第二章 基于机器视觉的自动检测系统机械部分设计

第二章基于机器视觉的自动检测系统机械部分设计

2.1 检测系统的总体框图

该检测系统由硬件和软件两个部分组成。硬件系统是由安装在滑块上的CCD摄像头、零件装夹机构和步进电机组成的能往复运动的信息采集系统。计算机通过步进电机控制卡控制步进电机转动，以及CCD摄像头从而实现扫描整个回转体类零件的运动，也即实现了回转体类零件的图像采集。采集得到的图像信息经图像采集卡被传输到计算机中并保存在指定位置以待后用。

软件系统的功能是对采集得到的回转体类零件的图片信息进行处理，包括图片拼接、图片预处理(滤波、灰度均衡、二值化处理)、边缘提取、边缘细化、曲线拟合、尺寸测量等过程，并目‘由光学原理来进行形状误差分析，最终得到要求的检测数据，将此数据与标准数据进行对比，由此判断产品的合格与否。整个系统框图如图2.1所示。

图2.1 检测系统框图

2.2检测系统的机械整体结构设计

这一系统的机械测量机构主要可以分为三部分。第一部分是移动CCD摄像头的纵向运动机构，此结构的作用是让CCD进行回转体类零件的图像像采集。第二部分是步进电机带动的回转体类零件以主轴为轴心的转动，此结构的作用是找到回转体类零件在圆周方向上四个拍摄位置。最后是光源系统，它为整个图像提供理想的背景和适合拍摄的光线。其机构的示意图如图2.2所示。

图2.2 检测机构简图

2.3装夹工作台的设计

这部分主要是如何实现工件的装夹以及定位。本系统的零件采用人工装夹的方式。由于零件在不同角度上都有要测量的数据，因此，设计时要求零件可以绕自身轴线转动。本系统设计时每拍摄一张图像后，零件便在步进电机的驱动下转动90度的角度，既每一个零件都需要被拍照四次，在步进电机的驱动下转动三次。由上这些功能对结构设计提出了要求。对于零件的装夹，我们利用一个三抓卡盘将零件的一端夹紧，而卡盘通过主轴由固定支座支撑，另一端由一个安装在可移动的支座上的浮动顶尖夹紧，这个可移动的支撑座可以满足不同零件不同的长度的需要。在卡盘与步进电机之间安装了联轴器，使两者之间的转动能够同步。设计的最终结构示意图如图2.3 所示。

图3.3装夹工作台示意图可移动端

固定支

撑端

2.4步进电机的选用[7]

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲相对应的增量驱动元件，具有快速启动和停止的能力。当负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值时，它就可能在一瞬间实现启动和停止。它的步进角和转速不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件(如温度、气压、冲击和振动等)的影响，仅与脉冲频率有关。它每转1 周都有固定的步数，如果在不丢步的情况下运行，一般步进电机的步距误差为步进角的3-5%且不会积累。正因为步进电机具有这些特性，所以它非常适合充当系统中的动力执行元，所以本检测系统中的电机采用步进电机。

具体选用哪一种型号的步进电机，我们首先考虑的是:要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，要计算机械系统的负载转矩，考虑电机的矩频特性是否满足机械负载并有一定的余量。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。其次，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到系统所需的脉冲当量，最后应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配并还有一定的余量。

在本检测系统中，我们通过公式M=Ma+Mf+Mt （1-3）

Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 （1-4）

式中Ma ---电机启动加速力矩（N.m)

Jm、Jt---电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2)

n---电机所需达到的转速（r/min）

T---电机升速时间（s）

Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-5）

Mf---折算至电机的转矩（N.m)

u---摩擦系数

η---传递效率

Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 （1-6）

Mt---切削力折算至电机力矩（N.m)

Pt---最大切削力（N）估算电机输出的总力矩M

以及公式fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2 （1-7）

式中fq---带载起动频率（Hz）

fq0---空载起动频率

Ml---起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m) 来估算步进电机负载起动频率。（若负载参数无法精确确定,则可按fq=1/2fq0进行估算.）从而在本系统中我们最终选择的步进电机为90BF001.根据《微特电机手册》90BF001型步进电机的技术参数如下表：

2.5联轴器的选用

联轴器主要是用作轴与轴联接，使它们一起旋转并传递转矩。用联轴器联接的两根轴，只有在机器停车后，经过拆卸才能把它们分离。联轴器的类型可以固定式和可移式两类，具体使用那种形式的联轴器要根据要求和工作条件来确

定，具体选择时可考虑以下几点[8]：

①机械类型和传动系统的配置情况，例如原动机和工作机的类型，传动系统的质量和转动惯量的大小，传动系统的外形尺寸和装拆空间尺寸，被联接轴的空间(水平、垂直)位置，与两半联轴器的配合及平衡的要求。

②所需要传递转矩的大小和性质以及对缓冲和减振方面的要求，包括在稳定工况下运动的最大转矩，转矩的时间特性(瞬间的或连续的)。例如，对大功率的重载传动，可选用齿式联轴器;对有严重冲击载荷或要求消除轴系扭转振动的传动，可选用橡胶金属环联轴器、轮胎式联轴器、簧片联轴器等具有高弹性的联轴器。

③联轴器的工作转速高低和引起的离心力大小，对十高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器，例如膜片联轴器、齿式联轴器等，而且不宜选用存在偏心的滑块联轴器等。

④两轴相对位移的大小和方向，当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，或工作过程两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用挠性联轴器，例如当径向位移较大时，应选用滑块联轴器，角位移较大或相交两轴的联接可选用万向联轴器等。

⑤联轴器的可靠性、使用寿命和工作环境，通常由金属兀件制成不需润滑的联轴器比较可靠，需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完善称度的影响，目_可能污染环境。含有橡胶等非金属兀件的联轴器对温度、油类、腐蚀性介质、光等比较敏感，而且容易老化。

⑥联轴器的制造、安装、维护和成本，在满足使用性能的前提下，应选用装拆方便、维护简单、成本低的联轴器。例如刚性联轴器不但结构简单，ifu b_装拆方便，其中火壳联轴器，可在不移动两轴的情况下，装拆联轴器，可用十低速、刚性的传动轴。一般的非金属弹性兀件联轴器(例如弹性套柱销联轴器、梅花形弹性联轴器、弹性柱销联轴器等)，由十具有良好的综合性能，适肩{用十一般的中小功率传动。

固定式刚性连轴器的结构最简单，零件数量少、重量轻、制造容易、成本最低。虽然这类联轴器不具有补偿两轴相对位移的能力，但是如果装配时能保持两轴精确对中，则工作中会有比较满意的传动性能。因此，在一些转速不高，载