滚珠[六年级数学]视觉检测用x-y直角坐标机器人设计

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视觉检测用X-Y直角坐标机器人设计

摘要

随着社会越来越进步 工厂的设备也越来越现代化流水线上经常会出现需要机械自动检测的场合那么就非常需要配合视觉系统的机器人来实现这项工作。特别是在检测电路板是否缺失时视觉检测X-Y直角坐标机器人就非常必要的了。

本次设计主要包括两个重要的部分。一是对X-Y小型直角坐标机器人机械结构的设计具体包括伺服电机滚珠丝杠和导轨的选择 实现了X-Y直角坐标机器人的直线控制和操作过程第二部分是控制电路的设计第三部分是对图像采集系统的设计具体包括CCD摄像机和图像采集软件的设计 以及图像处理的方法和程序设计。其中检测是一种以M AT LA B为主要工具的电路板元器件装配缺失的检测可以根据CCD摄像机采集到的数字图像,然后经过M AT LA B进行数字图像分析从而实现对电路板的检测。从而为电路板元件是否缺失的自动检测提供了一种快速精确的方法。

视觉检测X-Y直角坐标机器人能够根据其检测结果快速地显示图象输出数据,发布指令执行机构可以配合其完成位置调整好坏筛选,数据统计等自动化流程。与人工视觉相比较,机器视觉的最大优点是精确快速可靠 以及信息数字化程度很高。

关键词 视觉检测直接坐标机器人 M AT LA B伺服电机

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Visual Inspection Using X-Y Cartesian

Coordinate Robot

Abstract

With the process of the society,modern factory machinery also moreand more modernized There is often a occasion that needs the machineryautomatic detection in the assembly l ine Machine vision is to make themachine was part of eye and brain function, the geometry can bemeasured automatical ly, the printing qual ity of the appearance of defectsand product identification, such as the qual ity of the work of identificationMachine vision systems are general ly used in ful ly automated, rel iable andefficient mass production of non-contact detection in the process ofidentification Common vision systems typical ly include: l ight source, lens,CCD camera, frame grabbers, image processing software, monitors,communication / input and output units, such as Linear motion modulesfrom the multi-axis motion system cal led the Cartesian coordinate robots,various sports-axis Cartesian coordinate system usual ly corresponds to theX axis, Y axis Cartesian coordinate robot mainly by a number of l inearmotion units, drive motor, control system and the end of the compositionoperator As a result of the community on the visual detection andrectangular coordinates the increasing demand for robots, it is necessarytothe design of visual inspection with X-Y Cartesian coordinate robot

The design includes three important parts First, the smal l rectangular

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精选文档coordinates of the robot mechanical structure design, including servomotor, bal l screw and guide the choice of the real ization of the X-Yrectangular coordinates of the straight-l ine robot control and operation;second part is the control circuit design; third part of the image acquisitionsystem design, including CCD cameras and image acquisition softwaredesign, and image processing methods and procedures of designDetection of which is a MATLAB as the main tool for TFT-LCD screendisplay defect inspection, CCD cameras can be col lected in accordancewith the digital image, and then through MATLAB for Circuit wafer primarydevice assembly flaw For Circuit wafer primary device assembly flaw of theautomatic detection of defects provides a method of quickly andaccurately

Visual inspection with X-Y Cartesian coordinate robot in accordancewith its test results can be quickly displayed images,output data, issued anorder, the executing agency can adjust the completion of its location,qual ity of screening data and other automated processes Compared withthe artificial vision,machine vision is the greatest advantage of accurate,fast, rel iable, and high degree of digital information

Keywords: Visual Inspection; Cartesian coordinates robot; MATLAB;

Servomotor

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目录

视觉检测用X-Y直角坐标机器人设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .I

Visual Inspection Using X-YCartesian Coordinate Robot. . . . . . . . . . . . . . . .II

第1章绪论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .I

第2章基于PC的控制系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .II

第3章X-Y直角坐标机器人结构设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .V

第4章交流伺服电机与驱动器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XI I

第5章控制系统设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XIX

第6章电路板元器件的装配缺失缺陷的检测. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XXVI I

结论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XXXIV

致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XXXV

参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XXXVI

附录. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XXXVI I I

附录二外文文献翻译译文. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XLIV

第1章绪论

印刷电路板Printed Circuit Board简称PCB 通常有称为印制电路板或印制板 自本世纪50年代后半期开始一直是电路安装技术的主流。目前电路板主要采用人工方式进行在线检测和分析而人工检测存在主观标准不一致 劳动强度大等缺点导致工人无法长时间工作。随着技术的进步 印刷电路板生产线式的大批量生产使得单靠人工检测已经无法满足现代生产的需要。 因此迫切需要研究一种有效的电路板自动检测方法来代替人工检测从而使在线检测工作客观化、规范化和智能化。

本设计主要内容是设计小型精密X-Y直角坐标机器人的机械结构 用它来驱动CCD摄像机移动检测电路板元器件缺失缺陷。主要针对在校学生对数控X-Y工作台的深入和全面的了解掌握在硬件和软件上都作了全面的陈述。 目的在于通过对X-Y工作台的构造和原理特点进一步加深学生对X-Y工作台的理解 以至于更深的研究和开发。在硬件设计中机械结构部分由于与其它设计环节联系不大而作为独立部分在最后一章中介绍。电路部分因为与软件设计联系较为紧密而与之一同介绍 并对电路特点和功能作简单的分析和研究。 由于涉及较多数控知识本文对其中许多基本原理及定义都作了较详细的解释。

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近年来 随着技术的更新换代在激烈的市场竞争中 为保证产品质量和降低生产成本 PCB的生产商迫切需要一种能够代替熟练工人的自动化缺陷检测技术。众所周知任何一种产品要投入市场竞争其价格无疑是该产品能否进入广大应用领域 占领市场的重要因素。 因此为提高成品率 降低价格 国外研究机构和生产厂商大力投入进行PCB元器件缺失检测的研究研究出了许多检测的方法开发了一些检测装置。

本设计主要提出了一种以M AT LA B为主要工具的P C B元器件缺失检测方案,该方案根据CCD摄像机利用X-Y直角坐标机器人驱动CCD摄像机采集到的数字图像,使用M AT LA B作为数字图像分析工具实现对电路板上元器件缺失缺陷的检测。介绍了该方案的硬件组成和检测原理,给出了M AT LA B算法流程和部分代码、详细的检测步骤及结果,为该缺陷的自动检测提供了一种快速有效的方法。

第2章基于PC的控制系统

2.1微型计算机与数控技术

计算机技术是20世纪发展最快的技术之一 自1946年至1971年的四分之一世纪中计算机从电子管、晶体管发展到大规模集成电路走过了漫长的道路。人们的主要精力是用于研制大型高速计算机、大容量存储器、外部设备以及各种软件等而直接用于生产过程控制的计算机较少。

自1971年至1984年微型计算机得到迅速发展其系统性能已接近小型计算机而成本却仅为小型计算机的几十分之一特别是微型计算机

以下简称微型机 的体积小、功耗低、可靠性高和体系结构灵活的特点引起了各方面工程设计人员的重视。微型机的大量推广应用促进了它的进一步发展 为在数字控制系统中的应用提供了良好条件。 目前微型机与数字控制技术已经密切结合在一起。

计算机控制的发展和计算机本身的发展密不可分计算机的每一次更新换代都会促使计算机控制的进步。 自从1946年诞生世界上第一台电

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子计算机以来无数的科研人员就设想将计算机用于系统控制例如飞机、导弹系统等。但是 由于当时的计算机体积和功耗太大可靠性差稳定性也不尽人意所以还不能用于控制系统。 因此 当时的较长一段时间里计算机主要还是用于科学计算和数据处理。

计算机控制首先在工业过程控制领域获得成功。 20世纪50年代中期美国科技人员开始对化工过程控制的计算机控制系统进行了系统研究 并于1959年3月成功地制造出了世界上第一个过程计算机控制系统--德克萨斯炼油计算机控制系统 美国这一开创性的工作使得人们对计算机控制产生极大的兴趣从此计算机控制系统的研究与开发进入正轨。

早期的计算机是电子管计算机 20世纪60年代初 随着半导体技术的兴起 晶体管计算机取代了电子管计算机计算机的可靠性和各个性能指标都得到了较大的提高计算机控制系统开始采用直接数字控制(DDC)。但是 由于当时的计算机价格太贵可靠性不能完全满足生产过程控制的要求 因此计算机控制的推广受到很大限制。 20世纪60年代后期 随着集成电路技术的产生与发展 出现了小型计算机小型计算机的出现加快了数字控制系统的发展。但当时的小型计算机价格比较贵只有对大规模的控制系统才可能采用计算机控制对一般控制应用仍然是可望不可及的事。

计算机控制的快速发展是在20世纪70年代初期 出现了微型计算机之后才开始的。随着大规模集成电路(LSI)技术的发展微型计算机于1971年问世微型计算机的出现使得计算机控制进入了一个崭新的发展阶段。由于微型计算机具有运算速度快、可靠性高、价格低和体积小等特点 因此消除了长期阻碍数字控制系统发展的问题。 20世纪70年代中期出现了集散控制系统(DCS)成功地解决了传统集中控制系统整体可靠性差的矛盾从而使得计算机控制系统得到大规模的推广应用。

20世纪80年代以后 随着超大规模集成电路(VLSI)技术的高速发展计算机朝着超小型化、软件固化和控制智能化方向发展 同时多传感器测量系统、执行机构等也越来越自动化、智能化。

2.2开放式数控系统

近几年来数控技术的又一个重要发展方向是数控系统的开放化。一方面 以往的数控系统由于其封闭性无法将计算机技术发展的最新成果运用于数控系统中严重地阻碍了数控技术的发展。这种封闭式结构使数控系统的开发成本极高开发周期很长升级困难可靠性、可扩展性、可维护性和易用性差 二次开发困难。为解决封闭式结构数控系统所存在的问题近年来西方一些发达国家相继提出开放式体系结构数控系统的开

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发包括美国的NGC和OMAC计划、欧共体的OSACA计划和日本的0SEC计划等。我国数控系统的开发与生产通过“七五”引进、消化、吸收 “八

五”攻关和“九五”产业化取得了很大的进展具有自主版权的数控系统产业开始形成而且在发展过程中调整到以PC机为硬件平台的发展路线上 并以此形成了DOS和Windows两种软件平台开发出了若干个基本系统。然而就总体而论仍处于开始阶段虽然各个系统都向PC平台方向发展但仍然存在一些问题。最大问题是开放性不够、开发环境和支持手段不足 用户进行二次开发困难。封闭式数控系统对用户来说只是一个被定义了输入和输出的黑匣子 其内部细节是不可知的在原来的基础上很难或几乎不可能加入新的控制策略方案和扩展的新功能。为适应不断发展的现代技术需求未来的CNC必须能够被用户重新配置、修改、扩充和改装并允许模块化地集成传感器加工过程的监视与控制系统而不必重新设置硬件和软件。要达到这一目的最有效的途径就是实现开放性。 当前数控未来发展的趋势主要有以下几个方面

(1)继续向开放式、基于PC机的第六代方向发展

基于PC机所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点更多的数控系统厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机来处理人机界面、编程、联网通信等问题。 PC机所具有的友好的人机界面将普及到所有的数控系统远程通讯远程诊断和维修将更加普遍。 日本、欧盟和美国等针对开放式CNC正在进行前后台标准的研究。

(2)高速度、高精度、高效化

速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。 由于采用了高速CPU芯片、多功能CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统 同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施机床的高速度、高精度、高效化已大大提高。

(3)工艺复合性和多轴化

以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合是指工件在一台机床上一次装夹后通过自动换刀旋转主轴头或转台等各种措施完成多工序、多表面的复合加工。

(4)实时智能化

早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境其作用是如何调度任务 以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算机模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天 实时系统和人工智能相互结合在数控技术领域 实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展 自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制和前馈控制等。

(5)网络化

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PC机联网可进行远程控制和无人化操作。通过PC机联网可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作和运行不同机床的运行状况画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。

(6)数控自动编程系统的完善

最初的数控程序是靠工程技术人员手工编制的 即手工编程。手工编程既繁琐又复杂而且容易产生错误。对于比较复杂的零件编程人员的计算工作量很大编程时间长。某些复杂曲线的手工编程几乎是无法实现的。人们一直在寻求一种有效的编程方法以加快编程速度提高编程效率和准确性 降低工艺人员的劳动强度。解决问题的方法就是自动编程技术。八十年代随着计算机图形学的发展 国外开始研制图形输入式的自动编程系统。这种系统彻底抛弃数控编程语言采用人机对话的方式输入几何要素。也有采用图象识别和语音识别技术的自动编程技术处于研究阶段。另外 CAD技术的发展使有些编程系统融汇到CAD/CAM系统中。

第3章X-Y直角坐标机器人结构设计

本文所设计的X-Y直角坐标机器人是用来驱动摄像机的重要通过伺服电机带动滚珠丝杠把旋转运动转化成直线运动导轨选择线性导轨。控制过程为 PC机通过运动控制卡与伺服电机驱动器相连控制伺服电机的运转伺服电机直接通过联轴器与滚珠丝杠相联通过滚珠丝杠和线性导轨把旋转运动转化为直线运动。本部分主要对机械系统结构部分最重要的两个部件——滚珠丝杠和线性导轨进行计算与选择。

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3.1滚珠丝杠副的选择

滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的传动装置是数控机床伺服进给系统中使用最为广泛的传动装置。 由于滚珠的存在丝杠与螺母之间是滚动摩擦仅在滚珠之间存在滑动摩擦。

本文选用HIWIN公司的滚珠丝杠。滚珠丝杠包含丝杠、螺母、循环系统及钢珠。滚珠丝杠为工具机和IT、光电、半导体、医疗等精密设备上最常使用的传动元件其主要功能为将旋转运动转换为线性运动或将扭矩转换为轴向反复作用力 同时兼具高精度、可逆性和高效率的特色。

HIWIN滚珠丝杠在使用上有很多的优点高效率、可逆性、零背隙、高刚性导程精度及其他多项优点。滚珠丝杠在丝杠与螺母之间加入了钢珠将传统丝杠的滑动摩擦传动以钢珠滚动运动取代。以大大降低磨擦损耗有助与维持高效率及高精度。下列为HIWIN滚珠丝杠的各项特性及优点

(1)高效率及可逆性

由于滚珠丝杠的丝杠轴及螺母均是点接触之滚动运动所以其效率可高达90%以上。 因此其传动扭矩仅只有传统丝杠的1/3。 HIWIN滚珠丝杠在牙型表面以超精密加工 以降低珠槽与钢珠间的接触摩擦又钢珠与珠槽间为点接触之滚动运动有低摩擦力及高运转效率的优点。故可降低马达驱动力要求进而降低成本。

(2)零背隙及高刚性

CNC工具机、 IT及半导体设计对于传动丝杠的要求为零背隙、最小弹性变形高刚性及高顺畅感。滚珠丝杠用施加预压力来达到CNC机台的重现性及全行程的高刚性。

(3)高导程精度

HIWIN滚珠丝杠精度等级依据ISO JIS及DIN标准制造亦可依据客户需求生产所须精度等级。采用精密雷射量测仪器来保证滚珠丝杠精度并随每支研磨级滚珠丝杠均附上导程精度表。

(4)寿命预测

不同于传统丝杠的寿命取决接触面之磨耗 HIWIN滚珠丝杠则取决于材料的疲劳破坏。为保证HIWIN滚珠丝杠在预期寿命的可靠度不管设计、材质、热处理及制造等都采用最严格的专业考量。滚珠丝杠的预期寿命必须考虑设计品质及制造等各项的安全因子但最主要以动负荷为依据。而影响动负荷的基本因素为——牙型精度、材料特性及表面硬度。高品质的滚珠丝杠必须达到在统计学上的B级寿命亦即90%的丝杠均达到所设计的寿命 有50%的滚珠丝杠寿命超过设计寿命值的2~4倍。

(5)低起动扭矩及顺畅度

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