呂小斌相機(jī)參數(shù)標(biāo)定裝置設(shè)計正文

1、第一章 前言1.1 課題背景相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定作為實現(xiàn)機(jī)械視覺測量的首要環(huán)節(jié)，機(jī)械視覺在各類檢驗、工業(yè)自動化生產(chǎn)線、視覺導(dǎo)航、3D四輪定位等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。高精度的相機(jī)標(biāo)定能獲得高精度的機(jī)器視覺測量。相機(jī)標(biāo)定確定相機(jī)模型是參數(shù)的過程，參數(shù)主要是內(nèi)部參數(shù)，內(nèi)部參數(shù)是相機(jī)本身固有的與光、電以及幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。本論文的主要目的就是對相機(jī)內(nèi)參數(shù)的標(biāo)定裝置進(jìn)行設(shè)計與計算，確定相機(jī)在不同的機(jī)構(gòu)作用下所能完成的功能，同時提高相機(jī)內(nèi)部參數(shù)的標(biāo)定精度。相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定從視覺數(shù)目方面進(jìn)行分類，主要有三種主要類型：單目視覺、雙目視覺和多視角視覺，從標(biāo)定方法方面進(jìn)行分類，主要有傳統(tǒng)標(biāo)定法和創(chuàng)新標(biāo)定法，不同的方法對

2、應(yīng)不同的相機(jī)模型，相機(jī)模型大多可以分為以下兩中類型，線性模型和非線性模型。日常生活中所見到的針孔模型為線性模型，是研究者在基于光學(xué)成像原理上的進(jìn)行抽象表達(dá)之后的成果。因為相機(jī)前鏡頭在生產(chǎn)過程和安裝時，會產(chǎn)生一定程度的變形，這種變形被稱為相機(jī)畸變。所以線性模型在沒有精益的制造技術(shù)和高精密的安裝技術(shù)下很難展現(xiàn)相機(jī)成像原理。研究者為了更進(jìn)一步展現(xiàn)相機(jī)的成像原理過程，把相機(jī)鏡頭畸變納入研究的范圍中。相機(jī)鏡頭畸變對相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定精度有著不可輕視的影響，此外，相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定的精度還取決于標(biāo)定方法、標(biāo)靶的表面制造精度、提取圖像特征點坐標(biāo)的精度等多個因數(shù)。現(xiàn)在世界上對相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定的方法研究方向主要有一下幾大

3、方向， 1）標(biāo)定速度 2）簡單的實驗環(huán)境 3）價格低廉的實驗器材以及較高的標(biāo)定精度。因此確定精確的相機(jī)模型以及減少各因素對標(biāo)定參數(shù)精度的影響，構(gòu)成了相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定研究的主要內(nèi)容。本論文主要研究內(nèi)容就是采用一種簡單方便的方法確定相機(jī)的位姿關(guān)系；然后對DLT標(biāo)定法、兩步法以及基于平面靶標(biāo)標(biāo)定的張正友法進(jìn)行研究，再設(shè)計裝置來對這些標(biāo)定方法進(jìn)行試驗，最終確定最好的標(biāo)定方法。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀人類大多數(shù)是通過視覺來獲取外界信息，視覺信息量巨大，體現(xiàn)了人類視覺功能的重要性。隨著信息技術(shù)發(fā)展，人們通過計算機(jī)等實驗器材來實現(xiàn)人類的視覺功能，同時，對機(jī)器視覺的要求也越來越高。自20世紀(jì)50年代以來，雖然還未實

4、現(xiàn)使相機(jī)視覺領(lǐng)域像人類等生物那樣靈活、高效和通用的視覺，但現(xiàn)有的視覺理論和技術(shù)不斷的得到提高和發(fā)展，這使得人類正逐步的逼近夢想，實現(xiàn)夢想。20世紀(jì)50年代到60年代，機(jī)器視覺從二維圖像的分析到三維場景為目的的三維視覺研究。期間，B.在1966年首次將最小二乘法引用到相機(jī)標(biāo)定中，并應(yīng)用在立體坐標(biāo)測量儀中。到70年代，出現(xiàn)一些視覺應(yīng)用系統(tǒng)。1971年，和提出DLT（直接線性變換）相機(jī)標(biāo)定方法。1975年，W.考慮了鏡頭畸變因素，提出用非線性優(yōu)化的方法解決相機(jī)標(biāo)定精度問題。在20世紀(jì)80年代，有一種重要的理論框架被廣為人知，并成為視覺研究領(lǐng)域的一個核心理論，該理論就是在1977年新研究出來的一種計算

5、視覺理論，為整個計算機(jī)視覺領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)。但這一理論框架也存在著大量的不足，許多學(xué)者不斷的完善，并使這一框架被廣泛認(rèn)知。到了80年代中期，機(jī)器視覺注入了一些新方法、新理論、新概念，使整個領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。1986年，一種考慮相機(jī)畸變的新標(biāo)定法出現(xiàn)了，是由提出。而到90年代，在工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域中，機(jī)器視覺得到廣泛應(yīng)用，同時多視幾何的視覺理論也得到不斷的發(fā)展。1992年，相機(jī)創(chuàng)新標(biāo)定方法首次出現(xiàn)在機(jī)器視覺領(lǐng)域，是由提出。1999年，由于兩步法要求的標(biāo)定物為3D立體靶標(biāo)，其加工和制造精度較難滿足，張正友考慮到這一特性，提出了一種新的使用平面靶標(biāo)標(biāo)定的兩步法。目前很多學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)在對相機(jī)標(biāo)定深

6、入研究，例如2010年，南昌航空大學(xué)專門成立了一個研究所，該研究所專門研究視覺測量技術(shù)；北京大學(xué)也成立了主要研究視覺和聽覺的國家重點實驗室；浙江大學(xué)也成立了研究視覺理解與機(jī)器人視覺的實驗室等。1.2.1相機(jī)經(jīng)典標(biāo)定方法標(biāo)定方法通過相機(jī)標(biāo)定過程中是否需要標(biāo)定物可大致分為傳統(tǒng)標(biāo)定方法和創(chuàng)新標(biāo)定方法。傳統(tǒng)的標(biāo)定方法中，常用的標(biāo)定方法有DLT方法、兩步法以及基于平面標(biāo)靶的張正友法等。此類標(biāo)定方法有一共同的局限性，標(biāo)定時需要標(biāo)定物，即一個二維或三維的物體，需要將此標(biāo)定物放在相機(jī)前，利用靶標(biāo)上一些已知的三維空間點坐標(biāo)和圖像點坐標(biāo)來計算相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)。1971年，和提出DLT（直接線性變換）方法，分析了三維

7、標(biāo)定物和相機(jī)圖像之間的關(guān)系，在線性模型中的成像幾何問題，通過求解線性方程而得到這種線性模型的參數(shù)估計。該方法快速簡單，但由于相機(jī)鏡頭中透鏡的曲面誤差、透鏡組合誤差以及CCD的制造誤差等誤差因素存在，而這種方法沒有考慮這些誤差問題，所以得到的標(biāo)定精度不高。1975年，W.考慮了鏡頭畸變問題，提出一種用非線性優(yōu)化的方法解決相機(jī)標(biāo)定的成像問題，如果有較好的初始值，可以較快的收斂，從而得到精度較高的標(biāo)定參數(shù)。然而也是因為標(biāo)定精度受限于給定的初始值，導(dǎo)致初始值的選取直接影響標(biāo)定精度，計算量大。1986年，在W.的基礎(chǔ)上，提出了兩步標(biāo)定法。第一步用DLT對相機(jī)參數(shù)求解，第二步將這些參數(shù)值作為初始值代入下一

8、步非線性優(yōu)化方法中進(jìn)行精化。該方法結(jié)合了線性變換法和非線性優(yōu)化法的優(yōu)點，線性部分通過理想的針孔模型解出一部分外部參數(shù)，非線性部分考慮了一階徑向畸變，通過上一步解算出的參數(shù)再進(jìn)行線性方程求解，得到其余參數(shù)，然后進(jìn)行迭代優(yōu)化。而后在的算法上進(jìn)行改進(jìn)，使得算法也適合較大視場和畸變較大的情況。雖然兩步法簡單且精度較高，但是也存在不足之處，只解決了徑向畸變問題，沒有涉及切向畸變問題，這使得該模型不能解決復(fù)雜的畸變問題，且標(biāo)定物為立體靶標(biāo)，制作成本較高，操作不易。1999年，張正友提出了基于2D平面靶標(biāo)的標(biāo)定法，簡單實用且精度較高，因而受到廣泛使用。標(biāo)定過程分為兩步：首先用線性方程求出相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)初步值

9、，再用最大似然估計法優(yōu)化各參數(shù)。只需3幅在任意位姿情況下的圖片即可標(biāo)定出相機(jī)參數(shù)，且標(biāo)定精度較高。于是該方法常被一些軟件平臺開發(fā)成一套標(biāo)定程序，方便用戶直接使用。目前，有許多軟件平臺可以實現(xiàn)對標(biāo)定算法的實現(xiàn)，例如常用的有、VC等軟件。其中，平臺開發(fā)了一整套用于標(biāo)定的程序，可以輕松實現(xiàn)標(biāo)定物為平面靶標(biāo)和立體靶標(biāo)的相機(jī)標(biāo)定的算法，并制作了標(biāo)準(zhǔn)界面，方便用戶使用；平臺也開發(fā)了有關(guān)相機(jī)標(biāo)定的程序代碼，用戶只需執(zhí)行命令即可標(biāo)定。1.2.2 相機(jī)創(chuàng)新標(biāo)定方法相機(jī)創(chuàng)新標(biāo)定方法由、等人在20世紀(jì)90年代提出，與傳統(tǒng)標(biāo)定方法不同，此類方法不需要標(biāo)定物，只需在靜態(tài)場景中移動相機(jī)，這樣避免了對靶標(biāo)高精度制作的要求，

10、或避免在相機(jī)前不方便放置標(biāo)定靶標(biāo)的情況下應(yīng)用（如對遠(yuǎn)距離作業(yè)或危險、惡劣情況下作業(yè)的機(jī)器人等）。1992年，提出的相機(jī)創(chuàng)新標(biāo)定方法首次出現(xiàn)在機(jī)器視覺領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)便成為機(jī)器視覺的研究熱點。一種稱為QR分解法的方法被首次提出，并且在相機(jī)標(biāo)定的過程中不需要標(biāo)定物，只需要控制相機(jī)做特殊的運(yùn)動，雖靈活性強(qiáng)，但魯棒性不高。而后，提出了一種基于二次曲線的創(chuàng)新標(biāo)定技術(shù),提出基于二次曲面的創(chuàng)新標(biāo)定技術(shù)、馬頌德提出主動視覺的標(biāo)定方法等。馬頌德提出的主動視覺方法使得標(biāo)定方法有了一個很高的提升，該方法是指在一個精確控制平臺上固定好相機(jī)，能夠從計算機(jī)中讀出平臺的運(yùn)動參數(shù)，不需要靶標(biāo)，只需控制相機(jī)做互相垂直的運(yùn)動，然后

11、在不同位置上拍攝圖像，通過這些圖像標(biāo)定出相機(jī)模型中的參數(shù)，也就是相機(jī)坐標(biāo)系與平臺坐標(biāo)系之間的外參數(shù)以及相機(jī)內(nèi)參數(shù)。其后許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上做了大量工作，將算法改進(jìn)。雖然主動視覺標(biāo)定法可以線性求出相機(jī)參數(shù)，但是由于需要提供控制臺，成本較高。目前許多學(xué)者深入研究了相機(jī)創(chuàng)新標(biāo)定技術(shù)，例如中國自動化研究所的胡占義、孟曉橋，他們在基于平面靶標(biāo)標(biāo)定的張正友算法上提出了一種新了圓環(huán)點的標(biāo)定方法。該方法需要相機(jī)在不同方位拍攝含有若干條直徑的圓環(huán)的模板，再根據(jù)數(shù)學(xué)的線性方法求解相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)。又如吳福朝等人提出了另一種自標(biāo)定方法，即通過空間平面上兩個非平行矩形求取圓環(huán)點。1.3 相機(jī)標(biāo)定方法在過去的幾十年里，不管

12、是機(jī)器視覺測量還是攝影測量，在測量領(lǐng)域相機(jī)標(biāo)定方法得到了不斷的延伸。研究者們針對零維、一維、二維、三維等標(biāo)定物，不斷提出了新的標(biāo)定方法，并取得了成果。目前，這些研究方法都比較成熟，現(xiàn)在的主要工作任務(wù)是如何用更實用、更簡便、更準(zhǔn)確快捷的標(biāo)定方法來實現(xiàn)具體的實際應(yīng)用問題。1.3.1相機(jī)標(biāo)定方法分類 根據(jù)不同的情況而言，標(biāo)定方法可以分為：（1） 根據(jù)標(biāo)定過程中是否需要標(biāo)定物，可分為傳統(tǒng)標(biāo)定方法和創(chuàng)新標(biāo)定方法。傳統(tǒng)標(biāo)定方法需要標(biāo)定物，標(biāo)定物是有形狀和尺寸的物體，可以分為一維標(biāo)定物、二維標(biāo)定物和三維標(biāo)定物等。然后再利用相機(jī)拍攝，通過圖像采集后，經(jīng)過線性模型或非線性模型來求解出相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。根

13、據(jù)參數(shù)計算方法的不同，還可以進(jìn)一步分為：最優(yōu)化算法的方法、考慮畸變補(bǔ)償?shù)膬刹椒ā⒗猛敢曌儞Q矩陣的方法。自標(biāo)定則不需要標(biāo)定物，利用相機(jī)運(yùn)動，在運(yùn)動過程中所采集的相機(jī)視場中的環(huán)境的圖像信息間的對應(yīng)關(guān)系而求出相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)?？蛇M(jìn)一步分為：基于多幅圖像間直線對應(yīng)關(guān)系法、基于主動視覺法、基于自動視覺法（可分為基于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、基于平移運(yùn)動的方法）等。該類方法優(yōu)點是靈活，缺點是未知參數(shù)較多，并且技術(shù)還未成熟，很難達(dá)到穩(wěn)定的結(jié)果。一般來說，在對相機(jī)參數(shù)變化不大、標(biāo)定精度要求高的場合，首選傳統(tǒng)標(biāo)定方法；而應(yīng)用于相機(jī)前難放標(biāo)定參照物、精度要求不高的場合，一般選創(chuàng)新標(biāo)定方法，如虛擬現(xiàn)實等。（2）按采用的相

14、機(jī)模型來分，可分為線性算法和非線性算法。 線性算法就是用理想的針孔模型，并用線性方程來求解相機(jī)參數(shù)。由于沒有考慮鏡頭畸變問題，所以精度達(dá)不到要求。目前雖取得了很多很好的成績，但是許多研究者還在不斷努力研究中。非線性算法采用了非線性畸變模型，該算法考慮了非線性畸變參數(shù)。在線性算法的基礎(chǔ)上，再用非線性優(yōu)化算法去優(yōu)化初始參數(shù)值。這種方法優(yōu)點是提高了標(biāo)定的精度，缺點是算法較為復(fù)雜，速度比較慢。不但對初值的選擇與預(yù)值的精確度要求較高，而且對噪聲的強(qiáng)度也比較敏感。有時非線性搜索優(yōu)化算法不一定達(dá)到預(yù)期的效果，它不一定能使得相機(jī)的各個參數(shù)值收斂到全局最優(yōu)解。1）從求解參數(shù)結(jié)果來看，分為隱式標(biāo)定方法和顯式標(biāo)定方

15、法。隱式標(biāo)定方法能直接把標(biāo)定參數(shù)實現(xiàn)相互之間轉(zhuǎn)換，通過把二維圖像點與三維空間點直接轉(zhuǎn)換。典型的有DLT法。隱式標(biāo)定方法直接不考慮中間成像的具體過程，而是用一個簡單的矩陣形式來表示二維圖像點與三維空間點之間的關(guān)系。該方法的優(yōu)點是簡單，計算不復(fù)雜，只求解算法中的線性方程參數(shù)，從而獲得較高效率，實用性強(qiáng)。缺點是標(biāo)定精度不高，很難滿足高精度要求的場合。顯示標(biāo)定方法考慮了具體成像過程，并對相機(jī)成像幾何模型做了精密的設(shè)計。更多的考慮了二維圖像點與三維空間點轉(zhuǎn)換，使得各個參數(shù)都具有各自的物理意義，最后求解未知參數(shù)。其中包括有效焦距偏差、圖像中心偏差、水平比例因子、鏡頭畸變參數(shù)等。該方法把相機(jī)成像過程中的各種

16、因素都基本上考慮進(jìn)去了，從而標(biāo)定精度得到了有效的提高。2）按解題方法來歸類，有普通解析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法。由于三維空間點與二維圖像點之間的關(guān)系是一種較為復(fù)雜的非線性關(guān)系，不能直接用圖像坐標(biāo)系中的像素坐標(biāo)的像元位置來直接準(zhǔn)確的估計空間點的距離，用線性方法來描述這一關(guān)系是不太現(xiàn)實的。普通解析法通過三維空間點與二維圖像點之間的關(guān)系，通過解析幾何公式來求解相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外參數(shù)，其中內(nèi)部參數(shù)含有畸變系數(shù)，再根據(jù)求得的內(nèi)外參數(shù)值，將二維圖像點與三維空間點的幾何關(guān)系，而求解三維空間點的世界坐標(biāo)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法跳過了求各種相機(jī)參數(shù)的復(fù)雜過程，將三維空間點作為輸入樣本，二維圖像點而作為輸出樣本。利用復(fù)雜的網(wǎng)

17、絡(luò)關(guān)系來實現(xiàn)輸入和輸出的映射關(guān)系，這樣可以使精度逼近一種非線性關(guān)系，而對于那些不是樣本中的二維圖像點坐標(biāo)，也能順利找到相應(yīng)的三維空間點的坐標(biāo)。1.3.2 標(biāo)靶的實物圖片圖 1.1 標(biāo)靶實物圖標(biāo)靶的材料是鋁合金，標(biāo)靶對表面加工的精度要求極高，在標(biāo)靶的加工過程中成品率較低，價格高昂，因此使用標(biāo)靶時應(yīng)極其注意，不能讓鋁合金板碰觸到其他的尖銳的物體造成損傷。其次操作者在搬移標(biāo)靶時應(yīng)注意戴白色手套，以免破壞小型的精密鏡頭。在安裝其他帶動標(biāo)靶運(yùn)動的零件時應(yīng)保持標(biāo)靶呈豎直狀態(tài)，這樣一來，標(biāo)靶才能把位于其前方的圖景拍攝下來便于后期的數(shù)據(jù)信息處理。第二章 相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定裝置設(shè)計 本次設(shè)計的相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定裝置需要

18、把位于裝置前方整個空間都要拍攝成像，從各個角度和方位獲得足夠多的數(shù)據(jù)信息，以便于后期的數(shù)據(jù)信息分析。2.1 直動推桿圓柱凸輪設(shè)計原理左右擺動運(yùn)動的實現(xiàn)靠直動推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu)和伸縮桿共同作用，圓柱凸輪上的軌跡和手輪轉(zhuǎn)速大小決定了直動推桿在手輪每轉(zhuǎn)的作用下的運(yùn)動位移大小、運(yùn)動速度的快慢和運(yùn)動加速度的存在以及大小。手輪轉(zhuǎn)速越大，直動直動裝置的左右擺動運(yùn)動可以使相機(jī)采集到左右的數(shù)據(jù)信息。因為左右兩根推桿在運(yùn)動過程中的距離會發(fā)生一定范圍內(nèi)的變化，如果不加一根伸縮桿調(diào)節(jié)一下距離，那么裝置左右擺動的運(yùn)動就會失效，也就是兩根推桿卡死不懂動。2.1.1 直動推桿圓柱凸輪設(shè)計（1）圓柱凸輪的形成原理將圓柱外表面展

19、開，得一長度為2R的平面移動凸輪機(jī)構(gòu)，其移動速度為V=，以V反向移動平面凸輪，相對運(yùn)動不變，滾子反向移動后其中心點的軌跡即為理論輪廓，其內(nèi)外包絡(luò)線為實際輪廓。 圖2.1 直動推桿的理論輪廓圖 圖2.2 直動推桿圓柱凸輪二維圖圖2.3 S和的關(guān)系圖圖2.4 直動推桿運(yùn)動軌跡展開圖（2）圓柱凸輪簡介圓柱凸輪是一種具有曲線輪廓的運(yùn)動構(gòu)件，它通過與從動件直動推桿的高副接觸，在運(yùn)動時可以使從動件直動推桿獲得連續(xù)或不連續(xù)的任意預(yù)期運(yùn)動。圓柱凸輪機(jī)構(gòu)在各種機(jī)械中有大量的應(yīng)用。即使在現(xiàn)代化程度很高的自動機(jī)械中，圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的作用也是不可替代的。 圖2.5 圓柱凸輪的三維圖直動推桿圓柱凸輪機(jī)構(gòu)由圓柱凸輪、直動推

20、桿從動件和機(jī)架三部分組成，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，只要設(shè)計出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞€，就可以使從動件實現(xiàn)任意的運(yùn)動規(guī)律。在自動機(jī)械中，凸輪機(jī)構(gòu)常與其它機(jī)構(gòu)組合使用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，揚(yáng)長避短。由于凸輪機(jī)構(gòu)是高副機(jī)構(gòu)，易于磨損；磨損后會影響運(yùn)動規(guī)律的準(zhǔn)確性，因此只適用于傳遞動力不大的場合。當(dāng)圓柱凸輪等速回轉(zhuǎn)一周時，圓柱凸輪的曲線外廓推動從動件直動推桿帶動標(biāo)靶完成以下動作：推桿快速接近標(biāo)靶，標(biāo)靶開始繞中心線順時針旋轉(zhuǎn)，停留一段時間再進(jìn)行逆時針旋轉(zhuǎn)，如此一來，標(biāo)靶可以把左右的場景拍下來并成像。 （3）從動件常用的運(yùn)動規(guī)律常用的從動件運(yùn)動規(guī)律有等速運(yùn)動規(guī)律、等加速等減速運(yùn)動規(guī)律、余弦加速度運(yùn)動規(guī)律以及擺動運(yùn)動規(guī)律

21、等。1）等速運(yùn)動規(guī)律 其有突變，其加速度和慣性力在理論上為無窮大，致使凸輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊、噪聲和磨損，這種沖擊為剛性沖擊。因此，等速運(yùn)動規(guī)律只適用于低速、輕載的場合。2）等加速等減速運(yùn)動規(guī)律 從動件在一個行程h中，前半行程作等加速運(yùn)動，后半行程作等減速運(yùn)動，這種運(yùn)動規(guī)律稱為等加速等減速運(yùn)動規(guī)律。通常加速度和減速度的絕對值相等。從機(jī)械原理書中得知，這種運(yùn)動規(guī)律的加速度存在三處存在有限的突變，因而會在機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生有限的沖擊，這種沖擊稱為柔性沖擊。與等速運(yùn)動規(guī)律相比，其沖擊程度大為減小。因此，等加速等減速運(yùn)動規(guī)律適用于中速、中載的場合。3）簡諧運(yùn)動規(guī)律（余弦加速度運(yùn)動規(guī)律）當(dāng)一質(zhì)點在圓周上作勻速運(yùn)

22、動時，它在該圓直徑上投影的運(yùn)動規(guī)律稱為簡諧運(yùn)動。因其加速度運(yùn)動曲線為余弦曲線故也稱余弦運(yùn)動規(guī)律，由機(jī)械原理書中得知，此運(yùn)動規(guī)律在行程的始末兩點加速度存在有限突變，故也存在柔性沖擊，只適用于中速場合。但當(dāng)從動件作無停歇的升降升連續(xù)往復(fù)運(yùn)動時，則得到連續(xù)的余弦曲線，柔性沖擊被消除，這種情況下可用于高速場合。4）擺線運(yùn)動規(guī)律（正弦加速度運(yùn)動規(guī)律） 當(dāng)一圓沿縱軸作勻速純滾動時，圓周上某定點A的運(yùn)動軌跡為一擺線，而定點A運(yùn)動時在縱軸上投影的運(yùn)動規(guī)律即為擺線運(yùn)動規(guī)律。因其加速度按正弦曲線變化，故又稱正弦加速度運(yùn)動規(guī)律，當(dāng)從動件按正弦加速度規(guī)律運(yùn)動時，在全行程中無速度和加速度的突變，因此不產(chǎn)生沖擊，適用于高

23、速場合。了解從動件的運(yùn)動規(guī)律，便于我們在圓柱凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計時，根據(jù)實際的工作要求進(jìn)行合理選擇。由于直動推桿圓柱凸輪在運(yùn)動的過程中受到的沖擊應(yīng)該盡量小，以保證標(biāo)靶運(yùn)動的精確性，所以選用擺線運(yùn)動規(guī)律。2.2 槽輪撥盤設(shè)計原理槽輪撥盤組成的機(jī)構(gòu)可以把主動件撥盤的連續(xù)等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)椴圯喌拈g歇運(yùn)動，同時也可以控制槽輪的回轉(zhuǎn)角度。這類機(jī)構(gòu)大多具有以下幾個特點：1結(jié)構(gòu)巧妙簡單；2外形尺寸相對較小，不占用大的空間；3工作效率高；平穩(wěn)地完成轉(zhuǎn)位；4 具有柔性沖擊，所以常用于速度不太高的場合。標(biāo)靶的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動靠槽輪和撥盤的相對運(yùn)動來實現(xiàn)，手輪的旋轉(zhuǎn)可以帶動槽輪的旋轉(zhuǎn)，這樣一來，標(biāo)靶旋轉(zhuǎn)的度數(shù)可以由槽輪和撥盤之間的

24、相對旋轉(zhuǎn)度數(shù)來決定。標(biāo)靶旋轉(zhuǎn)一定度數(shù)之后，可以由45度斜向萬向節(jié)來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一定度數(shù)之后的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動。2.2.1 槽輪機(jī)構(gòu)簡介在圖2.1中的外槽輪機(jī)構(gòu)中，主動件拔盤以角速度w1勻速轉(zhuǎn)動，當(dāng)拔盤上的圓銷轉(zhuǎn)到圖1所示的A位置時，撥盤上鎖止弧S1的起使邊到達(dá)中心連線O1O2位置，槽輪開始轉(zhuǎn)動。當(dāng)圓銷轉(zhuǎn)到A1時，拔銷退出輪槽，拔盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動，槽輪卻停止轉(zhuǎn)動，我們稱此時的槽輪被鎖住，槽輪上的內(nèi)凹鎖止弧和撥盤上的外凸鎖止弧嚙合在一起。這樣，主動撥盤連續(xù)轉(zhuǎn)動就轉(zhuǎn)換成槽輪的間歇轉(zhuǎn)動。為避免槽輪在起動和停歇時發(fā)生剛性沖擊，拔銷開始進(jìn)入和離開輪槽時，輪槽的中心線應(yīng)和圓銷中心A的運(yùn)動圓周相切，即拔銷轉(zhuǎn)到圖1所示位置時，O

25、1AO2A。 圖2.1 外槽輪二維圖組成：帶圓銷的撥盤、帶有徑向槽的槽輪。撥盤和槽輪上都有鎖止弧：槽輪上的凹圓弧、撥盤上的凸圓弧，起鎖定作用。工作過程：撥盤連續(xù)回轉(zhuǎn)，當(dāng)兩鎖止弧接觸時，槽輪靜止；反之槽輪運(yùn)動。作用：將連續(xù)回轉(zhuǎn)變換為間歇轉(zhuǎn)動。特點：結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、工作可靠、機(jī)械效率高，能平穩(wěn)地、間歇地進(jìn)行轉(zhuǎn)位。因槽輪運(yùn)動過程中角速度有變化 ，不適合高速運(yùn)動場合。2.2.2 槽輪機(jī)構(gòu)優(yōu)點(1)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，效率較高;(2)在進(jìn)入和脫離嚙合時運(yùn)動較平穩(wěn)，能準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)動的角度;(3)轉(zhuǎn)位迅速，從動件能在較短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)過較大的角度;(4)槽輪轉(zhuǎn)位時間與靜止時間之比為定值。2.2.3 槽輪機(jī)構(gòu)缺

26、點（1）槽輪的轉(zhuǎn)角大小不能調(diào)節(jié);（2）槽輪轉(zhuǎn)動的始、末位置加速度變化較大，從而產(chǎn)生沖擊:（3）在工作盤定位精度要求較高時，利用鎖緊弧面往往滿足不了要求，而需另加定位裝置。（4）槽輪的制造與裝配精度要求較高。由于這些原因，槽輪機(jī)構(gòu)一般應(yīng)用在轉(zhuǎn)速不高的裝置中。2.2.4 槽輪機(jī)構(gòu)的工作原理 槽輪機(jī)構(gòu)，又叫馬爾他機(jī)構(gòu)或日內(nèi)瓦機(jī)構(gòu)，由具有徑向槽的槽輪1和具有撥銷2的撥桿3組成，其工作原理如圖2.2所示。圖2.2 槽輪機(jī)構(gòu)工作原理簡圖當(dāng)撥桿轉(zhuǎn)過一定的角度，撥動槽輪轉(zhuǎn)過一個分度角，由圖(a)所示的位置轉(zhuǎn)到圖(b)所示的位置時，撥銷退出輪槽，此后，撥桿空轉(zhuǎn)，直至撥銷進(jìn)入槽輪的下一個槽內(nèi)，才又重復(fù)上述的循環(huán)。

27、這樣，撥桿(主動件)的等速(或變速)連續(xù)(或周期)運(yùn)動，就轉(zhuǎn)換為槽輪(從動件)時轉(zhuǎn)時停的間歇運(yùn)動。槽輪機(jī)構(gòu)常采用鎖緊弧定位，即利用撥桿上的外凸圓弧一鎖緊弧A與槽輪上的內(nèi)凹圓弧一定位弧B的接觸鎖住槽輪。圖(a)所示為撥銷開始進(jìn)入輪槽時的位置關(guān)系，這時外凸圓弧面的端點F點離開凹面中點，槽輪開始轉(zhuǎn)動。圖(b)所示為撥銷剛要離開輪槽時的位置關(guān)系，這時外凸圓弧面的另一端點E剛好轉(zhuǎn)到內(nèi)凹圓弧面的中點，撥桿繼續(xù)轉(zhuǎn)動，E點越過凹面中點，槽輪被鎖住。圖(c)為撥銷退出輪槽以后的情況，這時，外凸圓弧面與內(nèi)凹圓弧面密切接觸，槽輪被鎖住而不能向任何方向轉(zhuǎn)動.由上述工作過程的要求，撥桿上的外凸圓弧缺口應(yīng)對稱于撥桿軸線。

28、2.2.5 主要幾何尺寸的設(shè)計公式圖2.3為槽輪機(jī)構(gòu)主要尺寸關(guān)系圖。圖中O1為拔盤中心，O2為槽輪中心，L1為撥銷的軌跡半徑;L2為槽輪半徑;L3為中心距，h為槽輪槽深,為撥銷半徑,為間隙。圖2.3 槽輪機(jī)構(gòu)主要幾何尺寸關(guān)系圖設(shè)拔盤軸的直徑為d.為避免槽輪在起動和停歇時發(fā)生剛性沖擊，圓銷開始進(jìn)入和離開輪槽時，輪槽的中心線應(yīng)和圓銷中心的運(yùn)動圓周相切，從而決定了槽輪機(jī)構(gòu)主要尺寸之間的關(guān)系，根據(jù)圖2.4所示槽輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算公式 圖2.4 槽輪機(jī)構(gòu)主要幾何尺寸計算關(guān)系圖（1）已知參數(shù)：槽輪槽數(shù)z,撥盤上圓銷數(shù)目m,中心距C=O1O2撥盤上圓銷半徑R 撥盤轉(zhuǎn)速 n1 (2) 槽輪運(yùn)動角:2=(3) 撥

29、盤運(yùn)動角:2=(4) 撥盤上圓銷數(shù)目:m2z/(z-2)(5) 圓銷中心軌跡半徑:R1= （6）槽輪外徑： (7) 槽輪深度:h=R1+R2-C+R T +(8) 撥盤回轉(zhuǎn)軸直徑:d12（C-R2）(9) 槽輪軸直徑:d22（C-R1-R T ）(10) 撥盤上鎖止弧所對中心角:=2（/m-）(11) 鎖止弧半徑:R0= R1-b-RT(12) 槽輪每循環(huán)運(yùn)動時間:=(z-2)/z30/n1(13) 槽輪每循環(huán)停歇時間:=(2z-m(z-2)/()30/n1(14) 槽輪機(jī)構(gòu)的動停比k: k=(m(z-2)/(2z-m(z-2)(15) 圓銷中心軌跡半徑R1與中心距C的比:=R1/C=sin(

30、/z)(16) 槽輪角位移：=arc()/(1-() - +(17) 槽輪角速度：2=（）-）1/（1+2-2cos（）(18) 槽輪角加速度：2=（2-1）sin（）21/（1+2-2cos（）2）(19) 槽輪最大角速度所在位置：=00 一般的取值范圍為3-6mm, 當(dāng)槽輪槽數(shù)z較大時。2.2.6 槽輪機(jī)構(gòu)設(shè)計方案1）方案1要求槽輪機(jī)構(gòu)的動停比k=1/3設(shè):槽輪槽數(shù)Z=4；撥銷m=1；中心距C=70；撥銷半徑R T=2mm；銷與槽底間隙=3；槽齒寬b=5求解槽輪機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)：(1) 槽輪運(yùn)動角：2=2/z=2/4=/2(2) 撥盤運(yùn)動角：2=-2=/2(3) 撥盤上圓銷數(shù)目：m=12z/

31、(z-2)=8/2=4(4) 圓銷中心軌跡半徑：R1=C sin()=70×sin(45)=49.5(5) 槽輪外徑:R2=（）2+R2T½=49.52+41/2=49.54(6) 槽輪深度:h=R1+R2-C+R T=49.5+49.54-70+2+3=34(7) 撥盤回轉(zhuǎn)軸直徑:d1=12 2（C- R2=2(70-49.54)=40.9(8) 槽輪軸直徑:d2=12 2（C - R1- R T - ）=2(70-49.5-2-3)=31(9) 撥盤上鎖止弧所對中心角:=2（/m）=3/2(10) 鎖止弧半徑:R0=R1-b-RT=49.5-5-2=42.5(11) 槽

32、輪機(jī)構(gòu)的動停比k:k=(m(z-2)/(2z-m(z-2)=2/(8-2)=1/3(12) 圓銷中心軌跡半徑R1與中心距C的比:=R1/C=sin(/z)=sin(/4)=0.7072.2.7 方案1槽輪三維模型圖2.5 槽輪三維圖 1）方案1槽輪設(shè)計圖紙 (1)槽輪 圖2.6 槽輪部分(2)撥盤槽輪機(jī)構(gòu)的撥盤部分起驅(qū)動作用。本機(jī)構(gòu)的撥盤如圖7所示，本結(jié)構(gòu)分2層，上層起驅(qū)動左右，下層起連接槽輪的作用。兩層圈盤實為一體。圖2.7撥盤部分2.2.8 槽輪機(jī)構(gòu)的配合和表面粗糙度參照刀尖圓角來設(shè)計工件圓角,未注倒角C0.20.8，未注圓角R0.20.8。表面粗糙度配合面和滑動面Ra12.5，可見加工痕

33、跡，一般用于沒有相對運(yùn)動的配合面。其它表面Ra25，為達(dá)到一般容許公差而切削后自然得到的表面，接觸狀態(tài)要求穩(wěn)定的面，常見用手接觸的面。Ra6.3（微見加工痕跡）和Ra3.2（不見加工痕跡）用于相對運(yùn)動速度不高的接觸面，要精車、精鉸、精鏜和精銑。撥盤和槽輪孔與軸低速旋轉(zhuǎn)，撥銷與槽低速相對運(yùn)動，用間隙配合H8/f7。沒有相對運(yùn)動的配合，因受力較小，用小的過盈配合H7/h6槽輪外輪廓與撥盤凹弧的配合是H9/e9,大的間隙配合。中心距公差是±0.02到±0.03。2.2.9 槽輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析(1)槽輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動起來是做變加速運(yùn)動，槽輪機(jī)構(gòu)的最大角速度出現(xiàn)在=0位置。(2)在撥銷進(jìn)入

34、與脫離輪槽的瞬間，槽輪速度為零，但加速度不為零，所以產(chǎn)生柔性沖擊。(3)槽輪機(jī)構(gòu)的角速度和角加速度的變化取決于槽數(shù)z。(4)在選擇槽數(shù)時，應(yīng)該綜合考慮多種因素。對于槽輪機(jī)構(gòu)，槽數(shù)越少則工作效率越高，一方面，槽數(shù)越少角加速度變化越大，運(yùn)動平穩(wěn)性能差，槽輪機(jī)構(gòu)的振動、沖擊和噪聲將隨之加大;另一方面，隨著槽數(shù)的增加，槽輪的結(jié)構(gòu)尺寸將加大，從動端的慣性力矩也隨著加大。同時當(dāng)槽數(shù)z大于9時，槽輪機(jī)構(gòu)的動停比K變化趨于平穩(wěn)，動力特性的改善也明顯減弱，但隨著槽數(shù)增加將給機(jī)構(gòu)的設(shè)計帶來的困難將越大。因此，在實際應(yīng)用中，槽輪機(jī)構(gòu)的槽數(shù)多在4到8范圍內(nèi)。2.3 裝置其他機(jī)構(gòu)設(shè)計原理前后擺動運(yùn)動的實現(xiàn)靠齒輪齒條之間

35、的相對運(yùn)動和伸縮桿共同作用，手輪旋轉(zhuǎn)方向的變化，導(dǎo)致齒輪旋轉(zhuǎn)方向的變化，最終決定齒條向前移動還是向后移動。為了保證手輪都在同一平面內(nèi)，左右擺動運(yùn)動機(jī)構(gòu)中加了一組蝸桿蝸輪傳動裝置，這樣一來，操作者更便于操作此裝置。齒條移動的位移和速度取決于手輪的轉(zhuǎn)速和齒條中的齒距的大小，轉(zhuǎn)速越大，齒距越大，齒條移動的位移和速度越大。齒輪齒條的相對運(yùn)動可以使相機(jī)采集到前后的數(shù)據(jù)信息。如此一來，45度斜向萬向節(jié)可以使相機(jī)采集到前后左右所沒能采集到的數(shù)據(jù)信息。標(biāo)靶的在閑時的豎立狀態(tài)可以由簡易機(jī)械手來維持不變。此套相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定裝置由三組典型的運(yùn)動機(jī)構(gòu)巧妙地完成三個不同的運(yùn)動方向數(shù)據(jù)信息采集，操作簡單，裝置簡單但巧妙地

36、完成四個復(fù)雜的運(yùn)動。對于不常用小型的數(shù)據(jù)信息采集機(jī)器，手輪輸入運(yùn)動能量來源很符合裝置要求，對于一些常用和大型的數(shù)據(jù)信息采集機(jī)器，選用步進(jìn)電動機(jī)作為運(yùn)動能量來源值得提倡，對于全自動化的數(shù)據(jù)信息采集機(jī)器，選用數(shù)控編程來控制四個復(fù)雜運(yùn)動的逐步完成。第三章 齒輪齒條設(shè)計3.1 齒輪齒條的概述3.1.1 齒輪傳動設(shè)計概述齒輪傳動是機(jī)械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應(yīng)用廣泛，傳遞率可達(dá)到數(shù)十萬千瓦，圓周速度可達(dá)200m/s。以漸開線齒輪傳動較為常用。齒輪傳動主要有以下特點：1）效率高 2）結(jié)構(gòu)緊湊3）工作可靠4）傳動比穩(wěn)定。但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。齒

37、輪的失效形式有以下幾種：1.齒輪折斷。2.齒面磨損。3.齒面點蝕。4.齒面膠合。5.塑性變形。除此之外，還可能出現(xiàn)過熱、侵蝕、電蝕和由于不同原因產(chǎn)生的多種腐蝕與裂紋等等。根據(jù)上述失效形式可知，所設(shè)計的齒輪傳動在具體的工作情況下，必須有足夠的、相應(yīng)的工作能力，以保證在整個工作壽命期間不致失效。因此，針對各種失效都應(yīng)確立相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則。通常只按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度既保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計算。3.1.2齒輪齒條的材料選擇齒條材料的種類很多，在選擇過程中應(yīng)考慮的因素也很多，主要以以下幾點作為參考原則：(1)齒輪齒條的材料必須滿足工作條件的要求。(2)應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成形方法及熱處理

38、和制造工藝。(3)正火碳鋼，不論毛坯制作方法如何，只能用于制作載荷平穩(wěn)或輕度沖擊(4)工作下的齒輪，不能承受大的沖擊載荷；調(diào)制碳鋼可用于制作在中等沖擊載荷下工作的齒輪。(5)合金鋼常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪。(6)飛行器中的齒輪傳動，要求齒輪尺寸盡可能小，應(yīng)采用表面硬化處理的高強(qiáng)度合金鋼。(7)金屬制的軟齒面齒輪，配對兩輪齒面的硬度差應(yīng)保持為3050HBS或者更多。鋼材的韌性好，耐沖擊，還可通過熱處理或化學(xué)熱處理改善其力學(xué)性能及提高齒面硬度，故適用于來制造齒輪。由于該齒輪承受載荷比較小，應(yīng)采用軟齒面（硬度350HBS），故選取調(diào)制碳鋼，足以滿足強(qiáng)度要求，進(jìn)行設(shè)計計算。3.2齒

39、輪齒條的設(shè)計與校核3.2.1齒輪齒條運(yùn)動所需的功率設(shè)w為最低旋轉(zhuǎn)速（r/min），T為以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時系統(tǒng)的扭矩。 n為轉(zhuǎn)速（單位r/min） （3.1）起升功率 P=T×w （3.2） T=100N*m w取1（rad/秒） （3.3）P=T×w=100×1(w) （3.4）3.2.2 各系數(shù)的選定計算齒輪強(qiáng)度用的載荷系數(shù)K，包括使用系數(shù)、動載系數(shù)、齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分布系數(shù)，即K= （3.5）1）使用系數(shù)是考慮齒輪嚙合時外部因素引起的附加載荷影響的系數(shù)。該齒輪傳動的載荷狀態(tài)為輕微沖擊，工作部分為標(biāo)靶，動力來源為手搖，所以使用系數(shù)取1.25。2）動載系數(shù)3

40、）齒間載荷分配系數(shù)齒輪傳動不可避免地會有制造及裝配誤差，輪齒受載后還要產(chǎn)生彈性變形，對于直齒輪傳動，輪齒在嚙合過程中，不論是有雙對齒嚙合過渡到單對齒嚙合，或是有單對吃嚙合過渡到雙對齒嚙合的期間，由于嚙合齒對的剛度變化，也要引起動載荷。為了計及動載荷的影響，引入了動載系數(shù)， 圖3.1 動載系數(shù)圖4）圖3.1動載系數(shù)由于速度v很小，根據(jù)上圖查得，取1.0。5）齒間載荷分配系數(shù)一對相互嚙合的斜齒（或直齒）圓柱齒輪，有兩對（或多對）齒同時工作時，則載荷應(yīng)分配在這兩對（或多對）齒上。對于直齒輪及修形齒輪，取。6）齒輪載荷分布系數(shù)當(dāng)軸承相對于齒輪做不對稱配置時，受災(zāi)前，軸無彎曲變形，齒輪嚙合正常，兩個節(jié)圓

41、柱恰好相切;受載后，軸產(chǎn)生彎曲變形，軸上的齒輪也就隨之偏斜，這就使作用在齒面上的載荷沿接觸線分布不均勻。計算齒輪強(qiáng)度時，為了計及齒面上載荷沿接觸線分布不均勻的現(xiàn)象，通常以系數(shù)來表征齒面上載荷分布不均勻的程度對齒輪強(qiáng)度的影響。根據(jù)機(jī)械設(shè)計表10-4取=1.37。綜上所述，最終確定齒輪系數(shù)K=1.25×1×1×1.37=1.7125 （3.6）3.2.3 齒輪傳動的設(shè)計參數(shù)和許用應(yīng)力的選擇3.2.4 齒輪的設(shè)計計算第四章 蝸桿蝸輪傳動的設(shè)計計算傳動裝置中傳動零件的參數(shù)、尺寸和結(jié)構(gòu)，對其他零部件的設(shè)計起決定性的作用，因此，應(yīng)首先設(shè)計計算相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定裝置傳動零件。4.1

42、 蝸輪蝸桿材料及類型選擇4.1.1 選擇蝸桿傳動類型根據(jù)GB/T10085-1988的推薦，選用漸開線蝸桿(ZI)。4.1.2 選擇蝸桿蝸輪材料考慮到蝸桿傳動的功率不大，速度中等，故蝸桿采用45鋼；而又希望效率 高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為4555HRC；蝸輪選用鑄錫磷青銅（ZCuSn10P1）,砂模鑄造；為了節(jié)約貴重有色金屬，僅齒圈用青銅鑄造，而輪芯用灰鑄鐵（HT100）制造。4.2設(shè)計計算4.2.1按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計根據(jù)閉式蝸桿蝸輪的設(shè)計準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計算，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。由機(jī)械設(shè)計根據(jù)式子：m2dKT2 （4.1）(1) 確定載荷系數(shù) 因工作是

43、有輕微振動，故取載荷分布不均勻系數(shù)=1，由機(jī)械設(shè)計表11-5選取使用系數(shù)=1，由于轉(zhuǎn)速不是很高，沖擊不大，可選取動載荷系數(shù)=1.1，K=1×1.05×11.1 (4.2)(2) 確定彈性影響系數(shù)因為選用的是錫磷青銅（ZCuSn10P1）的蝸輪和45剛蝸桿相配，故160Mpa(3) 確定許用接觸應(yīng)力H根據(jù)蝸輪材料為錫磷青銅（ZCuSn10P1），金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度45HRC，可從機(jī)械設(shè)計表11-7查得蝸輪的基本許用應(yīng)力 =268。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60=60×1×9.55×（16×5×365）=1.67316×

44、; (4.3)壽命系數(shù) ， （4.4）= （4.5）（4）計算m2d由于z2=28，T2=100=100×103 N·mm，故m2dKT2511.54 mm3 （4.6）因z1=2，故從機(jī)械設(shè)計表11-2中查取模數(shù)m=3.15mm,蝸桿分度圓直徑d1=35.5mm。 4.2.2 蝸桿與蝸輪主要參數(shù)與幾何尺寸(1)中心距 a= =61.85mm （4.7）(2)蝸桿： 軸向齒距Pa=9.891mm； （4.8） 直徑系數(shù)q=11.27； （4.9） 齒頂圓直徑=d1+2ha1=d1+2ha*m=35.5+2×1×3.15=41.8mm； （4.10） 齒根

45、圓直徑=d1-2hf1=d1-2(ha*m+c)=35.5-2（1×3.15+0.253.15）=27.625mm； （4.11） 分度圓導(dǎo)程角=（右旋）； （4.12） 軸向齒厚s=4.9455 mm. （4.13）(3)蝸輪： 蝸輪齒數(shù)：=28； 變位系數(shù)：=0； 螺旋角：10.03°（右旋） 蝸輪分度圓直徑：=88.2mm； （4.14） 蝸輪喉圓直徑：=+=94.5mm； （4.15） 蝸輪齒根圓直徑：=-= 80.325mm； （4.16） 蝸輪咽喉母圓半徑：=a-=61.85-×94.5=14.6mm； （4.17） 蝸輪輪緣寬度：B=(0.670.7

46、)=(28.00629.26)mm,取B=28mm。4.2.3 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 （4.18）當(dāng)量齒數(shù)=29.32 （4.19）根據(jù)=0，=29.32，從機(jī)械設(shè)計圖11-17中可查得齒形系數(shù)2.44螺旋系數(shù)=0.928 （4.20）許用彎曲應(yīng)力 = （4.21）從表11-8中查得由ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力=56MPa壽命系數(shù) =0.731 （4.22）=560.731=40.936MPa （4.23）所以=56即<,彎曲強(qiáng)度校核滿足要求。4.2.4 驗算效率 （4.24）已知=10.03°，=，與相對滑移速度有關(guān)， m/s （4.25）從機(jī)械設(shè)計表11

47、-18中用插值法查得=0.0175，=1°代入上式得(0.72390.732)大于原估計值0.7203，因此不用重算,且進(jìn)一步驗證了選擇的可行性。4.2.5 精度等級公差和表面粗糙度的確定考慮到所涉及的蝸桿傳動是手動傳動。從GB/10089-1988中，蝸輪圓周速度=n2d2/60=0.04m/s<1.5 m/s，故查課程設(shè)計表3.66選取蝸輪、蝸桿為9級精度，側(cè)隙種類為f,標(biāo)注為9f GB/10089-1988。蝸桿與軸做成一體，即蝸桿軸。蝸輪采用輪箍式，與鑄造貼心采用H7/r6配合。查課程設(shè)計表3.80得蝸輪、蝸桿表面粗糙度如下： 表4.1 粗糙度 齒面齒頂圓蝸桿 6.3,

48、3.2 6.3, 3.2蝸輪 6.3,3.2 12.5，6.3蝸桿軸向齒距極限偏差=±25m；蝸桿軸向齒距累積公差=48m；蝸桿齒形公差ff1=45m；查課程設(shè)計表3.70得：蝸桿齒槽徑向跳動公差fr=40m；查課程設(shè)計表3.70得：蝸桿齒距極限偏差=40m；蝸輪齒形公差ff2=36m。4.2.6 熱平衡計算(1)估算散熱面積S （4.26）(2)驗算油的工作溫度室溫，通常取。散熱系數(shù)=8.1517.45：取=17.5 W/(·)；嚙合效率；軸承效率0.980.99，取軸承效率 2=0.99；攪油效率0.940.99，攪油效率3=0.98；=1×2×3=

49、0.88×0.99×0.98=0.85油溫未超過限度4.2.7 主要設(shè)計結(jié)論 表4.2 設(shè)計結(jié)論 齒頂高（mm） 齒根高（mm） 全齒高（mm） h=7.0875 齒形角 模數(shù)（mm） m=3.15 齒寬（mm） 蝸桿 蝸輪 分度圓直徑（mm） 齒頂圓直徑（mm） 齒根圓直徑（mm） 頭數(shù)（齒數(shù)） 中心距（mm） 蝸輪蝸桿均為9級精度、右旋，蝸桿直徑系數(shù)q=11.27，蝸輪變位系數(shù)X2=0。圖4.1 蝸輪蝸桿的三維圖 第五章 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算軸是非標(biāo)準(zhǔn)零件，它沒有固定的、一層不變的結(jié)構(gòu)形式。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計就是根據(jù)具體的工作條件，確定出軸的合理結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)尺寸。5.1安裝蝸輪的

50、軸設(shè)計計算5.1.1 初步確定軸的最小直徑選取軸的材料為45剛，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)機(jī)械設(shè)計式15-3，取，可得 （5.1）由于軸上要有鍵槽，故取=20mm。5.1.2 求作用在蝸輪上的力已知蝸輪的分度圓直徑為=88.2mm，所以得 =， （5.2） ， （5.3） 。 （5.4）5.1.3 軸上零件的周向定位為了保證良好的對中性，蝸輪與軸選用C型普通平鍵聯(lián)接，鍵的型號為,鍵槽用鍵槽銑刀加工，鍵長為20mm；同時為了保證蝸輪與軸配合有良好的對中性，所以選擇蝸輪與輪轂的配合為；軸與軸承內(nèi)圈配合軸徑選用H7/m6的配合。為保證30312軸承內(nèi)圈端面緊靠定位軸肩的端面，根據(jù)軸承手冊的推薦，取軸肩圓角半徑為1.5mm。其他軸肩圓角半徑分別由具體軸徑而定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)軸的左端倒角均為，右端倒角均為。 = （5.5） （5.6） （5.7）由軸的結(jié)構(gòu)圖及彎扭圖可知中間截面為危險截面，故只需對中間截面進(jìn)行校核，查機(jī)械設(shè)計表15-1和15-4，=18.17 （5.8） 由此可知強(qiáng)度足夠 雖然鍵槽、軸肩及過渡配合所引起的應(yīng)力集中均將削弱軸的疲勞強(qiáng)度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較為寬裕確定的，所以它們均無需校核。中間截面既受扭矩作用又受彎矩作