自動調焦瞄準裝置結構設計

自動調焦瞄準裝置結構設計,自動,調焦,瞄準,裝置,結構設計 畢業(yè)設計（論文）任務書 系 別： 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名： 學 號： 設計(論文)題目： 自動調焦瞄準裝置結構設計 起 迄 日 期: 2012 年9月 24日 — 2012年12月 16 日 設計(論文)地點: 指 導 教 師: 專業(yè)教研室負責人: 發(fā)任務書日期: 2012　年 8月 25 日 任務書填寫要求 1．畢業(yè)設計（論文）任務書由指導教師根據(jù)各課題的具體情況指導學生填寫。此任務書應在畢業(yè)設計（論文）開始前一周內填好并發(fā)給學生； 2．任務書內容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(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．任務書內填寫的內容，必須和學生畢業(yè)設計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應當經過所在專業(yè)主管領導審批后方可重新填寫； 4．任務書內有關“系別”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學生的“學號”要寫全號，不能只寫最后2位或1位數(shù)字； 5．任務書內“主要參考文獻”的填寫，應按照國標GB 7714—87《文后參考文獻著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性； 6．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書 1．本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的： 本課題需要進行自動調焦瞄準裝置結構設計，并繪制出裝配和零件圖。通過完成本課題，應達到以下目的： 1. 了解自動調焦機構原理 2. 掌握機械設計的方法和步驟； 3. 掌握計算機輔助設計工具（AUTOCAD、SOLIDEWORKS等設計軟件）的應用； 4. 提高分析問題和解決問題的能力； 5. 初步掌握理論指導實際的工作能力。 2．本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）： 1、收集整理設計所需的資料。并做好外文資料的翻譯工作； 2、對其進行結構工藝分析； 3、進行初步設計； 4、進行總體結構方案設計，并論證； 5、進行主要零部件的結構設計，并繪制結構草圖； 6、應用三維CAD軟件進行設計，并利用仿真功能對結構進行檢查； 7、完成結構的裝配圖樣和零件圖樣的設計工作； 8、整理設計資料，認真編寫畢業(yè)設計說明書； 9、按規(guī)定時間上交全部畢業(yè)設計資料。  3 對本畢業(yè)設計（論文）課題成果的要求： （1） 須繪制小型液壓控制的翻轉機械手的設計總裝圖一張、零件圖若干，標注清楚，繪圖數(shù)量折合總計不少于兩張（CAD）零號圖，打印裝訂成冊； （2）翻譯機械相關外文資料一篇，不少于15000英文印刷字符；中英文分開打印 （3）畢業(yè)設計論文總字數(shù)15000字左右。 4．主要參考文獻： 1、 李來英. <<注塑成型工藝.>> 北京：機械工業(yè)出版社 2、 黃鶴汀主編，<<機械制造裝備>> 機械工業(yè)出版社 3、 程康寧主編，《機械工程控制基礎》 西安交通大學出版社 4、 王健民.二維圖像測量機及圖像式大尺寸弧長在線測量系統(tǒng)的研究[C].哈爾濱工業(yè)大學.博士學位論文, 1998.12 5、 王　斧等.CCD精密測角系統(tǒng)[J].光電工程,1997,24(1):11~14. 6、 曹國榮,景芳盛.CCD用于摩爾條紋細分技術[J].計量學報,1995,16(2):116~119. 7、 張廣軍.衍射條紋CCD擬合定位及精度分析[J].儀器儀表學報,1995,16(1):107~110.146計量學報2002年4月 8、 余國琮. 機械工程手冊, 化學工業(yè)出版社, 2004年3月. 9、 王光斗. 機床夾具設計手冊, 上海科學技術出版社, 2000年11月. 10、 張大鵬. 電子手冊, 電子工業(yè)出版社, 2003年10月. 11、 趙如福. 金屬機械加工工藝人員手冊, 上?？茖W技術出版社, 1995年3月. 12、 章躍. 機械制造專業(yè)英語 , 機械工業(yè)出版社,2008. 5．本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃： 第 1 ～ 2 周： 查閱相關論文資料； 第 2 ～ 3 周： 文獻綜述、實地工廠調研、撰寫開題報告； 第 4 ～ 5 周： 熟悉課題設計流程與方法、方案構思與分析； 第 6 ～ 7 周： 液壓控制的翻轉機械手的結構設計與計算； 第8 ～ 10周： 總體裝配圖和主要零件圖設計； 第11 ～12周： 論文撰寫； 5．本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃： 起 迄 日 期 工 作 內 容 2012年7月22日 ～ 8月15 日 參觀調研、搜集資料、準備開題報告 8月16 日 ～ 9月15日 外文資料翻譯、零件立體造型、結構初步設計 9月16日 ～ 9月27日 工藝計算、結構設計、設備選擇、結構草圖 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），設計說明書 11月21日 ～ 11月28日 檢查整理設計資料、裝訂成冊并上交 月 日 ～月 日 畢業(yè)答辯 指導教師審查意見： 指導教師（簽名）： 　　　　　　　年 　　月 　　 日 自動調焦(AF)原理 自動調焦(AF)系指由照相機根據(jù)被攝體距離的遠近，自動地調節(jié)鏡頭的對焦距離。自從1977年第一架實用型自動調焦照相機誕生以來，許多照相機生產廠家均開展了對自動調焦系統(tǒng)的研究，從而產生了形形色色的自動調焦系統(tǒng)。根據(jù)所基于的原理，可以分成測距法和像檢測法(又稱調焦檢測法)兩大類，下列是自動調焦系統(tǒng)的分類： ┌ │ ─反射時間測量法 (主動型) ┌ │ ─VAF 　 ┌ ─測距法── ┤ ┌ ─被動型──── ┼ ─STT │ └ ─三角測量法── ┤ └ ─FCM AF系統(tǒng)─ ┤ └ ─紅外主動型 │ │ ┌ │ ─對比度檢測法 (反差檢測法) └ ─像檢測法─ ┤ ┌ ─TCL系統(tǒng) └ ─相位檢測法── ┤ └ ─透鏡分離器系統(tǒng) 最早出現(xiàn)的實用型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)了采用紅外線主動型AF系統(tǒng)的Canon AF35M；1981年出現(xiàn)了采用SST(固態(tài)三角測量)的Canon AF35ML和日本精工研制的FCM系統(tǒng)。上述均屬三角測量系統(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間測量法的系統(tǒng)，也屬主動型，利用超聲波回波時間來測量距離。 像檢測法屬于被動型，主要有兩種形式：對比度檢測系統(tǒng)和相位檢測系統(tǒng)。對比度檢測AF系統(tǒng)最早出現(xiàn)在1981年推出的Pentax ME-F單反機上，這是利用當影像最清晰時，成像的反差最大的原理而制成的，與手動調焦的磨砂屏焦點檢測法的原理相似。 最早采用相位檢測法的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單反機上。 測距法主要應用于旁軸平視取景的袖珍相機上，而像檢測法則用于單鏡頭反光照相機上。由于紅外線主動型AF系統(tǒng)具有結構簡單、成本低廉等特點，在現(xiàn)代袖珍相機中占有很大的比重；而且現(xiàn)在的AF單反機大多采用相位檢測AF系統(tǒng)，因此這里僅介紹紅外線主動型和相位檢測型AF系統(tǒng)。SST系統(tǒng)還見于少部分AF變焦袖珍相機(如Sigma AF Zoom Super 28、70、100等)， 但工作原理與VAF類似；超聲波主動型AF系統(tǒng)只出現(xiàn)在美國寶麗萊公司生產的拍立得(又稱瞬時得或立時得)相機上，故這里不予介紹。 自從自動調焦相機(特別是AF單反機)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有助于我們能更好地操縱新型相機，使拍攝工作更富有實效，也使我們能從形形色色的名詞和功能中分辨出哪些是實用的和哪些是花架子，可以避免陷入相機廣告中閃爍其詞的語句和對攝影器材追求的泥潭中，因而也有利于選購合適的相機。 本章中所介紹的主動型AF系統(tǒng)是原理性的，在實際的照相機中，照相機生產廠家對這類AF系統(tǒng)的不足亦是進行了大量的改造工作，如采用了多束紅外線測距等，而且AF級數(shù)也越來越多，有些主動型AF系統(tǒng)已經是無級聚焦了，即聚焦級數(shù)為無窮多，其性能也越來越接近被動型AF系統(tǒng)。 相位檢測型被動式AF系統(tǒng)已經為AF單反機所普遍采用，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單反機的發(fā)展歷程中，自動聚焦技術的飛速發(fā)展自不待言，從原來的單純模仿手動聚焦的單一方式發(fā)展到寬區(qū)自動聚焦、焦點預測自動聚焦、自動確定被攝主體位置和自動變焦構圖等，大多數(shù)自動聚焦相機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，這一切都是手動聚焦照相機所不能做到的。簡言之，只要改變了原來使用手動聚焦相機的習慣和克服對新機種的心理障礙，就會覺得自動聚焦相機是要比手動聚焦相機好用得多。 從固定焦點到自動調焦 從照相機的發(fā)展歷史來看，在焦點調節(jié)方面，經歷了焦點不變——>焦點可調——>固定焦點——>自動調焦等階段。我們先說明為什么固定焦點照相機能得以流行的道理；然后再說明調焦的必要性，從而過渡到自動調焦。 我們先來看一組數(shù)據(jù)。假設照相機鏡頭焦距為35mm(相當于小廣角鏡頭)，其調焦距離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L1及最遠點L2的關系為：(L1和L2的單位為m，本節(jié)所提及的有關概念的準確定義及公式請參見【景深概念與計算】)。 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，當光圈系數(shù)為f/4時，要求嚴格些可以保證從1.97m～3.42m是清晰的；要求不那么嚴格的話，則可以認為從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至無限遠都是清晰的。 所以多數(shù)廉價的固定焦點"傻瓜相機"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，對于一些只拍家庭紀念照而又不懂相機調節(jié)的人來說是足夠的了，這就是這類相機大行其道的理由所在。 但是由于光學透視原理，廣角鏡頭在近距離拍攝時會產生"近大遠小"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，當調焦距離為2m和鏡頭光圈系數(shù)為f/4時，L1為1.93m，L2為2.08m；當調焦距離不變而光圈系數(shù)為f/11時，L1為1.82m和L2為2.22m。顯然此時只適合拍攝主體在1.82m至2.22m范圍之內的情形，當被攝主體超出這一范圍，其成像結果是不能令人滿意的。 另外，仍以焦距為35mm左右的鏡頭來說，如果調焦距離固定不變，所拍攝出的照片在照片不是放得很大時，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照相機的應用范圍是極有限的。為了擴大鏡頭焦距和提高清晰度，勢必要使焦點能調節(jié)。因此在簡易照相機上就出現(xiàn)了區(qū)域調焦系統(tǒng)，如現(xiàn)在國內市場常見的Ricoh XF-30袖珍相機就有區(qū)域調焦功能。 區(qū)域調焦系統(tǒng)是根據(jù)被攝主體所處的距離不同，選擇相應的調焦距離點，并利用景深使在該點前后一段距離內的物體都是清晰的.我們再來看一組數(shù)據(jù)。仍假設照相機鏡頭焦距為35mm，光圈系數(shù)為f/4，容許彌散圓直徑為0.033mm，那么調焦距離 L(單位為m)與L1及L2的關系為： 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級調節(jié)照相機鏡頭的調焦距離， 就可以保證能在0.92m至無限遠處(30m可以認為是無限遠)都能拍攝出清晰的照片。例如當被攝主體在0.92～1.10m處，可以將調焦距離置于1m處；當被攝主體在1.65～2.5m處，可以將調焦距離置于2m處等。這就是區(qū)域調焦系統(tǒng)的理論根據(jù)。 當鏡頭焦距增長時，由于景深淺的緣故，若要保證從1m至無限遠都是清晰的，所分級數(shù)還應該相應增加。 從上面的敘述可看出，如果調焦級數(shù) (即鏡頭焦點可調節(jié)的位置數(shù)量)越多，調焦精度就越高。當調焦級數(shù)達到無窮多級時(即鏡頭的調焦距離是可以無級地調節(jié))，調焦精度為最高。單反機的鏡頭是可以從某一最近距離至無限遠任意調節(jié)，因此這類鏡頭的調焦精度是最高的。 細心的讀者也許會從表3中看出，0.92m至2.55m之間有4個調焦級，而從2.54m至30m只有兩個調焦級。這仍然與景深特性有關。調焦距離越近，景深就越淺，所以需要調節(jié)的位置相應就要增多；而調焦距離越遠，景深就越大，需要調節(jié)的位置就相應要少些。 具有區(qū)域調焦系統(tǒng)照相機是能夠提高清晰度，但對于大多數(shù)人來說，具有使用不方便的一面，因此自動調焦系統(tǒng)就應運而生了。 摘要 本文是對自動調焦原理進行理解，理解掌握自動調焦的系統(tǒng)及原理。并針對CCD自動成像進行可翻轉的CCD機械手。 本機械手由手腕結構，手臂、旋轉結構和驅動機構組成。該設計能實現(xiàn)五個自由度，分別為三個回轉關節(jié)、兩個旋轉關節(jié)。三個回轉關節(jié)作上下仰俯運動，兩個旋轉關節(jié)作圓周旋轉運動。 這樣目的能夠使得CCD鏡頭可以任意旋轉、翻轉到合適角度，對影像進行拍攝抓取。 關鍵詞：自動調焦 機械手 自由度 執(zhí)行機構 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自動調焦的原理…………..……………………...…………………………………5 1.3自動調焦的方式及發(fā)展歷程……..……………………………...…………10 1.4自動調焦應用及CCD的應用……………..…………………………………12 第二章 可翻轉CCD機械手的設計及相關參數(shù)的分析…….......………………...……14 2.1課題設計要求……………..…………………...…………………………………15 2.2課題設計方案……………..…………………...…………………………………15 2.2.1機械手自由度坐標的確定……..…………………………...……………16 2.2.2機械手的手部結構方案的確定…..……………………………...………16 2.2.3機械手的手腕結構方案的確定…..……………………………...………16 2.2.4機械手的手臂結構方案確定……..…………………………...…………16 2.2.5機械手的旋轉機構的確定…………..……………………...……………16 2.2.6機械手的驅動方案的確定………..………………………...……………16 2.2.7機械手運動過程的確定…………..……………………...………………17 2.3機械手的技術參數(shù)……….………………………...……………………………17 2.4大臂的轉動范圍的確定…….…………………………...………………………18 2.5小臂的轉動范圍的確定…….…………………………...………………………19 2.6機械手的運功過程分析……………………...………...…………………………20 2.7機械手運動過程中的受力分析………………...……………...…………………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CCD機械手零件的設計及校核………….………………………………24 3.1大臂、小臂和立柱的結構設計………………………………...…………………24 3.2往復油缸的選擇及技術參數(shù)………………………………...……………………25 3.3擺動汽缸的選擇及技術參數(shù)………………………………...……………………26 3.4 CCD鏡頭的選擇及技術參數(shù)………………………………...………………27 3.5基座旋轉機構…………………………………...…………………………………28 3.5.1旋轉機構軸的設計及校核…………….…………………...………………28 3.5.2鍵的設計及危險截面校核………….……………………...………………30 3.5.3軸承的選取及校核………………………………...………………………32 3.5.4齒輪與齒條的設計及校核………………………………...………………33 3.6轉臺的設計及螺栓的校核……………………..………...………………………35 第四章 基于SOLIDWORKS的可翻轉CCD機械手三維建模……...…………………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總裝配圖的建模……...…………………………………………………………42 總結………….…………………….………………...……………….……………………43 致謝……………………………………...……………………………………………...…44 參考文獻……………………...………………………...…………………………………45 第一章 緒論 1.1概述 　AF在照相機中是英文Auto Focus的縮寫，自動調焦的意思。因此，AF照相機即是自動調焦照相機的簡稱。 　　這種照相機的調焦是利用電子測距器自動進行的。當按下照相機快門按鈕時，根據(jù)被攝目標的距離，電子測距器可以把前后移動的鏡頭控制在相應的位置上，或者旋轉鏡頭至需要位置，使被攝目標成像最清晰。 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，能夠把光學影像轉化為數(shù)字信號。 CCD上植入的微小光敏物質稱作像素（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，并將影像轉變成數(shù)字信號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。 1.2自動調焦的原理 自動調焦(AF)系指由照相機根據(jù)被攝體距離的遠近，自動地調節(jié)鏡頭的對焦距離。自從1977年第一架實用型自動調焦照相機誕生以來，許多照相機生產廠家均開展了對自動調焦系統(tǒng)的研究，從而產生了形形色色的自動調焦系統(tǒng)。根據(jù)所基于的原理，可以分成測距法和像檢測法(又稱調焦檢測法)兩大類，下列是自動調焦系統(tǒng)的分類： ┌ │ ─反射時間測量法 (主動型) ┌ │ ─VAF 　 ┌ ─測距法── ┤ ┌ ─被動型──── ┼ ─STT │ └ ─三角測量法── ┤ └ ─FCM AF系統(tǒng)─ ┤ └ ─紅外主動型 │ │ ┌ │ ─對比度檢測法 (反差檢測法) └ ─像檢測法─ ┤ ┌ ─TCL系統(tǒng) └ ─相位檢測法── ┤ └ ─透鏡分離器系統(tǒng) 最早出現(xiàn)的實用型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)了采用紅外線主動型AF系統(tǒng)的Canon AF35M；1981年出現(xiàn)了采用SST(固態(tài)三角測量)的Canon AF35ML和日本精工研制的FCM系統(tǒng)。上述均屬三角測量系統(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間測量法的系統(tǒng)，也屬主動型，利用超聲波回波時間來測量距離。 像檢測法屬于被動型，主要有兩種形式：對比度檢測系統(tǒng)和相位檢測系統(tǒng)。對比度檢測AF系統(tǒng)最早出現(xiàn)在1981年推出的Pentax ME-F單反機上，這是利用當影像最清晰時，成像的反差最大的原理而制成的，與手動調焦的磨砂屏焦點檢測法的原理相似。 最早采用相位檢測法的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單反機上。 測距法主要應用于旁軸平視取景的袖珍相機上，而像檢測法則用于單鏡頭反光照相機上。由于紅外線主動型AF系統(tǒng)具有結構簡單、成本低廉等特點，在現(xiàn)代袖珍相機中占有很大的比重；而且現(xiàn)在的AF單反機大多采用相位檢測AF系統(tǒng)，因此這里僅介紹紅外線主動型和相位檢測型AF系統(tǒng)。SST系統(tǒng)還見于少部分AF變焦袖珍相機(如Sigma AF Zoom Super 28、70、100等)， 但工作原理與VAF類似；超聲波主動型AF系統(tǒng)只出現(xiàn)在美國寶麗萊公司生產的拍立得(又稱瞬時得或立時得)相機上，故這里不予介紹。 自從自動調焦相機(特別是AF單反機)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有助于我們能更好地操縱新型相機，使拍攝工作更富有實效，也使我們能從形形色色的名詞和功能中分辨出哪些是實用的和哪些是花架子，可以避免陷入相機廣告中閃爍其詞的語句和對攝影器材追求的泥潭中，因而也有利于選購合適的相機。 本章中所介紹的主動型AF系統(tǒng)是原理性的，在實際的照相機中，照相機生產廠家對這類AF系統(tǒng)的不足亦是進行了大量的改造工作，如采用了多束紅外線測距等，而且AF級數(shù)也越來越多，有些主動型AF系統(tǒng)已經是無級聚焦了，即聚焦級數(shù)為無窮多，其性能也越來越接近被動型AF系統(tǒng)。 相位檢測型被動式AF系統(tǒng)已經為AF單反機所普遍采用，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單反機的發(fā)展歷程中，自動聚焦技術的飛速發(fā)展自不待言，從原來的單純模仿手動聚焦的單一方式發(fā)展到寬區(qū)自動聚焦、焦點預測自動聚焦、自動確定被攝主體位置和自動變焦構圖等，大多數(shù)自動聚焦相機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，這一切都是手動聚焦照相機所不能做到的。簡言之，只要改變了原來使用手動聚焦相機的習慣和克服對新機種的心理障礙，就會覺得自動聚焦相機是要比手動聚焦相機好用得多。 從固定焦點到自動調焦 從照相機的發(fā)展歷史來看，在焦點調節(jié)方面，經歷了焦點不變——>焦點可調——>固定焦點——>自動調焦等階段。我們先說明為什么固定焦點照相機能得以流行的道理；然后再說明調焦的必要性，從而過渡到自動調焦。 我們先來看一組數(shù)據(jù)。假設照相機鏡頭焦距為35mm(相當于小廣角鏡頭)，其調焦距離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L1及最遠點L2的關系為：(L1和L2的單位為m，本節(jié)所提及的有關概念的準確定義及公式請參見【景深概念與計算】)。 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，當光圈系數(shù)為f/4時，要求嚴格些可以保證從1.97m～3.42m是清晰的；要求不那么嚴格的話，則可以認為從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至無限遠都是清晰的。 所以多數(shù)廉價的固定焦點"傻瓜相機"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，對于一些只拍家庭紀念照而又不懂相機調節(jié)的人來說是足夠的了，這就是這類相機大行其道的理由所在。 但是由于光學透視原理，廣角鏡頭在近距離拍攝時會產生"近大遠小"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，當調焦距離為2m和鏡頭光圈系數(shù)為f/4時，L1為1.93m，L2為2.08m；當調焦距離不變而光圈系數(shù)為f/11時，L1為1.82m和L2為2.22m。顯然此時只適合拍攝主體在1.82m至2.22m范圍之內的情形，當被攝主體超出這一范圍，其成像結果是不能令人滿意的。 另外，仍以焦距為35mm左右的鏡頭來說，如果調焦距離固定不變，所拍攝出的照片在照片不是放得很大時，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照相機的應用范圍是極有限的。為了擴大鏡頭焦距和提高清晰度，勢必要使焦點能調節(jié)。因此在簡易照相機上就出現(xiàn)了區(qū)域調焦系統(tǒng)，如現(xiàn)在國內市場常見的Ricoh XF-30袖珍相機就有區(qū)域調焦功能。 區(qū)域調焦系統(tǒng)是根據(jù)被攝主體所處的距離不同，選擇相應的調焦距離點，并利用景深使在該點前后一段距離內的物體都是清晰的.我們再來看一組數(shù)據(jù)。仍假設照相機鏡頭焦距為35mm，光圈系數(shù)為f/4，容許彌散圓直徑為0.033mm，那么調焦距離 L(單位為m)與L1及L2的關系為： 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級調節(jié)照相機鏡頭的調焦距離， 就可以保證能在0.92m至無限遠處(30m可以認為是無限遠)都能拍攝出清晰的照片。例如當被攝主體在0.92～1.10m處，可以將調焦距離置于1m處；當被攝主體在1.65～2.5m處，可以將調焦距離置于2m處等。這就是區(qū)域調焦系統(tǒng)的理論根據(jù)。 當鏡頭焦距增長時，由于景深淺的緣故，若要保證從1m至無限遠都是清晰的，所分級數(shù)還應該相應增加。 從上面的敘述可看出，如果調焦級數(shù) (即鏡頭焦點可調節(jié)的位置數(shù)量)越多，調焦精度就越高。當調焦級數(shù)達到無窮多級時(即鏡頭的調焦距離是可以無級地調節(jié))，調焦精度為最高。單反機的鏡頭是可以從某一最近距離至無限遠任意調節(jié)，因此這類鏡頭的調焦精度是最高的。 細心的讀者也許會從表3中看出，0.92m至2.55m之間有4個調焦級，而從2.54m至30m只有兩個調焦級。這仍然與景深特性有關。調焦距離越近，景深就越淺，所以需要調節(jié)的位置相應就要增多；而調焦距離越遠，景深就越大，需要調節(jié)的位置就相應要少些。 具有區(qū)域調焦系統(tǒng)照相機是能夠提高清晰度，但對于大多數(shù)人來說，具有使用不方便的一面，因此自動調焦系統(tǒng)就應運而生了。 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。其關系如圖所示：(1) （一）執(zhí)行機構包括手部、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) 和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易構件，故應用較廣泛平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，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。 手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)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:手指有外夾式和內撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較常用的有: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成，它是靠吸附力(如吸盤內形成負壓或產生電吸磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。對于導磁性的環(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生。 用負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(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式。 （2）手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)。 （3）手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。 導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導向型式。 （4）立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 （5）機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 （二）驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四中形式， （三）控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位系統(tǒng)組成。 （四）位置檢測裝置是控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。 1.3自動調焦的方式及發(fā)展歷程 自動調焦有幾種不同的方式，目前應用最多的是主動式紅外系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的工作程序，是從照相機發(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，感應器接收到回波。照相機根據(jù)發(fā)光光束與反射光束所形成的角度來測知拍攝距離，實現(xiàn)自動對焦。 采用這種方式的AF照相機，因為是由自身發(fā)出照射光，所以其對焦精度與被攝物的亮度和反差無關，即使是室內等較暗的環(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對象，所以對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，有時不能發(fā)揮其功能。 AF照相機取景器中心都有一個自動對焦框，拍攝時需將其對準被攝主體，否則對焦不準，影像模糊。如果主體不宜放在畫面的正中，可采用對焦記憶鎖（AF-L按鈕）進行自動對焦拍攝。 AF技術最早被應用于小型照相機，目前135單鏡頭反光照相機均已開始向AF化方向發(fā)展。世界各主要照相機廠家逐漸放棄傳統(tǒng)的手動對焦照相機，發(fā)展高度電子化的AF照相機。 AF技術發(fā)展分為以下幾個階段： 　　①從85年后各大相機生產廠家開始推出自動聚焦相機，它的原理是建立在“影像在完全正確對焦下，畫面會獲得至高的反差”，相機靠紅外線感應器檢測景物的垂直線，再由機身里的相位差檢測系統(tǒng)來驅動鏡頭移動，實現(xiàn)焦距的自動調整。對于一些低反差無直線的單色調物體比如墻壁等，自動調焦系統(tǒng)就會失靈。第一代AF相機的代表有：美能達-7000型、尼康-F501、佳能EOS-600系列等。在當時的一些AF傻瓜相機上靠機內電源發(fā)射紅外光，通過接受返回的信號來測量距離，這種稱為主動式自動聚焦的方法，盡管畫面沒有橫直線也不影響測距，但因有效距離太小，無法滿足專業(yè)相機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上。 　?、诘?988年后，以美能達-7000i、尼康-F4及F-801、佳能EOS-1為代表，運用了多組電荷耦件使自動調焦范圍大了12倍并可預測運動物體的速度，使快門打開的瞬間計算出主體移動后的焦點位置，從而為動態(tài)（體育）攝影開創(chuàng)了新天地。 　?、壑悄苄妥詣诱{焦相機是將人的思維與相機操作完美結合起來，如美能達－7xi、在測距元件上加進16位CPU微電腦處理器，在測距的自動化方面增添了符合個性需要的各種模式，然而對自動聚焦研究的腳步并沒就此停止……，直至EOS-3的推出，可以實現(xiàn)自動對焦的區(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)技術論壇1.4 自動調焦應用及CCD應用 現(xiàn)今自動調焦應用最多的應用于CCD自動成像技術。 四十年來，CCD器件及其應用技術的研究取得了驚人的進展，特別是在圖像傳感和非接觸測量領域的發(fā)展更為迅速。隨著CCD技術和理論的不斷發(fā)展，CCD技術應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體材料集成，它能夠根據(jù)照射在其面上的光線產生相應的電荷信號，在通過模數(shù)轉換器芯片轉換成“0”或“1”的數(shù)字信號，這種數(shù)字信號經過壓縮和程序排列后，可由閃速存儲器或硬盤卡保存即收光信號轉換成計算機能識別的電子圖像信號，可對被測物體進行準確的測量、分析。 　　含格狀排列像素的CCD應用于數(shù)碼相機、光學掃瞄儀與攝影機的感光元件。其光效率可達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迅速獲得天文學家的大量采用。 　　傳真機所用的線性CCD影像經透鏡成像于電容陣列表面后，依其亮度的強弱在每個電容單位上形成強弱不等的電荷。傳真機或掃瞄儀用的線性CCD每次捕捉一細長條的光影，而數(shù)碼相機或攝影機所用的平面式CCD則一次捕捉一整張影像，或從中擷取一塊方形的區(qū)域。一旦完成曝光的動作，控制電路會使電容單元上的電荷傳到相鄰的下一個單元，到達邊緣最后一個單元時，電荷訊號傳入放大器，轉變成電位。如此周而復始，直到整個影像都轉成電位，取樣并數(shù)位化之后存入內存。儲存的影像可以傳送到打印機、儲存設備或顯示器。 　　在數(shù)碼相機領域，CCD的應用更是異彩紛呈。一般的彩色數(shù)碼相機是將拜爾濾鏡（Bayer filter）加裝在CCD上。每四個像素形成一個單元，一個負責過濾紅色、一個過濾藍色，兩個過濾綠色（因為人眼對綠色比較敏感）。結果每個像素都接收到感光訊號，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、綠三種色光，由三片CCD各自負責其中一種色光的呈像。所有的專業(yè)級數(shù)位攝影機，和一部份的半專業(yè)級數(shù)位攝影機采用3CCD技術。目前，超高分辨率的CCD芯片仍相當昂貴，配備3CCD的高解析靜態(tài)照相機，其價位往往超出許多專業(yè)攝攝影者的預算。因此有些高檔相機使用旋轉式色彩濾鏡，兼顧高分辨率與忠實的色彩呈現(xiàn)。這類多次成像的照相機只能用于拍攝靜態(tài)物品。 　　經冷凍的CCD同時在1990年代初亦廣泛應用于天文攝影與各種夜視裝置，而各大型天文臺亦不斷研發(fā)高像數(shù)CCD以拍攝極高解像之天體照片。 　　CCD在天文學方面有一種奇妙的應用方式，能使固定式的望遠鏡發(fā)揮有如帶追蹤望遠鏡的功能。方法是讓CCD上電荷讀取和移動的方向與天體運行方向一致，速度也同步，以CCD導星不僅能使望遠鏡有效糾正追蹤誤差，還能使望遠鏡記錄到比原來更大的視場。 　　一般的CCD大多能感應紅外線，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/照相機等。為了減低紅外線干擾，天文用CCD常以液態(tài)氮或半導體冷卻，因室溫下的物體會有紅外線的黑體輻射效應。CCD對紅外線的敏感度造成另一種效應，各種配備CCD的數(shù)碼相機或錄影機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CCD在低照度的敏感度，甚至對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）和宇宙輻射都會影響CCD表面的像素。天文學家利用快門的開闔，讓CCD多次曝光，取其平均值以緩解干擾效應。為去除背景噪聲，要先在快門關閉時取影像訊號的平均值，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（暗點和亮點等等），得到更清晰的細節(jié)。 　　天文攝影所用的冷卻CCD照相機必須以接環(huán)固定在成像位置，防止外來光線或震動影響；同時亦因為大多數(shù)影像平臺生來笨重，要拍攝星系、星云等暗弱天體的影像，天文學家利用"自動導星"技術。大多數(shù)的自動導星系統(tǒng)使用額外的不同軸CCD監(jiān)測任何影像的偏移，然而也有一些系統(tǒng)將主鏡接駁在拍攝用之CCD相機上。以光學裝置把主鏡內部份星光加進相機內另一顆CCD導星裝置，能迅速偵測追蹤天體時的微小誤差，并自動調整驅動馬達以矯正誤差而不需另外裝置導星。 第二章 可調焦距的CCD機械手設計方案 課題研究的系統(tǒng)要求可以對可調的焦距CCD鏡頭機構設計，本方案采用自動調焦機構設計，類似CCD可調鏡頭的機械手。 2.1 試驗系統(tǒng)的組成及控制原理 整個系統(tǒng)包括試驗臺，被測CCD變速箱總成，調速電機，驅動系統(tǒng)，機械手，傳感器，電控柜，微機等部件。其中電控部分采用微機測控系統(tǒng)，系統(tǒng)整體框圖如圖2-1。 圖2-1 系統(tǒng)結構框圖 2.1.1 機械系統(tǒng)的工作原理 該系統(tǒng)分為手動操作和自動操作兩種工作方式。在進行CCD性能試驗，測量試驗中的各項參數(shù)時，一般采用手動方式操作試驗臺。在進行CCD可靠性試驗時，設定要執(zhí)行的工況和工況數(shù)后，一般采用自動方式操作試驗臺。自動方式利用具有位置控制功能的機械手來模擬人手的換擋過程。機械手功能的實現(xiàn)利用一個滑動副及一個萬向節(jié)聯(lián)合實現(xiàn)，滑動副由在一套筒內嵌入的直線軸承和滑桿構成。如圖2-2機械手基本構成所示。 圖2-2 機械手基本構成 2.1.2機械手空間運動模型的簡化 被測的變速箱含有六個前進擋和一個倒擋，結構如圖2-3所示。 圖2-3 變速箱擋位圖 通過空間模型，將操作桿的實際位移同傳感器測量的位移建立聯(lián)系。 圖2-4操作桿的空間模型 圖2-5機械手的基本運動 2.1.3驅動系統(tǒng)的工作原理： 同氣動系統(tǒng)比較，采用電動系統(tǒng)具有機構簡單，機械強度高，傳動平穩(wěn)，易實現(xiàn)無級調速，驅動力大等特點。因此，本設計最終采用了電動方式的驅動系統(tǒng)。以保證系統(tǒng)正常運行。由于本設計要求的精度高，兩個電機通過機械滑臺結構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動和換擋運動。同時在滾珠絲杠上固定的位移傳感器在電機運動時實時的采集位移信號，傳送到計算機系統(tǒng)中。該系統(tǒng)采用位置閉環(huán)控制，由微機給定電壓值，經D/A變換、伺服放大后，控制電機運動，同時不斷的與位移傳感器測到的電壓值相比較，若不相等則有電壓輸出，該電壓經調制、放大解調后驅動電動機。但是機械手是一個非線性的控制對象，單純的伺服反饋控制難以滿足模擬人手換擋時的動態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)精度的要求。因此在計算機檢測系統(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，從而很好的達到了模擬人手換擋的功能。 2.1.4計算機檢測系統(tǒng)的組成 一個完整的計算機檢測系統(tǒng)，需要在微機、被控制對象和操作者之間適時、不斷地交換數(shù)據(jù)信息和控制信息。在總體設計時，要綜合考慮硬件和軟件措施，解決三者之間可靠的、適時的進行信息交換的通路和分時控制的時序安排問題，保證系統(tǒng)能正常地運行。設計中主要考慮以下幾大方面。 （1）選擇微型計算機 因為該系統(tǒng)試驗內容繁多、要求的精度大、穩(wěn)定性高及在試驗車間環(huán)境惡劣的情況下工作。普通的微機難以達到要求。而同普通的微機比較，工業(yè)控制機具有豐富的過程輸入/輸出功能；完善的外部設備；足夠的存儲容量；配有實時操作系統(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，有很強的環(huán)境適應性。所以該項目選擇了工業(yè)控制機作為控制系統(tǒng)的主機。 （2）板卡選用 在工控機控制的基礎上，采用祥云計算機技術公司的PC-1232-K系列高性能價格比12位32通道110KHz AD/DA轉換板作為AD/DA板卡。該板卡主要由125KHz A/D轉換、多路器、數(shù)字I/O、定時/計數(shù)器、I/O口譯碼電路、DMA及中斷控制邏輯等幾個部分組成。ADC使用芯片為自帶采樣保持器的A/D轉換器，轉換時間為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轉換器，構成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經過變送器的處理后通過A/D輸入通道傳送給工控機。12位的D/A轉換器構成兩路D/A通道，工控機設定的數(shù)字量經A/D、D/A轉換板卡轉換成電壓量通過伺服放大器處理后，分別控制選擋電動機和換擋電動機的運動。 板卡中采用8253定時計數(shù)器實現(xiàn)對光電編碼器和轉速傳感器輸出脈沖信號的測量。選用8253定時計數(shù)器六種工作方式中的方式2。在這種方式，當CPU輸出控制字后，輸出將為高。在寫入數(shù)值后，計數(shù)器將自動對輸入時鐘CLK計數(shù)。在計數(shù)過程中輸出始終保持為高，直到計數(shù)器減為1時，輸出變低。經一個CLK周期，輸出恢復為高，且計數(shù)器開始重新計數(shù)。方式2的一個特點是能夠連續(xù)工作。如果計數(shù)值為N，則每輸入N個CLK脈沖，OUT輸出一個負脈沖。因此，這種方式頗似一個頻率發(fā)生器或分頻器。在計數(shù)過程中裝入新值，將不影響現(xiàn)行計數(shù)過程。但是，從下一個周期開始按新計數(shù)值計數(shù)。GATE為低電平，將禁止計數(shù)，并使輸出為高。GATE變高，計數(shù)器將重新裝入預置的計數(shù)值，并開始計數(shù)。這樣，GATE能用硬件對計數(shù)器進行同步。方式2一旦被啟動之后，只要GATE保持為高，計數(shù)過程就能周而復始地重復下去，因此OUT端可以產生連續(xù)的波形。在重復計數(shù)后，不會因啟動造成實際計數(shù)值和初值之間的誤差。 2.2 機械手運動控制程序模塊設計 在試驗系統(tǒng)運行時，設置的機械手應能夠使變速桿在任意擋位之間進行切換。這里控制程序的流程圖如圖2-6所示。 圖2-6機械手控制流程圖 設定任意兩擋位切換的總工況數(shù)為Tn，每個工況為Ti，每個工況執(zhí)行的次數(shù)為M，當前工況已經執(zhí)行的次數(shù)為m。例如在進行可靠性試驗中，設置從3擋位到4擋位切換5000次后，再從4擋位切換到5擋位，運行1000次。則設定的總工況數(shù)Tn為2，先進行第一工況（此時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，則機械手回到中間位置，開始進入第二個工況（此時Ti=2），再循環(huán)直到m=1000=M，此時所有工況都已經運行過，機械手回到空擋處。一次可靠性試驗運行結束。運行中，為了使機械手運動類似人手一樣能夠靈活的切換擋位，控制整個電動系統(tǒng)運動是實現(xiàn)機械手運動功能的關鍵。 圖2-8 PID控制原理框圖 第三章 數(shù)學模型的建立 3.1機械手空間模型的建立 機械手簡化成下圖3-1所示，進行各種運動狀態(tài)的分析。操作桿在電動機的驅動下進行前后、左右的運動，操作桿的運動通過萬向節(jié)的連接帶動AB桿運動，近而帶動DG和EH桿運動。其中，DM桿的運動實現(xiàn)變速器的換擋，EH桿的運動實現(xiàn)變速器的選擋運動。運動過程中力的測量通過AB桿的力傳感器力F測得。 圖3-1機械手操作簡圖 3.2換擋接合過程的數(shù)學模型 本設計在CCD的性能測試分析中，建立了較完善的CCD系統(tǒng)的數(shù)學模型，推導出了通用性較強的CCD接合過程的計算公式，通過推導出的計算公式能較全面和正確地反映出各種參數(shù)對CCD性能的影響。計算公式采用統(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)一形式通用計算公式。對測試中具體的離合器—變速器換擋系統(tǒng)，其轉動慣量和阻轉矩等參數(shù)都是常數(shù)，計算公式中僅出現(xiàn)了3個變量：輸出擋的傳動比，輸入擋的傳動比和變速器輸入軸到CCD的傳動比。 3.2.1接合過程的運動微分方程式 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 為主離合器主動部分轉速，即發(fā)動機轉速；ωi為主離合器被動 部分轉速，即變速器輸入軸轉速；ω1為CCD主動部分轉速；ω2為CCD被 動部分轉速；Ms為同步轉矩；Mc為轉換至CCD主動部分的離合器阻轉矩； Mt 為轉換至CCD主動部分的變速器阻轉矩； J 為CCD主動部分的總轉動 慣量，J = Jt + Jc；Jt為變速器主動部分轉換至CCD上的轉動慣量；Jc為主 離合器被動部分轉換至CCD上的轉動慣量； Jv為轉換至CCD被動部分總 轉動慣量；Mv為轉換至CCD被動部分總阻轉矩；ix 為輸出擋傳動比；iy為 輸入擋傳動比； 其中：從空擋到掛擋起步時，ω2 = 0，掛前進擋起步時K = ?1，掛后退 擋起步時K =1。 從公式中可知： （1） 升擋時，Ms使CCD主動部分降速；降擋時，Ms使CCD主動部 分增速。 （2） Mc方向始終與Ms相反，任何換擋情況下，始終抵消同步轉矩，對 同步不利。 （3） Mt 升擋時與Ms 方向相同，對同步有利；降擋時與Ms 方向相反， 對同步不利。 （4） Mv升擋時對同步不利，降擋時對同步有利。 3.2.2 CCD接合過程計算公式 假設換擋同步過程中Ms，Mc，Mt 和Mv保持不變。 （1） 由同步時間求所需同步轉矩的計算公式為 式中：K ，ωi，Ji ，Jt0，Mti ，Mci，Mv0都是常數(shù)，除同步時間和同步轉 矩彼此直接有關外，還與以下因素有關： （1） 隨ωi和Ji的增加，所需同步時間增長或同步轉矩增大。 （2） 隨iiy增加，所需同步時間增長或同步轉矩增大。應該說明，CCD布置 的位置對Ji數(shù)值有影響，但影響不大。 （3） (iy -ix)/ix 說明換擋前后傳動比差越大，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，所需同步時間增長或同步轉矩增大。 （5） 隨Mti 增加，在降擋時增大同步時間或同步轉矩，升擋則相反。 （6） Mv0升擋對同步不利，降擋對同步有利；Jt0增加對同步不利。但Mv0和 Jt0對同步過程影響很微小，一般可以忽略。 第四章 換擋機械手的傳動機構特點 4.1 絲杠螺母機構 絲杠螺母機構主要用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。這些傳動機構既有以傳遞能量為主的，也有以傳遞運動為主的，還有調整零件之間的相對位置的。 絲杠螺母機構有滑動摩擦機構和滾動摩擦機構之分滑動絲杠螺母機構結構簡單，加工方便，制造成本低，具有自鎖功能，但是其摩擦阻力矩大，傳動效率低[30%-40%]。滾珠絲杠螺母機構雖然結構復雜，制造成本高，但是其最大的優(yōu)點是摩擦阻力矩小，傳動效率高[92%-98%]，因此在機電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應用。 由于本設計中對傳動效率及精度要求較高所以在控制工作臺運動時選擇了絲杠螺母機構 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，且間隙不能調整，常用于旋轉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，并且可以通過內外圈之間的相對位移來調整其間隙之大小，因此輕載時應用廣泛。 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，支持剛度很大，但是極限轉速較低，運動噪聲較大。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。 本機構在換檔過程中主要受軸向推力的作用，但是同時也要受到一部分徑向力，因此在機構的選擇時，可以選擇深溝球軸承和推力軸承的配合來達到這一目的。 4.3填入式滾動支承 滾動支承摩擦阻力矩小，耐磨性好，支承能力較大，溫度劇烈變化時影響小，以及能在震動條件下工作，故可在高速度重載荷情況下使用，但是成本較高。當標準滾珠軸承不能滿足結構上的使用要求時。常采用非標準滾珠軸承[即添入式滾動支承]，這種支承一般沒有內圈和外圈，僅在相對運動的零件上加工出滾道面，用標準滾珠散裝在滾道內。 本機構扭矩傳感器中應用了這一機構，其特點是能承受較大載荷，在承受載荷和摩擦力矩方面也有較好的效果，滿足本機構的設計要求。 4.4滾動導軌 滾動導軌作為作為滾動摩擦副的一類具有許多優(yōu)點：1摩擦系數(shù)小[0.003-0.005]；運動靈活2動靜摩擦系數(shù)基本相同，因而啟動阻力?。欢灰桩a生爬行3可以預緊，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)廠生產可以外購選用。因此滾動導軌副廣泛地被應用于精密機床，數(shù)控機床，測量機和測量儀器等。 滾動導軌的缺點是：導軌面與滾動體是點接觸或線接觸，所以抗震性差，接觸應力；對導軌的表面硬度，表面形狀精度和滾動體的尺寸精度要求較高，若滾動體的直徑不一致，導軌表面有高低，回使運動部件傾斜，產生振動影響運動精度；結構復雜，制造困難，成本較高；對贓物比較敏感，必須有良好的防護裝置。 對滾動導軌副的基本要求是： 1 導向精度 導向精度是導軌副最基本的性能指標。移動件在沿導軌運動時，不論有無載荷，都應保證移動導軌的直線性及其位置的精確性。這是保證機床運行工作質量的關鍵。各種機床對導軌副本身平面度，垂直度及等高，等距的要求都有規(guī)定或標準。 2 耐磨性 導軌副應注意在預定的使用期內，保持其導向精度。精密滾動導軌副的主要形式是磨損。因此耐磨性是衡量滾動導軌副性能的主要指標之一。 3 剛度 為了保證足夠的剛度，應選用最合適的導軌類型，尺寸及其組合。選用可調間隙和預緊的導軌副可以提高剛度。 4 工藝性 導軌副要便于裝配，調整，測量，防塵，潤滑和維修保養(yǎng)。 第五章 可調焦距CCD機械手的設計計算 5.1 滾珠絲杠設計 由已知條件知，工作載荷Fm＝3500×0.1＝350N, 取μ＝0.1設絲杠平均轉速n＝100r /min.每天開機6h每年300個工作日，要求工作8年，滾道硬度58-62HRC。絲杠傳動精度±0.04， Z向滾珠絲桿 1.載荷Fc(N)的計算 Fc＝KFKHKAFm KF KH KA 查自《機電一體化設計基礎》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 假設選用FC1型號，按滾珠絲杠副的額定動載荷Ca等于或大于C’a的原則，查表2-9選以下型號規(guī)格。 FC1-2004-2.5,Ca＝5393N =>公稱直徑D0＝20mm 導稱P＝4 螺旋角λ＝3038ˊ 滾珠直徑d0＝2.381mm由尺寸公式計算 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 絲杠內徑d1＝D0+2e-2R＝(20+2×3.4×10-2-2×1.238) ＝17.59mm 由《機電一體化設計基礎》表2-1知R＝0.52d0 e＝0.07(R-d0/2) d1＝D0+2e-2R 2.穩(wěn)定性驗算 由于一端固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S，其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(shù)[S] 最大載荷Fcr＝π2EⅠa/(μL)2 E＝206GPa 由工作臺行程△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，不會失穩(wěn)。 3.共振驗算 要絲杠的最大轉速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 導程誤差 ΔL＝LΔL0/p＝0.34×2×10-3/4×10-3μm＝0.17μm 要求絲杠的導程誤差ΔL應小于其傳動精度的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，經上述驗證，F(xiàn)C1-2004-2.5各項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，不會失穩(wěn) 由 Z面知 因為 ΔY<ΔZ 所以ncr>>nmax 所以工作不會發(fā)生共振。 Don <7×104mmr/min 所以絲杠副工作穩(wěn)定。 6.剛度驗算 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滾動導軌的設計 設導軌的滑座數(shù)M＝4個，每分鐘往復4次，載荷F∑＝2800N ，工作臺絲杠載荷每天開機6h，每年300個工作日，壽命8年，由所設條件得該導軌的額定工作時間 壽命Th＝6×300×8＝14400h 由Th＝Ts×103/2Lsn => Z向導軌 Ts＝2Th·Lsn/103＝2×14400×0.34×4×60/103＝2350km Y向導軌Ts＝2Th·Lsn/103＝2×14400×0.25×4×60/103＝1728km 因滑座數(shù)M=4所以每導軌上使用2個滑座 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 若選漢江機床廠的HJG-D系列滾動導軌， 選用HJG-D25型號能滿足要求,同理Y向取HJG-D25型號。 5.3 步進電機選擇 設傳動比為2 ， 取p＝4mm 系統(tǒng)脈沖當量δp ＝0,005 查表知為一級傳動 選Z1＝20 Z2＝40 m＝2mm 齒寬b＝20mm 電動機的軸上總當量負載轉動慣量計算,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 將各傳動件轉動慣量及工作臺質量折算導電動機軸上,得總當量負載轉動慣量 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＝