3526 陶瓷插芯自動檢測機測量系統(tǒng)設(shè)計
3526 陶瓷插芯自動檢測機測量系統(tǒng)設(shè)計,陶瓷,自動檢測,測量,丈量,系統(tǒng),設(shè)計
課題簡介本項目旨在開發(fā)一種光纖連接器陶瓷插芯制造行業(yè)急需的綜合檢測機。該設(shè)備能夠快速自動、非接觸精密測量陶瓷插芯內(nèi)徑、外徑尺寸、內(nèi)孔及外圓柱面的同軸度、插芯表面缺陷等.測量精度：±0.1 微米，測量速度：1 秒/只,能自動標識不合格產(chǎn)品。系統(tǒng)由：攝像及照明系統(tǒng)、三維運動機體、控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。本項設(shè)計主要完成攝像及照明系統(tǒng)設(shè)計。零件圖需求要的分 類 號 密 級 寧XXXX 學院畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )陶瓷插芯自動檢測機測量系統(tǒng)設(shè)計所 在 學 院專 業(yè)班 級姓 名學 號指 導 老 師年 月 日2誠 信 承 諾我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《陶瓷插芯自動檢測機測量系統(tǒng)設(shè)計》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。承諾人（簽名）： 年 月 日I摘 要本次設(shè)計完成了陶瓷插芯自動檢測機測量系統(tǒng)。主要包括陶瓷和陶瓷插芯的有關(guān)知識，CCD 成像與測量的相關(guān)知識，CCD 攝影頭的選型，攝影平臺的設(shè)計，和照明系統(tǒng)設(shè)計。其中本次設(shè)計的重點是攝影運動平臺的設(shè)計,主要內(nèi)容包括，滾珠絲杠，滾動導軌及步進電動機的計算及選取和軸承座、聯(lián)軸器的選取。在其計算方面我采用了最常規(guī)的方法，因此對于所設(shè)計的工作臺的實用性有一定的保障。另外在導軌座，工作臺及其配裝的設(shè)計中，加入了自己的一些想法，有所創(chuàng)新，也希望能夠經(jīng)的住實踐的考驗。關(guān)鍵詞：陶瓷，陶瓷插芯，測量，滾珠絲杠IIAbstractThe complete design of the ceramic core automatic testing machine measuring system. Including ceramic and ceramic Chaxin related knowledge, CCD imaging and measurement of related knowledge, CCD photography head selection, photography platform design, and lighting system design.One of the design is the focus of camera motion platform design, the main contents include, ball screws, rolling guide and the calculation of the stepper motor and the selection and the bearing seat, coupling selection. In the calculation of the most conventional methods, thus the designed platform practicality has a certain degree of protection. In addition to the rail seat, platform and assembled in the design, adding some of his own ideas, innovate somewhat, also hope to be able to live by the test of practice.Key Words: Ceramics, ceramic ferrule, measurement, ball screwIII目 錄摘 要 .........................................................................................................................................IAbstract ......................................................................................................................................II目 錄 .......................................................................................................................................III第 1 章 緒論...............................................................................................................................11.1 陶瓷的概念 ..................................................................................................................11.2 陶瓷的工藝流程 ..........................................................................................................11.3 陶瓷的生產(chǎn) ..................................................................................................................21.4 光纖陶瓷插芯 ...............................................................................................................4第 2 章 課題研究任務要求.......................................................................................................72.1 畢業(yè)設(shè)計具體任務 ......................................................................................................72.2 設(shè)計基本參數(shù) ...............................................................................................................72.3 課題設(shè)計途徑與方法 ...................................................................................................7第 3 章 CCD 成像原理與測量技術(shù).............................................................................................83.1 CCD 介紹 .....................................................................................................................83.2 CCD 功能特性 .............................................................................................................83.3 CCD 工作原理 .............................................................................................................93.4 CCD 成像原理 .............................................................................................................93.5 CCD 圖像測量流程 ...................................................................................................113.6 CCD 圖像測量測量公式 ...........................................................................................113.7 CCD 圖像測量原理示意 ...........................................................................................12第 4 章 攝像及運動平臺設(shè)計.................................................................................................134.1 CCD 攝影頭的選型 ...................................................................................................134.2 自動檢測機機械平臺設(shè)計 ........................................................................................184.2.1 確定系統(tǒng)脈沖當量 .........................................................................................184.2.2 工作臺外形尺寸及重量初步估算 .................................................................184.2.3 滾動導軌副的計算、選擇 .............................................................................194.2.4 滾珠絲杠計算、選擇 .....................................................................................20IV4.2.5 步進電機慣性負載的計算 .............................................................................23第 5 章 照明系統(tǒng)設(shè)計.............................................................................................................265.1 照明類型照明光源選擇 ............................................................................................265.2 照明燈具選擇 .............................................................................................................265.3 燈具選擇一般原則 .....................................................................................................265.4 照度和照明方式選擇 ................................................................................................265.5 一般照明計算利用系數(shù)計算公式 .............................................................................27總結(jié)與展望...............................................................................................................................30參考文獻...................................................................................................................................31致 謝.........................................................................................................................................32第 1 章 緒論1第 1 章 緒論1.1 陶瓷的概念陶瓷是以粘土為主要原料以及各種天然礦物經(jīng)過粉碎混煉、成型和煅燒制得的材料以及各種制品。陶器和瓷器的總稱。陶瓷的傳統(tǒng)概念是指所有以粘土等無機非金屬礦物為原料的人工工業(yè)產(chǎn)品。它包括由粘土或含有粘土的混合物經(jīng)混煉，成形，煅燒而制成的各種制品。由最粗糙的土器到最精細的精陶和瓷器都屬于它的范圍。對于它的主要原料是取之于自然界的硅酸鹽礦物(如粘土、石英等)，因此與玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工業(yè)，同屬于“硅酸鹽工業(yè)”的范疇。1.2 陶瓷的工藝流程一、淘泥 高嶺土是燒制瓷器的最佳原料，千百年來，多少精品陶瓷都是從這些不起眼的瓷土演變而來，制瓷的第一道工序：淘泥，就是把瓷土淘成可用的瓷泥。 二、摞泥 淘好的瓷泥并不能立即使用，要將其分割開陶瓷藝術(shù)品來，摞成柱狀，以便于儲存和拉坯用。三、拉坯 將摞好的瓷泥放入大轉(zhuǎn)盤內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，用手和拉坯工具，將瓷泥拉成瓷坯。 四、印坯拉好的瓷坯只是一個雛形，還需要根據(jù)要做的形狀選取不同的印模將瓷坯印成各種不同的形狀。 五、修坯 剛印好的毛坯厚薄不均，需要通過修坯這一工序?qū)⒂『玫呐餍薰握R和勻稱，修坯又分為濕修和干修。 六、捺水 捺水是一道必不可少的工序，即用清水洗去坯上的塵土，為接下來的畫坯、上釉等工序做好準備工作。 七、畫坯 在坯上作畫是陶瓷藝術(shù)的一大特色，畫坯有好多種，有寫意的、有貼好畫紙寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計（論文）2勾畫的，無論怎樣畫坯都是陶瓷工序的點睛之筆。 八、上釉 畫好的瓷坯，粗糙而又呆澀，上好釉后則全然不同，光滑而又明亮：不同的上釉手法，又有全然不同的效果，常用的上釉方法有浸釉、淋釉、蕩釉、噴釉、刷釉等。 九、燒窯 千年窯火，延綿不息，經(jīng)過數(shù)十道工序精雕細琢的瓷坯，在窯內(nèi)經(jīng)受千度高溫的燒煉，就像一只丑小鴨行將達化一只美天鵝。 現(xiàn)在的窯有氣窯、電窯、等。 十、成瓷 經(jīng)過幾天的燒煉，窯內(nèi)的瓷坯已變成了件件精美的瓷器，從打開的窯門中迫不及待地脫穎而出。 十一、成瓷缺陷的修補，一件完美的瓷器有時燒出來會有一點瑕疵，用 JS916-2（勁素成）進行修補，可以讓成瓷更完美。1.3 陶瓷的生產(chǎn)特點:陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是指從投入原料開始，一直到把陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)出來為止的全過程。它是勞動者利用一定的勞動工具，按照一定的方法和步驟，直接或間接地作用于勞動對象，使之成為具有使用價值的陶瓷產(chǎn)品的過程。在陶瓷生產(chǎn)過程的一些工序中，如陶瓷坯料的陳腐、坯件的自然干燥過程等。還需要借助自然力的作用。使勞動對象發(fā)生物理的或化學的變化，這時，生產(chǎn)過程就是勞動過程和自然過程的結(jié)合。一般來說，陶瓷生產(chǎn)過程包括坯料制造、坯體成型、瓷器燒結(jié)等三個基本階段。同時陶瓷生產(chǎn)過程的組成可按生產(chǎn)各階段的不同作用分為生產(chǎn)技術(shù)準備過程、基本生產(chǎn)過程、輔助生產(chǎn)過程和生產(chǎn)服務過程。 作為社會化大生產(chǎn)的陶瓷生產(chǎn)過程，和其他一些行業(yè)的生產(chǎn)過程相比較，具有以下幾個特點： 第 1 章 緒論31、陶瓷生產(chǎn)過程是一種流程式的生產(chǎn)過程，連續(xù)性較低。陶瓷原料由工廠的一端投入生產(chǎn)，順序經(jīng)過連續(xù)加工，最后成為成品，整個工藝過程較復雜，工序之間連續(xù)化程度較低。 2、陶瓷生產(chǎn)過程的機械化、自動化程度較低。 3、陶瓷生產(chǎn)周期較長。陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，是指從原材料投入生產(chǎn)開始，經(jīng)過各道工序加工直到成品出產(chǎn)為止，所經(jīng)過的全部日歷時間。 4、陶瓷生產(chǎn)過程中輔助材料如石膏模型、匣缽、硼板等消耗量大。 5、陶瓷生產(chǎn)需要消耗大量的能源，如 煤炭、天然氣、電燈。 6、運輸是陶瓷企業(yè)生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)。陶瓷生產(chǎn)過程使用的原料品種繁多，生產(chǎn)出的半成品、成品及產(chǎn)生的余料、廢料等，具有數(shù)量多運輸量大的特點。 7、陶瓷生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣、粉塵、固體廢料和工業(yè)廢水污染環(huán)境較嚴重。目前我國陶瓷工業(yè)所使用的窯爐多以煤和重油作為能源，會排出不少的煙氣，企業(yè)對此要嚴格控制煙塵濃度和二氧化硫濃度，使之符合國家允許的排放標準。力爭采用煤氣燒窯，減少對大氣的污染。 8、陶瓷生產(chǎn)過程的專業(yè)化和協(xié)作水平較低。長期以來，陶瓷工業(yè)企業(yè)問的相互協(xié)作配合水平不高，大而全、小而全的“全能” 工廠比重大，輔助性服務方面的專業(yè)化、社會化程度低。要求:為了保證陶瓷企業(yè)生產(chǎn)過程能順利進行，必須對生產(chǎn)過程進行科學、合理地組織，使整個陶瓷生產(chǎn)過程的各工藝階段、各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)和各道工序之問都互相銜接，密切配合，使產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中行程最短，時間最少，耗費量最小，效益最高。要達到上述目的，必須注意按下列要求組織陶瓷企業(yè)生產(chǎn)過程： 1、生產(chǎn)過程的連續(xù)性。 2、生產(chǎn)過程的比例性。 3、生產(chǎn)過程的節(jié)奏性。 4、生產(chǎn)過程的平行性。 5、生產(chǎn)過程的適應性。 由于陶瓷科學技術(shù)的不斷發(fā)展。以及市場對陶瓷新產(chǎn)品的需求日益增加，迫使陶瓷企業(yè)要不斷發(fā)展新 產(chǎn)品，而不能不考慮產(chǎn)品的變動這個因素對合理組織生產(chǎn)過程帶來的問題和產(chǎn)生的影響。為了增強適應性，陶瓷企業(yè)不僅需要大力提高科學技術(shù)應用寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計（論文）4水平和新產(chǎn)品的 研究能力，不斷使產(chǎn)品更新?lián)Q代，還必須采用計劃評審法、成組工藝和多品種混流生產(chǎn)等先進的生產(chǎn)組織方法，采用適應性強的機器設(shè)備以及柔性生產(chǎn)制造系統(tǒng)，以適應生產(chǎn)變動的需要。 從以上闡述的合理組織陶瓷生產(chǎn)過程的基本要求可以看出，生產(chǎn)過程的連續(xù)性、比例性、節(jié)奏性、平 行性和適應性這五項基本要求之間是互相聯(lián)系、互相制約的，生產(chǎn)過程的比例性和平行性是實現(xiàn)連續(xù)性的前提。而比例性、平行性和連續(xù)性又是實現(xiàn)節(jié)奏性的前提。 因此，在組織陶瓷生產(chǎn)過程時，必須對上述基本要求全面加以綜合考慮。1.4 光纖陶瓷插芯光纖連接器是把光纖的兩個端面精密地對接起來，使發(fā)射光纖輸出的光能量最大限度地耦合到接收光纖中。陶瓷插芯是這種光纖連接器的核心部件，它是一種由納米氧化鋯(ZrO2)材 料經(jīng)一系列配方、加工而成的高精度特種陶瓷元件，其孔徑、真圓度誤差為 0.5 靘。所制成 的連接器是可拆卸、分類的光纖活動連接器，使光通道的連接、轉(zhuǎn)換調(diào)度更加靈活，可供光 通系統(tǒng)的調(diào)試與維護。光纖陶瓷插芯工藝技術(shù)該產(chǎn)品的制造運用了以下先進的工藝技術(shù)：(1)納米氧化鋯粉體注射成型材料配方和成形工藝技術(shù)；(2)內(nèi)孔直徑為 0.125mm、長度為 12～15mm 的細長微孔成形技術(shù)；(3)精度誤差為 0.1μm 的精密陶瓷加工技術(shù)； (4)燒結(jié)晶粒亞微米化的工藝控制方法；(5)低損耗的光通信部件，其插入損耗≤0.2dB，回波損耗≥40dB。 光纖陶瓷插芯產(chǎn)能消化1、產(chǎn)能擴張大于需求增長。前文介紹的產(chǎn)能有哪些現(xiàn)成的消化途徑？第一大市場是什么行業(yè)，第二大市場又是什么行業(yè)？陶瓷插芯作為一個配套光通訊基礎(chǔ)設(shè)施的特殊部件應用狹窄，除了應用在光纖通信行業(yè)沒有其他銷路，只有唯一的市場，并沒有后備市場。那么，我們看看這光通信行業(yè)發(fā)展的增長情況怎樣。光通信基礎(chǔ)設(shè)施投入依賴于國家政策與運營商投入，有投資才有插芯需求。如果運營商前期投入不能產(chǎn)生效益，相信運營商不會連續(xù)燒錢。好像 3G 項目，僅在 2009 年一年聯(lián)通、移動和電信分別投資了 300 億元、600 億和 300 億元，現(xiàn)在社會上有多少人使用 3G 手機，還會持續(xù)不斷投資嗎？沒有持續(xù)投資，就沒有持續(xù)的行業(yè)發(fā)展，就沒有增長，插芯的庫存只能堆放在生產(chǎn)第 1 章 緒論5廠家，陶瓷插芯不像建材產(chǎn)品當房地產(chǎn)調(diào)控時可以挖掘公路、鐵路和機場市場。2、陶瓷插芯是耐用品，不是年年都有更新需求。陶瓷插芯性能使用要求是 20 年，使用了一個在質(zhì)量保證期內(nèi)就少了一個的需求，長期耐用不需年年更換，即是說運營商要求鋪設(shè)光纖光纜后 20 年內(nèi)不要更換，一哄而上過剩的插芯產(chǎn)能也許 10 多年后才可能消化完。3、陶瓷插芯泡沫的前車可鑒。陶瓷插芯的生產(chǎn)設(shè)備是專業(yè)設(shè)備，也是只能用于生產(chǎn)陶瓷插芯。目前大陸光通信行業(yè)產(chǎn)銷兩旺刺激許多投資，很像日本在 2000 年光通信泡沫刺激的插芯投資，當時的情況歷歷在目，1999 年和 2000 也是插芯和光纜短缺，行業(yè)人士非常看好光通信的發(fā)展，老廠家象京瓷、ADAMANT,TOTO 大規(guī)模擴產(chǎn)，新企業(yè)也加盟訂購設(shè)備，殊不知這些新到設(shè)備從 2001 到 2006 都沒有啟用，拖垮了大批日本公司，也造成當時新投資企業(yè)韓國 PRIME PHOTECH, 臺灣大陶，臺灣龍展威迅速退出。但愿歷史悲劇不再。光纖陶瓷插芯行業(yè)投資隨著今年國內(nèi)三網(wǎng)融合的政策出臺，以及國際光通信市場的復蘇，有力地推動光通信行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈上下游各產(chǎn)品供不應求局面，光纖陶瓷插芯自然而然隨大市出現(xiàn)供貨緊張，特別是下半年來時有出現(xiàn)短缺現(xiàn)象。然而，在插芯行業(yè)分享市場的盛宴之下，也隱蔽著投資過渡的隱患。12 月初，國內(nèi)主要的陶瓷插芯生產(chǎn)廠家在深圳召開行業(yè)會議，交流各生產(chǎn)家的產(chǎn)銷情況和市場需求趨勢。根據(jù)參會人士消息，各插芯生產(chǎn)廠家都有幅度比較大的擴產(chǎn)，這些新增產(chǎn)能將會在 2012 年 6 月后實現(xiàn)批量生產(chǎn)，參會企業(yè)認為這可能會造成下半年的產(chǎn)能過剩。另外，市場至少有六家新公司上馬的光纖陶瓷插芯項目。這些新進入的公司投資力度之大讓人咋舌，其中蘇州中光投入經(jīng)費 1.5 億元，社會熱錢已經(jīng)在插芯行業(yè)開始泛濫。按此新老插芯廠商的投資規(guī)模，預計到 2011 年六月國內(nèi)插芯的月均產(chǎn)能達到 8000萬只，是 2010 年底的 2.2 倍。陶瓷插芯是光通訊的核心器件，光纖到戶的“最后 1 公里”都要使用該器件。據(jù)有關(guān)業(yè)內(nèi)人士預測，全球真正實現(xiàn)三網(wǎng)合一光纖到戶后，該產(chǎn)品的需求量將是現(xiàn)在的 5-10 倍。目前，該產(chǎn)品主要生產(chǎn)商集中在日本的“京瓷” 、 “TOTO”、“阿德曼”等大公司手中。我國使用該產(chǎn)品，主要依靠進口。寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計（論文）6據(jù)了解，香港大陶是全球第 7 大陶瓷插芯生產(chǎn)商，擁有自己的知識產(chǎn)權(quán)。他們已與深圳中技合作，在深圳建成了 1 條生產(chǎn)線。湖南大陶建成后，該公司的生產(chǎn)能力將上升到全球第 4 位。光纖活動連接器是光線通信系統(tǒng)中必不可少的無源器件，是實現(xiàn)光纖與設(shè)備、光纖與儀表、光纖與光纖之間快速可靠通斷連接的一種手段。用于光纖活動連接器（connector）的氧化鋯插針 (ferrule)和套筒(sleeve)由于具有精度高（內(nèi)孔精度為 1 微米）、使用壽命長等特點，正逐步取代金屬件，得到廣泛應用。隨著光通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，對用于光纖活動連接器的氧化鋯插針和套管的需求也增加很快。2000 年全世界的需求量約為 2 億套，2001 年原預計約為 4 億套，但由于 IT 行業(yè)的不景氣及美國“9.11”事件的影響，實際約為 2.5 億套，估計以后 10 年的增長率為 25%-30%，2005 年將達到5 億套。氧化鋯陶瓷插針及套筒已成為市場需求量最大的高技術(shù)陶瓷產(chǎn)品之一。 2000 年以前只有京瓷（Kyocera ） 、東陶（Toto ）等幾家日本公司掌握氧化鋯陶瓷插針及套管的完整生產(chǎn)技術(shù)。近年來，我國大陸和臺灣數(shù)十家企業(yè)開始從國外引進陶瓷插針生產(chǎn)線，現(xiàn)在已形成了月產(chǎn) 500 萬只的生產(chǎn)能力，但生產(chǎn)插針用用氧化鋯粉料還需從日本進口。日本還未向我國轉(zhuǎn)讓氧化鋯陶瓷套筒技術(shù)，國內(nèi)有數(shù)家研究和生產(chǎn)單位在研發(fā)和小批量生產(chǎn)氧化鋯陶瓷套筒，而批量生產(chǎn)的氧化鋯陶瓷套管還必須采用進口，花費大量的外匯，并且昂貴的日本原料大大削弱了我國產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢。我國已引進了陶瓷插針成品及毛坯的生產(chǎn)技術(shù)，但生產(chǎn)插針用氧化鋯粉體及陶瓷套筒還需大量進口，這些大大制約的我國光纖連接器的發(fā)展。 我國“八五 ”、 ”九五”國家攻關(guān)計劃一直支持氧化鋯超細粉體的研究，但主要是針對氧化鋯球閥、磨介及耐磨部件等產(chǎn)品。2002 年初“ 十五”863 計劃將“用于光纖接口插針原料的高質(zhì)量 ZrO2 超細粉體低成本規(guī)模化制備技術(shù)”列題，上海硅酸鹽研究所招標拿到這一任務。我合作企業(yè)某化工有限公司是我國最大的高純氧化鋯粉體生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)能力可達月產(chǎn) 70 噸，其中 80%以上銷往美國、西歐、南韓及臺灣等國家和地區(qū)，1999 年開始與清華大學新型陶瓷及精細工藝國家重點實驗室合作研究光纖連接器用氧化鋯粉體，2002 年初參加了 863 計劃這一課題的招標。招標失敗后，企業(yè)繼續(xù)投入大量資金進行研發(fā)，采用全新的工藝路線，終于研究出了可用于光纖連接器的粉體，質(zhì)量達到了日本 TOSOH 公司的水平，2002 年底建成年產(chǎn) 300 噸的光纖連接器用氧化鋯粉體生產(chǎn)線?，F(xiàn)在粉體已開始批量出口日本及韓國，國內(nèi)主要陶瓷插針廠家已開始批第 1 章 緒論7量試用。寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計（論文）8第 2 章 課題研究任務要求2.1 畢業(yè)設(shè)計具體任務1、完成攝像機選型。2、完成光源選擇。3 完成測量頭的設(shè)計。4、翻譯 2 篇有關(guān)英文文獻。5、根據(jù)設(shè)計基本參數(shù)，設(shè)計分析，設(shè)計陶瓷插芯的檢測（具體檢測陶瓷插芯的外圓直徑，內(nèi)圓直徑，內(nèi)外圓的同心度） ，繪制二維裝配圖及 8-12 個主要零件的零件圖。6、對 3-5 個關(guān)鍵件的零部件進行工藝分析，編制機械加工工藝，并填編制機械加工工藝卡。7、編寫設(shè)計說明書 6000 字以上。2.2 設(shè)計基本參數(shù)1、陶瓷插芯加工材料：氧化鋯（ZrO2）2、陶瓷插芯同心度(內(nèi)孔與外徑)1 微米。3、CCD 高像素攝像機。4、需要背光源、低角度光源。2.3 課題設(shè)計途徑與方法1、了解攝像機成像。 （了解加工對象）2、了解光源的作用。3、了解機械傳動。 （總體構(gòu)思與布局）6、設(shè)計繪圖。7、設(shè)計研討會，改進設(shè)計。8、編號設(shè)計計算說明書，工藝文件等。 （結(jié)構(gòu)設(shè)計，及相關(guān)計算）9、綜述、參考索引、編制。第 3 章 本章標題9第 3 章 CCD 成像原理與測量技術(shù)3.1 CCD 介紹CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件?？梢苑Q為CCD 圖像傳感器。CCD 是一種半導體器件，能夠把光學影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。 CCD 上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel） 。一塊 CCD 上包含的像素數(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。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。經(jīng)由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。CCD 廣泛應用在數(shù)碼攝影、天文學，尤其是光學遙測技術(shù)、光學與頻譜望遠鏡，和高速攝影技術(shù)如 Lucky imaging。CCD 在攝像機、 數(shù)碼相機和掃描儀中應用廣泛，只不過攝像機中使用的是點陣 CCD，即包括 x、y 兩個方向用于攝取平面圖像，而掃描儀中使用的是線性 CCD，它只有 x 一個方向，y 方向掃描由掃描儀的機械裝置來完成。 CCD 的加工工藝有兩種，一種是 TTL 工藝，一種是 CMOS 工藝，前者是毫安級的耗電量，而后者是微安級的耗電量。TTL 工藝下的 CCD 成像質(zhì)量要優(yōu)于 CMOS 工藝下的CCD。CCD 廣泛用于工業(yè)，醫(yī)療、民用產(chǎn)品。3.2 CCD 功能特性CCD 圖像傳感器可直接將光學信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，電流信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現(xiàn)。其顯著特點是：1.體積小重量輕；2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動，性能穩(wěn)定，壽命長；3.靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大；4.響應速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；5.應用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。因此，許多采用光學方法測量外徑的儀器，把 CCD 器件作為光電接收器。寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計（論文）103.3 CCD 工作原理CCD 從功能上可分為 線陣 CCD 和面陣 CCD 兩大類。線陣 CCD 通常將 CCD 內(nèi)部電極分成數(shù)組，每組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。所需相數(shù)由 CCD 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，結(jié)構(gòu)相異的 CCD 可滿足不同場合的使用要求。線陣 CCD 有單溝道和雙溝道 之分，其光敏區(qū)是 MOS 電容或光敏二極管結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)工藝相對較簡單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點是處理信息速度快，外圍電路簡單，易實 現(xiàn)實時控制，但獲取信息量小，不能處理復雜的圖像(線陣 CCD 如右圖所示)。面陣 CCD 的結(jié)構(gòu)要復雜得多，它由很多光敏區(qū)排列成一個方陣，并以一定的形式 連接成一個器件，獲取信息量大，能處理復雜的圖像。3.4 CCD 成像原理大家知道，世界萬千的色彩，可以用三種來最終表述。 紅色綠色和藍色，這里我們一般用英文的首字母來表示 分別為 R.G.B，計算機世界里其中一種顏色的表示方式也是這種 用一個 8Bit 的數(shù)據(jù)來表示其中一種顏色的灰度值 (十六進制的 0xff 等于十進制的 255) 所以計算機里用 0xff0000 來表示一個單純的紅色 如果不是純紅色，那就是 f2,34,f1 三個眼色的灰度值來表示任何一種顏色 這種顏色表示法，可以算出來它可以表示 2 的 24(8bit*3 位來表示顏色)次方種顏色 這就是計算機的 RGB 顏色表示法。 。 。 回頭看一下我們的相機，我們的相機 CCD 或者 COMS 也是用的這個原理來產(chǎn)生色彩。。 通過上面的原理，我們可以產(chǎn)出，相機是個色盲，他不會辨認顏色，只會辨認灰度。 一種顏色的灰度。 。所以我們 CCD 或者 CMOS 上存在著很多感應顏色灰度值的點，也就是我們平時所說的 CCD 上的一個像素。 。為了顯示彩色圖像。一個像素就不可能感知所有色彩的灰度，他只能感知 RGB 當中的一種。 人們就想出一個辦法。那就是讓一種像素點專門感知紅色灰度，一種專門感知綠第 3 章 本章標題11色，一種專門感知藍色 這樣，單個顏色的采樣色階就出來了。一個像素可以理解為一個采樣精度為 255階的 AD 口，負責采樣紅色灰度值的得到當前光線中紅色部分的灰度信息，其他顏色的同樣 既然 CCD 上存在這三種采樣不同顏色灰度的像素點。 。那么就存在著他們在 CCD 上如何排布的問題。實際上他們是交叉排布的如下圖 上圖可以看到，紅色和藍色點是一個隔一個。而綠色點則占了一整行~也就是說RGB 三種顏色的點數(shù)量比是 1:2:1 為何呢，為何感應綠色的點特別多呢？ 這是因為人對綠色信息特別敏感，所以刻意加多了綠色灰度數(shù)據(jù)的收集，這樣做的目的是更好的為以后差值放大做準備 CCD 如何得到這些顏色的灰度信息講完了，我們回到圖像上來，當你拍攝圖像完畢后，得到的就是 這些小型 AD 采樣灰度值,也就是我們所說的相機原始圖像信息，可以說是數(shù)碼相機的底片。 。在專業(yè)機器上，我們把這種數(shù)據(jù)輸出的文件叫做 RAW 格式文件~~ 他存的就是這些顏色的灰度信息,當然 RAW 文件是將數(shù)據(jù)壓縮過的。比理論文件大小要小一些 下面實際計算一下。 。假設(shè)我們買了一臺 1200W 像素的相機 也就是說，你的 CCD 上有 1200W 個感光點。 。他們 R，G，B 感光點比值是 1:2:1 也就是說這個最終生成的 RAW 文件包含 300W 個 R（紅色信息）灰度值,600W 個G,300W 個 B (原文有誤,林峰注~) 他的文件大小（不壓縮）應該是 8bit*1200W=96000000bit=96000000/8/1024/1024約等于 11.444Mbytes（一個灰度值用一個 8bit 的數(shù)來表示所以要*8） 就是這個 1200W 像素相機最后生成一個未壓縮的 RAW 格式文件應該是 11M 左右。 。 然后，我們將這個 RAW 文件轉(zhuǎn)換成普通格式文件(TIFF)，有條件的朋友可以自己試驗一下，看看它有多大 我們這里計算一下。 。1200W 像素的 TIFF 文件應該是多大。 。 個顏色計算機用一個 24 位的數(shù)來表示，這個我前面講解過 那么他的文件大小應該是 12,000,000*8bit*3=34.3323Mbtyes 也就是說一個只有 11M 的相機產(chǎn)生的圖像文件最后轉(zhuǎn)換以后變成了一個 34M 的圖像文件,中間沒有任何壓縮操作。 。 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計（論文）12那么他多出來的那將 2 倍的數(shù)據(jù)是哪里來的？ 其實答案很簡單，多出來的那么多信息由相機里的或者電腦上的 CPU 算出來的，這里就涉及到一個插值算法的問題 你想想，相機上的 1 個像素只是一個 8 位的數(shù)來表示，而你最終看到的圖像一個像素是一個 24 位的數(shù)來表示的。CPU 就負責插值算出這不足的 16bit 位。他怎么算的呢~當然這種算法是各個廠商高度保密的因為這將最終影響到輸出 jpg 文件的圖像質(zhì)量。但大致上是通過這個像素周邊的顏色灰度值來計算出這個點的 RGB 值，比如你這個點記錄的是 R 的灰度，那么插值的時候程序就會去找這個像素點周邊 G 和 B 點的值，這樣可以為他補足他的 24 位做貢獻。這樣也從根本上解釋了為何數(shù)碼相機會有紫邊？就是因為有這樣一個插值算法存在，你才會在數(shù)碼相機上看到紫邊，所以紫邊是鏡頭這個導因和插值算法最終導致了紫邊的出現(xiàn)，所以紫邊的罪魁禍首是插值算法。所以紫邊產(chǎn)生的原因可以總結(jié)為三點相機鏡頭的色差、CCD 成像的局限性、照片放大倍數(shù)。CCD 圖像測量由圖像傳感器、攝像控制器、像素檢測器三個主要單元組成。光學成像裝置是光學圖像的采集部分，它將被測物體成像在 CCD 器件的光敏面上。攝 像控制器的時基單元由晶體振蕩器通過分頻電路產(chǎn)生多種時序脈沖，經(jīng)過驅(qū)動器為 CCD 器件提供電路工作條件，同時控制圖像數(shù)據(jù)的傳輸率和調(diào)整曝光時間。3.5 CCD 圖像測量流程初始的圖像信號經(jīng)放 大、鉗位和取樣等預處理后，獲得瞬時幅度正比于各像素所接收的圖像光強的電平信號，然后進一步通過 AGC 自動增益控制來補償照明條件的起伏。用做測量的圖 像信號經(jīng)二值化處理后進入像素檢測器，在這里通過像素計數(shù)確定二值化圖形脈沖的間距值，并在乘以脈沖當量數(shù)值后得到實測的物體尺寸。3.6 CCD 圖像測量測量公式（1）光學成像關(guān)系設(shè)被測物高為 Y，像高為 y，則y=βY第 3 章 本章標題13式中，β=f/(L-f)，β 為光學系統(tǒng)放大倍數(shù)。（2）空問變換關(guān)系在 CCD 像面上，有確定尺寸的像素按線陣排列，相當于光電刻尺和被測像高比對。若像高占據(jù)的像素數(shù)為 N，則有y＝NIo式中，凡為像素沿線陣方向的尺寸，凡通常為 7～13μm。3.7 CCD 圖像測量原理示意被測對象的光信息通 過光學系統(tǒng)，在 CCD 的光敏面元上形成光學圖像，CCD 器件把光敏元上的光信息轉(zhuǎn)換成與光強成比例的電荷量。用一定頻率的時鐘脈沖對 CCD 進行驅(qū)動，在 CCD 輸出端得到被測對象的視頻信號。視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應著該光敏元所接收的光強強弱，而信號輸出的時序則對應 CCD 光敏元位置的順 序。通過后續(xù)處理線路對 CCD 輸出的視頻信號進行二值化或者量化處理后，將被測目標從背景中分離出來，為進一步的數(shù)據(jù)處理和分析做準備。圖（a）是典型的線陣 CCD 測長系統(tǒng)的原理示意圖。整個測量過程包括：光學成像、圖像信號輸出、二值化處理確定圖形輪廓、測定輪廓間的像素數(shù)、通過計算或?qū)嶒灤_定脈沖當量并按測量公式計算被測尺寸。整個系統(tǒng)的工作波形如圖（b）所示。寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計（論文）14第 4 章 攝像及運動平臺設(shè)計4.1 CCD 攝影頭的選型根據(jù)課題任務對攝影頭的要求測量精度：±0.1 微米，測量速度：1 秒/只,能自動標識不合格產(chǎn)品。CCD 攝像頭的性能詳細技術(shù)講解科學級 CCD 支持神經(jīng)系統(tǒng)和腦成像；生物自發(fā)熒光和冷光成像；熱成像；夜視成像；空氣動力學成像；Cortical 成像；真空成像； Raman 顯微鏡成像；化學發(fā)光成像；風洞測試成像；核子成像；科學目標跟蹤及遠程偵察。數(shù)字化ProgRes CCD 攝影機支持及控制(選項)：灰階數(shù)量決定圖片的素質(zhì)和對比。8 位 - 256 灰階 (28)10 位 - 1024 灰階 (210)12 位 - 4096 灰階 (212)14 位 - 16384 灰階 (214)14+x 位 > 16384 灰階 (214+x) 較多的位 - 增加資料深度 (data depth)，因此可提供更豐富的信息。 第 4 章 本章標題15注：bit 是 BInary digiT 的縮寫，稱為"位"，也稱為"比特" ?；鹁€ (firewire) 與 萬用串行總線 (USB) 之優(yōu)缺點比較所有 ProgRes CCD 攝影機都備有火線 (IEEE1394a) 技術(shù)?！EEE1394a 火線的優(yōu)點保證頻寬 400Mbps，其中之320Mbps 可用作數(shù)據(jù)傳輸電源提供可達 8W 電壓范圍為 8 到 32V只需一條傳輸線可同時裝置多臺攝影機對等式 (P2P) 連結(jié)可用遠距離光纖延伸線與 IEEE1394b 兼容USB2.0 的優(yōu)點大部份現(xiàn)有計算機都會備有 USB2.0接口IEEE1394a 火線的缺點 不是所有計算機都會備有火線接口加裝火線適配卡USB2.0 的缺點典型頻寬為 150 到 200Mbps理論頻寬 480Mbps 不保證頻寬電源提供最大 2.5W寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計（論文）16傳輸線最長 10m主仆式 (Master to slave) 連結(jié)，沒有對等式 (P2P) 連結(jié)沒有升級計劃注：USB ( 萬用串行總線)的英文全名是 Universal Serial Bus。對等式 Peer-to-Peer (P2P) 技術(shù)能讓使用者「直接互相分享」 。 1394a 火線是當今較強的解決方案，因為它可提供快捷的傳輸速度以及足夠的電源，適合 ProgRes 專業(yè) CCD 攝影機應用 。下一代的火線擁有更快的傳輸速度：1394b 將擁有 800Mbps 的頻寬。CCD 與 CMOS 影像感光組件之特點與效能比較特點 CCD CMOS畫素輸出訊號 電子封包 電壓芯片輸出訊號 電壓 (模擬) 位 (數(shù)字 )相機輸出訊號 位 (數(shù)字 ) 位 (數(shù)字 )充填因子 (Fill factor) 高 中系統(tǒng)噪聲 低 中系統(tǒng)復雜性 高 低感光組件復雜性 低 高相對的系統(tǒng)價格 較高 較低效能 CCD CMOS響應度 (responsitivity) 中 稍好動態(tài)范圍 高 中一致性 高 低至中統(tǒng)一快門 (unifrom shuttering) 快，普通 拙劣的速度 中至高 較高窗口變化 (windowing) 有限 廣泛第 4 章 本章標題17抗模糊 (anti-blooming) 高至無 高注：CCD 是 Charge-Coupled Device 的簡稱，是電荷藕合組件，也稱為"數(shù)字攝影頭"或"數(shù)字攝影機"。CMOS 是 Complementary Metal-Oxide Semiconductor 的簡稱，是互補性氧化金屬半導體。提高 Fill Factor (單一畫素中可吸收光的面積對整個畫素的比例)，可有效做到提升敏感度、放大面積(全片幅) 和降低噪聲的影響。響應度 (responsitivity) 為感光組件每單位光的響應。ProgRes 制冷 (散熱) - cooled CCD 適當?shù)呐帕袃?nèi)建零組件。- "兩塊電路板" 解決方案。- 適當?shù)南鄼C組裝。- 制冷組件、風扇及金屬外殼。 內(nèi)建零組件。- 可感測熱電。- 高品質(zhì)。- 有利的尺寸 (零組件并非一定要用到極限)。 - 電源管理。 相機內(nèi)部電源管理。- 沒有產(chǎn)生的熱能不需排出。 整個感光面積都擁有一致情況。- 對稱的電路板提供良好數(shù)據(jù)再現(xiàn)性。 穩(wěn)定的制冷。- 擷取的影像可再現(xiàn)。- 短時間與長時間曝光都穩(wěn)定。 寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計（論文）18模擬增益 (Analogue Gain)模擬增益最多增加八倍的敏感度。短時間曝光也行 (螢光及暗視野)。經(jīng)過查閱相關(guān)資料,我們選取一種飛利浦系列的 CCD 攝像頭 SPC900NC/97.第 4 章 本章標題194.2 自動檢測機機械平臺設(shè)計機械平臺設(shè)計內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣性的計算，選擇步進電機，傳動及導向元件的設(shè)計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。4.2.1 確定系統(tǒng)脈沖當量脈沖當量 δp 是一個進給指令時工作臺的位移量，應小于等于工作臺的位置精度，由于定位精度為±0.01mm 因此選擇脈沖當量為 0.01mm。4.2.2 工作臺外形尺寸及重量初步估算根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算 X 向和 Y 向工作臺承載重量 WX 和WY。取 X 向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?410mm,Y 向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?400mm,設(shè)計工作臺簡圖如下:X 向拖板(上拖板) 尺寸為:長*寬*高=420*410*50重量:按重量=體積*材料比重估算為 := xW324201507.816.58N?????Y 向拖板(下拖板) 尺寸為: 重量 =Y32.0.??上導軌(含電機) 重量為寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計（論文）2023(90482035)7.810487.9N??????夾具及工件重量:約 155NX-Y 工作臺運動部分總重量為: 487.965.271.8520W???4.2.3 滾動導軌副的計算、選擇根據(jù)給定的工作載荷 Fz 和估算的 Wx 和 Wy 計算導軌的靜安全系數(shù) fSL=C0/P，式中：C0 為導軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷 P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動） 。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導軌：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 4.0sLf?,, ,0.5()OSLXYZfPFW??xYYOXSL=+.(20+671.58)=3.79N.()26CfP413.94.?根據(jù)計算額定靜載荷初選導軌:選擇漢機江機床廠 HJG-D 系列滾動直線導軌,其型號為:HJG-D25基本參數(shù)如下:額定載荷/N 靜態(tài)力矩/N*M 滑座重量導軌重量導軌長度動載荷 aC靜載荷 oATBCTgK/gmL(mm)17500 26000 198 198 288 0.60 3.1 760滑座個數(shù) 單向行程長度 每分鐘往復次數(shù)M Sl n4 0.6 4導軌的額定動載荷 N1750aC?依據(jù)使用速度 v（m/min ）和初選導軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導軌的工作壽aC命 Ln：第 4 章 本章標題21額定行程長度壽命:()HTCaWffSFTK?2045MF1,,.81,,oTWCHRdffffK??導軌的額3 310.817502()5()4209.58HTCaWffSF km??定工作時間壽命: 3102SoTHln??3 310249.58104971506SoTln hTh?????導軌的工作壽命足夠.4.2.4 滾珠絲杠計算、選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMn 鋼，HRC58~60，導程：l0=5mm強度計算絲杠軸向力： (N))(,,maxyxzyxWFfKF??其中：K=1.15，滾動導軌摩擦系數(shù) f=0.003~0005；在車床車削外圓時：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取 Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz 計算。取 f=0.004, 則:40Z?maxXF0.5.2161..(67.58)104.6042YZNN????壽命值： ，其中絲杠轉(zhuǎn)速 (r/min)61nTL0maxlvn寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計（論文）22max0615240/in31ThvnrlL???最大動載荷： FfLQWH式中： fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為 1.2~1.5； fH為硬度系數(shù)，HRC≥58 時為 1.0。查表得中等沖擊時 則:1.2,ff?360.4568709.5.4XY NQ??根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號為: CM 系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。其基本參數(shù)如下:其額定動載荷為 14205N> 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預緊方式采用雙yQ螺母螺紋預緊形式.滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表第 4 章 本章標題23名稱 計算公式 結(jié)果公稱直徑 0d―― 20mm螺距 t ―― ５mm接觸角 ?―― 045鋼球直徑 bd―― 3.175mm螺紋滾道法向半徑 R0.52bd?1.651mm偏心距 e()sine???0.04489mm螺紋升角 ?0tarcgd??0'43螺桿外徑 d0(.2~5)bd?19.365mm螺桿內(nèi)徑 11eR??16.788mm螺桿接觸直徑 220cosb?17.755mm螺母螺紋外徑 Dd?23.212mm螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 10(.~5)bd?20.7mm（1） 傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為： )(?????tg式中：φ=10’，為摩擦角；γ 為絲杠螺旋升角。 0'''43()(1)0.96ggt tt???????（2） 穩(wěn)定性驗算絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。（3） 剛度驗算滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為： (cm)ESFll01???Y 向所受牽引力大,故用 Y 向參數(shù)計算寧波大紅鷹學院畢業(yè)設(shè)計（論文）2460622 21.5615.80.241.5.(/)3.40YFNlcmECMSRL????????絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差 Δ 為E 級精06 4110.5. 2.102.[]l um????????度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。4.2.5 步進電機慣性負載的計算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，有：（1）等效轉(zhuǎn)動慣量的計算折算到步進電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)動慣量為： 2 21013())()180pq bzJJJM??????式中： 為折算到電機軸上的慣性負載； 為步進電機軸的轉(zhuǎn)動慣量； 為齒輪１的qJ 0J1J轉(zhuǎn)動慣量；為齒輪２的轉(zhuǎn)動慣量； 為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；Ｍ為移動部件的質(zhì)量。2 3J對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算： 340.781JDL????式中 為圓柱零件直徑， 為圓柱零件的長度。D所以有： 34221234 2230.782..56.710.0..3.4.J kgcm? ?? ??????電機軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有：第 4 章 本章標題2522 2224 0.16.4710()16.537.)10()0.793.3458dJ kgcm? ??????
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