被測(cè)CCD變速箱總成，調(diào)速電機(jī)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械手，傳感器，電控柜，微機(jī)等部件。其中電控部分采用微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)整體框圖如圖2-1。 圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2.1.1 機(jī)械系統(tǒng)的工作原理 該系統(tǒng)分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種工作方式。在進(jìn)行CCD性能試驗(yàn)，測(cè)量試驗(yàn)中的各項(xiàng)參數(shù)時(shí)，一般采用手動(dòng)方式操作試驗(yàn)臺(tái)。在進(jìn)行CCD可靠性試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定要執(zhí)行的工況和工況數(shù)后，一般采用自動(dòng)方式操作試驗(yàn)臺(tái)。自動(dòng)方式利用具有位置控制功能的機(jī)械手來模擬人手的換擋過程。機(jī)械手功能的實(shí)現(xiàn)利用一個(gè)滑動(dòng)副及一個(gè)萬向節(jié)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，滑動(dòng)副由在一套筒內(nèi)嵌入的直線軸承和滑桿構(gòu)成。如圖2-2機(jī)械手基本構(gòu)成所示。 圖2-2 機(jī)械手基本構(gòu)成 2.1.2機(jī)械手空間運(yùn)動(dòng)模型的簡化 被測(cè)的變速箱含有六個(gè)前進(jìn)擋和一個(gè)倒擋，結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。 圖2-3 變速箱擋位圖 通過空間模型，將操作桿的實(shí)際位移同傳感器測(cè)量的位移建立聯(lián)系。 圖2-4操作桿的空間模型 圖2-5機(jī)械手的基本運(yùn)動(dòng) 2.1.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理： 同氣動(dòng)系統(tǒng)比較，采用電動(dòng)系統(tǒng)具有機(jī)構(gòu)簡單，機(jī)械強(qiáng)度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，驅(qū)動(dòng)力大等特點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)最終采用了電動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。由于本設(shè)計(jì)要求的精度高，兩個(gè)電機(jī)通過機(jī)械滑臺(tái)結(jié)構(gòu)十字交叉的連接在一起，裝置中的伺服系統(tǒng)提供反饋，用來控制操作桿的選擋運(yùn)動(dòng)和換擋運(yùn)動(dòng)。同時(shí)在滾珠絲杠上固定的位移傳感器在電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)時(shí)的采集位移信號(hào)，傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。該系統(tǒng)采用位置閉環(huán)控制，由微機(jī)給定電壓值，經(jīng)D/A變換、伺服放大后，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)不斷的與位移傳感器測(cè)到的電壓值相比較，若不相等則有電壓輸出，該電壓經(jīng)調(diào)制、放大解調(diào)后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。但是機(jī)械手是一個(gè)非線性的控制對(duì)象，單純的伺服反饋控制難以滿足模擬人手換擋時(shí)的動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)精度的要求。因此在計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)中也加入了直接數(shù)字控制系統(tǒng)中常用的PID控制算法，從而很好的達(dá)到了模擬人手換擋的功能。 2.1.4計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的組成 一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，需要在微機(jī)、被控制對(duì)象和操作者之間適時(shí)、不斷地交換數(shù)據(jù)信息和控制信息。在總體設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮硬件和軟件措施，解決三者之間可靠的、適時(shí)的進(jìn)行信息交換的通路和分時(shí)控制的時(shí)序安排問題，保證系統(tǒng)能正常地運(yùn)行。設(shè)計(jì)中主要考慮以下幾大方面。 （1）選擇微型計(jì)算機(jī) 因?yàn)樵撓到y(tǒng)試驗(yàn)內(nèi)容繁多、要求的精度大、穩(wěn)定性高及在試驗(yàn)車間環(huán)境惡劣的情況下工作。普通的微機(jī)難以達(dá)到要求。而同普通的微機(jī)比較，工業(yè)控制機(jī)具有豐富的過程輸入/輸出功能；完善的外部設(shè)備；足夠的存儲(chǔ)容量；配有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和過程中斷系統(tǒng)；很高的可靠性；極高的電磁兼容性及抗干擾能力，有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。所以該項(xiàng)目選擇了工業(yè)控制機(jī)作為控制系統(tǒng)的主機(jī)。 （2）板卡選用 在工控機(jī)控制的基礎(chǔ)上，采用祥云計(jì)算機(jī)技術(shù)公司的PC-1232-K系列高性能價(jià)格比12位32通道110KHz AD/DA轉(zhuǎn)換板作為AD/DA板卡。該板卡主要由125KHz A/D轉(zhuǎn)換、多路器、數(shù)字I/O、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、I/O口譯碼電路、DMA及中斷控制邏輯等幾個(gè)部分組成。ADC使用芯片為自帶采樣保持器的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為7.8 μs，該芯片由單一5V供電，功耗很低。由于該板卡采用特有的復(fù)式A/D并行操作方式與特殊電路處理，從根本上保證了110 KHz的實(shí)際數(shù)據(jù)采集速度和±1LSB的變換誤差。選用了12位的A/D轉(zhuǎn)換器，構(gòu)成32路單端A/D輸入通道，位移、力等不同傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過變送器的處理后通過A/D輸入通道傳送給工控機(jī)。12位的D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成兩路D/A通道，工控機(jī)設(shè)定的數(shù)字量經(jīng)A/D、D/A轉(zhuǎn)換板卡轉(zhuǎn)換成電壓量通過伺服放大器處理后，分別控制選擋電動(dòng)機(jī)和換擋電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)。 板卡中采用8253定時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)光電編碼器和轉(zhuǎn)速傳感器輸出脈沖信號(hào)的測(cè)量。選用8253定時(shí)計(jì)數(shù)器六種工作方式中的方式2。在這種方式，當(dāng)CPU輸出控制字后，輸出將為高。在寫入數(shù)值后，計(jì)數(shù)器將自動(dòng)對(duì)輸入時(shí)鐘CLK計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)過程中輸出始終保持為高，直到計(jì)數(shù)器減為1時(shí)，輸出變低。經(jīng)一個(gè)CLK周期，輸出恢復(fù)為高，且計(jì)數(shù)器開始重新計(jì)數(shù)。方式2的一個(gè)特點(diǎn)是能夠連續(xù)工作。如果計(jì)數(shù)值為N，則每輸入N個(gè)CLK脈沖，OUT輸出一個(gè)負(fù)脈沖。因此，這種方式頗似一個(gè)頻率發(fā)生器或分頻器。在計(jì)數(shù)過程中裝入新值，將不影響現(xiàn)行計(jì)數(shù)過程。但是，從下一個(gè)周期開始按新計(jì)數(shù)值計(jì)數(shù)。GATE為低電平，將禁止計(jì)數(shù)，并使輸出為高。GATE變高，計(jì)數(shù)器將重新裝入預(yù)置的計(jì)數(shù)值，并開始計(jì)數(shù)。這樣，GATE能用硬件對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行同步。方式2一旦被啟動(dòng)之后，只要GATE保持為高，計(jì)數(shù)過程就能周而復(fù)始地重復(fù)下去，因此OUT端可以產(chǎn)生連續(xù)的波形。在重復(fù)計(jì)數(shù)后，不會(huì)因啟動(dòng)造成實(shí)際計(jì)數(shù)值和初值之間的誤差。 2.2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制程序模塊設(shè)計(jì) 在試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，設(shè)置的機(jī)械手應(yīng)能夠使變速桿在任意擋位之間進(jìn)行切換。這里控制程序的流程圖如圖2-6所示。 圖2-6機(jī)械手控制流程圖 設(shè)定任意兩擋位切換的總工況數(shù)為Tn，每個(gè)工況為Ti，每個(gè)工況執(zhí)行的次數(shù)為M，當(dāng)前工況已經(jīng)執(zhí)行的次數(shù)為m。例如在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)中，設(shè)置從3擋位到4擋位切換5000次后，再從4擋位切換到5擋位，運(yùn)行1000次。則設(shè)定的總工況數(shù)Tn為2，先進(jìn)行第一工況（此時(shí)Ti=1），第一工況要求的工況次數(shù)M=5000，執(zhí)行的工況次數(shù)m從1循環(huán)到5000，通過判斷m=5000=M，則機(jī)械手回到中間位置，開始進(jìn)入第二個(gè)工況（此時(shí)Ti=2），再循環(huán)直到m=1000=M，此時(shí)所有工況都已經(jīng)運(yùn)行過，機(jī)械手回到空擋處。一次可靠性試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)束。運(yùn)行中，為了使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)類似人手一樣能夠靈活的切換擋位，控制整個(gè)電動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)功能的關(guān)鍵。 圖2-8 PID控制原理框圖 第三章 數(shù)學(xué)模型的建立 3.1機(jī)械手空間模型的建立 機(jī)械手簡化成下圖3-1所示，進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析。操作桿在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行前后、左右的運(yùn)動(dòng)，操作桿的運(yùn)動(dòng)通過萬向節(jié)的連接帶動(dòng)AB桿運(yùn)動(dòng)，近而帶動(dòng)DG和EH桿運(yùn)動(dòng)。其中，DM桿的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)變速器的換擋，EH桿的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)變速器的選擋運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過程中力的測(cè)量通過AB桿的力傳感器力F測(cè)得。 圖3-1機(jī)械手操作簡圖 3.2換擋接合過程的數(shù)學(xué)模型 本設(shè)計(jì)在CCD的性能測(cè)試分析中，建立了較完善的CCD系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出了通用性較強(qiáng)的CCD接合過程的計(jì)算公式，通過推導(dǎo)出的計(jì)算公式能較全面和正確地反映出各種參數(shù)對(duì)CCD性能的影響。計(jì)算公式采用統(tǒng)一的形式，任意CCD布置位置以及所有的換擋情況都采用統(tǒng)一形式通用計(jì)算公式。對(duì)測(cè)試中具體的離合器—變速器換擋系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻轉(zhuǎn)矩等參數(shù)都是常數(shù)，計(jì)算公式中僅出現(xiàn)了3個(gè)變量：輸出擋的傳動(dòng)比，輸入擋的傳動(dòng)比和變速器輸入軸到CCD的傳動(dòng)比。 3.2.1接合過程的運(yùn)動(dòng)微分方程式 換擋CCD系統(tǒng)簡圖見下圖3-2所示： 圖3-2 換擋CCD系統(tǒng)簡圖 式中：ωc 為主離合器主動(dòng)部分轉(zhuǎn)速，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；ωi為主離合器被動(dòng) 部分轉(zhuǎn)速，即變速器輸入軸轉(zhuǎn)速；ω1為CCD主動(dòng)部分轉(zhuǎn)速；ω2為CCD被 動(dòng)部分轉(zhuǎn)速；Ms為同步轉(zhuǎn)矩；Mc為轉(zhuǎn)換至CCD主動(dòng)部分的離合器阻轉(zhuǎn)矩； Mt 為轉(zhuǎn)換至CCD主動(dòng)部分的變速器阻轉(zhuǎn)矩； J 為CCD主動(dòng)部分的總轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量，J = Jt + Jc；Jt為變速器主動(dòng)部分轉(zhuǎn)換至CCD上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jc為主 離合器被動(dòng)部分轉(zhuǎn)換至CCD上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； Jv為轉(zhuǎn)換至CCD被動(dòng)部分總 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Mv為轉(zhuǎn)換至CCD被動(dòng)部分總阻轉(zhuǎn)矩；ix 為輸出擋傳動(dòng)比；iy為 輸入擋傳動(dòng)比； 其中：從空擋到掛擋起步時(shí)，ω2 = 0，掛前進(jìn)擋起步時(shí)K = ?1，掛后退 擋起步時(shí)K =1。 從公式中可知： （1） 升擋時(shí)，Ms使CCD主動(dòng)部分降速；降擋時(shí)，Ms使CCD主動(dòng)部 分增速。 （2） Mc方向始終與Ms相反，任何換擋情況下，始終抵消同步轉(zhuǎn)矩，對(duì) 同步不利。 （3） Mt 升擋時(shí)與Ms 方向相同，對(duì)同步有利；降擋時(shí)與Ms 方向相反， 對(duì)同步不利。 （4） Mv升擋時(shí)對(duì)同步不利，降擋時(shí)對(duì)同步有利。 3.2.2 CCD接合過程計(jì)算公式 假設(shè)換擋同步過程中Ms，Mc，Mt 和Mv保持不變。 （1） 由同步時(shí)間求所需同步轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式為 式中：K ，ωi，Ji ，Jt0，Mti ，Mci，Mv0都是常數(shù)，除同步時(shí)間和同步轉(zhuǎn) 矩彼此直接有關(guān)外，還與以下因素有關(guān)： （1） 隨ωi和Ji的增加，所需同步時(shí)間增長或同步轉(zhuǎn)矩增大。 （2） 隨iiy增加，所需同步時(shí)間增長或同步轉(zhuǎn)矩增大。應(yīng)該說明，CCD布置 的位置對(duì)Ji數(shù)值有影響，但影響不大。 （3） (iy -ix)/ix 說明換擋前后傳動(dòng)比差越大，所需的Ms 和te 越大，并且降 擋比升擋所需的Ms和te 大。 （4） 隨Mci增加，所需同步時(shí)間增長或同步轉(zhuǎn)矩增大。 （5） 隨Mti 增加，在降擋時(shí)增大同步時(shí)間或同步轉(zhuǎn)矩，升擋則相反。 （6） Mv0升擋對(duì)同步不利，降擋對(duì)同步有利；Jt0增加對(duì)同步不利。但Mv0和 Jt0對(duì)同步過程影響很微小，一般可以忽略。 第四章 換擋機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 4.1 絲杠螺母機(jī)構(gòu) 絲杠螺母機(jī)構(gòu)主要用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)既有以傳遞能量為主的，也有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的，還有調(diào)整零件之間的相對(duì)位置的。 絲杠螺母機(jī)構(gòu)有滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)和滾動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)之分滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能，但是其摩擦阻力矩大，傳動(dòng)效率低[30%-40%]。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，但是其最大的優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小，傳動(dòng)效率高[92%-98%]，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 由于本設(shè)計(jì)中對(duì)傳動(dòng)效率及精度要求較高所以在控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)選擇了絲杠螺母機(jī)構(gòu) 4.2軸承的選擇 4.2.1深溝球軸承 深溝球軸承軸系用球軸承有單列向心球軸承和角接觸球軸承。前者一般僅能承受較小的軸向力，且間隙不能調(diào)整，常用于旋轉(zhuǎn)精度和剛度要求不高的場合。后者既能承受徑向載荷也能承受軸向載荷，并且可以通過內(nèi)外圈之間的相對(duì)位移來調(diào)整其間隙之大小，因此輕載時(shí)應(yīng)用廣泛。 4.2.2推力軸承 51000系列[單向]和5200系列[雙向]推力球軸承，其軸向承載能力很強(qiáng)，支持剛度很大，但是極限轉(zhuǎn)速較低，運(yùn)動(dòng)噪聲較大。新發(fā)展起來的230000系列為60度接觸角雙列推力球軸承，它由內(nèi)圈，球，外圈，和隔套組成，其外徑與同軸頸的NN3000軸承相同，但是外徑公差帶在零線以下，因此與箱體座孔的配合較松，目的在于不承受徑向載荷，僅承受軸向推力。 本機(jī)構(gòu)在換檔過程中主要受軸向推力的作用，但是同時(shí)也要受到一部分徑向力，因此在機(jī)構(gòu)的選擇時(shí)，可以選擇深溝球軸承和推力軸承的配合來達(dá)到這一目的。 4.3填入式滾動(dòng)支承 滾動(dòng)支承摩擦阻力矩小，耐磨性好，支承能力較大，溫度劇烈變化時(shí)影響小，以及能在震動(dòng)條件下工作，故可在高速度重載荷情況下使用，但是成本較高。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)滾珠軸承不能滿足結(jié)構(gòu)上的使用要求時(shí)。常采用非標(biāo)準(zhǔn)滾珠軸承[即添入式滾動(dòng)支承]，這種支承一般沒有內(nèi)圈和外圈，僅在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件上加工出滾道面，用標(biāo)準(zhǔn)滾珠散裝在滾道內(nèi)。 本機(jī)構(gòu)扭矩傳感器中應(yīng)用了這一機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是能承受較大載荷，在承受載荷和摩擦力矩方面也有較好的效果，滿足本機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。 4.4滾動(dòng)導(dǎo)軌 滾動(dòng)導(dǎo)軌作為作為滾動(dòng)摩擦副的一類具有許多優(yōu)點(diǎn)：1摩擦系數(shù)小[0.003-0.005]；運(yùn)動(dòng)靈活2動(dòng)靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動(dòng)阻力小；而不易產(chǎn)生爬行3可以預(yù)緊，剛度高；4壽命長；5潤滑方便，可以采用脂潤滑，一次裝填長期使用；6精度高；7由專業(yè)廠生產(chǎn)可以外購選用。因此滾動(dòng)導(dǎo)軌副廣泛地被應(yīng)用于精密機(jī)床，數(shù)控機(jī)床，測(cè)量機(jī)和測(cè)量儀器等。 滾動(dòng)導(dǎo)軌的缺點(diǎn)是：導(dǎo)軌面與滾動(dòng)體是點(diǎn)接觸或線接觸，所以抗震性差，接觸應(yīng)力；對(duì)導(dǎo)軌的表面硬度，表面形狀精度和滾動(dòng)體的尺寸精度要求較高，若滾動(dòng)體的直徑不一致，導(dǎo)軌表面有高低，回使運(yùn)動(dòng)部件傾斜，產(chǎn)生振動(dòng)影響運(yùn)動(dòng)精度；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本較高；對(duì)贓物比較敏感，必須有良好的防護(hù)裝置。 對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的基本要求是： 1 導(dǎo)向精度 導(dǎo)向精度是導(dǎo)軌副最基本的性能指標(biāo)。移動(dòng)件在沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)，不論有無載荷，都應(yīng)保證移動(dòng)導(dǎo)軌的直線性及其位置的精確性。這是保證機(jī)床運(yùn)行工作質(zhì)量的關(guān)鍵。各種機(jī)床對(duì)導(dǎo)軌副本身平面度，垂直度及等高，等距的要求都有規(guī)定或標(biāo)準(zhǔn)。 2 耐磨性 導(dǎo)軌副應(yīng)注意在預(yù)定的使用期內(nèi)，保持其導(dǎo)向精度。精密滾動(dòng)導(dǎo)軌副的主要形式是磨損。因此耐磨性是衡量滾動(dòng)導(dǎo)軌副性能的主要指標(biāo)之一。 3 剛度 為了保證足夠的剛度，應(yīng)選用最合適的導(dǎo)軌類型，尺寸及其組合。選用可調(diào)間隙和預(yù)緊的導(dǎo)軌副可以提高剛度。 4 工藝性 導(dǎo)軌副要便于裝配，調(diào)整，測(cè)量，防塵，潤滑和維修保養(yǎng)。 第五章 可調(diào)焦距CCD機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算 5.1 滾珠絲杠設(shè)計(jì) 由已知條件知，工作載荷Fm＝3500×0.1＝350N, 取μ＝0.1設(shè)絲杠平均轉(zhuǎn)速n＝100r /min.每天開機(jī)6h每年300個(gè)工作日，要求工作8年，滾道硬度58-62HRC。絲杠傳動(dòng)精度±0.04， Z向滾珠絲桿 1.載荷Fc(N)的計(jì)算 Fc＝KFKHKAFm KF KH KA 查自《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表2-6，2-7，2-8 ①KF＝1.5, KH＝1.0,KA＝1.0 => FC＝1.5×1.0×1.0×350N＝525N 使用壽命 L’h＝6×300×8＝14400h. =>C’a＝Fc [nmL’h/1.67*104 ] 1/3＝2319N 假設(shè)選用FC1型號(hào)，按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷Ca等于或大于C’a的原則，查表2-9選以下型號(hào)規(guī)格。 FC1-2004-2.5,Ca＝5393N =>公稱直徑D0＝20mm 導(dǎo)稱P＝4 螺旋角λ＝3038ˊ 滾珠直徑d0＝2.381mm由尺寸公式計(jì)算 滾道半徑R＝0.52d0＝0.52×2.381＝1.238mm 偏心距e＝0.07×(1.238-2.318/2) ＝3.4×10-2mm 絲杠內(nèi)徑d1＝D0+2e-2R＝(20+2×3.4×10-2-2×1.238) ＝17.59mm 由《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表2-1知R＝0.52d0 e＝0.07(R-d0/2) d1＝D0+2e-2R 2.穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于一端固定的長絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S] 最大載荷Fcr＝π2EⅠa/(μL)2 E＝206GPa 由工作臺(tái)行程△Z＝320mm 取L＝340mm＝0.34m Ⅰa＝πd14/64＝3.14(0.01759)4/64＝0.04*10-7m4 =>Fcr＝(3.14)2×206×109×0.04×10-7/(2/3×0.34)2＝1.58×105N 查表2-10取μ=2/3 安全系數(shù)S＝Fcr/Fm＝1.58×105N/3.5×102＝451 由表2-10差得[S] ＝2.5~3.3 S>[S] 所以絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。 3.共振驗(yàn)算 要絲杠的最大轉(zhuǎn)速nmax T＝350×20／2×103tan(3°38”+8/40//)＝0.24N·m ΔL0＝4pF/πE d12+16p2T/π2Gd14 ＝4×4×350×10-3/[3.14×206×109×(0.01759)2]+16×（4×10-3）2×0.24/[(3.14)2×83.3×109×(0.01759)4]≈＝2×10-3μm 導(dǎo)程誤差 ΔL＝LΔL0/p＝0.34×2×10-3/4×10-3μm＝0.17μm 要求絲杠的導(dǎo)程誤差ΔL應(yīng)小于其傳動(dòng)精度的1/2 所以1/2δ＝1/2×0.04＝0.02＝20μm 所以ΔL＝0.17<1/2δ可滿足剛度要求 5.效率驗(yàn)算 η＝tanλ/tan(λ+β) ＝tan(3°38”)/ tan(3°38”+8/40//)＝0.93 η要求在90%~95%之間，所以該絲杠副合格，經(jīng)上述驗(yàn)證，F(xiàn)C1-2004-2.5各項(xiàng)性能均符合要求可選用 Y向滾珠絲杠 由以上可知，算法相同查表取得 型號(hào)為FC1-2004-2.5 由ΔY＝230mm => 選ρ＝250mm 最大載荷Fcr＝π2EⅠa/(μL)2＝(3.14)2×206×109×0.04×10-7/(2/3×0.25)2 S＝Fcr/Fm＝844>[S] => 絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn) 由 Z面知 因?yàn)? ΔY<ΔZ 所以ncr>>nmax 所以工作不會(huì)發(fā)生共振。 Don <7×104mmr/min 所以絲杠副工作穩(wěn)定。 6.剛度驗(yàn)算 ΔL0＝pF/EA＋p2T/2πGJc＝2×10-3μm ΔL＝0.25×2×10-3/4×10-3≈0.13μm => ΔL<1/2δ＝20μm 所以該絲杠的ΔL 滿足, 所以其剛度要求滿足 傳動(dòng)效率η與上Z向相同， 所以該絲杠選用FC1-2004-2.5, 亦滿足條件 ，性能符合可以選用。 5.2滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 設(shè)導(dǎo)軌的滑座數(shù)M＝4個(gè)，每分鐘往復(fù)4次，載荷F∑＝2800N ，工作臺(tái)絲杠載荷每天開機(jī)6h，每年300個(gè)工作日，壽命8年，由所設(shè)條件得該導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間 壽命Th＝6×300×8＝14400h 由Th＝Ts×103/2Lsn => Z向?qū)к? Ts＝2Th·Lsn/103＝2×14400×0.34×4×60/103＝2350km Y向?qū)к塗s＝2Th·Lsn/103＝2×14400×0.25×4×60/103＝1728km 因滑座數(shù)M=4所以每導(dǎo)軌上使用2個(gè)滑座 fC＝0.81 fH＝1 fT＝1 fW＝2 => Ts＝K(fH fT fC /fW · Ca/F)3 =>Ca＝F(Ts/K)1/3fw/(fH fT fC) 其中F＝ F∑/M＝2800/4＝700N =>Z向 Ca＝700(2350/50)1/3×2/(0.81×1×1) ＝5333N 若選漢江機(jī)床廠的HJG-D系列滾動(dòng)導(dǎo)軌， 選用HJG-D25型號(hào)能滿足要求,同理Y向取HJG-D25型號(hào)。 5.3 步進(jìn)電機(jī)選擇 設(shè)傳動(dòng)比為2 ， 取p＝4mm 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量δp ＝0,005 查表知為一級(jí)傳動(dòng) 選Z1＝20 Z2＝40 m＝2mm 齒寬b＝20mm 電動(dòng)機(jī)的軸上總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算,絲杠等有效直徑φ43mm 由i＝αp/360δp 得 α＝360δp i/p =360×0.005×2/4＝0.9° Js＝π×7.8×103×(0.020)4×0.42/32＝5.14×105kg.m2 JZ1＝π×7.8×103×(0.020)4×0.02/32＝0.24×10-5kg.m2 JZ2＝π×7.8×103×(0.040)4×0.02/32＝3.9×10-5kg.m2 將各傳動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及工作臺(tái)質(zhì)量折算導(dǎo)電動(dòng)機(jī)軸上,得總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Jd＝JZ1 +( JZ2 +Js)1/i2+(p/2πi)2m＝0.24×10-5+(3.9×10-5+5.14×10-5)1/2+(0.004/2πi)2×350＝