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1、士学位论文基于CCD的安全气囊装配质量检测装置设计摘要随着自动化生产能力的提高，现代工厂中经常会出现需要机械自动检测的场合，那么就非常需要配合视觉系统的机器人来实现这项工作。用视觉检测用 X-Y直角坐标机器人是非常必要的。 本次设计主要包括两个重要的部分。一是对小型直角坐标机器人机械结构的设计，具体包括伺服电机，滚珠丝杠和导轨的选择，实现了 X-Y 直角坐标机器人的直线控制和操作过程；第二部分是对图像采集系统的设计，具体包括CCD摄像机和图像采集软件的设计，以及图像处理的方法和程序设计。本文主要借助于运用MATLAB实现图像的边缘提取，采用BP人工神经网络提高图形识别能力阐述了BP神经网络的基
2、本原理，建立了故障图形识别系统，并进行了实例仿真。 视觉检测用 X-Y直角坐标机器人能够根据其检测结果快速地显示图象,输出数据,发布指令,执行机构可以配合其完成位置调整,好坏筛选,数据统计等自动化流程。与人工视觉相比较,机器视觉的最大优点是精确,快速,可靠,以及信息数字化程度很高。 关键词视觉检测；直角坐标机器人；MATLAB；伺服电机Design of airbag assembly quality detection device based on CCDAbstractWith the automation to increase production capacity, modern
3、factory machinery often there is a need to automatically detect the occasion, then a great need for the robot with the visual system to achieve this task. Machine vision is to make the machine was part of eye and brain function, the geometry can be measured automatically, the printing quality of the
4、 appearance of defects and product identification, such as the quality of the work of identification. Machine vision systems are generally used in fully automated, reliable and efficient mass production of non-contact detection in the process of identification. Common vision systems typically includ
5、e: light source, lens, CCD camera, frame grabbers, image processing software, monitors, communication / input and output units, such as. Linear motion modules from the multi-axis motion system called the Cartesian coordinate robots, various sports-axis Cartesian coordinate system usually corresponds
6、 to the X axis, Y axis . Cartesian coordinate robot mainly by a number of linear motion units, drive motor, control system and the end of the composition operator. As a result of the community on the visual detection and rectangular coordinates the increasing demand for robots, it is necessary to th
7、e design of visual inspection with XY Cartesian coordinate robot. The design includes two important parts. First, the small rectangular coordinates of the robot mechanical structure design, including servo motor, ball screw and guide the choice of the realization of the XY rectangular coordinates of
8、 the straight-line robot control and operation; second part of the image acquisition system design, including CCD cameras and image acquisition software design, and image processing methods and procedures of design. Detection of which is a MATLAB as the main t, CCD cameras can be collected in accord
9、ance with the digital image, and then through MATLAB . Visual inspection with X-Y Cartesian coordinate robot in accordance with its test results can be quickly displayed images, output data, issued an order, the executing agency can adjust the completion of its location, quality of screening data an
10、d other automated processes. Compared with the artificial vision, machine vision is the greatest advantage of accurate, fast, reliable, and high degree of digital information. Keywords Visual Inspection；Cartesian coordinates robot; MATLAB; Servo motor不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- III -目录摘要IAbstractII第1章 绪论1第2
11、章 基于PC的数字控制系统42.1 微型计算机与数字控制技术42.2 开放式数控系统5第3章 X-Y直角坐标机器人结构设计73.1 滚珠丝杠副的选择73.2 滚动轴承选择113.3 线性导轨的选择12第4章 交流伺服电机与驱动器154.1 交流伺服电机与驱动器154.1.1 伺服驱动器的概述154.1.2 伺服驱动器外观和接线图164.1.3 SINAMICS V80 输入输出接线184.1.4 伺服驱动器选择194.2 本章小结21第5章 控制系统设计225.1 位置控制单元 FX2N-20GM 及FX2N-1PG 概述225.2 位置控制单元 FX2N -20GM 安装和接线225.2.1
12、 FX2N-20GM 的安装225.2.2 外部输入输出电路235.3 PLC 控制系统设计235.3.1 测试机器人的工作过程235.3.2 测试机器人控制方式265.3.3 控制系统的构成和 PLC 的选型265.3.4 测试机器人控制程序设计285.4 本章小结28第6章 CCD成像及图像采集296.1 CCD成像概念296.2 系统方案设计306.2.1 图像采集卡的选择306.2.2 CCD摄像机的选择346.2.3 图像采集及控制系统示意图35第7章 基于MATLAB视觉检测377.1 安全气囊卡扣图形的数字化及前处理377.2 Hough直线特征提取387.3 本章小结40结论4
13、1致谢42参考文献43附录A44千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- 15 -第1章 绪论机器视觉检测系统通常采用CCD(Charge Coupled Device)照相机摄取检测图像,将其转化为数字信号,再采用先进的计算机硬件与软件技术对图像数字信号进行处理,从而得到所需要的各种目标图像特征值,并在此基础上实现模式识别,坐标计算,灰度分布图等多种功能。机器视觉检测系统能够根据其检测结果快速地显示图象,输出数据,发布指令,执行机构可以配合其完成位置调整,好坏筛选,数据统计等自动化流
14、程。与人工视觉相比较,机器视觉的最大优点是精确,快速,可靠,以及信息数字化。 本设计主要内容是设计小型精密 X-Y直角坐标机器人的机械结构，用它来驱动 CCD摄像机移动。主要针对在校学生对数控 X-Y工作台的深入和全面的了解掌握，在硬件和软件上都作了全面的陈述。目的在于通过对 X-Y工作台的构造和原理特点进一步加深学生对 X-Y工作台的理解，以至于更深的研究和开发。在硬件设计中，机械结构部分由于与其它设计环节联系不大而作为独立部分在最后一章中介绍。电路部分因为与软件设计联系较为紧密而与之一同介绍，并对电路特点和功能作简单的分析和研究。由于涉及较多数控知识，本文对其中许多基本原理及定义都作了较详
15、细的解释。近年来，随着生产工艺日益完善，液晶显示器在包括笔记本电脑、监视器、桌上电脑、数码照像机和数码摄像机在内的所有显示器领域中都得到了迅速的普及和应用。 本项目采用直角坐标机器人移动摄像机逐个采集安全气囊的气体发生器支架和饰盖间卡扣连接的视觉图像，以提高单个视图的图像分辨率，并运用MATLAB实现图像的边缘提取，采用人工神经网络提高图形识别能力，解决人工检测费时和可靠性差的问题，为提高安全气囊自动装配线自动化检测水平提供一定的基础研究。另外，还可以加强研究小组的同学的科学研究水平，使同学了解工厂实际情况和技术需求，扩展同学自动控制和图像处理等研究方向的知识。因此，项目在教学和科研方面都具有
16、一定的作用和意义在我国，随着高速公路的发展和汽车性能的提高，汽车的行驶速度越来越快，特别是由于汽车拥有量的迅速增加，交通越来越拥挤等诸多因素导致近年来汽车安全事故的损失逐年上升。所以，汽车的安全性就变得尤为重要。安全气囊主要是为了防止汽车碰撞时车内乘员和车内部件间发生碰撞而造成的伤害，它通常是作为安全带的辅助安全装置出现，二者共同作用。安全气囊的保护原理是：当汽车遭受一定碰撞力量以后，气囊系统就会引发某种类似微量炸药爆炸的化学反应，隐藏在车内的安全气囊就在瞬间充气弹出，在乘员的身体与车内零部件碰撞之前能及时到位，在人体接触到安全气囊时，安全气囊通过气囊表面的气孔开始排气，从而起到铺垫作用，减轻
17、身体所受冲击力，最终达到减轻乘员伤害的效果。汽车安全气囊作为现代汽车中重要的安全装置，它的使用明显提高了汽车的被动安全性，降低事故死亡率并极大地减轻了人体的受伤程度。因此，作为一种汽车安全产品，汽车安全气囊的生产过程就必须确保其安全性和精确性，以保证产品在唯一的一次使用中达到预期的设计功能。目前，国外在安全气囊生产过程中普遍采用完善的质量监控和追溯系统，如TRW乘员约束系统有限公司(TRW Occupant Restraint Systems GmbH )已经成功应用ADICOM MES产品，实现了汽车安全气囊制造全流程的产品监控和追溯。目前国内多数企业采用的还是单独生产线的监控方式，而且，由
18、于安全气囊产品种类繁多，产品更新换代快，很多生产线还是采用手工操作方式，缺乏必要的检测手段和装配质量监控手段。近年来形式各样的手动或自动装配生产线监控系统逐步得到了应用，但是很多方案由于成本原因，常采用多串口卡或RS485网络的方案，使得条码扫描输入和反馈较慢，满足不了生产线工序操作的实时性要求，甚至影响到操作人员的情绪。为此，利用近年来迅速普及的无风扇触摸式平板计算机，提出了一种基于局域网的，采用客户/服务器(Client/Server)结构的汽车安全气囊柔性装配生产线解决方案。有效地解决了目前常见方案的诸多缺陷。研制的安全气囊柔性装配生产线一般有34个工位操作台，有45个操作人员，每个工作
19、台均配备触摸式计算机及条码扫描器组成，根据装配工艺需要，有的配备专用夹具和自动螺母拧紧机或电气检测仪表及装置，装配流程终端设置服务器计算机和条码扫描器及打印机。其工艺流程为：先将待加工的产品和所需零部件送到该条装配线的相应工位,第一个工位在饰盖内侧按装气体发生器支架；第二工位在支架和饰盖打铆钉；第三步安装气体发生器并用拧螺母机装配螺母，固定发生器在支架上，第四步对发生器进行电气检测，检测项目包括发生器绝缘电阻、起爆电阻和短路电阻，最后系统打印总成条码。系统对装配过程中每个新增的主要部件均要进行条码扫描，而且至少要保证有一个部件的条码在每道工序都进行扫描，以形成工序顺序标记。如果某个产品在某道工
20、序没有进行扫描，则下道工序显示错误信息，禁止下一工序的操作；如果某个部件已经使用过，则也会提示相应信息等，以实现装配工序纠错功能。完成所有工段操作之后，系统将自动按该产品的条码规则生成并打印安全气囊总成条码，由最后工序的操作人员粘贴后进行包装。由于各个工段是依据上一工段的完成为前提的，为了避免修改某一工段的程序而引起大面积的数据修改，在数据库的设计上采用了触发器机制。产品的装配质量是依靠相关的拧紧机和电气检测工位来保证的，其相关检测结果(各个拧紧螺母的扭矩、落座角或电气检测参数)也一并进入数据库。各工位的操作者信息也进入数据库，以满足系统追溯的要求。迄今为止，我国在机器人技术方面和美、日等发达
21、国家相比还存在较大的差距，这就需要我们大力发展机器人技术，积极引进外国机器人技术、进行消化并迅速在国内进行实用化，服务于国家工业发展；同时，国家工业化的发展也会促进机器人技术的发展。机器人技术涉及机械工程学、计算机科学、控制工程、电子技术、传感器技术、人工智能、仿生学等学科为一体的综合技术。它是多学科科技革命的必然结果，每一台机器人，都是一个知识密集和技术的高科技机电一体化产品。本项目采用直角坐标机器人移动摄像机逐个采集安全气囊的气体发生器支架和饰盖间卡扣连接的视觉图像，以提高单个视图的图像分辨率，并运用MATLAB实现图像的边缘提取，采用人工神经网络提高图形识别能力，解决人工检测费时和可靠性
22、差的问题，为提高安全气囊自动装配线自动化检测水平提供一定的基础研究。另外，还可以加强研究小组的同学的科学研究水平，使同学了解工厂实际情况和技术需求，扩展同学自动控制和图像处理等研究方向的知识。因此，项目在教学和科研方面都具有一定的作用和意义。第2章 基于PC的数字控制系统2.1 微型计算机与数字控制技术 计算机技术是 20世纪发展最快的技术之一，自 1946年至 1971年的四分之一世纪中，计算机从电子管、晶体管发展到大规模集成电路，走过了漫长的道路。人们的主要精力是用于研制大型高速计算机、大容量存储器、外部设备以及各种软件等，而直接用于生产过程控制的计算机较少。 自 1971年至 1984年
23、，微型计算机得到迅速发展，其系统性能已接近小型计算机，而成本却仅为小型计算机的几十分之一，特别是微型计算机（以下简称微型机）的体积小、功耗低、可靠性高和体系结构灵活的特点，引起了各方面工程设计人员的重视。微型机的大量推广应用，促进了它的进一步发展，为在数字控制系统中的应用，提供了良好条件。目前，微型机与数字控制技术已经密切结合在一起。 计算机控制的发展和计算机本身的发展密不可分，计算机的每一次更新换代，都会促使计算机控制的进步。自从 1946年诞生世界上第一台电子计算机以来，无数的科研人员就设想将计算机用于系统控制，例如飞机、导弹系统等。但是，由于当时的计算机体积和功耗太大，可靠性差，稳定性也
24、不尽人意，所以还不能用于控制系统。因此，当时的较长一段时间里，计算机主要还是用于科学计算和数据处理。 计算机控制首先在工业过程控制领域获得成功。20世纪 50年代中期，美国科技人员开始对化工过程控制的计算机控制系统进行了系统研究，并于 1959年 3月，成功地制造出了世界上第一个过程计算机控制系统-德克萨斯炼油计算机控制系统，美国这一开创性的工作，使得人们对计算机控制产生极大的兴趣，从此计算机控制系统的研究与开发进入正轨。 早期的计算机是电子管计算机，20世纪 60年代初，随着半导体技术的兴起，晶体管计算机取代了电子管计算机，计算机的可靠性和各个性能指标都得到了较大的提高，计算机控制系统开始采
25、用直接数字控制(DDC)。但是，由于当时的计算机价格太贵，可靠性不能完全满足生产过程控制的要求，因此，计算机控制的推广受到很大限制。20世纪 60年代后期，随着集成电路技术的产生与发展，出现了小型计算机，小型计算机的出现加快了数字控制系统的发展。但当时的小型计算机价格比较贵，只有对大规模的控制系统才可能采用计算机控制，对一般控制应用仍然是可望不可及的事。 计算机控制的快速发展是在 20世纪 70年代初期，出现了微型计算机之后才开始的。随着大规模集成电路(LSI)技术的发展，微型计算机于1971年问世，微型计算机的出现使得计算机控制进入了一个崭新的发展阶段。由于微型计算机具有运算速度快、可靠性高
26、、价格低和体积小等特点，因此消除了长期阻碍数字控制系统发展的问题。20世纪 70年代中期出现了集散控制系统(DCS)，成功地解决了传统集中控制系统整体可靠性差的矛盾，从而使得计算机控制系统得到大规模的推广应用。 20世纪 80年代以后，随着超大规模集成电路(VLSI)技术的高速发展，计算机朝着超小型化、软件固化和控制智能化方向发展，同时多传感器测量系统、执行机构等也越来越自动化、智能化。 2.2 开放式数控系统 近几年来，数控技术的又一个重要发展方向是数控系统的开放化。一方面，以往的数控系统由于其封闭性无法将计算机技术发展的最新成果运用于数控系统中，严重地阻碍了数控技术的发展。这种封闭式结构使
27、数控系统的开发成本极高，开发周期很长，升级困难，可靠性、可扩展性、可维护性和易用性差，二次开发困难。为解决封闭式结构数控系统所存在的问题，近年来，西方一些发达国家相继提出开放式体系结构数控系统的开发，包括美国的 NGC和 OMAC计划、欧共体的 OSACA计划和日本的 0SEC计划等。我国数控系统的开发与生产，通过“七五”引进、消化、吸收，“八五”攻关和“九五”产业化，取得了很大的进展，具有自主版权的数控系统产业开始形成，而且在发展过程中，调整到以 PC 机为硬件平台的发展路线上，并以此形成了 DOS和 Windows两种软件平台，开发出了若干个基本系统。然而就总体而论，仍处于开始阶段，虽然各
28、个系统都向 PC平台方向发展，但仍然存在一些问题。最大问题是开放性不够、开发环境和支持手段不足，用户进行二次开发困难。封闭式数控系统对用户来说只是一个被定义了输入和输出的黑匣子，其内部细节是不可知的在原来的基础上很难或几乎不可能加入新的控制策略方案和扩展的新功能。为适应不断发展的现代技术需求，未来的 CNC必须能够被用户重新配置、修改、扩充和改装，并允许模块化地集成传感器，加工过程的监视与控制系统，而不必重新设置硬件和软件。要达到这一目的，最有效的途径就是实现开放性。当前，数控未来发展的趋势主要有以下几个方面： (1) 继续向开放式、基于 PC机的第六代方向发展 基于 PC机所具有的开放性、低
29、成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统厂家会走上这条道路。至少采用 PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题。PC机所具有的友好的人机界面将普及到所有的数控系统，远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。日本、欧盟和美国等针对开放式 CNC正在进行前后台标准的研究。 (2) 高速度、高精度、高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、多功能 CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速度、高精度、高效化已大大提高。 (3) 工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时
30、间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀，旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。 (4) 实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算机模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制和前馈控制等。 (5) 网络化 PC机联网可进行远程控制和无人化操作。通过 PC机联网
31、，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作和运行，不同机床的运行状况画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。 (6) 数控自动编程系统的完善 最初的数控程序是靠工程技术人员手工编制的，即手工编程。手工编程既繁琐又复杂，而且容易产生错误。对于比较复杂的零件，编程人员的计算工作量很大，编程时间长。某些复杂曲线的手工编程几乎是无法实现的。人们一直在寻求一种有效的编程方法以加快编程速度，提高编程效率和准确性，降低工艺人员的劳动强度。解决问题的方法就是自动编程技术。八十年代随着计算机图形学的发展，国外开始研制图形输入式的自动编程系统。这种系统彻底抛弃数控编程语言，采用人机对话的方式输入几何要素。也有
32、采用图象识别和语音识别技术的自动编程技术，处于研究阶段。另外，CAD技术的发展使有些编程系统融汇到 CAD/CAM系统中。 第3章 X-Y直角坐标机器人结构设计本文所设计的 X-Y直角坐标机器人是用来驱动摄像机的，重要通过伺服电机带动滚珠丝杠把旋转运动转化成直线运动，导轨选择线性导轨。控制过程为：PC机通过运动控制卡与伺服电机驱动器相连，控制伺服电机的运转；伺服电机直接通过联轴器与滚珠丝杠相联，通过滚珠丝杠和线性导轨把旋转运动转化为直线运动。本部分主要对机械系统结构部分最重要的两个部件滚珠丝杠和线性导轨进行计算与选择。3.1 滚珠丝杠副的选择本机器人的传动方式为丝杠传动，因此，要进行对丝杠进行
33、选型。u 以滚动代替滑动u 极高传动效率u 极高的精度u 轴向问隙为零u 使用寿命长u 精确的同步运动u 运动的可逆性 滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的传动装置，是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。由于滚珠的存在，丝杠与螺母之间是滚动摩擦，仅在滚珠之间存在滑动摩擦。 本文选用 HIWIN公司的滚珠丝杠。滚珠丝杠包含丝杠、螺母、循环系统及钢珠。滚珠丝杠为工具机和 IT、光电、半导体、医疗等精密设备上最常使用的传动元件，其主要功能为将旋转运动转换为线性运动，或将扭矩转换为轴向反复作用力；同时兼具高精度、可逆性和高效率的特色。 HIWIN滚珠丝杠在使用上有很多的优点，高效率、可逆
34、性、零背隙、高刚性，导程精度及其他多项优点。滚珠丝杠在丝杠与螺母之间加入了钢珠，将传统丝杠的滑动摩擦传动以钢珠滚动运动取代。以大大降低磨擦损耗，有助与维持高效率及高精度。下列为 HIWIN滚珠丝杠的各项特性及优点： (1) 高效率及可逆性 由于滚珠丝杠的丝杠轴及螺母均是点接触之滚动运动，所以其效率可高达 90%以上。因此其传动扭矩仅只有传统丝杠的 1/3。HIWIN滚珠丝杠在牙型表面以超精密加工，以降低珠槽与钢珠间的接触摩擦；又钢珠与珠槽间为点接触之滚动运动，有低摩擦力及高运转效率的优点。故可降低马达驱动力要求，进而降低成本。 (2) 零背隙及高刚性 CNC工具机、IT及半导体设计对于传动丝杠
35、的要求为零背隙、最小弹性变形（高刚性）及高顺畅感。滚珠丝杠用施加预压力来达到 CNC机台的重现性及全行程的高刚性。 (3) 高导程精度 HIWIN滚珠丝杠精度等级依据 ISO，JIS及 DIN标准制造亦可依据客户需求生产所须精度等级。采用精密雷射量测仪器来保证滚珠丝杠精度并随每支研磨级滚珠丝杠均附上导程精度表。 (4) 寿命预测 不同于传统丝杠的寿命取决接触面之磨耗；HIWIN滚珠丝杠则取决于材料的疲劳破坏。为保证 HIWIN滚珠丝杠在预期寿命的可靠度，不管设计、材质、热处理及制造等都采用最严格的专业考量。滚珠丝杠的预期寿命必须考虑设计品质及制造等各项的安全因子，但最主要以动负荷为依据。 而影
36、响动负荷的基本因素为牙型精度、材料特性及表面硬度。高品质的滚珠丝杠，必须达到在统计学上的 B级寿命（亦即 90%的丝杠均达到所设计的寿命），有 50%的滚珠丝杠寿命超过设计寿命值的 24倍。 (5) 低起动扭矩及顺畅度 传统丝杠因为是金属与金属间的面接触，所以为克服起动摩擦力，则必须采以较高的起动扭力。然而滚珠丝杠是由钢珠滚动接触，只须很小的起动扭力即可克服摩擦力。 HIWIN采用最佳的牙型设计系数（形状系数）及专业制造技术达成最佳真实牙型。而且 HIWIN使用牙型测量设备，来监测每一制造中的牙型。如此可确保符合设计之扭力范围。 (6) 静音高品质的机械设备于快速进给及重负荷操作下，依然必须要
37、求低噪音。HIWIN严格控制循环系统及牙型设计，组装技术，并严密检测表面精密加工及尺寸，以达到低噪音的目标。(7) 摩擦阻力小、运动平稳 由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差较小，其摩擦阻力几乎与速度图3-1 滚珠丝杠结构图无关，而且静摩擦力极小，启动力矩与运动力矩近于相等。因而灵敏度高，运动较平稳，启动时无颜动，低速传动时无爬行现象。以下为滚珠丝杠副的计算与选择过程：(1) 定位精度 根据设计要求选择精度等级为2级(2) 滚珠丝杠导程选择 根据设计要求选用导程为5mm(3) 最大行程 最大行程设为S=500mm(4) 平均轴向力 平均转速 (3-1) : 平均转速（rpm） : 转速 （rpm
38、） ：转速所占时间半分比 (3-2) ：平均操作负荷 : 转向负荷 ：运作条件系数 (5) 预压力P (3-3) (6)动力定负荷的计算： 选取设计寿命以公里计为： (3-4) 由行走距离转换成小时： (3-5)平均轴向负荷Fa： (3-6) 由小时转换成回转次数L： (3-7) 动额定计算负荷C (3-8) (7) 型号选择从HIWIN滚珠丝杠的型号中，挑选FSW型的螺母，其中直径为20mm,且珠圈数是B1设计即可符合要求。滚珠丝杠副型号：20-5B1工程外经：20mm导程：5mm节圆直径：20.8mm珠圈数：2.51钢珠直径：3.175mm动负荷：837kgf静负荷：1733kgf屈服负荷
39、和临界转速之支撑方式：固定支撑 (8) 临界转速：丝杠根径： (3-9)轴承支撑间距： (3-10)最大容许负荷(9) 刚性K：丝杠刚性由于P=1790.1C（=820），所以 (3-11) 螺母刚性 (3-12) 滚珠丝杠总刚性K： (3-13)(10) 热膨胀丝杠温升假定为丝杠总长度丝杠温升而产生之伸长量符合要求(11) 预拉力 以上为X向滚珠丝杠副的过程，Y向上的选择与此过程相仿。3.2 滚动轴承选择本系统采用滚珠丝杠传动，所以轴承采用滚动轴承，滚动轴承的主要优点：维护简单，消耗润滑剂也较少；摩擦阻力小，发热少，功率消耗少，在通常的速度范围内，摩擦力矩很少随速度的改变而改变，启动转矩也比
40、滑动轴承小；轴承单位宽度的承载能力较大；大大减少了有色金属的用量。本系统采用深沟球轴承。1) X 轴轴承的选择查表可知，轴承代号为6202 的深沟球轴承的基本额定静载荷为 因为轴向力则查表可知X=0.56 Y=1.45所以当量动载荷P=X+Y=1.45392.4N=568.98N轴承的寿命 (3-14)式中的为温度系数，系统的工作温度小于一百度，=1，为载荷系数，系统平稳运行， =1.0。查表可知，每天8h 工作的机械设备的轴承预期寿命12000h20000h,则选用深沟球轴承6202, 符合要求。2) Y 轴的轴承的选择Y 轴轴向受力与X 轴相同，所以选择与X 轴相同深沟球轴承符合要求。3.
41、3 线性导轨的选择 线性导轨由滚珠在滑块与导轨体之间作无限滚动循环，负载平台能沿着导轨轻易地以高精度做线性运动。与传统的滑动导引相比，滚动导引的摩擦系数可降低至原来的1/50，由于起动的摩擦里大大减少，相对的较少无效运动发生，故能轻易达到m级进给及定位。再加上滑块与导轨间的束制单元设计，使得线性导轨可同时承受上下左右等各方向的负荷。 本设计采用 HIWIN公司生产的线性导轨，其具有以下一些特点：(1) 定位精度高使用线性导轨作为线性导引时，由于线性导轨的摩擦方式为滚动摩擦，不仅摩擦系数降低到滑动导引的50分之1，动摩擦力与静摩擦力的差距也变得很小。因此当床台运行时，不会有打滑的现象发生，可达到
42、很高的精度。(2) 磨损少能长时间保持精度传统的滑动导引，无可避免的会因油膜逆流作用造成平台运动精度不良，且因运动时润滑不充分，导致运行轨道接触面的磨损，严重影响精度。而滚动导引的磨损非常小，故工作台能长时间维持精度。(3) 适用高速运动且大幅降低工作台所需驱动马力 由于线性导轨移动时摩擦力非常小，只需较小动力便能让床台运行，尤其是在床台的工作方式为经常性往返运动时，更能明显降低工作台电力损耗量。且因其摩擦产生的热较小，可适用于高速运行。(4) 可同时承受上下左右方向的负荷 由于线性导轨特殊的束制结构设计，可同时承受上、下、左、右方向的负荷，不像滑动导引在平行接触面方向可承受的侧向负荷较轻，易
43、造成工作台运行精度不良。(5) 组装容易并具互换性组装时只是铣削或研磨床台上导轨之装配面，并依建议之步骤将导轨体、滑块分别以特定扭力固定于工作台上，即能重现加工时的高精密度。传统的滑动导引，则须对运行轨道加以铲花，既费事又费时，且一旦机台精度不良，又必需再铲花一次。线性导轨具有互换性，可分别更换滑块或导轨甚至是线性导轨组，机台即可重新获得高精密度的导引。(6) 润滑构造简单滑动导引若润滑不足，将会造成接触面金属直接摩擦损耗床台，而滑动导引要润滑充足并不容易，需要在床台适当的位置钻孔供油。线性导轨则已在滑块上装置油嘴，可直接以注油枪打入油脂，亦可换上专用油管接头连接供油油管，以自动供油机润滑。直
44、线滚动导轨的设计计算:1) X 轴导轨的设计计算其中 根据受力计算 查HIWIN 线性导轨的HGW20HA型导轨其额定动载荷为21.12KN ,计算滑块1的距离额定寿命(3-15)式中的为硬度系数，轨道硬度为50HRC，查表可知， =0.53，为工作温度， =1.0，导轨一个滑块，则=1.00，精度等级=1.0。远远大于球导轨的距离期望寿命50 km，符合要求。对于滑块2 已不需校核。所以选取HIWIN 线性导轨HGW20HA 系列导轨。2) Y 轴导轨的设计计算其受力只是Z 轴的重力G=110.9KN,滑块，查HIWIN 线性导轨，HGW20HA 型导轨，其额定动载荷21.18KN，计算滑块
45、的距离额定寿命 式中为滚道硬度，HIWIN 导轨的硬度为50HRC，则=0.53，为工作温度，系统的工作坏境小于100C，则 =1，导轨上为一个滑块，=1.00，精度等级 =1.0。经计算，滑块的距离寿命远远大于球导轨的距离期望寿命50km。符合要求。第4章 交流伺服电机与驱动器4.1 交流伺服电机与驱动器4.1.1 伺服驱动器的概述工业机器人一般由本体、驱动单元和控制单元三部分组成。测试机器人属于工业机器人中的一类，自然也是有这三部分组成，本体由导轨、丝杠、测头杆等组成，测头杆以一定速度作定位运动，分别完成移动、升降和按压开关等各种动作。测试机器人要完成规定的动作并达到一定的精度要求，是复杂而又很难解决的问题，而伺服系统因响应速度快、速度精高、调速范围宽、加减速性能好，可以提供灵活、方便、准确和快速的驱动，目前绝大部分机器人的关节运动均采用交流伺服控制系统。随着技术的进步，计算机技术、电子技术和电动机磁性材料的发展，交流伺服驱动