陶瓷插芯自动检测机测量系统设计.doc

分 类 号 密 级 宁宁波大红鹰学院毕业设计(论文)陶瓷插芯自动检测机测量系统设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师年 月 日诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文陶瓷插芯自动检测机测量系统设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日摘 要本次设计完成了陶瓷插芯自动检测机测量系统。主要包括陶瓷和陶瓷插芯的有关知识，CCD成像与测量的相关知识，CCD摄影头的选型，摄影平台的设计，和照明系统设计。其中本次设计的重点是摄影运动平台的设计,主要内容包括，滚珠丝杠，滚动导轨及步进电动机的计算及选取和轴承座、联轴器的选取。在其计算方面我采用了最常规的方法，因此对于所设计的工作台的实用性有一定的保障。另外在导轨座，工作台及其配装的设计中，加入了自己的一些想法，有所创新，也希望能够经的住实践的考验。关键词：陶瓷，陶瓷插芯，测量，滚珠丝杠IIIAbstractThe complete design of the ceramic core automatic testing machine measuring system. Including ceramic and ceramic Chaxin related knowledge, CCD imaging and measurement of related knowledge, CCD photography head selection, photography platform design, and lighting system design.One of the design is the focus of camera motion platform design, the main contents include, ball screws, rolling guide and the calculation of the stepper motor and the selection and the bearing seat, coupling selection. In the calculation of the most conventional methods, thus the designed platform practicality has a certain degree of protection. In addition to the rail seat, platform and assembled in the design, adding some of his own ideas, innovate somewhat, also hope to be able to live by the test of practice.Key Words: Ceramics, ceramic ferrule, measurement, ball screw目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 陶瓷的概念11.2 陶瓷的工艺流程11.3 陶瓷的生产21.4光纤陶瓷插芯4第2章 课题研究任务要求72.1 毕业设计具体任务72.2设计基本参数72.3课题设计途径与方法7第3章CCD成像原理与测量技术83.1 CCD介绍83.2 CCD功能特性83.3 CCD工作原理93.4 CCD成像原理93.5 CCD图像测量流程113.6 CCD图像测量测量公式113.7 CCD图像测量原理示意12第4章 摄像及运动平台设计134.1 CCD摄影头的选型134.2 自动检测机机械平台设计184.2.1 确定系统脉冲当量184.2.2 工作台外形尺寸及重量初步估算184.2.3 滚动导轨副的计算、选择194.2.4 滚珠丝杠计算、选择204.2.5 步进电机惯性负载的计算23第5章 照明系统设计265.1 照明类型照明光源选择265.2照明灯具选择265.3灯具选择一般原则265.4 照度和照明方式选择265.5一般照明计算利用系数计算公式27总结与展望30参考文献31致 谢32第1章 绪论第1章 绪论1.1 陶瓷的概念陶瓷是以粘土为主要原料以及各种天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料以及各种制品。陶器和瓷器的总称。陶瓷的传统概念是指所有以粘土等无机非金属矿物为原料的人工工业产品。它包括由粘土或含有粘土的混合物经混炼，成形，煅烧而制成的各种制品。由最粗糙的土器到最精细的精陶和瓷器都属于它的范围。对于它的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、石英等)，因此与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业，同属于“硅酸盐工业”的范畴。1.2 陶瓷的工艺流程一、淘泥 高岭土是烧制瓷器的最佳原料，千百年来，多少精品陶瓷都是从这些不起眼的瓷土演变而来，制瓷的第一道工序：淘泥，就是把瓷土淘成可用的瓷泥。 二、摞泥 淘好的瓷泥并不能立即使用，要将其分割开陶瓷艺术品来，摞成柱状，以便于储存和拉坯用。三、拉坯 将摞好的瓷泥放入大转盘内，通过旋转转盘，用手和拉坯工具，将瓷泥拉成瓷坯。 四、印坯拉好的瓷坯只是一个雏形，还需要根据要做的形状选取不同的印模将瓷坯印成各种不同的形状。 五、修坯 刚印好的毛坯厚薄不均，需要通过修坯这一工序将印好的坯修刮整齐和匀称，修坯又分为湿修和干修。 六、捺水 捺水是一道必不可少的工序，即用清水洗去坯上的尘土，为接下来的画坯、上釉等工序做好准备工作。 七、画坯 在坯上作画是陶瓷艺术的一大特色，画坯有好多种，有写意的、有贴好画纸勾画的，无论怎样画坯都是陶瓷工序的点睛之笔。 八、上釉 画好的瓷坯，粗糙而又呆涩，上好釉后则全然不同，光滑而又明亮：不同的上釉手法，又有全然不同的效果，常用的上釉方法有浸釉、淋釉、荡釉、喷釉、刷釉等。 九、烧窑 千年窑火，延绵不息，经过数十道工序精雕细琢的瓷坯，在窑内经受千度高温的烧炼，就像一只丑小鸭行将达化一只美天鹅。 现在的窑有气窑、电窑、等。 十、成瓷 经过几天的烧炼，窑内的瓷坯已变成了件件精美的瓷器，从打开的窑门中迫不及待地脱颖而出。 十一、成瓷缺陷的修补，一件完美的瓷器有时烧出来会有一点瑕疵，用JS916-2（劲素成）进行修补，可以让成瓷更完美。1.3 陶瓷的生产特点:陶瓷产品的生产过程是指从投入原料开始，一直到把陶瓷产品生产出来为止的全过程。它是劳动者利用一定的劳动工具，按照一定的方法和步骤，直接或间接地作用于劳动对象，使之成为具有使用价值的陶瓷产品的过程。在陶瓷生产过程的一些工序中，如陶瓷坯料的陈腐、坯件的自然干燥过程等。还需要借助自然力的作用。使劳动对象发生物理的或化学的变化，这时，生产过程就是劳动过程和自然过程的结合。 一般来说，陶瓷生产过程包括坯料制造、坯体成型、瓷器烧结等三个基本阶段。同时陶瓷生产过程的组成可按生产各阶段的不同作用分为生产技术准备过程、基本生产过程、辅助生产过程和生产服务过程。 作为社会化大生产的陶瓷生产过程，和其他一些行业的生产过程相比较，具有以下几个特点： 1、陶瓷生产过程是一种流程式的生产过程，连续性较低。陶瓷原料由工厂的一端投入生产，顺序经过连续加工，最后成为成品，整个工艺过程较复杂，工序之间连续化程度较低。 2、陶瓷生产过程的机械化、自动化程度较低。 3、陶瓷生产周期较长。陶瓷产品的生产周期，是指从原材料投入生产开始，经过各道工序加工直到成品出产为止，所经过的全部日历时间。 4、陶瓷生产过程中辅助材料如石膏模型、匣钵、硼板等消耗量大。 5、陶瓷生产需要消耗大量的能源，如 煤炭、天然气、电灯。 6、运输是陶瓷企业生产过程的重要环节。陶瓷生产过程使用的原料品种繁多，生产出的半成品、成品及产生的余料、废料等，具有数量多运输量大的特点。 7、陶瓷生产过程中产生的烟气、粉尘、固体废料和工业废水污染环境较严重。目前我国陶瓷工业所使用的窑炉多以煤和重油作为能源，会排出不少的烟气，企业对此要严格控制烟尘浓度和二氧化硫浓度，使之符合国家允许的排放标准。力争采用煤气烧窑，减少对大气的污染。 8、陶瓷生产过程的专业化和协作水平较低。长期以来，陶瓷工业企业问的相互协作配合水平不高，大而全、小而全的“全能”工厂比重大，辅助性服务方面的专业化、社会化程度低。要求:为了保证陶瓷企业生产过程能顺利进行，必须对生产过程进行科学、合理地组织，使整个陶瓷生产过程的各工艺阶段、各个生产环节和各道工序之问都互相衔接， 密切配合，使产品在生产过程中行程最短，时间最少，耗费量最小，效益最高。要达到上述目的，必须注意按下列要求组织陶瓷企业生产过程： 1、生产过程的连续性。 2、生产过程的比例性。 3、生产过程的节奏性。 4、生产过程的平行性。 5、生产过程的适应性。 由于陶瓷科学技术的不断发展。以及市场对陶瓷新产品的需求日益增加，迫使陶瓷企业要不断发展新 产品，而不能不考虑产品的变动这个因素对合理组织生产过程带来的问题和产生的影响。为了增强适应性，陶瓷企业不仅需要大力提高科学技术应用水平和新产品的 研究能力，不断使产品更新换代，还必须采用计划评审法、成组工艺和多品种混流生产等先进的生产组织方法，采用适应性强的机器设备以及柔性生产制造系统，以适应生产变动的需要。 从以上阐述的合理组织陶瓷生产过程的基本要求可以看出，生产过程的连续性、比例性、节奏性、平 行性和适应性这五项基本要求之间是互相联系、互相制约的，生产过程的比例性和平行性是实现连续性的前提。而比例性、平行性和连续性又是实现节奏性的前提。 因此，在组织陶瓷生产过程时，必须对上述基本要求全面加以综合考虑。1.4光纤陶瓷插芯光纤连接器是把光纤的两个端面精密地对接起来，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合到接收光纤中。陶瓷插芯是这种光纤连接器的核心部件，它是一种由纳米氧化锆(ZrO2)材 料经一系列配方、加工而成的高精度特种陶瓷元件，其孔径、真圆度误差为0.5靘。所制成 的连接器是可拆卸、分类的光纤活动连接器，使光通道的连接、转换调度更加灵活，可供光 通系统的调试与维护。光纤陶瓷插芯工艺技术该产品的制造运用了以下先进的工艺技术：(1)纳米氧化锆粉体注射成型材料配方和成形工艺技术；(2)内孔直径为0.125mm、长度为1215mm的细长微孔成形技术；(3)精度误差为0.1m的精密陶瓷加工技术；(4)烧结晶粒亚微米化的工艺控制方法；(5)低损耗的光通信部件，其插入损耗0.2dB，回波损耗40dB。 光纤陶瓷插芯产能消化1、产能扩张大于需求增长。前文介绍的产能有哪些现成的消化途径？第一大市场是什么行业，第二大市场又是什么行业？陶瓷插芯作为一个配套光通讯基础设施的特殊部件应用狭窄，除了应用在光纤通信行业没有其他销路，只有唯一的市场，并没有后备市场。那么，我们看看这光通信行业发展的增长情况怎样。光通信基础设施投入依赖于国家政策与运营商投入，有投资才有插芯需求。如果运营商前期投入不能产生效益，相信运营商不会连续烧钱。好像3G项目，仅在2009年一年联通、移动和电信分别投资了300亿元、600亿和300亿元，现在社会上有多少人使用3G手机，还会持续不断投资吗？没有持续投资，就没有持续的行业发展，就没有增长，插芯的库存只能堆放在生产厂家，陶瓷插芯不像建材产品当房地产调控时可以挖掘公路、铁路和机场市场。2、陶瓷插芯是耐用品，不是年年都有更新需求。陶瓷插芯性能使用要求是20年，使用了一个在质量保证期内就少了一个的需求，长期耐用不需年年更换，即是说运营商要求铺设光纤光缆后20年内不要更换，一哄而上过剩的插芯产能也许10多年后才可能消化完。3、陶瓷插芯泡沫的前车可鉴。陶瓷插芯的生产设备是专业设备，也是只能用于生产陶瓷插芯。目前大陆光通信行业产销两旺刺激许多投资，很像日本在2000年光通信泡沫刺激的插芯投资，当时的情况历历在目，1999年和2000也是插芯和光缆短缺，行业人士非常看好光通信的发展，老厂家象京瓷、ADAMANT,TOTO大规模扩产，新企业也加盟订购设备，殊不知这些新到设备从2001到2006都没有启用，拖垮了大批日本公司，也造成当时新投资企业韩国PRIME PHOTECH, 台湾大陶，台湾龙展威迅速退出。但愿历史悲剧不再。光纤陶瓷插芯行业投资随着今年国内三网融合的政策出台，以及国际光通信市场的复苏，有力地推动光通信行业的发展，产业链上下游各产品供不应求局面，光纤陶瓷插芯自然而然随大市出现供货紧张，特别是下半年来时有出现短缺现象。然而，在插芯行业分享市场的盛宴之下，也隐蔽着投资过渡的隐患。12月初，国内主要的陶瓷插芯生产厂家在深圳召开行业会议，交流各生产家的产销情况和市场需求趋势。根据参会人士消息，各插芯生产厂家都有幅度比较大的扩产，这些新增产能将会在2012年6月后实现批量生产，参会企业认为这可能会造成下半年的产能过剩。另外，市场至少有六家新公司上马的光纤陶瓷插芯项目。这些新进入的公司投资力度之大让人咋舌，其中苏州中光投入经费1.5亿元，社会热钱已经在插芯行业开始泛滥。按此新老插芯厂商的投资规模，预计到2011年六月国内插芯的月均产能达到8000万只，是2010年底的2.2倍。陶瓷插芯是光通讯的核心器件，光纤到户的“最后1公里”都要使用该器件。据有关业内人士预测，全球真正实现三网合一光纤到户后，该产品的需求量将是现在的5-10倍。目前，该产品主要生产商集中在日本的“京瓷”、“TOTO”、“阿德曼”等大公司手中。我国使用该产品，主要依靠进口。据了解，香港大陶是全球第7大陶瓷插芯生产商，拥有自己的知识产权。他们已与深圳中技合作，在深圳建成了1条生产线。湖南大陶建成后，该公司的生产能力将上升到全球第4位。光纤活动连接器是光线通信系统中必不可少的无源器件，是实现光纤与设备、光纤与仪表、光纤与光纤之间快速可靠通断连接的一种手段。用于光纤活动连接器（connector）的氧化锆插针(ferrule)和套筒(sleeve)由于具有精度高（内孔精度为1微米）、使用寿命长等特点，正逐步取代金属件，得到广泛应用。随着光通讯技术的迅猛发展，对用于光纤活动连接器的氧化锆插针和套管的需求也增加很快。2000年全世界的需求量约为2亿套，2001年原预计约为4亿套，但由于IT行业的不景气及美国“9.11”事件的影响，实际约为2.5亿套，估计以后10年的增长率为25%-30%，2005年将达到5亿套。氧化锆陶瓷插针及套筒已成为市场需求量最大的高技术陶瓷产品之一。 2000年以前只有京瓷（Kyocera）、东陶（Toto）等几家日本公司掌握氧化锆陶瓷插针及套管的完整生产技术。近年来，我国大陆和台湾数十家企业开始从国外引进陶瓷插针生产线，现在已形成了月产500万只的生产能力，但生产插针用用氧化锆粉料还需从日本进口。日本还未向我国转让氧化锆陶瓷套筒技术，国内有数家研究和生产单位在研发和小批量生产氧化锆陶瓷套筒，而批量生产的氧化锆陶瓷套管还必须采用进口，花费大量的外汇，并且昂贵的日本原料大大削弱了我国产品的竞争优势。我国已引进了陶瓷插针成品及毛坯的生产技术，但生产插针用氧化锆粉体及陶瓷套筒还需大量进口，这些大大制约的我国光纤连接器的发展。 我国“八五”、”九五”国家攻关计划一直支持氧化锆超细粉体的研究，但主要是针对氧化锆球阀、磨介及耐磨部件等产品。2002年初“十五”863计划将“用于光纤接口插针原料的高质量ZrO2超细粉体低成本规模化制备技术”列题，上海硅酸盐研究所招标拿到这一任务。我合作企业某化工有限公司是我国最大的高纯氧化锆粉体生产厂家，生产能力可达月产70吨，其中80%以上销往美国、西欧、南韩及台湾等国家和地区，1999年开始与清华大学新型陶瓷及精细工艺国家重点实验室合作研究光纤连接器用氧化锆粉体，2002年初参加了863计划这一课题的招标。招标失败后，企业继续投入大量资金进行研发，采用全新的工艺路线，终于研究出了可用于光纤连接器的粉体，质量达到了日本TOSOH公司的水平，2002年底建成年产300吨的光纤连接器用氧化锆粉体生产线。现在粉体已开始批量出口日本及韩国，国内主要陶瓷插针厂家已开始批量试用。31第2章 本章标题第2章 课题研究任务要求2.1 毕业设计具体任务1、完成摄像机选型。2、完成光源选择。3完成测量头的设计。4、翻译2篇有关英文文献。5、根据设计基本参数，设计分析，设计陶瓷插芯的检测（具体检测陶瓷插芯的外圆直径，内圆直径，内外圆的同心度），绘制二维装配图及8-12个主要零件的零件图。6、对3-5个关键件的零部件进行工艺分析，编制机械加工工艺，并填编制机械加工工艺卡。7、编写设计说明书6000字以上。2.2设计基本参数1、陶瓷插芯加工材料：氧化锆（ZrO2）2、陶瓷插芯同心度(内孔与外径)1微米。3、CCD高像素摄像机。4、需要背光源、低角度光源。2.3课题设计途径与方法1、了解摄像机成像。（了解加工对象）2、了解光源的作用。3、了解机械传动。（总体构思与布局）6、设计绘图。7、设计研讨会，改进设计。8、编号设计计算说明书，工艺文件等。（结构设计，及相关计算）9、综述、参考索引、编制。第3章 本章标题第3章CCD成像原理与测量技术3.1 CCD介绍CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。CCD广泛应用在数码摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术如Lucky imaging。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。 CCD的加工工艺有两种，一种是TTL工艺，一种是CMOS工艺，前者是毫安级的耗电量，而后者是微安级的耗电量。TTL工艺下的CCD成像质量要优于CMOS工艺下的CCD。CCD广泛用于工业，医疗、民用产品。3.2 CCD功能特性CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换,实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。3.3 CCD工作原理CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道 之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实 现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像(线阵CCD如右图所示)。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式 连接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。3.4 CCD成像原理大家知道，世界万千的色彩，可以用三种来最终表述。 红色绿色和蓝色，这里我们一般用英文的首字母来表示 分别为R.G.B，计算机世界里其中一种颜色的表示方式也是这种 用一个8Bit的数据来表示其中一种颜色的灰度值 (十六进制的0xff等于十进制的255) 所以计算机里用0xff0000来表示一个单纯的红色 如果不是纯红色，那就是f2,34,f1三个眼色的灰度值来表示任何一种颜色 这种颜色表示法，可以算出来它可以表示2的24(8bit*3位来表示颜色)次方种颜色 这就是计算机的RGB颜色表示法。 回头看一下我们的相机，我们的相机CCD或者COMS也是用的这个原理来产生色彩。 通过上面的原理，我们可以产出，相机是个色盲，他不会辨认颜色，只会辨认灰度。 一种颜色的灰度。所以我们CCD或者CMOS上存在着很多感应颜色灰度值的点，也就是我们平时所说的CCD上的一个像素。为了显示彩色图像。一个像素就不可能感知所有色彩的灰度，他只能感知RGB当中的一种。 人们就想出一个办法。那就是让一种像素点专门感知红色灰度，一种专门感知绿色，一种专门感知蓝色 这样，单个颜色的采样色阶就出来了。一个像素可以理解为一个采样精度为255阶的AD口，负责采样红色灰度值的得到当前光线中红色部分的灰度信息，其他颜色的同样 既然CCD上存在这三种采样不同颜色灰度的像素点。那么就存在着他们在CCD上如何排布的问题。实际上他们是交叉排布的如下图 上图可以看到，红色和蓝色点是一个隔一个。而绿色点则占了一整行也就是说RGB三种颜色的点数量比是1:2:1为何呢，为何感应绿色的点特别多呢？ 这是因为人对绿色信息特别敏感，所以刻意加多了绿色灰度数据的收集，这样做的目的是更好的为以后差值放大做准备 CCD如何得到这些颜色的灰度信息讲完了，我们回到图像上来，当你拍摄图像完毕后，得到的就是 这些小型AD采样灰度值,也就是我们所说的相机原始图像信息，可以说是数码相机的底片。在专业机器上，我们把这种数据输出的文件叫做RAW格式文件 他存的就是这些颜色的灰度信息,当然RAW文件是将数据压缩过的。比理论文件大小要小一些 下面实际计算一下。假设我们买了一台1200W像素的相机 也就是说，你的CCD上有1200W个感光点。他们R，G，B感光点比值是1:2:1 也就是说这个最终生成的RAW文件包含300W个R（红色信息）灰度值,600W个G,300W个B (原文有误,林峰注) 他的文件大小（不压缩）应该是8bit*1200W=96000000bit=96000000/8/1024/1024约等于11.444Mbytes（一个灰度值用一个8bit的数来表示所以要*8） 就是这个1200W像素相机最后生成一个未压缩的RAW格式文件应该是11M左右。 然后，我们将这个RAW文件转换成普通格式文件(TIFF)，有条件的朋友可以自己试验一下，看看它有多大 我们这里计算一下。1200W像素的TIFF文件应该是多大。 个颜色计算机用一个24位的数来表示，这个我前面讲解过 那么他的文件大小应该是12,000,000*8bit*3=34.3323Mbtyes 也就是说一个只有11M的相机产生的图像文件最后转换以后变成了一个34M的图像文件,中间没有任何压缩操作。 那么他多出来的那将2倍的数据是哪里来的？ 其实答案很简单，多出来的那么多信息由相机里的或者电脑上的CPU算出来的，这里就涉及到一个插值算法的问题 你想想，相机上的1个像素只是一个8位的数来表示，而你最终看到的图像一个像素是一个24位的数来表示的。CPU就负责插值算出这不足的16bit位。他怎么算的呢当然这种算法是各个厂商高度保密的因为这将最终影响到输出jpg文件的图像质量。但大致上是通过这个像素周边的颜色灰度值来计算出这个点的RGB值，比如你这个点记录的是R的灰度，那么插值的时候程序就会去找这个像素点周边G和B点的值，这样可以为他补足他的24位做贡献。这样也从根本上解释了为何数码相机会有紫边？就是因为有这样一个插值算法存在，你才会在数码相机上看到紫边，所以紫边是镜头这个导因和插值算法最终导致了紫边的出现，所以紫边的罪魁祸首是插值算法。所以紫边产生的原因可以总结为三点相机镜头的色差、CCD成像的局限性、照片放大倍数。CCD图像测量由图像传感器、摄像控制器、像素检测器三个主要单元组成。光学成像装置是光学图像的采集部分，它将被测物体成像在CCD器件的光敏面上。摄 像控制器的时基单元由晶体振荡器通过分频电路产生多种时序脉冲，经过驱动器为CCD器件提供电路工作条件，同时控制图像数据的传输率和调整曝光时间。3.5 CCD图像测量流程初始的图像信号经放 大、钳位和取样等预处理后，获得瞬时幅度正比于各像素所接收的图像光强的电平信号，然后进一步通过AGC自动增益控制来补偿照明条件的起伏。用做测量的图 像信号经二值化处理后进入像素检测器，在这里通过像素计数确定二值化图形脉冲的间距值，并在乘以脉冲当量数值后得到实测的物体尺寸。3.6 CCD图像测量测量公式（1）光学成像关系设被测物高为Y，像高为y，则y=Y式中，=f/(L-f)，为光学系统放大倍数。（2）空问变换关系在CCD像面上，有确定尺寸的像素按线阵排列，相当于光电刻尺和被测像高比对。若像高占据的像素数为N，则有yNIo式中，凡为像素沿线阵方向的尺寸，凡通常为713m。3.7 CCD图像测量原理示意被测对象的光信息通 过光学系统，在CCD的光敏面元上形成光学图像，CCD器件把光敏元上的光信息转换成与光强成比例的电荷量。用一定频率的时钟脉冲对CCD进行驱动，在 CCD输出端得到被测对象的视频信号。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收的光强强弱，而信号输出的时序则对应CCD光敏元位置的顺 序。通过后续处理线路对CCD输出的视频信号进行二值化或者量化处理后，将被测目标从背景中分离出来，为进一步的数据处理和分析做准备。图（a）是典型的线阵CCD测长系统的原理示意图。整个测量过程包括：光学成像、图像信号输出、二值化处理确定图形轮廓、测定轮廓间的像素数、通过计算或实验确定脉冲当量并按测量公式计算被测尺寸。整个系统的工作波形如图（b）所示。第4章 本章标题第4章 摄像及运动平台设计4.1 CCD摄影头的选型根据课题任务对摄影头的要求测量精度：0.1微米，测量速度：1秒/只,能自动标识不合格产品。CCD摄像头的性能详细技术讲解科学级CCD支持神经系统和脑成像；生物自发荧光和冷光成像；热成像；夜视成像；空气动力学成像；Cortical成像；真空成像；Raman显微镜成像；化学发光成像；风洞测试成像；核子成像；科学目标跟踪及远程侦察。数字化ProgRes CCD 摄影机支持及控制(选项)： 灰阶数量决定图片的素质和对比。8位 - 256灰阶(28)10位 - 1024灰阶(210)12位 - 4096灰阶(212)14位 - 16384灰阶(214)14+x位 16384灰阶(214+x) 较多的位 - 增加资料深度 (data depth)，因此可提供更丰富的信息。 注：bit 是 BInary digiT 的缩写，称为位，也称为比特。火线 (firewire) 与 万用串行总线 (USB) 之优缺点比较所有 ProgRes CCD 摄影机都备有火线 (IEEE1394a) 技术。 IEEE1394a 火线的优点保证频宽 400Mbps，其中之 320Mbps 可用作数据传输电源提供可达 8W 电压范围为 8 到 32V只需一条传输线可同时装置多台摄影机对等式 (P2P) 连结可用远距离光纤延伸线与 IEEE1394b 兼容USB2.0 的优点大部份现有计算机都会备有 USB2.0 接口IEEE1394a 火线的缺点 不是所有计算机都会备有火线接口加装火线适配卡USB2.0 的缺点典型频宽为 150 到 200Mbps理论频宽 480Mbps 不保证频宽电源提供最大 2.5W传输线最长 10m主仆式 (Master to slave) 连结， 没有对等式 (P2P) 连结没有升级计划注：USB ( 万用串行总线)的英文全名是 Universal Serial Bus。对等式 Peer-to-Peer (P2P) 技术能让使用者直接互相分享。 1394a 火线是当今较强的解决方案，因为它可提供快捷的传输速度以及足够的电源，适合 ProgRes 专业CCD 摄影机应用 。下一代的火线拥有更快的传输速度：1394b 将拥有 800Mbps 的频宽。CCD 与 CMOS 影像感光组件之特点与效能比较特点CCDCMOS画素输出讯号电子封包电压芯片输出讯号电压 (模拟) 位 (数字)相机输出讯号位 (数字)位 (数字)充填因子 (Fill factor) 高中系统噪声低中系统复杂性高低感光组件复杂性低高相对的系统价格较高较低效能CCDCMOS响应度 (responsitivity)中稍好动态范围高中一致性高低至中统一快门 (unifrom shuttering)快，普通拙劣的速度中至高较高窗口变化 (windowing)有限广泛抗模糊 (anti-blooming)高至无高注：CCD 是 Charge-Coupled Device 的简称，是电荷藕合组件，也称为数字摄影头或数字摄影机。CMOS 是 Complementary Metal-Oxide Semiconductor 的简称，是互补性氧化金属半导体。提高 Fill Factor (单一画素中可吸收光的面积对整个画素的比例)，可有效做到提升敏感度、放大面积(全片幅) 和降低噪声的影响。响应度 (responsitivity) 为感光组件每单位光的响应。ProgRes 制冷 (散热) - cooled CCD 适当的排列内建零组件。- 两块电路板 解决方案。- 适当的相机组装。- 制冷组件、风扇及金属外壳。 内建零组件。- 可感测热电。- 高品质。- 有利的尺寸 (零组件并非一定要用到极限)。 - 电源管理。 相机内部电源管理。- 没有产生的热能不需排出。 整个感光面积都拥有一致情况。- 对称的电路板提供良好数据再现性。 稳定的制冷。- 撷取的影像可再现。- 短时间与长时间曝光都稳定。 模拟增益 (Analogue Gain)模拟增益最多增加八倍的敏感度。短时间曝光也行 (萤光及暗视野)。经过查阅相关资料,我们选取一种飞利浦系列的CCD摄像头SPC900NC/97.4.2 自动检测机机械平台设计机械平台设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。4.2.1 确定系统脉冲当量脉冲当量p是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。4.2.2 工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:X向拖板(上拖板)尺寸为: 长*宽*高=420*410*50重量:按重量=体积*材料比重估算为: = Y向拖板(下拖板)尺寸为: 重量=上导轨(含电机)重量为夹具及工件重量:约155NX-Y工作台运动部分总重量为:4.2.3 滚动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25基本参数如下:额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷N依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够.4.2.4 滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=5mm强度计算丝杠轴向力：(N)其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,则:寿命值：，其中丝杠转速(r/min)最大动载荷：式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。查表得中等冲击时则:根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。其基本参数如下:其额定动载荷为14205N 足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表名称计算公式结果公称直径20mm螺距mm接触角钢球直径3.175mm螺纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径19.365mm螺杆内径