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1、 . . . 摘 要随着社会的发展，工业水平的不断提高，加工产品的质量和精度也在不断提高，传统的加工手段只能满足一些的精度的零件，而影响加工精度的一个关键因素就是机床的定位系统，所以定位系统的改进对于一台机床来说，将产生质的变化。自动冲孔机利用已经成熟的动态摄像技术进行冲孔的准确定位,通过CCD照相机获取输出目标的图像信号，由计算机进行图像分析，计算出相应的目标位置并驱动冲头移动至目标正上方。其定位精度高,可实现单孔高精度冲孔,但其拍照和识别围较小，只能在小围识别定位，连续作业时仍然需要人工的参与。为此，本设计根据自动定位冲孔机的这一不足，设计出了一套包含大行程粗定位和小行程精定位的自动进给控
2、制系统，这套系统除了能完成冲孔之外，还可以通过CCD相机的连续拍摄自动进给工件，连续打孔，省去了人的参，提高了加工速率。 关键词：CCD自动定位冲孔 图像分析 AbstractGoing with the developing society and the keeping promoting standard of technology, the quality and accuracy of machinery products are improving continuously.Traditional processing means can only satisfy some par
3、ts with lower accuracy.That have a big influence on accuracy is the position system of the machine tool, so a reasonable improvement on the machine tools will makes a big difference.Automatic punching tool based on the grow up dynamic shoot technology to accomplish the positioning for punching.By me
4、ans of CCD camera gets the signal of the picture of output objects,then takes it to computer for picture analysis and calculates the position of the targets.At last,moves the punch to the right above of the target. It provides high accuracy positioning and complete single punch with high precision.B
5、ut it can only works well in a small area and needs operator to join.This design aiming to improve it gives an account of a automatic feeding position system contains big stroke for roughly location and small stroke for high accuracy location. Not only can this system complete punching ,but also ach
6、ieve continuous punching based on the continuous shooting of CCD camera that gets rid of operators and improve the processing efficiency .Key words: CCD Automatic Positioning Punch Picture Analysis / 目 录第一章 概述11.1 课题设计目的与意义11.2 系统的设计思路21.3 图像分析定位方案设计与论证2第二章 大行程粗定位设计42.1 机构部分设计42.1.1 机械传动部件的选择42.1.2
7、直线滚动导轨副的计算与选型52.1.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型52.1.4 步进电机的计算与选型72.2 控制系统设计102.2.1 元器件介绍102.2.2 CPU接口设计132.2.3 步进电机的驱动142.2.4 单片机主流程图15第三章 小行程精定位设计163.1 机构部分设计163.1.1 机械传动部件的选择163.1.2 直线滚动导轨副的计算与选型163.1.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型173.1.4 步进电机的计算与选型193.2 控制系统设计223.2.1 CPU接口设计223.2.2步进电机的驱动233.2.3 单片机主流程图25第四章 系统软件的设计264.1 CCD
8、照相机原理264.2 图像数据结构274.3 图像数字处理294.3.1 位图结构294.3.2 图像灰度化304.3.3 图像二值化304.3.4 图像滤波314.3.5 定位324.4 通信协议设计33第五章 系统调试355.1 系统的软硬件的调试355.1.1 单片机AT89S51的调试355.1.2 软件调试365.2程序调试过程中遇到的问题和解决办法36第六章 总结与展望37致 39参考文献40附录41附录1： 灰度化程序41附录2： 二值化程序42附录3： 中值滤波程序43附录4： 定位程序45附录5： 通信协议程序47附录6: 工作台控制程序49第一章 概述1.1 课题设计目的与
9、意义当前产品的结构日益复杂，性能参数越来越高，产品精度要求与加工自动化要求也越来越高，但在有些实际加工过程中普通的加工手段已经不能满足要求。零件加工过程中，机床定位系统常常通过对传感器精度的提高与对机械传动部件传动精度的提高来满足精度要求，这样不仅大大提高了成本，而且还需对设备做专门的维护，并且对操作人员的要求也会相应提高，这样既不利于生产加工，也会因人为因素延误生产或提高废品率，所以即使有些机械产品由于采用了新原理、新材料、新工艺而简化了结构，但对其精度的要求的获得也没能有效降低成本。自动冲孔机利用已经成熟的动态摄像技术进行冲孔的准确定位,通过CCD照相机获取输出目标的图像信号，由计算机计算
10、出相应的目标位置并驱动冲头移动至目标正上方。其定位精度高,可实现单孔高精度冲孔,但其拍照和识别围较小，只能在小围识别定位，连续作业时仍然需要人工的参与。本课题的目的便是要研究一种采用大行程粗定位和小行程精定位来弥补这一缺陷，提高自动冲孔机的工作能力与适应能力。冲孔机基于CCD传感器定位系统根据所得图片进行精确的定位分析，以气动装置完成冲孔，整个过程的定位都由可由单片机控制完成，使得产品精度提高的同时，也降低了成本，降低了对加工人员的技术要求。而且随着将来技术的发展，精度作为机械技术发展的不懈追求，一个维护简单且操作方便的定位系统也是机电行业研究开发中不断完善优化的重要项目1。CCD在工业、民用
11、、商业、多媒体等领域的应用日趋广泛。由于大规模处理电路(DSP)技术和嵌入式处理技术融发展，高速计算集成电路已经开始普遍使用，比较复杂的算法都可以实时计算实现减少硬件的使用数量，实现图像实时处理跟踪等特殊功能，满足工程设备小型化的要求，同时有效的降低工程成本2。1.2 系统的设计思路自动定位冲孔机的主要包括工件进给系统、图像定位系统和气动冲孔系统。图像定位系统对CCD相机拍到工件照片进行分析处理，依照位图格式得出照片上图形的中心点，由此计算出冲头在X-Y平台上移动的距离，并发送到工件进给系统的单片机计算出相应的脉冲数，移动冲头到达靶位正上方完成冲孔。本设计的主要容是冲孔机的定位系统设计，其中硬
12、件部分由粗、精工作台与其对应控制部分等组成，软件部分则是在电脑上编写软件完成对图像的分析，并且协调控制工作台的运动。粗、精工作台分别由一片AT89S51单片机控制。粗工作台采用55BF003步进电机，精工作台90BY2602步进电机，均由专用驱动器驱动。上位机发出进给量到单片机之后，单片机计算出各个方向所需要的脉冲数，输出到驱动器，控制工作台到达靶位点上方。本设计采用C#编写控制软件，电脑做上位机，控制X-Y平台的单片机为下位机，采用串行通信模式来完成数据传送。X-Y平台包括粗行程和精行程两个，粗行程完成工件的粗略进给，精行程移动冲头至靶位上方完成定位。1.3 图像分析定位方案设计与论证照相所
13、得为彩色位图，位图有一个个像素显示排列而成。根据位图采用RGB颜色模式，每个像素点由3的字节来分别记录R、G、B三色的值。基于数字图像处理技术的发展，可对图像中每个像素点的各个字节进行编码，从而改变图像的显示模式2。在本设计中，分别完成图像的显示、灰度化、二值化、滤波、找点等过程，采用C#对图像中个个像素进行遍历，改变图像显示模式，最终识别出所要求得的点，并得出相应的X、Y方向进给量，完成定位。第二章 大行程粗定位设计2.1 机构部分设计2.1.1 机械传动部件的选择 按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括冲头部件、CCD相机、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估
14、计重量约为600N。 (1) 导轨副的选用 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的机械，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，因此决定选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小，不宜爬行，传动效率高，结构紧凑，安装预紧方便等优点。 (2) 丝杆螺母副的选用 伺服电机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.01mm的脉冲当量，只有选用滚动丝杆副，它的传动精度高，动态响应快，运转平稳，寿命长，效率高，预紧后可消除反向间隙。 (3) 电动机的选用 本设计定位精度未达到微米级，脉冲当量也未达到0.001mm，因此，本设计采用性能好一些的步进电机，以降低成本。 (4) 检测装置的选用 选用
15、步进电机作为伺服电机之后，考虑到精度偏高，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，采用半闭环控制，拟在电动机尾部转轴上安装增量是旋转编码器，用以检测电动机的转角和转速。图2-1 XY运动平台外形图2.1.2 直线滚动导轨副的计算与选型 (1) 滑块承受工作载荷Fmax的计算与导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的X-Y工作台位水平布置，采用双导轨、四滑块的支撑形式。考虑最不利的情况，即垂直与台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： 2-1 其中，移动部件重量G=600N，外加载荷F=0N， 代入式(2-1)，得最大工作载荷Fmax=150N。 根据工作载荷Fmax=150kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA LG15型，其额定动载荷Ca=7.94kN，额定静载荷Coa=9.5kN3。 设定工作台行程尺寸为100m
