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南京工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯
原 文 題 目： Pseudo-polar based estimation of large
translations rotations and scalings in images
原 文 來 源： SIAM Journal on Imaging Sciences, 2009, 2(2): 614-645
學(xué) 生 姓 名： 黃小飛 學(xué) 號： 201080418
所在院(系)部： 機械工程學(xué)院
專 業(yè) 名 稱： 機械電子工程
在圖像中基于偽極坐標的大尺度變換、旋轉(zhuǎn)和平移的估算
Yosi Keller Amir Averbuch Moshe Israeli
耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)系 特拉維夫大學(xué)計算機系 以色列理工學(xué)院
美國紐黑文 以色列特拉維夫 以色列海法
摘要
相關(guān)的圖像配準中的主要挑戰(zhàn)之一是沒有先驗知識的大型運動估計。本文提出了一種基于傅里葉的方法，估算大型的平移，縮放和旋轉(zhuǎn)運動。該算法利用圖像轉(zhuǎn)換偽極性變換極性和極性記錄傅立葉實現(xiàn)重大的改進的近似值。因此，旋轉(zhuǎn)和尺度變化，減少使用相位相關(guān)估計的變換。我們利用偽極網(wǎng)格增加配準算法的性能（精度，速度快，穩(wěn)定性）。最多可放大為4，可以任意旋轉(zhuǎn)角度強勁恢復(fù)，相比于目前國家最先進的算法的恢復(fù)的最大尺度為2。該算法利用的只是1D FFT計算，其整體復(fù)雜度明顯比以前的配準算法高。實驗結(jié)果表明，這個算法的適用性。
1引言
圖像配準在許多圖像和視頻增強處理應(yīng)用中起著重要作用，僅舉幾例如視頻壓縮和景物表示等等。使用不同的計算技術(shù)，如像素域梯度法，相關(guān)技術(shù)和離散傅立葉（DFT）域算法對這個問題進行了分析。用梯度法表示圖像的算法被認為是國家最先進的。只有通過一個適度的運動使這兩個圖像是錯位，這種算法才可能會失敗。基于能夠估計比較大的平移，縮放和旋轉(zhuǎn)變換的傅立葉經(jīng)常像引導(dǎo)方法被用于更加精確的梯度法。基于傅立葉計劃有關(guān)的基本概念是轉(zhuǎn)移特性的傅立葉變換，它允許使用歸一化的相位相關(guān)算法轉(zhuǎn)化的穩(wěn)健估計。因此，為了考慮到旋轉(zhuǎn)和縮放，圖像轉(zhuǎn)化成極性或?qū)?shù)極性傅立葉網(wǎng)格（簡稱傅立葉-梅林變換）。在這些方法中旋轉(zhuǎn)和縮放被很少用于圖像變換中，可以通過相互關(guān)聯(lián)的分階段的估計得到。在本文我們提出了通過使用偽極（FFT PPFFT）重復(fù)的估計極性和對數(shù)極性DFT。由此產(chǎn)生的算法，能夠有力配準任意角度的圖像旋轉(zhuǎn)，并且最大可以放大到4倍。應(yīng)當指出的是它的最大規(guī)模的因素恢復(fù)分別為2.0和1.8。特別是，該算法不會導(dǎo)致在空間域的傅立葉域插值。只有1D FFT運算使用，使得它運算更快，特別適合實時應(yīng)用。這篇文章的其余部分結(jié)構(gòu)如下：此前有關(guān)基于FFT的圖像配準的結(jié)果在第2，在第3節(jié)之前基于FFT的圖像配準的結(jié)果。實驗結(jié)果在第4節(jié)進行了討論，最后的結(jié)論是在第5節(jié)。
2前相關(guān)工作
2.1變換估算
傅立葉基于運動估算的基礎(chǔ)上的，是旋轉(zhuǎn)特性的傅立葉變換，表示由
（1）
傅里葉變換的，然后，
（2）
公式（2）可用于圖像的平移的估算，假設(shè)圖像I1（X，Y）和I2（X，Y）一些重疊，
（3）
方程（3）是傅里葉變換，使
（4）
和
（5）
因此，轉(zhuǎn)換參數(shù)（）可以在空間域的Eq.5采取逆FFT估計：
（6）
和通過相關(guān)函數(shù)corr（x，y）來尋找最大值的位置
（7）
為了補償可能誤差強度式5改寫為：
（8）
其中的“*”表示復(fù)共軛。
2.2、極性傅立葉表示
極性傅立葉表示（傅立葉-梅林變換）被用來描述由于平移、旋轉(zhuǎn)、縮放而不重合了德圖像，使被平移、旋轉(zhuǎn)、縮放到圖像
（9）
這里，的和是回轉(zhuǎn)角、比例因子和平移參數(shù)。公式9的DFT是：
（10）
因此，和的大小 和分別都與周圍的DC分量的旋轉(zhuǎn)縮放有關(guān)。
（11）
因此，旋轉(zhuǎn)和尺度變化可以先恢復(fù)，不考慮平移參數(shù)。使用極性或?qū)?shù)極性DFT，旋轉(zhuǎn)和縮放減少到平移，它可以使用相位相關(guān)程序穩(wěn)健恢復(fù)，用公式11估計出由π[11]因素中的含糊之處的旋轉(zhuǎn)角度θ在旋轉(zhuǎn)角度的估計結(jié)果。這種模糊性的方法可以采用兩種假設(shè)解決θ和θ+π和恢復(fù)平移運動（）和相關(guān)峰的各個設(shè)定。
旋轉(zhuǎn)假設(shè)與平移值，這是最高的相關(guān)尖峰值，是選擇的結(jié)果。
2.3虛擬極性FFT
這種配準算法是基于偽極性快速，準確和可逆離散（FFT PPFFT）的存在。FFT的評估頻率過采樣的非均布點的角度，我們稱之為偽極（PP）的虛極網(wǎng)格。此網(wǎng)格如圖.1，PPFFT包括快速向前和逆變換和quasi-Parseval 關(guān)系。這種方法的特別之處在于，它涉及到只有1 - D均布的FFT。特別是，它沒有必要重新網(wǎng)格化或插補。該網(wǎng)格類似于極網(wǎng)格，同時具有快速，準確的運算方案。
圖1：它上面的網(wǎng)格 被認為是偽極FFT的網(wǎng)格。該網(wǎng)格類似于極地網(wǎng)格。
3、 建議的配準算法
本節(jié)介紹了擬議的圖像配準算法，分別在極性和對數(shù)極性域，使用虛極FFT （PPFFT）減少旋轉(zhuǎn)、縮放來轉(zhuǎn)化。
3.1、旋轉(zhuǎn)和平移的同步估計
3.2、旋轉(zhuǎn)、縮放和平移的同步估計
4、 試驗結(jié)果
這種配準算法被用來測試128x128的機場和飛機照片，這些照片被旋轉(zhuǎn)、縮放和變換的得到了兩組圖像，類似于[11，15]如圖2和3所示。這些圖片通過旋轉(zhuǎn)、平移和縮放等運算方式進行配準分別展現(xiàn)在3.1節(jié)和3.2節(jié)。結(jié)果通過使用估計的運動參數(shù)疊加其他圖像的邊緣生動形象的表現(xiàn)了出來，同時與之相應(yīng)的數(shù)字結(jié)果被呈現(xiàn)在表1和表2中。變換通過使用相位相關(guān)算法進行估計，但是它的精度相對于整體平移值是有限的這個我們是在2.1節(jié)討論的。我們注意到這個實驗的整體縮放比例因子對于這種算法的意義不是特別重要的，待會我們將要討論的是這種算法在它的動態(tài)范圍內(nèi)能夠配準任何縮放因素。
表1和圖2提出機場形象的配準結(jié)果，其中包含人為對象鋒利的邊緣和平滑區(qū)域包圍的特點。該算法能夠有力地配準在圖2a中有一個為2的比例因子和大型旋轉(zhuǎn)的圖像。這個試驗通過重復(fù)的測試不同的旋轉(zhuǎn)的角度得到了一個相似而準確的配準。圖2b和圖2c中呈現(xiàn)了這樣一個情況：在大旋轉(zhuǎn)角的情況下部分排成了直線。由于DFT的重要性在于他的周期圖，這種配準算法能夠配準這些圖片，因此它是一個圖像的功率譜的近似值。這些統(tǒng)計性質(zhì)是不變的部分對齊時，非相應(yīng)的圖像部分也有類似的統(tǒng)計特性。穩(wěn)定性的屬性在圖2c中得到驗證，圖片中明顯的噪聲被添加到其中，并使用旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)/縮放控制圖形配準得到配準模型。在兩種情況下，變換被以后估計。當用于旋轉(zhuǎn)模式時我們可以在有噪聲和無噪聲的情況下配準圖片，而在使用旋轉(zhuǎn)/縮放模式配準圖片時算法出現(xiàn)分歧。
在表1中的數(shù)據(jù)結(jié)果表明該算法收斂時可以獲得精度最高的數(shù)據(jù)結(jié)果。在沒有同時失調(diào)（“局部最小”）的情況下進行觀察。縮放/旋轉(zhuǎn)模式被認為是不太穩(wěn)定，會導(dǎo)致圖2b中算法錯誤估計的情況。
圖2：機場和F16的圖像配準結(jié)果。在每一行，左邊和中間的圖像進行了配準。在中心軸的圖像邊緣左側(cè)的圖像上疊加，說明配準的準確性。結(jié)果顯示在右側(cè)立柱。（a）縮放比為1，旋轉(zhuǎn)角為。（b）穩(wěn)定性通過加入噪聲到圖像中進行測試，相關(guān)參數(shù)包括縮放比為1，旋轉(zhuǎn)角為（c）分段的F16圖像的配準，縮放比為3，旋轉(zhuǎn)角為。使用這種模式。當算法收斂，收斂實現(xiàn)對所有圖像集而耗時5-7秒一個1.5MHz P4 Win2000的計算機使用非優(yōu)化的C + +，算法實現(xiàn)的計算時間在3-4迭代。
圖片3中的圖像被用來測試當使用大縮放比時對這種算法的影響。此前提到的算法可以放大到兩倍，而該算法可以成功的放大到4倍。圖形配準結(jié)果如圖3是準確的，其中的數(shù)值計算結(jié)果列于表2。圖3a，3c和3d演示該算法恢復(fù)大型縮放的能力。我們是不能夠始終如一地復(fù)原縮放大于4。計算的時間與表1和圖2的結(jié)果相似。我們可以得到這樣的結(jié)論：該算法能夠以較高的精度配準圖片放大到4倍，當變換被估計的時候，這個范圍內(nèi)任意的旋轉(zhuǎn)角度都可以被估計。
表1：設(shè)置圖像的配準結(jié)果，基于偽極性的算法呈現(xiàn)在圖2中。圖像通過較小的縮放比被旋轉(zhuǎn)和縮放。結(jié)果表明即使噪聲存在和有部分對齊，該算法也具有穩(wěn)定性的。
表2：使用基于偽極性的算法，在圖3中提出的機場圖像的配準結(jié)果。
5、 結(jié)論
在本文中，我們提出了基于FFT的圖像配準算法，它被證明是能夠恢復(fù)大型旋轉(zhuǎn)和縮放因素的。該算法采用偽極FFT提升當前國家的最先進的圖像配準算法。整體的復(fù)雜性由FFT的運算所決定，他的運算公式是。該算法被廣泛使用，可以通過使用特定于機器的優(yōu)化FFT的貫徹獲得接近于實時的性能。
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12 屆畢業(yè)設(shè)計 平尺刻線機設(shè)計 說明書 學(xué)生姓名 學(xué) 號 所屬學(xué)院 機械電氣化工程學(xué)院 專 業(yè) 農(nóng)業(yè)機械化及其自動化 班 級 指導(dǎo)教師 日 期 塔里木大學(xué)教務(wù)處制 目錄 1 緒 論 ......................................................................................................................................................3 1.1 選題的意義和目的 ........................................................................................................................3 1.2 本課題的研究現(xiàn)狀 ........................................................................................................................3 1.3 本課題需重點研究的關(guān)鍵問題 ....................................................................................................4 1.4 方案的確定 ....................................................................................................................................4 2 總體設(shè)計 ..............................................................................................................................................5 2.1 機型 ................................................................................................................................................5 2.2 工作原理 ......................................................................................................................................5 2.3 總體配置 ......................................................................................................................................6 2.4 基本設(shè)計參數(shù) .................................................................................................................................6 2.5 進料槽 .............................................................................................................................................6 2.6 抬刀機構(gòu) ........................................................................................................................................6 3 動力性能計算 ........................................................................................................................................6 3.1 主工作動力的選擇 ........................................................................................................................6 4 主要工作部件的設(shè)計計算 ....................................................................................................................8 4.1 設(shè)計要求 ........................................................................................................................................8 4.2 刀架軸的尺寸設(shè)計以及校核 ........................................................................................................8 4.3 立軸的設(shè)計 ..................................................................................................................................10 4.4 摩擦輪鎮(zhèn)壓彈簧的選擇 ..............................................................................................................10 4.5 摩擦輪力的計算 ..........................................................................................................................11 4.6 凸輪的設(shè)計 ..................................................................................................................................12 4.7 齒輪軸上齒輪齒條副的傳動比 ...................................................................................................13 4.8 摩擦輪軸的設(shè)計 ..........................................................................................................................13 4.8.1 軸的定位和材料的選取說明 ..................................................................................................13 4.9 刻線周期的確定 ..........................................................................................................................15 4.10 不完全齒輪的設(shè)計 ....................................................................................................................17 5.其他零部件 ..........................................................................................................................................18 5.1 水平軸 ..........................................................................................................................................18 圖 5-1 水平軸 ..........................................................................................................................................18 5.2 刻線刀示意圖 ..............................................................................................................................18 5.3 工作臺示意圖 ..............................................................................................................................19 5.4 軸承的選取 參見參考資料[1]第 64 頁。 ................................................................................19 5.5 鍵的選取 根據(jù)設(shè)計的需要，見參考資料[1]第 53 頁。 ........................................................19 5.6 水平軸復(fù)位彈簧的選取 ..............................................................................................................19 6 結(jié)論 ......................................................................................................................................................19 致 謝 ..................................................................................................................................................20 參考文獻 ..................................................................................................................................................21 1 緒 論 1.1 選題的意義和目的 人們在認識我們所生活的大自然到改造我們生活的大自然，由表及里，逐一深入，從 外及內(nèi)，顏色、形狀、大小、尺寸以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。長度測量就顯現(xiàn)出它的重要性，長 度 的 測 量 是 最 基 本 的 測 量 ， 最 常 用 的 工 具 是 刻 度 尺 。 可 是 在 最 開 始 是 不 存 在 刻 度 尺 的 ， 最早有記載的人為標準來自古埃及。埃及人曾用質(zhì)地堅硬的花崗巖制作了一根長度標尺， 它的長度是法老的小臂（肘到中指）的距離，因此又叫“腕尺”。雖然這個標準確定得 相當 隨意，卻解決了重要問題，比如：金字塔的準確施工得到了保證。 隨意定義長度標準的并不僅限于國外，中國的情況也基本類似。史書記載，在遠古時 期，中國人便“布手知尺”、“身高為丈 ”、“邁步定畝” 。古人中指中節(jié)之長被定義為 “一寸”， 直到現(xiàn)在，中醫(yī)的針灸還沿用這個標準。中國最早的長度標尺是安陽殷墟出土的商尺。這 把骨尺由獸骨磨成，長 17 厘米，上面標刻著等長的 10 個單位。到了春秋戰(zhàn)國時期，各國 諸侯各自定義自己領(lǐng)土內(nèi)的長度標準。這個王的手掌，那個王的小腿，都紛紛派上用場， 使得長度標準極為混亂，給國與國之間的交流造成了極大不便。到秦始皇統(tǒng)一度量衡時， 王侯的身體部位才退出歷史舞臺。從而我們是很迫切的需要一種有準確刻度線的丈量儀器， 而刻線又成了一個問題。人工的誤差是很大的，在工業(yè)和科技日新月異的最近一個世紀， 人們就設(shè)計出了刻線機，并且不斷改進。 本課題通過機械化刻線，可以達到準確度高、精確度高。減少了勞動力，提高了生產(chǎn) 效率，降低成本，本課題在研究時遇到的一些技術(shù)問題，通過認真分析以解決，在今后的 設(shè)計類的工作中也有一定的經(jīng)驗可循。 1.2 本課題的研究現(xiàn)狀 平尺刻線機國內(nèi)研究現(xiàn)狀： 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有的刻線機上采用了激光刻線機由光刻代替機械刻劃，可在工 作臺移動的情況下完成動態(tài)刻線，刻線精度大為提高，國內(nèi)比較成熟的激光刻線機廠家例 如北京博奧嘉華激光科技有限公司生產(chǎn)的 BVD50 系列激光刻線機。 平尺刻線機國外研究現(xiàn)狀： 國外現(xiàn)在有的刻線機大部分是電腦中控下的激光刻線機。例如 OK-KX50A 激光刻線 機采 用 光 刻 代 替 機 械 刻 劃 ， 可 在 工 作 臺 移 動 的 情 況 下 完 成 動 態(tài) 刻 線 ， 刻 線 精 度 大 為 提 高 。 克 服 了 傳 統(tǒng) “照 相 -腐 蝕 ”工 藝 費 時 ， 費 力 的 缺 點 ， 高 速 、 高 效 ， 一 次 完 成 刻 線 、 字 符 、 商 標 等 內(nèi) 容 。 全 程 電 腦 控 制 ， 精 度 高 、 速 度 快 ， 最 大 限 度 的 降 低 了 產(chǎn) 品 不 合 格 率 。 使 用 靈 活 方 便 ， 即 可 成 批 量 生 產(chǎn) ， 又 可 滿 足 少 量 加 工 等 多 種 需 求 。 絕 對 環(huán) 保 ， 無 任 何 污 染 ， 是 現(xiàn) 代 化 生 產(chǎn) 工 藝 的 主 流 。 支 持 單 公 制 、 單 英 制 、 雙 公 制 、 雙 英 制 、 公 英 制 、 英 公 制 等 標 新 型 。 支 持 丁 字 型 、 拐 角 型 、 圓 型 等 各 種 特 殊 量 具 類 型 。 支 持 用 戶 自 定 義 的 其 它 非 標 類 的 平 面 或 圓 柱 面 的 量 具 。 速 度 快 ,刻 線 清 晰 、 精 度 高 、 永 不 磨 損 。 制 圖 方 便 快 捷 ， 可 根 據(jù) 需 要 隨 意 制 作 各 種 尺 寸 、 形 狀 、 圖 標 的 量 具 。 三 維 數(shù) 控 ， 除 主 運 動 外 其 它 兩 維 運 動 也 是 自 動 調(diào) 整 ， 可 以 快 速 準 備 的 對 焦 ， 定 位 。 對 已 生 產(chǎn) 過 的 型 號 ， 電 腦 自 動 記 憶 位 置 及 其 刻 線 參 數(shù) ， 以 后 生 產(chǎn) 可 直 接 調(diào) 用 ， 不 必 再 調(diào) 焦 ， 定 位 。 1.3 本課題需重點研究的關(guān)鍵問題 本課題需要重點研究的關(guān)鍵的問題是刻線部分的抬刀機構(gòu)和刻線機構(gòu)，還有平尺的進 給機構(gòu)。解決刻線不準確、不方便，保證刻線刀的工作效果，結(jié)合目前的研究條件，此平 尺刻線機采用類似立式銑床的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)刻線與抬刀動作，這種結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計，傳 動效率高。同時容易理解，本課題的主要動力來源刻刀，由主電動機通過減速器帶動整體， 完成刻線。然后由抬刀電動機通過減速器連接到齒輪齒條副，在通過立柱上的絲杠螺紋副 完成抬刀下刀動作。最后由進料電動機通過減速器連接到不完全齒輪連到摩擦輪軸，由摩 擦輪帶動平尺前進完成進料動作。 進行下一周期的刻線工序。 1.4 方案的確定 在翻閱和查找國內(nèi)外的相關(guān)資料和信息，經(jīng)過調(diào)查分析，我們發(fā)現(xiàn)刻線方式有以下幾 種： 1、 工作間歇進給機構(gòu) 首先，間歇性進給機構(gòu)大致有： a）、槽輪機構(gòu) b）、不完全齒輪機構(gòu) c）、棘輪機構(gòu) d）、組合機構(gòu) 首先，槽輪機構(gòu)外形尺寸小，機械效率高，能平穩(wěn)地間歇地進行轉(zhuǎn)位，但是相對于不 完全齒 實現(xiàn)進給時結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜；而且制造及裝配的精度要求高，其傳動時尚存在柔性沖擊，只 能用于速度不太高的場合，且轉(zhuǎn)角大小不能調(diào)節(jié)。 不完全齒輪機構(gòu)可設(shè)計的參數(shù)較多，易滿足 不同停歇要求。但是，不完全齒輪機構(gòu)和普通齒輪機構(gòu)的區(qū)別，不僅在從齒輪的分布 上，而且在嚙合傳動中，當首齒進入嚙合及末齒退出過程中，齒輪并非在實際嚙合線上嚙 合，因此在此過程中不能確保定傳動比傳動。由于從動輪每次轉(zhuǎn)動開始和終止時，角速度 有突變，故存在剛性沖擊。若將不完全齒輪直接和調(diào)節(jié)進給的下層工作臺相連，則會造成 較大的進給誤差。 棘輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和運動可靠，并且棘輪轉(zhuǎn)角可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)等優(yōu) 點。但其缺點是傳動動力小、工作時有沖擊和噪聲。不僅如此，傳動力不足則會對工作臺 的進給產(chǎn)生影響，從而影響整個工序。 基于以上機構(gòu)的優(yōu)點，故考慮組合機構(gòu)——不完全齒輪與螺旋機構(gòu)。此機構(gòu)簡單、進 給精度高傳動力較大，易于制造加工。 不完全齒輪機構(gòu) 槽輪機構(gòu) 棘輪機構(gòu) 圖 1-1 2、 刻線機構(gòu) 常見的王府機構(gòu)有： a） 、凸輪推桿機構(gòu) b） 、四桿機構(gòu) c） 、不完全齒輪與環(huán)形齒條 凸輪推桿機構(gòu)中，能通過凸輪的輪廓曲線實現(xiàn)推程、休止、回程。推程與回程使刀具 沿直線運動，休止能起到間接性的作用，從而機構(gòu)亦能達到刀具的間歇性往復(fù)運動。但凸 輪與推桿的接觸為先接觸，而刻線是刀具收的力比較大，凸輪壓力大，易磨損。 由于不完全齒輪能實現(xiàn)所需的間歇性運動，而環(huán)形齒條能實現(xiàn)往復(fù)運動，不完全齒輪 與環(huán)形齒條配合也為實現(xiàn)刀具的間歇性往復(fù)運動提供另一條途徑。搭載計算過程中因為齒 數(shù)等參數(shù)比較難于計算，無法做到恰到好處的嚙合，且也無法實現(xiàn)抬刀運動，只能保證刀 在一個方向上運動。 刻線的直線行程，四桿機構(gòu)選擇性相對較大，是的四桿機構(gòu)不能被忽略考慮。在對一 些常用的四桿機構(gòu)的分析過程中，我們發(fā)現(xiàn)四桿機構(gòu)普遍類似，且功能單一。 基于以上考慮，采用凸輪推桿機構(gòu)組合螺旋上升機構(gòu)完成刻線和抬刀動作。此機構(gòu)結(jié) 構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。 2 總體設(shè)計 2.1 機型 該機器屬于專用型小型機器，借鑒立式銑床的原理進行設(shè)計。 雖然定位為小型機器，但其結(jié)構(gòu)尺寸還要根據(jù)具體的配套電動機來定。 2.2 工作原理 工作過程：刻線機主要由壓刀機構(gòu)、刻線機構(gòu)以及進給機構(gòu)三部分組成。壓刀機構(gòu)用 于刻線時將刀具壓下，刻線完成之后，通過齒條齒輪副和絲杠螺紋副使刀具自動起落，避 免平尺磨損；刻線機構(gòu)用于控制刻線及刻線長度；進給機構(gòu)用于控制刻線間隔。 2.3 總體配置 經(jīng)過多次的討論和研究，確定平尺刻線機的總體結(jié)構(gòu)，包括臺刀機構(gòu)、刻線機構(gòu)和平 尺進給機構(gòu)等組成。 圖 2-1 刻線機主要部件示意圖 1.工作臺 2.端蓋螺釘 3.水平軸 4.定尺條 5.螺紋筒 6.刀架軸 7.固定螺母 8 鍵 9.立軸（絲桿、齒輪軸） 10.刀體 11.定位螺母 12.墊片 13.壓緊彈簧 14.摩擦輪 機器主要由工作臺、電動機、凸輪、水平軸、定尺條、立柱、螺紋筒、刀體、以及不 挖版權(quán)齒輪、壓緊裝置和摩擦輪構(gòu)成。 2.4 基本設(shè)計參數(shù) 刻線深度 （mm） 0.5 刻線時間 (s) 1 刻單線力 （N） 1000 2.5 進料槽 平尺為 1040*30（mm） 平尺刻線機主要用來實現(xiàn)自動刻線，刻線要求為每隔 1 毫米刻一條線，刻線長度有 10 毫米、13 毫米、18 毫米三種類型。前四次刻線每次刻線長度為 10 毫米，第五次刻線長度 為 13 毫米，第六至第九次刻線長度為 10 毫米，第十次刻線長度為 18 毫米，以后依此類 推。 刻線機主要由壓刀機構(gòu)、刻線機構(gòu)以及進給機構(gòu)三部分組成。壓刀機構(gòu)用于刻線時將 刀具壓下，刻線完成之后，通過齒條齒輪機構(gòu)和絲杠螺紋副使刀具自動抬起，避免平尺磨 損；刻線機構(gòu)用于控制刻線及刻線長度；進給機構(gòu)用于控制刻線間隔。 2.6 抬刀機構(gòu) 抬刀機構(gòu)是由如圖 2-1 所示，定尺條 4 與齒輪軸 9 上的齒輪嚙合使傳動方向改變，然 后通過絲杠 9 到螺紋筒 5 到刀架軸 6 完成抬刀下刀動作，刻線完成后水平軸在回位彈簧的 作用下回位，從而齒輪齒條副以及上面的絲杠螺紋副反向運動完成回程運動。 3 動力性能計算 3.1 主工作動力的選擇 基于設(shè)計是從最末端的工作部位開始的，所以從工作部位的零件開始校核計算。 動力的配套適應(yīng)性應(yīng)符合拖拉機的額定功率大于機具在作業(yè)中所消耗的功率這一原則。 圖 3-1 減速機的型號與標記 圖 3-2 減速機的安裝形式 圖 3-3 減速機的電機接線盒位置 ⑴ 機具在作業(yè)中要消耗的功率 P1 作業(yè)中機具消耗的功率主要刻線刀在受牽引破開平尺消耗的功率 P 組成。 刻線消耗的功率 P ：刻 刻線刀克服平尺阻力所消耗的功率 P 按下式計算：刻 （3.1.1）3=10810=pFvW????刻 刻 刻 υ 行-機具行進速度(mm/s)可按 18mm/s 就是按照每秒完成刻線動作一次。 刻線刀所受工作阻力為 （3.1.2）nN?刻 單 線 式中： n—每次刻線的條數(shù) —刻每條線所需要的力F單 線 ⑵ 相應(yīng)于作業(yè)功率，拖拉機發(fā)動機應(yīng)具有的功率 P ：開 拖拉機發(fā)動機的額定功率應(yīng)較作業(yè)消耗功率大一些，有所貯備，另外再考慮到動力傳 輸?shù)臋C械效率，因此減速機應(yīng)具有的功率為： （3.1.3）3=1080.9=162WPv????刻 刻刻 實 式中：μ—減速機滾動阻力系數(shù)，這里取 0.12η—機組總的機械效率，現(xiàn)在按 0.9 計 將各有關(guān)值代入公式 考慮到回位彈簧所消耗的功率，參考圖 3-1、3-2 、3-3 可選擇FAZ32Y1.45PMC 4 主要工作部件的設(shè)計計算 4.1 設(shè)計要求 刻線力： 1000N/每條線 行走速度： sm18?v 平尺長度：L=1040mm 每行走 11mm 就是要刻線 10mm，所需時間約為 4 秒鐘 所以 每分約刻線 150mm. 4.2 刀架軸的尺寸設(shè)計以及校核 圖 4-1 刀架軸 水平面支撐反力： 12HF? 10=0tFN?? （4.2.1） 150tN （4.2.2） 水平面的彎矩： 1.7518.2aHLMFNm???? （4.2.3） 轉(zhuǎn)矩： 20.35tdT? （4.2.4） 22()eaHMT??? （4.2.5） 22(187.5)(0.6135)? 9Nm? 最小直徑： 310.[]ebMd??? 339.5.6?? （4.2.6） 考慮到鍵槽對軸的削弱，將 值增大 5%，故d 1.053.2m?? （4.2.7） 刀架軸的受力分析： 圖 4-2 4.3 立軸的設(shè)計 圖 4-3 立軸（齒輪軸、絲杠軸） 立軸的受力計算： 轉(zhuǎn)矩 (4.3.1)50216.3 tFTNml?? (1) 按強度要求，應(yīng)使 (4.3.2)3[]0.2TWd??? 故軸的直徑 (4.3.3) 333160270.2[].m????? (2) 按扭轉(zhuǎn)剛度要求，應(yīng)使 (4.3.4)4[]TlGd??? 按題意 ，在軸的全長上， 。故30lm?180orad?? (4.3.5) 344423629.5[]1Tldm???? 故該軸的直徑取決于剛度要求。圓整后可取 。 d? (4.3.6) 4.4 摩擦輪鎮(zhèn)壓彈簧的選擇 由工作抬的尺寸可選彈簧 YA GB/T 2089-19942.570? 表 4—1 彈簧參數(shù) 線徑： 2.5mm 彈簧中經(jīng)： 25mm 自由高度： 70mm 材料： 60Si2Mn 表面處理： 涂漆 類型： 右旋圓柱螺旋壓縮彈簧 取彈簧的勁數(shù)： 7kNm?? 設(shè)計彈簧壓縮量是： 10mm 圖 4-4 彈簧 4.5 摩擦輪力的計算 圖 4-5 摩擦輪 因設(shè)計的需要，摩擦輪的直徑取 ， 輪轂款 。輪轂外援為一層250dm?20bm? 橡膠，使摩擦力盡可能的大。 摩擦力的計算： 由（4-4.1）及胡可定律可得單個彈簧的彈力： (4.5.1)107FkxN?單 則四個彈簧的總彈力為 (4.5.2)=4=280彈 總 單 考慮到摩擦輪及摩擦輪軸和座套等的重量，約為 m=3kg， 故總的鎮(zhèn)壓力為 (4.5.3)G31FmgN?????總 彈 總 彈 總 由于要使尺子在摩擦力的作用下向前運動，則可以想到，平尺的上表面是與摩擦輪的 外緣橡膠接觸的，摩擦力打；平尺的下表面直接與工作臺的進料槽接觸，且與光滑的鐵質(zhì) 平面接觸，為了是下表面懂得摩擦力盡可能的小，在適量的加入潤滑油（待刻線完成后予 以清理） 。 則可知鐵-鐵之間的摩擦因數(shù) 鐵—橡膠之間的摩擦因數(shù) (4.5.4)0.5??=0.6?膠 可知 (4.5.5)=F31.=.N?總摩 下 (4.5.6)68總摩 上 膠 可得平尺前進的驅(qū)動力為 (4.5.7)=F15.=70.?驅(qū) 摩 上 摩 下 故摩擦輪的轉(zhuǎn)矩為 (4.5.8)3270.Nm21.TR?????驅(qū)摩 輪 4.6 凸輪的設(shè)計 圖 4-6 凸輪 凸輪廓線 ()cosin()isbsdxRy????????直 角 坐 標 （4.6.1） 2()arctn)xy???????極 坐 標 （4.6.2） 注：1、參變量中 的增量根據(jù)精度要求而定，通常取 左右。?1~2? 2、 移動平動件平底的長度為 。 max(50)sd?? 3、 上式中， 為推程運動角， 為基圓半徑。?bR 凸輪材料應(yīng)能滿足強度和耐磨性的要求。對于在低速、輕載、平穩(wěn)傳動中，凸輪可采 用中碳鋼制造。中速、中載時應(yīng)采用中碳鋼淬火處理。而本設(shè)計中刻線傳動部分屬于低速、 輕載、較平穩(wěn)的傳動，所以應(yīng)采用中碳鋼。 4.7 齒輪軸上齒輪齒條副的傳動比 為了保證在作業(yè)時連續(xù)工作,則要求傳動部分要有可靠的傳動比、無滑動。又由于在刻 線傳動部分所傳動的功率小、速率小，所以所要求的齒輪齒條副的動比非常的嚴格，要滿 足相應(yīng)要求。經(jīng)計算，該部分的鏈傳動比 i=1。根據(jù)以往經(jīng)驗和相關(guān)手冊，該傳動比完全 滿足要求。 4.8 摩擦輪軸的設(shè)計 圖 4-7 摩擦輪軸 材料－45＃鋼許用應(yīng)力[]60Mpa?? mDdDWtT 025.3/1605.12806/3 ?????? 取 (4.8.1)m28. 校核 小pa1][ax?? ??7.13/4././][maxzW? 于 Mp10 確定軸徑 D28 4.8.1 軸的定位和材料的選取說明 軸的材料：軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。由于碳鋼比合金鋼價格便宜，對應(yīng)力集中 的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學(xué)熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強度，所 以本設(shè)計采用 45 號鋼作為軸的材料。 軸上零件的定位 為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運動，軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn) 的要求者外，都必須進行軸向和周向定位，以保證其準確的工作位置。 軸的校核 按扭轉(zhuǎn)強度計算，用于只承受轉(zhuǎn)矩的傳動軸的精確計算，也可用于既受彎矩又受扭矩 的軸的計算。其強度條件為： (4.8.2)??MpandpWT?????32.0/15.9/6 式中： 為軸的扭切應(yīng)力， ； 為轉(zhuǎn)矩， ； 為抗扭截面系數(shù)， ；TkwWT3m 對圓截面 ； 為傳遞的功率， ； 為軸的轉(zhuǎn)速， ； 為3.6/d??nin/rd 軸的直徑， ； 為許用扭切應(yīng)力， 。所以，把相關(guān)的數(shù)據(jù)帶入公式中得：m???pa MpandWT 1.205.48.120/15.92.0/15.9/ 636 ??????? （4.8.3） 由于軸的選材為 45 號鋼，所以查表可知 45 號鋼的許用扭切應(yīng)力為 ，3～ 。經(jīng)校核設(shè)計的軸符合要求，可以正常工作。???? 下圖為軸的彎矩和扭矩圖： ω 圖 4-8 的彎矩圖和扭矩圖 4.9 刻線周期的確定 構(gòu)造和工作原理刻線抬刀機構(gòu)由工作臺、水平軸平推桿、凸輪、固定齒條、刻線刀架、 立軸、螺紋套筒等組成，如圖 4-8 所示。 圖 4-9 抬刀刻線機構(gòu) 1.工作臺 2．水平軸平推桿 3．凸輪 4．固定齒條 5．刻線刀架 6.立軸 7.螺紋套筒 8.刻線槽 凸輪 3 從近休止點開始轉(zhuǎn)動的時候，水平軸推桿 2 在凸輪的推動下向左運動，當運動 到控制抬刀的固定齒條處時，帶動位于水平軸的立軸（齒輪軸）上的齒輪轉(zhuǎn)動，立軸上段 是表面有螺紋的絲杠，然后帶動螺紋套筒 7 下降，當刻刀正好下降到刻線槽 8 的指定刻線 位置時立軸下端的齒輪正好走完了齒條，停止下刀，至此凸輪的下刀行程走完；然后凸輪 繼續(xù)轉(zhuǎn)動，推動水平軸開始刻線行程，完成之后就開始了回復(fù)行程，以上運動反過來進行。 這樣就完成了一次刻線動作，其中包括了抬刀動作簡單明了。 表 4—2 抬刀機構(gòu)的基本數(shù)據(jù) ——凸輪推程角 ?180? 凸輪抬刀降刀行程角： 2? 凸輪刻線行程角： 60? 凸輪轉(zhuǎn)速： =2/minr?凸 升降刀行程： 40mm 刻線行程： 20mm 可得： 刻線周期： 3s 齒條嚙合長度為： 40mm 軸齒輪的分度圓直徑為： 32mm 齒輪模數(shù)為： 3 刻線速度： =18/vms刻 螺紋絲杠副螺距： 14mm 4.10 不完全齒輪的設(shè)計 （a）不完全齒輪機構(gòu) (b)摩擦輪 圖 4-10 4.10.1 不完全齒輪機構(gòu)的參數(shù)計算 由摩擦輪控制進料量可得，每次進料 11mm，相對于摩擦輪轉(zhuǎn)動 的圓心角。 （算略）5? 故，不完全齒輪機構(gòu)所對應(yīng)的間歇進給量為 可得5? 從動輪布滿時的齒數(shù)為 （4.10.1）236075z? ? 由于齒數(shù)太密集，壓力角為 ，故，主動輪僅設(shè)計單齒，即 ，所承受轉(zhuǎn)矩較.? 1z? 小、可以滿足要求。 4.10.2 摩擦輪動力驅(qū)動機的選取 摩擦輪轉(zhuǎn)矩為： （4.10.2）=15.02Nm=1.9375TFR???摩 摩 下 摩 圖 3-1、圖 3-2 和圖 3-3 可選擇減速機型號為： （4.10.3）FAZ32Y?10.54PMC? 5.其他零部件 5.1 水平軸 圖 5-1 水平軸 5.2 刻線刀示意圖 圖 5-2 刻線刀 圖 5-3 刀體刀刃的布局 5.3 工作臺示意圖 圖 5-4 工作臺 5.4 軸承的選取 參見參考資料[1]第 64 頁。 5.5 鍵的選取 根據(jù)設(shè)計的需要，見參考資料[1]第 53 頁。 5.6 水平軸復(fù)位彈簧的選取 YA-4.5-10.5-65-2LH GB/T2089-1994B級 圖 5-5 壓縮彈簧 6 結(jié)論 機器的應(yīng)用可以充分利用，節(jié)省了成本，大大提高了生產(chǎn)效率。 平尺刻線機代替了以往的人工作業(yè)，提高了機械化程度及生產(chǎn)效率，節(jié)省了人力及時 間，改善了人們的作業(yè)環(huán)境。 本設(shè)計采用巧妙的應(yīng)用凸輪機構(gòu)控制刻線和抬刀，用摩擦輪配合不完全齒輪機構(gòu)完成 定時、定量的進料動作，結(jié)構(gòu)簡單不復(fù)雜，理論上達到了刻線要求及其它相應(yīng)工作條件。 理論上本機使用價值高，經(jīng)濟效益高，由于本設(shè)計沒有做試驗，對其實際的可行性程度還 不能確定。 致 謝 本次設(shè)計是在劉媛媛老師的悉心指導(dǎo)與嚴格要求下進行的。從設(shè)計（論文）的選題、 方案的設(shè)計、具體的測繪與繪圖到論文撰寫的每個環(huán)節(jié)，都凝聚著劉老師的心血和汗水。 劉老師嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、開拓創(chuàng)新的工作作風(fēng)及對事業(yè)的奮進執(zhí)著精神，都將使我銘記在 心，并時刻激勵著我不斷追求勇往直前。 大學(xué)四年學(xué)習(xí)時光已經(jīng)接近尾聲，在此我想對我的母校，我的父母親人們，我的老師 和同學(xué)們、表達我由衷的謝意。感謝我的母校塔里木大學(xué)給了我在大學(xué)的本科四年深造機 會，讓我能繼續(xù)學(xué)習(xí)和提高。塔里木大學(xué)四季如春的校園，美麗如詩的風(fēng)景都深深的留在 了我的記憶里。四年珍貴的學(xué)習(xí)期間，讓我的知識體系更加完善，思想觀念更加成熟，整 體素質(zhì)得到了極大的鍛煉。 “自強不息，求真務(wù)實”的校訓(xùn)我將銘記于心，在未來的學(xué)習(xí)和 工作中躬身踐行。 再次,感謝我的同學(xué)們,在畢業(yè)設(shè)計過程中得到了他們無私的幫助，以及許多啟發(fā)性的指 導(dǎo)和建議。在此向所有支持、關(guān)心、幫助我的人表示由衷的感謝!祝他們永遠健康、幸福! 最后，感謝我的父母親人們對我大學(xué)四年學(xué)習(xí)的默默支持，使我能順利完成本科學(xué)業(yè)。 參考文獻 [1] 吳宗澤. 機械原理課程指導(dǎo)書.第 1 版.北京：高等教育出版社 , 2005:29-30 [2] 徐穎主編. 機械設(shè)計手冊.—2 版.北京 機械工業(yè)出版社， 2000.6 [3] 東北工學(xué)院.機械零件設(shè)計手冊.冶金工業(yè)出版社.1980 [4] 西北工業(yè)大學(xué).機械設(shè)計（第七版）.高等教育出版社 [5] 龔淮義.機械設(shè)計圖冊.高等教育出版社.（第三版） [6] 吳宗澤.機械課程設(shè)計手冊.高等教育出版社. 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