車用攝像頭鎖緊裝置姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹群，于信

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

1 系統(tǒng)工作原理

車載攝像頭如圖1所示，圖左側(cè)為鎖緊裝置，右側(cè)為攝像頭，裝配時(shí)，需將鎖緊裝置從小端面方向旋入攝像頭凹槽內(nèi)完成鎖緊。鎖緊裝置自動安裝系統(tǒng)原理如圖2所示，主要由傳送帶、姿態(tài)識別裝置、姿態(tài)調(diào)整裝置、機(jī)械手等組成。

車載攝像頭鎖緊裝置由傳送帶運(yùn)送至姿態(tài)識別裝置，當(dāng)鎖緊裝置小端面向上時(shí)，認(rèn)為其姿態(tài)錯(cuò)誤，姿態(tài)調(diào)整裝置對其進(jìn)行調(diào)整后送往返回區(qū)，再次進(jìn)行姿態(tài)識別，直至姿態(tài)正確；當(dāng)鎖緊裝置的大端面向上，認(rèn)為其姿態(tài)正確，直接運(yùn)送至拾取區(qū)域，由機(jī)械手進(jìn)行拾取并完成安裝。

圖1 鎖緊裝置與攝像頭實(shí)物圖

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

2 識別及調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 姿態(tài)識別裝置

采用紅外激光照明配合PIN-FET混合集成光電接收器和定時(shí)器對其進(jìn)行識別。如圖3所示，當(dāng)鎖緊裝置在A位置時(shí)，將對激光進(jìn)行遮擋；而當(dāng)鎖緊裝置運(yùn)行至B位置時(shí)，將結(jié)束對激光的遮擋。在整個(gè)擋光過程中鎖緊裝置前進(jìn)路程為S，令鎖緊裝置大端面朝上時(shí)前進(jìn)的路程為Sd，鎖緊裝置小端面朝上時(shí)前進(jìn)的路程為Sx，根據(jù)式（1）分別計(jì)算Sd和Sx：

圖3 識別原理圖

式中，S—光源被遮擋時(shí)前進(jìn)的距離（mm）；h—鎖緊裝置自身高度（mm）；l—鎖緊裝置端面寬度（mm）；a―激光入射角度（°）；T―鎖緊裝置遮擋光源的時(shí)間（ms）；v—鎖緊裝置傳送速度（m/s）。

通過對式（1）的分析，發(fā)現(xiàn)影響路程S的因素有兩個(gè)，首要因素為激光光線的入射角度a，次要因素為鎖緊裝置的端面寬度l，而鎖緊裝置的端面寬度為定值，因此可以通過調(diào)整光線的入射角度a，間接調(diào)整前進(jìn)路程S的大小。在0°到90°的區(qū)間范圍內(nèi)，余弦函數(shù)為減函數(shù)，隨著a值的增大而減小，當(dāng)a值取值越小時(shí)，相對而言其前進(jìn)的路程S也就就越大，而在速度一定的情況下，路程越大，運(yùn)動時(shí)間也就越長，適當(dāng)選取激光光線的入射角度，可有效增大遮光時(shí)間，有利于對時(shí)間信號的采集。

設(shè)a=30°，h=3.5mm，鎖緊裝置大端面寬度l=1.75mm，則Sd=7.812mm，當(dāng)取小端面寬度l=1mm時(shí)，可得出Sx=6.812mm。

令Td為大端面朝上時(shí)遮擋光源時(shí)間，Tx為小端面朝上時(shí)遮擋光源的時(shí)間，取v=0.05m/s時(shí)，根據(jù)式（2）可分別計(jì)算出，Td=156.24ms，Tx=136.24ms。說明鎖緊裝置在不同姿態(tài)下其遮光時(shí)間不同，所以定時(shí)器設(shè)定時(shí)間為T0=146ms，當(dāng)鎖緊裝置遮擋光源時(shí)，光電接收器發(fā)出信號，定時(shí)器開始工作，若光源被遮擋的時(shí)間T大于T0時(shí)，此時(shí)鎖緊裝置大端面朝上，判斷其姿態(tài)正確；而當(dāng)T小于T0時(shí)，判定鎖緊裝置姿態(tài)需要調(diào)整。

2.2 姿態(tài)調(diào)整裝置

姿態(tài)調(diào)整裝置如圖4所示，施力裝置推動鎖緊裝置由A通道口進(jìn)入，上升至B處，同時(shí)已將鎖緊裝置調(diào)整為大端面向上，然后從C出口輸出，進(jìn)入返回區(qū)。

圖4 姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)

圖5 施力機(jī)構(gòu)

施力裝置如圖5所示，初始狀態(tài)時(shí)，彈簧處于壓縮狀態(tài)，電磁鐵導(dǎo)通，將施力滑塊吸附在電磁鐵表面，當(dāng)電磁鐵斷開時(shí)，施力滑塊在彈簧力的作用下快速彈出，將鎖緊裝置彈入姿態(tài)調(diào)整裝置A口。

根據(jù)動能守恒定理可知，在忽略摩擦力和空氣阻力的情況下，鎖緊裝置的初速度可以根據(jù)公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

其中，m—物體質(zhì)量（kg）；v末—物體的末速度（m/s）；v初―物體的初速度（m/s）；g—常數(shù)（N/kg）；h—物體上升高度（m）。

設(shè) h=0.1m，v末=0m/s，根據(jù)式（3）可計(jì)算得鎖緊裝置的初速度v初=1.4m/s，施力滑塊1與鎖緊裝置發(fā)生碰撞時(shí)遵循動量守恒定律，取滑塊1的質(zhì)量m2=40g，鎖緊裝置質(zhì)量m1=5g，令鎖緊裝置在發(fā)生碰撞后的速度v1=v初=1.4m/s，根據(jù)式（4）

可計(jì)算出施力滑塊1在發(fā)生碰撞前的速度v2=0.175m/s，根據(jù)能量守恒可知彈簧的彈力對滑塊所做的功轉(zhuǎn)化為滑塊的動能，即

式中，F(xiàn)―彈力（N）；S―路程（m）。

而彈簧所提供的彈力隨彈簧壓縮量的變小而減小，公式可轉(zhuǎn)化為：

取 v末=v2=0.175m/s，S=0.01m，S為施力滑塊前行的距離，則可計(jì)算出彈簧提供的彈力F=0.1225N。考慮空氣阻力和摩擦力對鎖緊裝置運(yùn)動狀態(tài)的影響，所以根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況以彈簧提供的彈力F=1N完成彈簧設(shè)計(jì)，既可完成翻轉(zhuǎn)。

經(jīng)姿態(tài)調(diào)整裝置持續(xù)調(diào)整后，大端面朝上的鎖緊裝置數(shù)量明顯增多，有效的提高供給速度，使整個(gè)系統(tǒng)的工作效率有所提高。

3 識別準(zhǔn)確率分析

在正常工作中由于傳送速度的變化，對識別裝置影響較大。假設(shè)傳送速度在±5%的范圍內(nèi)變動，則取最小速度為vmin=0.0475m/s，最大速度vmax=0.0525m/s，分別計(jì)算Td和Tx。計(jì)算結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明在兩種極限速度下，均滿足識別裝置的工作條件，即Tx＜T0＜Td成立，識別裝置均能正常工作。

表1 不同速度下求得的時(shí)間值

經(jīng)驗(yàn)證，傳送速度在±5%的范圍內(nèi)變動，定時(shí)器正常工作，識別裝置仍然可以完成識別。識別準(zhǔn)確率可以達(dá)到95%以上。

識別裝置主要由光源和接收器以及定時(shí)器構(gòu)成，光源采用激光二極管即可滿足要求，接收器型號為L20型PIN-FET型光電接收器，其光敏面大小為Φ75μm，脈沖上升時(shí)間≤17.5ns，響應(yīng)度≥35mV/uW，定時(shí)器選用時(shí)鐘脈沖為1ms的定時(shí)器，即可準(zhǔn)確完成識別任務(wù)。

4 結(jié)束語

本文對鎖緊裝置的自動安裝系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用激光照明和PIN-FET混合集成光電接收器配合定時(shí)器聯(lián)合工作對鎖緊裝置的姿態(tài)進(jìn)行識別，這種識別方法識別速度快、正確率高，鎖緊裝置在運(yùn)送過程中即可完成識別，調(diào)整裝置對鎖緊裝置的調(diào)整速度快，有效提高鎖緊裝置的供給速度，由機(jī)械手完成鎖緊裝置的安裝，可有效提高攝像頭的安裝效率，降低生產(chǎn)成本。

［1］龔祖榮.精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：170-173.

［2］龐博.汽車倒車攝像頭自動調(diào)焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.長春：長春理工大學(xué)，2014：8-10.

［3］于信.倒車用攝像頭裝調(diào)準(zhǔn)備系統(tǒng)研究［D］.長春：長春理工大學(xué)，2014：19-23.

［4］趙棟杰，郭宏亮，亓振華.圓錐滾子軸承自動裝配機(jī)的研究現(xiàn)狀［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2011，7（7）：47-53.

［5］高云國，張倩，史亞莉.無導(dǎo)軌高精度位移臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)精密工程，2009，9（9）：2200-2205.

［6］張晉西，張甲瑞，郭學(xué)琴.UG NX/Motion機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真基礎(chǔ)及實(shí)例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009：97-108.