基于CCD的安全氣囊裝配質(zhì)量檢測裝置設(shè)計(jì)

基于CCD的安全氣囊裝配質(zhì)量檢測裝置設(shè)計(jì)摘要隨著自動(dòng)化生產(chǎn)能力的提高，現(xiàn)代工廠中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)需要機(jī)械自動(dòng)檢測的場合，那么就非常需要配合視覺系統(tǒng)的機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)工作。用視覺檢測用X-Y直角坐標(biāo)機(jī)器人是非常必要的。本次設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)重要的部分。一是對(duì)小型直角坐標(biāo)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，具體包括伺服電機(jī)，滾珠絲杠和導(dǎo)軌的選擇，實(shí)現(xiàn)了X-Y直角坐標(biāo)機(jī)器人的直線控制和操作過程；第二部分是對(duì)圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具體包括CCD攝像機(jī)和圖像采集軟件的設(shè)計(jì)，以及圖像處理的方法和程序設(shè)計(jì)。本文主要借助于運(yùn)用MATLAB實(shí)現(xiàn)圖像的邊緣提取，采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高圖形識(shí)別能力闡述了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理，建立了故障圖形識(shí)別系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)例仿真。視覺檢測用X-Y直角坐標(biāo)機(jī)器人能夠根據(jù)其檢測結(jié)果快速地顯示圖象,輸出數(shù)據(jù),發(fā)布指令,執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以配合其完成位置調(diào)整,好壞篩選,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等自動(dòng)化流程。與人工視覺相比較,機(jī)器視覺的最大優(yōu)點(diǎn)是精確,快速,可靠,以及信息數(shù)字化程度很高。關(guān)鍵詞視覺檢測；直角坐標(biāo)機(jī)器人；MATLAB；伺服電機(jī)DesignofairbagassemblyqualitydetectiondevicebasedonCCDAbstractWiththeautomationtoincreaseproductioncapacity,modernfactorymachineryoftenthereisaneedtoautomaticallydetecttheoccasion,thenagreatneedfortherobotwiththevisualsystemtoachievethistask.Machinevisionistomakethemachinewaspartofeyeandbrainfunction,thegeometrycanbemeasuredautomatically,theprintingqualityoftheappearanceofdefectsandproductidentification,suchasthequalityoftheworkofidentification.Machinevisionsystemsaregenerallyusedinfullyautomated,reliableandefficientmassproductionofnon-contactdetectionintheprocessofidentification.Commonvisionsystemstypicallyinclude:lightsource,lens,CCDcamera,framegrabbers,imageprocessingsoftware,monitors,communication/inputandoutputunits,suchas.Linearmotionmodulesfromthemulti-axismotionsystemcalledtheCartesiancoordinaterobots,varioussports-axisCartesiancoordinatesystemusuallycorrespondstotheXaxis,Yaxis.Cartesiancoordinaterobotmainlybyanumberoflinearmotionunits,drivemotor,controlsystemandtheendofthecompositionoperator.Asaresultofthecommunityonthevisualdetectionandrectangularcoordinatestheincreasingdemandforrobots,itisnecessarytothedesignofvisualinspectionwithXYCartesiancoordinaterobot.Thedesignincludestwoimportantparts.First,thesmallrectangularcoordinatesoftherobotmechanicalstructuredesign,includingservomotor,ballscrewandguidethechoiceoftherealizationoftheXYrectangularcoordinatesofthestraight-linerobotcontrolandoperation;secondpartoftheimageacquisitionsystemdesign,includingCCDcamerasandimageacquisitionsoftwaredesign,andimageprocessingmethodsandproceduresofdesign.DetectionofwhichisaMATLABasthemaint,CCDcamerascanbecollectedinaccordancewiththedigitalimage,andthenthroughMATLAB.VisualinspectionwithX-YCartesiancoordinaterobotinaccordancewithitstestresultscanbequicklydisplayedimages,outputdata,issuedanorder,theexecutingagencycanadjustthecompletionofitslocation,qualityofscreeningdataandotherautomatedprocesses.Comparedwiththeartificialvision,machinevisionisthegreatestadvantageofaccurate,fast,reliable,andhighdegreeofdigitalinformation.KeywordsVisualInspection；Cartesiancoordinatesrobot;MATLAB;Servomotor目錄摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章緒論 1第2章基于PC的數(shù)字控制系統(tǒng) 42.1微型計(jì)算機(jī)與數(shù)字控制技術(shù) 42.2開放式數(shù)控系統(tǒng) 5第3章X-Y直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 73.1滾珠絲杠副的選擇 73.2滾動(dòng)軸承選擇 113.3線性導(dǎo)軌的選擇 12第4章交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器 154.1交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器 154.1.1伺服驅(qū)動(dòng)器的概述 154.1.2伺服驅(qū)動(dòng)器外觀和接線圖 164.1.3SINAMICSV80輸入輸出接線 184.1.4伺服驅(qū)動(dòng)器選擇 194.2本章小結(jié) 21第5章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 225.1位置控制單元FX2N-20GM及FX2N-1PG概述 225.2位置控制單元FX2N-20GM安裝和接線 225.2.1FX2N-20GM的安裝 225.2.2外部輸入輸出電路 235.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 235.3.1測試機(jī)器人的工作過程 235.3.2測試機(jī)器人控制方式 265.3.3控制系統(tǒng)的構(gòu)成和PLC的選型 265.3.4測試機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì) 285.4本章小結(jié) 28第6章CCD成像及圖像采集 296.1CCD成像概念 296.2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 306.2.1圖像采集卡的選擇 306.2.2CCD攝像機(jī)的選擇 346.2.3圖像采集及控制系統(tǒng)示意圖 35第7章基于MATLAB視覺檢測 377.1安全氣囊卡扣圖形的數(shù)字化及前處理 377.2Hough直線特征提取 387.3本章小結(jié) 40結(jié)論 41致謝 42參考文獻(xiàn) 43附錄A 44緒論機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)通常采用CCD(ChargeCoupledDevice)照相機(jī)攝取檢測圖像,將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),再采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)對(duì)圖像數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理,從而得到所需要的各種目標(biāo)圖像特征值,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別,坐標(biāo)計(jì)算,灰度分布圖等多種功能。機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)能夠根據(jù)其檢測結(jié)果快速地顯示圖象,輸出數(shù)據(jù),發(fā)布指令,執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以配合其完成位置調(diào)整,好壞篩選,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等自動(dòng)化流程。與人工視覺相比較,機(jī)器視覺的最大優(yōu)點(diǎn)是精確,快速,可靠,以及信息數(shù)字化。本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)小型精密X-Y直角坐標(biāo)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，用它來驅(qū)動(dòng)CCD攝像機(jī)移動(dòng)。主要針對(duì)在校學(xué)生對(duì)數(shù)控X-Y工作臺(tái)的深入和全面的了解掌握，在硬件和軟件上都作了全面的陳述。目的在于通過對(duì)X-Y工作臺(tái)的構(gòu)造和原理特點(diǎn)進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)X-Y工作臺(tái)的理解，以至于更深的研究和開發(fā)。在硬件設(shè)計(jì)中，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由于與其它設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)聯(lián)系不大而作為獨(dú)立部分在最后一章中介紹。電路部分因?yàn)榕c軟件設(shè)計(jì)聯(lián)系較為緊密而與之一同介紹，并對(duì)電路特點(diǎn)和功能作簡單的分析和研究。由于涉及較多數(shù)控知識(shí)，本文對(duì)其中許多基本原理及定義都作了較詳細(xì)的解釋。近年來，隨著生產(chǎn)工藝日益完善，液晶顯示器在包括筆記本電腦、監(jiān)視器、桌上電腦、數(shù)碼照像機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)在內(nèi)的所有顯示器領(lǐng)域中都得到了迅速的普及和應(yīng)用。本項(xiàng)目采用直角坐標(biāo)機(jī)器人移動(dòng)攝像機(jī)逐個(gè)采集安全氣囊的氣體發(fā)生器支架和飾蓋間卡扣連接的視覺圖像，以提高單個(gè)視圖的圖像分辨率，并運(yùn)用MATLAB實(shí)現(xiàn)圖像的邊緣提取，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高圖形識(shí)別能力，解決人工檢測費(fèi)時(shí)和可靠性差的問題，為提高安全氣囊自動(dòng)裝配線自動(dòng)化檢測水平提供一定的基礎(chǔ)研究。另外，還可以加強(qiáng)研究小組的同學(xué)的科學(xué)研究水平，使同學(xué)了解工廠實(shí)際情況和技術(shù)需求，擴(kuò)展同學(xué)自動(dòng)控制和圖像處理等研究方向的知識(shí)。因此，項(xiàng)目在教學(xué)和科研方面都具有一定的作用和意義在我國，隨著高速公路的發(fā)展和汽車性能的提高，汽車的行駛速度越來越快，特別是由于汽車擁有量的迅速增加，交通越來越擁擠等諸多因素導(dǎo)致近年來汽車安全事故的損失逐年上升。所以，汽車的安全性就變得尤為重要。安全氣囊主要是為了防止汽車碰撞時(shí)車內(nèi)乘員和車內(nèi)部件間發(fā)生碰撞而造成的傷害，它通常是作為安全帶的輔助安全裝置出現(xiàn)，二者共同作用。安全氣囊的保護(hù)原理是：當(dāng)汽車遭受一定碰撞力量以后，氣囊系統(tǒng)就會(huì)引發(fā)某種類似微量炸藥爆炸的化學(xué)反應(yīng)，隱藏在車內(nèi)的安全氣囊就在瞬間充氣彈出，在乘員的身體與車內(nèi)零部件碰撞之前能及時(shí)到位，在人體接觸到安全氣囊時(shí)，安全氣囊通過氣囊表面的氣孔開始排氣，從而起到鋪墊作用，減輕身體所受沖擊力，最終達(dá)到減輕乘員傷害的效果。汽車安全氣囊作為現(xiàn)代汽車中重要的安全裝置，它的使用明顯提高了汽車的被動(dòng)安全性，降低事故死亡率并極大地減輕了人體的受傷程度。因此，作為一種汽車安全產(chǎn)品，汽車安全氣囊的生產(chǎn)過程就必須確保其安全性和精確性，以保證產(chǎn)品在唯一的一次使用中達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)功能。目前，國外在安全氣囊生產(chǎn)過程中普遍采用完善的質(zhì)量監(jiān)控和追溯系統(tǒng)，如TRW乘員約束系統(tǒng)有限公司(TRWOccupantRestraintSystemsGmbH)已經(jīng)成功應(yīng)用ADICOMMES產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了汽車安全氣囊制造全流程的產(chǎn)品監(jiān)控和追溯。目前國內(nèi)多數(shù)企業(yè)采用的還是單獨(dú)生產(chǎn)線的監(jiān)控方式，而且，由于安全氣囊產(chǎn)品種類繁多，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，很多生產(chǎn)線還是采用手工操作方式，缺乏必要的檢測手段和裝配質(zhì)量監(jiān)控手段。近年來形式各樣的手動(dòng)或自動(dòng)裝配生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)逐步得到了應(yīng)用，但是很多方案由于成本原因，常采用多串口卡或RS485網(wǎng)絡(luò)的方案，使得條碼掃描輸入和反饋較慢，滿足不了生產(chǎn)線工序操作的實(shí)時(shí)性要求，甚至影響到操作人員的情緒。為此，利用近年來迅速普及的無風(fēng)扇觸摸式平板計(jì)算機(jī)，提出了一種基于局域網(wǎng)的，采用客戶/服務(wù)器(Client/Server)結(jié)構(gòu)的汽車安全氣囊柔性裝配生產(chǎn)線解決方案。有效地解決了目前常見方案的諸多缺陷。研制的安全氣囊柔性裝配生產(chǎn)線一般有3~4個(gè)工位操作臺(tái)，有4~5個(gè)操作人員，每個(gè)工作臺(tái)均配備觸摸式計(jì)算機(jī)及條碼掃描器組成，根據(jù)裝配工藝需要，有的配備專用夾具和自動(dòng)螺母擰緊機(jī)或電氣檢測儀表及裝置，裝配流程終端設(shè)置服務(wù)器計(jì)算機(jī)和條碼掃描器及打印機(jī)。其工藝流程為：先將待加工的產(chǎn)品和所需零部件送到該條裝配線的相應(yīng)工位,第一個(gè)工位在飾蓋內(nèi)側(cè)按裝氣體發(fā)生器支架；第二工位在支架和飾蓋打鉚釘；第三步安裝氣體發(fā)生器并用擰螺母機(jī)裝配螺母，固定發(fā)生器在支架上，第四步對(duì)發(fā)生器進(jìn)行電氣檢測，檢測項(xiàng)目包括發(fā)生器絕緣電阻、起爆電阻和短路電阻，最后系統(tǒng)打印總成條碼。系統(tǒng)對(duì)裝配過程中每個(gè)新增的主要部件均要進(jìn)行條碼掃描，而且至少要保證有一個(gè)部件的條碼在每道工序都進(jìn)行掃描，以形成工序順序標(biāo)記。如果某個(gè)產(chǎn)品在某道工序沒有進(jìn)行掃描，則下道工序顯示錯(cuò)誤信息，禁止下一工序的操作；如果某個(gè)部件已經(jīng)使用過，則也會(huì)提示相應(yīng)信息等，以實(shí)現(xiàn)裝配工序糾錯(cuò)功能。完成所有工段操作之后，系統(tǒng)將自動(dòng)按該產(chǎn)品的條碼規(guī)則生成并打印安全氣囊總成條碼，由最后工序的操作人員粘貼后進(jìn)行包裝。由于各個(gè)工段是依據(jù)上一工段的完成為前提的，為了避免修改某一工段的程序而引起大面積的數(shù)據(jù)修改，在數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)上采用了觸發(fā)器機(jī)制。產(chǎn)品的裝配質(zhì)量是依靠相關(guān)的擰緊機(jī)和電氣檢測工位來保證的，其相關(guān)檢測結(jié)果(各個(gè)擰緊螺母的扭矩、落座角或電氣檢測參數(shù))也一并進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。各工位的操作者信息也進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，以滿足系統(tǒng)追溯的要求。迄今為止，我國在機(jī)器人技術(shù)方面和美、日等發(fā)達(dá)國家相比還存在較大的差距，這就需要我們大力發(fā)展機(jī)器人技術(shù)，積極引進(jìn)外國機(jī)器人技術(shù)、進(jìn)行消化并迅速在國內(nèi)進(jìn)行實(shí)用化，服務(wù)于國家工業(yè)發(fā)展；同時(shí)，國家工業(yè)化的發(fā)展也會(huì)促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)涉及機(jī)械工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制工程、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等學(xué)科為一體的綜合技術(shù)。它是多學(xué)科科技革命的必然結(jié)果，每一臺(tái)機(jī)器人，都是一個(gè)知識(shí)密集和技術(shù)的高科技機(jī)電一體化產(chǎn)品。本項(xiàng)目采用直角坐標(biāo)機(jī)器人移動(dòng)攝像機(jī)逐個(gè)采集安全氣囊的氣體發(fā)生器支架和飾蓋間卡扣連接的視覺圖像，以提高單個(gè)視圖的圖像分辨率，并運(yùn)用MATLAB實(shí)現(xiàn)圖像的邊緣提取，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高圖形識(shí)別能力，解決人工檢測費(fèi)時(shí)和可靠性差的問題，為提高安全氣囊自動(dòng)裝配線自動(dòng)化檢測水平提供一定的基礎(chǔ)研究。另外，還可以加強(qiáng)研究小組的同學(xué)的科學(xué)研究水平，使同學(xué)了解工廠實(shí)際情況和技術(shù)需求，擴(kuò)展同學(xué)自動(dòng)控制和圖像處理等研究方向的知識(shí)。因此，項(xiàng)目在教學(xué)和科研方面都具有一定的作用和意義。基于PC的數(shù)字控制系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)與數(shù)字控制技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展最快的技術(shù)之一，自1946年至1971年的四分之一世紀(jì)中，計(jì)算機(jī)從電子管、晶體管發(fā)展到大規(guī)模集成電路，走過了漫長的道路。人們的主要精力是用于研制大型高速計(jì)算機(jī)、大容量存儲(chǔ)器、外部設(shè)備以及各種軟件等，而直接用于生產(chǎn)過程控制的計(jì)算機(jī)較少。自1971年至1984年，微型計(jì)算機(jī)得到迅速發(fā)展，其系統(tǒng)性能已接近小型計(jì)算機(jī)，而成本卻僅為小型計(jì)算機(jī)的幾十分之一，特別是微型計(jì)算機(jī)（以下簡稱微型機(jī)）的體積小、功耗低、可靠性高和體系結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)，引起了各方面工程設(shè)計(jì)人員的重視。微型機(jī)的大量推廣應(yīng)用，促進(jìn)了它的進(jìn)一步發(fā)展，為在數(shù)字控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，提供了良好條件。目前，微型機(jī)與數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)密切結(jié)合在一起。計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展和計(jì)算機(jī)本身的發(fā)展密不可分，計(jì)算機(jī)的每一次更新?lián)Q代，都會(huì)促使計(jì)算機(jī)控制的進(jìn)步。自從1946年誕生世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)以來，無數(shù)的科研人員就設(shè)想將計(jì)算機(jī)用于系統(tǒng)控制，例如飛機(jī)、導(dǎo)彈系統(tǒng)等。但是，由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)體積和功耗太大，可靠性差，穩(wěn)定性也不盡人意，所以還不能用于控制系統(tǒng)。因此，當(dāng)時(shí)的較長一段時(shí)間里，計(jì)算機(jī)主要還是用于科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理。計(jì)算機(jī)控制首先在工業(yè)過程控制領(lǐng)域獲得成功。20世紀(jì)50年代中期，美國科技人員開始對(duì)化工過程控制的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并于1959年3月，成功地制造出了世界上第一個(gè)過程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)--德克薩斯煉油計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，美國這一開創(chuàng)性的工作，使得人們對(duì)計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)生極大的興趣，從此計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)進(jìn)入正軌。早期的計(jì)算機(jī)是電子管計(jì)算機(jī)，20世紀(jì)60年代初，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的興起，晶體管計(jì)算機(jī)取代了電子管計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的可靠性和各個(gè)性能指標(biāo)都得到了較大的提高，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開始采用直接數(shù)字控制(DDC)。但是，由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)價(jià)格太貴，可靠性不能完全滿足生產(chǎn)過程控制的要求，因此，計(jì)算機(jī)控制的推廣受到很大限制。20世紀(jì)60年代后期，隨著集成電路技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，出現(xiàn)了小型計(jì)算機(jī)，小型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)加快了數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展。但當(dāng)時(shí)的小型計(jì)算機(jī)價(jià)格比較貴，只有對(duì)大規(guī)模的控制系統(tǒng)才可能采用計(jì)算機(jī)控制，對(duì)一般控制應(yīng)用仍然是可望不可及的事。計(jì)算機(jī)控制的快速發(fā)展是在20世紀(jì)70年代初期，出現(xiàn)了微型計(jì)算機(jī)之后才開始的。隨著大規(guī)模集成電路(LSI)技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)于1971年問世，微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使得計(jì)算機(jī)控制進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。由于微型計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、可靠性高、價(jià)格低和體積小等特點(diǎn)，因此消除了長期阻礙數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)展的問題。20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)了集散控制系統(tǒng)(DCS)，成功地解決了傳統(tǒng)集中控制系統(tǒng)整體可靠性差的矛盾，從而使得計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以后，隨著超大規(guī)模集成電路(VLSI)技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)朝著超小型化、軟件固化和控制智能化方向發(fā)展，同時(shí)多傳感器測量系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等也越來越自動(dòng)化、智能化。開放式數(shù)控系統(tǒng)近幾年來，數(shù)控技術(shù)的又一個(gè)重要發(fā)展方向是數(shù)控系統(tǒng)的開放化。一方面，以往的數(shù)控系統(tǒng)由于其封閉性無法將計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的最新成果運(yùn)用于數(shù)控系統(tǒng)中，嚴(yán)重地阻礙了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。這種封閉式結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成本極高，開發(fā)周期很長，升級(jí)困難，可靠性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性和易用性差，二次開發(fā)困難。為解決封閉式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)所存在的問題，近年來，西方一些發(fā)達(dá)國家相繼提出開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，包括美國的NGC和OMAC計(jì)劃、歐共體的OSACA計(jì)劃和日本的0SEC計(jì)劃等。我國數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)與生產(chǎn)，通過“七五”引進(jìn)、消化、吸收，“八五”攻關(guān)和“九五”產(chǎn)業(yè)化，取得了很大的進(jìn)展，具有自主版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)開始形成，而且在發(fā)展過程中，調(diào)整到以PC機(jī)為硬件平臺(tái)的發(fā)展路線上，并以此形成了DOS和Windows兩種軟件平臺(tái)，開發(fā)出了若干個(gè)基本系統(tǒng)。然而就總體而論，仍處于開始階段，雖然各個(gè)系統(tǒng)都向PC平臺(tái)方向發(fā)展，但仍然存在一些問題。最大問題是開放性不夠、開發(fā)環(huán)境和支持手段不足，用戶進(jìn)行二次開發(fā)困難。封閉式數(shù)控系統(tǒng)對(duì)用戶來說只是一個(gè)被定義了輸入和輸出的黑匣子，其內(nèi)部細(xì)節(jié)是不可知的在原來的基礎(chǔ)上很難或幾乎不可能加入新的控制策略方案和擴(kuò)展的新功能。為適應(yīng)不斷發(fā)展的現(xiàn)代技術(shù)需求，未來的CNC必須能夠被用戶重新配置、修改、擴(kuò)充和改裝，并允許模塊化地集成傳感器，加工過程的監(jiān)視與控制系統(tǒng)，而不必重新設(shè)置硬件和軟件。要達(dá)到這一目的，最有效的途徑就是實(shí)現(xiàn)開放性。當(dāng)前，數(shù)控未來發(fā)展的趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：(1)繼續(xù)向開放式、基于PC機(jī)的第六代方向發(fā)展基于PC機(jī)所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)廠家會(huì)走上這條道路。至少采用PC機(jī)作為它的前端機(jī)，來處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題。PC機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)，遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。日本、歐盟和美國等針對(duì)開放式CNC正在進(jìn)行前后臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的研究。(2)高速度、高精度、高效化速度、精度和效率是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于采用了高速CPU芯片、多功能CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對(duì)式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時(shí)采取了改善機(jī)床動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機(jī)床的高速度、高精度、高效化已大大提高。(3)工藝復(fù)合性和多軸化以減少工序、輔助時(shí)間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合是指工件在一臺(tái)機(jī)床上一次裝夾后，通過自動(dòng)換刀，旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺(tái)等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。(4)實(shí)時(shí)智能化早期的實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常針對(duì)相對(duì)簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計(jì)算機(jī)模型實(shí)現(xiàn)人類的各種智能行為。科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，實(shí)時(shí)系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)時(shí)智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個(gè)主要分支發(fā)展：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制和前饋控制等。(5)網(wǎng)絡(luò)化PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和無人化操作。通過PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺(tái)機(jī)床上對(duì)其它機(jī)床進(jìn)行編程、設(shè)定、操作和運(yùn)行，不同機(jī)床的運(yùn)行狀況畫面可同時(shí)顯示在每一臺(tái)機(jī)床的屏幕上。(6)數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)的完善最初的數(shù)控程序是靠工程技術(shù)人員手工編制的，即手工編程。手工編程既繁瑣又復(fù)雜，而且容易產(chǎn)生錯(cuò)誤。對(duì)于比較復(fù)雜的零件，編程人員的計(jì)算工作量很大，編程時(shí)間長。某些復(fù)雜曲線的手工編程幾乎是無法實(shí)現(xiàn)的。人們一直在尋求一種有效的編程方法以加快編程速度，提高編程效率和準(zhǔn)確性，降低工藝人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。解決問題的方法就是自動(dòng)編程技術(shù)。八十年代隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，國外開始研制圖形輸入式的自動(dòng)編程系統(tǒng)。這種系統(tǒng)徹底拋棄數(shù)控編程語言，采用人機(jī)對(duì)話的方式輸入幾何要素。也有采用圖象識(shí)別和語音識(shí)別技術(shù)的自動(dòng)編程技術(shù)，處于研究階段。另外，CAD技術(shù)的發(fā)展使有些編程系統(tǒng)融匯到CAD/CAM系統(tǒng)中。X-Y直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的X-Y直角坐標(biāo)機(jī)器人是用來驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)的，重要通過伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌選擇線性導(dǎo)軌?？刂七^程為：PC機(jī)通過運(yùn)動(dòng)控制卡與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；伺服電機(jī)直接通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠相聯(lián)，通過滾珠絲杠和線性導(dǎo)軌把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。本部分主要對(duì)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部分最重要的兩個(gè)部件——滾珠絲杠和線性導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算與選擇。滾珠絲杠副的選擇本機(jī)器人的傳動(dòng)方式為絲杠傳動(dòng)，因此，要進(jìn)行對(duì)絲杠進(jìn)行選型。以滾動(dòng)代替滑動(dòng)極高傳動(dòng)效率極高的精度軸向問隙為零使用壽命長精確的同步運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的可逆性滾珠絲杠副是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置，是數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中使用最為廣泛的傳動(dòng)裝置。由于滾珠的存在，絲杠與螺母之間是滾動(dòng)摩擦，僅在滾珠之間存在滑動(dòng)摩擦。本文選用HIWIN公司的滾珠絲杠。滾珠絲杠包含絲杠、螺母、循環(huán)系統(tǒng)及鋼珠。滾珠絲杠為工具機(jī)和IT、光電、半導(dǎo)體、醫(yī)療等精密設(shè)備上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能為將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換為軸向反復(fù)作用力；同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特色。HIWIN滾珠絲杠在使用上有很多的優(yōu)點(diǎn)，高效率、可逆性、零背隙、高剛性，導(dǎo)程精度及其他多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。滾珠絲杠在絲杠與螺母之間加入了鋼珠，將傳統(tǒng)絲杠的滑動(dòng)摩擦傳動(dòng)以鋼珠滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)取代。以大大降低磨擦損耗，有助與維持高效率及高精度。下列為HIWIN滾珠絲杠的各項(xiàng)特性及優(yōu)點(diǎn)：(1)高效率及可逆性由于滾珠絲杠的絲杠軸及螺母均是點(diǎn)接觸之滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以其效率可高達(dá)90%以上。因此其傳動(dòng)扭矩僅只有傳統(tǒng)絲杠的1/3。HIWIN滾珠絲杠在牙型表面以超精密加工，以降低珠槽與鋼珠間的接觸摩擦；又鋼珠與珠槽間為點(diǎn)接觸之滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，有低摩擦力及高運(yùn)轉(zhuǎn)效率的優(yōu)點(diǎn)。故可降低馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力要求，進(jìn)而降低成本。(2)零背隙及高剛性CNC工具機(jī)、IT及半導(dǎo)體設(shè)計(jì)對(duì)于傳動(dòng)絲杠的要求為零背隙、最小彈性變形（高剛性）及高順暢感。滾珠絲杠用施加預(yù)壓力來達(dá)到CNC機(jī)臺(tái)的重現(xiàn)性及全行程的高剛性。(3)高導(dǎo)程精度HIWIN滾珠絲杠精度等級(jí)依據(jù)ISO，JIS及DIN標(biāo)準(zhǔn)制造亦可依據(jù)客戶需求生產(chǎn)所須精度等級(jí)。采用精密雷射量測儀器來保證滾珠絲杠精度并隨每支研磨級(jí)滾珠絲杠均附上導(dǎo)程精度表。(4)壽命預(yù)測不同于傳統(tǒng)絲杠的壽命取決接觸面之磨耗；HIWIN滾珠絲杠則取決于材料的疲勞破壞。為保證HIWIN滾珠絲杠在預(yù)期壽命的可靠度，不管設(shè)計(jì)、材質(zhì)、熱處理及制造等都采用最嚴(yán)格的專業(yè)考量。滾珠絲杠的預(yù)期壽命必須考慮設(shè)計(jì)品質(zhì)及制造等各項(xiàng)的安全因子，但最主要以動(dòng)負(fù)荷為依據(jù)。而影響動(dòng)負(fù)荷的基本因素為——牙型精度、材料特性及表面硬度。高品質(zhì)的滾珠絲杠，必須達(dá)到在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的B級(jí)壽命（亦即90%的絲杠均達(dá)到所設(shè)計(jì)的壽命），有50%的滾珠絲杠壽命超過設(shè)計(jì)壽命值的2~4倍。(5)低起動(dòng)扭矩及順暢度傳統(tǒng)絲杠因?yàn)槭墙饘倥c金屬間的面接觸，所以為克服起動(dòng)摩擦力，則必須采以較高的起動(dòng)扭力。然而滾珠絲杠是由鋼珠滾動(dòng)接觸，只須很小的起動(dòng)扭力即可克服摩擦力。HIWIN采用最佳的牙型設(shè)計(jì)系數(shù)（形狀系數(shù)）及專業(yè)制造技術(shù)達(dá)成最佳真實(shí)牙型。而且HIWIN使用牙型測量設(shè)備，來監(jiān)測每一制造中的牙型。如此可確保符合設(shè)計(jì)之扭力范圍。(6)靜音高品質(zhì)的機(jī)械設(shè)備于快速進(jìn)給及重負(fù)荷操作下，依然必須要求低噪音。HIWIN嚴(yán)格控制循環(huán)系統(tǒng)及牙型設(shè)計(jì)，組裝技術(shù)，并嚴(yán)密檢測表面精密加工及尺寸，以達(dá)到低噪音的目標(biāo)。(7)摩擦阻力小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)由于是滾動(dòng)摩擦，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差較小，其摩擦阻力幾乎與速度圖3-1滾珠絲杠結(jié)構(gòu)圖無關(guān)，而且靜摩擦力極小，啟動(dòng)力矩與運(yùn)動(dòng)力矩近于相等。因而靈敏度高，運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無顏動(dòng)，低速傳動(dòng)時(shí)無爬行現(xiàn)象。以下為滾珠絲杠副的計(jì)算與選擇過程：(1)定位精度根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇精度等級(jí)為2級(jí)(2)滾珠絲杠導(dǎo)程選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用導(dǎo)程為5mm(3)最大行程最大行程設(shè)為S=500mm(4)平均軸向力平均轉(zhuǎn)速(3-1):平均轉(zhuǎn)速（rpm）:轉(zhuǎn)速（rpm）：轉(zhuǎn)速所占時(shí)間半分比(3-2)：平均操作負(fù)荷:轉(zhuǎn)向負(fù)荷：運(yùn)作條件系數(shù)(5)預(yù)壓力P(3-3)(6)動(dòng)力定負(fù)荷的計(jì)算：選取設(shè)計(jì)壽命以公里計(jì)為：(3-4)由行走距離轉(zhuǎn)換成小時(shí)：(3-5)平均軸向負(fù)荷Fa：(3-6)由小時(shí)轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)次數(shù)L：(3-7)動(dòng)額定計(jì)算負(fù)荷C′(3-8)(7)型號(hào)選擇從HIWIN滾珠絲杠的型號(hào)中，挑選FSW型的螺母，其中直徑為20mm,且珠圈數(shù)是B1設(shè)計(jì)即可符合要求。滾珠絲杠副型號(hào)：20-5B1工程外經(jīng)：20mm導(dǎo)程：5mm節(jié)圓直徑：20.8mm珠圈數(shù)：2.5×1鋼珠直徑：3.175mm動(dòng)負(fù)荷：837kgf靜負(fù)荷：1733kgf屈服負(fù)荷和臨界轉(zhuǎn)速之支撐方式：固定―支撐(8)臨界轉(zhuǎn)速：絲杠根徑：(3-9)軸承支撐間距：(3-10)最大容許負(fù)荷(9)剛性K：絲杠剛性由于P=179﹤0.1C（=820），所以(3-11)螺母剛性(3-12)滾珠絲杠總剛性K：(3-13)(10)熱膨脹絲杠溫升假定為絲杠總長度絲杠溫升而產(chǎn)生之伸長量符合要求(11)預(yù)拉力以上為X向滾珠絲杠副的過程，Y向上的選擇與此過程相仿。滾動(dòng)軸承選擇本系統(tǒng)采用滾珠絲杠傳動(dòng)，所以軸承采用滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承的主要優(yōu)點(diǎn)：維護(hù)簡單，消耗潤滑劑也較少；摩擦阻力小，發(fā)熱少，功率消耗少，在通常的速度范圍內(nèi)，摩擦力矩很少隨速度的改變而改變，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也比滑動(dòng)軸承?。惠S承單位寬度的承載能力較大；大大減少了有色金屬的用量。本系統(tǒng)采用深溝球軸承。1)X軸軸承的選擇查表可知，軸承代號(hào)為6202的深溝球軸承的基本額定靜載荷為因?yàn)檩S向力則查表可知X=0.56Y=1.45所以當(dāng)量動(dòng)載荷P=X+Y=1.45×392.4N=568.98N軸承的壽命(3-14)式中的為溫度系數(shù)，系統(tǒng)的工作溫度小于一百度，=1，為載荷系數(shù)，系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，=1.0。查表可知，每天8h工作的機(jī)械設(shè)備的軸承預(yù)期壽命12000h~20000h,則選用深溝球軸承6202,符合要求。2)Y軸的軸承的選擇Y軸軸向受力與X軸相同，所以選擇與X軸相同深溝球軸承符合要求。線性導(dǎo)軌的選擇線性導(dǎo)軌由滾珠在滑塊與導(dǎo)軌體之間作無限滾動(dòng)循環(huán)，負(fù)載平臺(tái)能沿著導(dǎo)軌輕易地以高精度做線性運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)引相比，滾動(dòng)導(dǎo)引的摩擦系數(shù)可降低至原來的1/50，由于起動(dòng)的摩擦里大大減少，相對(duì)的較少無效運(yùn)動(dòng)發(fā)生