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《华东理工大学》 2017年
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罐体移送机械手视觉控制系统的研究

李姚  
【摘要】:随着自动化制造在工业领域的广泛应用,进行冲压罐体工位之间的罐体移送也采用了机械手,逐步实现了生产的自动化。但是,在实际生产中,由于冲压罐体摆放位置不到位或者工位上没有罐体存在,则会导致机械手抓取失败和误动作,使得加工工时增加和生产效率降低。为了改善这种情况,引进了视觉识别系统,对工位上罐体的位置摆放进行有效判定。在此基础上,本文将视觉识别系统与PLC控制系统相结合,研究开发了基于LabVIEW和PLC的罐体移送机械手视觉控制系统,主要内容如下:(1)系统总体结构包括机械手、视觉识别系统、PLC运动控制部分及上位机PC,使其各部分相互配合协作。通过视觉识别系统对获取的罐体图像进行图像处理从而得到罐体坐标,随后进行罐体摆放位置的正误判定,驱使机械手正确移送动作。(2)采用D-H坐标法对机械手建立D-H坐标系并分析而获取D-H参数,建立机械手运动学方程,推导其机械手正逆解,得到机械手位姿与关节变量的关系。在运动学分析和轨迹规划的理论基础上,利用MATLAB对所规划的轨迹进行仿真。(3)通过相机标定、图像采集及处理、图像坐标转换,确定罐体空间坐标。利用WPLSOFT开发下位机PLC程序,包含手动和自动程序。控制系统的人机界面采用LabVIEW开发,包括机械手运动控制部分与视觉系统识别部分。(4)搭建控制系统的硬件平台并进行机械手运动轨迹及其它模块的功能性验证试验,确保该控制系统软硬件的可靠性和有效性。人机界面设计友好且操作方便,其功能模块完全满足整个控制系统的要求,能实现机械手在视觉系统的引导下进行罐体移送工作。
【关键词】:机械手 机器视觉 PLC 轨迹规划 控制系统
【学位授予单位】:华东理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP241
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第1章 绪论10-17
  • 1.1 研究背景及意义10
  • 1.2 机械手视觉国内外的研究现状10-12
  • 1.3 与课题相关的关键技术研究现状12-14
  • 1.3.1 摄像机标定的发展现状12
  • 1.3.2 机械手轨迹规划的研究现状12-13
  • 1.3.3 PLC与PC互联通讯方式13
  • 1.3.4 机械手控制方式13-14
  • 1.4 课题研究的主要内容以及论文总体构架14-17
  • 1.4.1 课题研究的主要内容14-15
  • 1.4.2 论文整体框架15-17
  • 第2章 罐体移送机械手视觉控制系统的总体设计17-27
  • 2.1 系统总体结构设计17-25
  • 2.1.1 四自由度机械手17-20
  • 2.1.2 视觉识别系统20-22
  • 2.1.3 机械手控制系统设计22-25
  • 2.2 系统软件总体设计25-26
  • 2.3 本章小结26-27
  • 第3章 罐体移送机械手的运动学分析和路径仿真27-46
  • 3.1 位姿数学描述27-29
  • 3.2 机械手的运动学分析29-36
  • 3.2.1 旋转关节D-H坐标系的建立29-30
  • 3.2.2 机械手正运动学方程式的建立30-33
  • 3.2.3 机械手的逆运动学的求解33-36
  • 3.3 机械手的轨迹规划36-38
  • 3.3.1 关节空间轨迹规划37-38
  • 3.3.2 笛卡儿空间轨迹规划38
  • 3.4 机械手工作轨迹仿真38-45
  • 3.4.1 仿真软件MATLAB的介绍38-39
  • 3.4.2 机械手的运动路径39
  • 3.4.3 机械手轨迹中的关键点设置39-40
  • 3.4.4 MATLAB轨迹仿真40-45
  • 3.5 本章小结45-46
  • 第4章 视觉识别系统设计与研究46-62
  • 4.1 视觉识别系统的软件组成46
  • 4.2 视觉系统开发软件简介46-47
  • 4.3 图像预处理理论47-53
  • 4.3.1 图像灰度化47
  • 4.3.2 滤波处理47-48
  • 4.3.3 图像二值化48-49
  • 4.3.4 形态学处理49
  • 4.3.5 图像边缘检测49-52
  • 4.3.6 边缘拟合52-53
  • 4.4 相机模型的建立53-57
  • 4.4.1 相机与机械手的相互位置54
  • 4.4.2 相机模型的建立54-57
  • 4.4.2.1 坐标系54-55
  • 4.4.2.2 坐标系之间的转换关系55-57
  • 4.5 相机的标定实验57-60
  • 4.5.1 标定软件的介绍57
  • 4.5.2 相机标定57-60
  • 4.6 视觉识别系统的软件程序60-61
  • 4.7 本章小结61-62
  • 第5章 基于PC与PLC的控制系统研究62-80
  • 5.1 控制系统电气原理图62-63
  • 5.2 人机交互通讯63-70
  • 5.2.1 Modbus TCP/IP协议63-64
  • 5.2.2 PC与PLC通讯连接64-67
  • 5.2.3 基于TCP实现LabVIEW与PLC的通讯67-70
  • 5.3 上位机人机界面程序设计70-73
  • 5.4 下位机PLC程序设计73-79
  • 5.4.1 PLC程序编程环境74
  • 5.4.2 控制要求及元件说明74-76
  • 5.4.3 控制程序编制及说明76-79
  • 5.5 本章小结79-80
  • 第6章 罐体移送机械手视觉控制系统测试80-85
  • 6.1 机械手控制系统硬件平台80
  • 6.2 机械手控制系统软件测试80-84
  • 6.2.1 PC端与PLC的通讯测试实验81
  • 6.2.2 机械手手动程序测试81-82
  • 6.2.3 机械手自动程序测试82-84
  • 6.2.4 视觉系统识别精度实验84
  • 6.3 本章小结84-85
  • 第7章 结论和展望85-87
  • 7.1 结论85-86
  • 7.2 展望86-87
  • 参考文献87-91
  • 致谢91-92
  • 攻读硕士期间发表的论文92

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