（机械电子工程专业论文）大幅面自动拼图机制的研制.pdf

哈尔演理丁人学t 学硕i j 学位论文 大幅面自动拼图机的研制 摘要 当今社会书画作品的数字化已经成为了市场的迫切需要。在商业领域，书画 作品的高保真的数字图象可以用与艺术网站和数字博物馆的建设，使世界各地的 人们都可以近距离的欣赏艺术作品，还可以用于高逼真度的艺术仿制品的制作。 从文物保护的角度看，通过数字图像对书画作品进行保存，不但对书画作品没有 损伤，而且可以通过现代化手段对损坏的书画作品进行重构，还原其本来面目。 本课题在充分调研了国内外大幅面高质量图像获取设备，深入了解和分析国 内外现有的大幅而图像获取技术的特点和发展趋势的f j 提下，将本文的研究内容 定位在基于图像拼接技术的大幅面图像获取设备的研发上。从产品功能分析丌 始，按照机电系统理论，明确产品各个功能模块，并以此为引导逐一实现上位机 人机交互控制界面，通信与控制电路，机电动力系统及机械结构的设计，并提出 了对系统整体功能评价的方案。 在机械系统搭建的过程中充分考虑到系统的长行程要求，以及系统的可扩展 性和易维护性，要有效地降低产品市场化的成本。制作人性化的上位机软件使操 作者可以简单的实现其所要求的功能，并且有良好的纠错能力。稳定性高的控制 与通信电路，使得系统运行更加稳定可靠。 由于本文设计的系统包含多个功能模块，设计基于图像处理技术的评价方案对系 统整体性能做出客观合理的评价。其具体方法是用相机对标准测试板进行拍摄， 然后利用提取灰度直方图、腐蚀、区域图像特征获得等图像处理手段，对所拍摄 得到的一系列图片进行处理和参数提取，并对所得到的参数进行计算分析，从而 得出叮以反应映整个系统运动性能的图像偏移误差和反应应光源照射质量的灰度 直方图。 关键词拼图机；单片机；v b ；图像处理 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学化论文 d e v e l o p m e n t o f l a r g e - - f o r m a t a u t o m a t i o n j i g s a wm i l l ab s t r a c t n o w a d a y s ，t h ed i g i t i z a t i o no fp a i n t i n g sa n dc a l l i g r a p h yw o r k sh a sb e e nu r g e n t r e q u i r e m e n ti nt h em a r k e t i nb u s i n e s s ，d i g i t a li m a g e so ft h eh i g h s i m u l a t i o no f p a i n t i n g sa n dc a l li g r a p h yw o r k sa r eu s e dt oc o n s t r u c t i o no fa r tw e b s i t ea n dd i g i t a l m u s e u m p e o p l ec o oa p p r e c i a t et h ea r tw o r k s ，a n dm a k et h ei m i t a t i o n so ft h eh i g h s i m u l a t i o n f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fh e r i t a g ec o n s e r v a t i o n ，p a i n t i n g sa n dc a l l i g r a p h y w o r k sa r ek e p tb yd i g i t a li m a g e s ，n o to n l yp a i n t i n g sa n dc a l l i g r a p h yw o r k sn o d a m a g e ，b u ta ls od a m a g e dw o r k sc a nb er e c o n s t r u c t e db ym o d e mm e a n s a n dr e s t o r e i t st r u ef a c e t h es u b j e c ts u r v e y sl a r g ef o r m a th i g h - q u a l i t yi m a g ea c q u i s i t i o nd e v i c e sf r o m h o m ea n da b r o a da b u n d a n t l y t h ec o n t e n to ft h i s s u b j e c ti sl o c a t e di nt h e l a r g e f o r m a tb a s e do ni m a g es t i t c h i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fi m a g e a c q u i s i t i o nd e v i c e so nt h ep r e m i s eo fi n d e p t hu n d e r s t a n d i n ga n da n a l y s i so fe x i s t i n g d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ll a r g e - f o r m a ti m a g ec a p t u r et e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n t o ft h i s a r t i c l er e s e a r c h e st h el a r g e - f o r m a ta u t o m a t i cb a s e do ni m a g es t i t c h i n g t e c h n o l o g y i nt h e f i r s t p l a c e ，ia n a l y s i st h ef e a t u r e so fp r o d u c t s ，a n dc l e a r t h e f u n c t i o nm o d u l e so fp r o d u c t si na c c o r d a n c ew i t he l e c t r i c a ls y s t e m st h e o r y t h e n t h i sa r t i c l ed e s i g ni n t e r a c t i v ec o n t r o li n t e r f a c e ，c o m m u n i c a t i o n ，m e c h a n i c a ls t r u c t u r e a n dt h ep l a no fo v e r a l ls y s t e mf u n c t i o n t h ew h o l ed e s i g nt h i n kt h ed e m a n do fl o n gs t r o k eo ft h es y s t e mi nt h ep r o c e s s o fm e c h a n i c a ls y s t e m ss t r u c t u r e s ，a n da l s ot h i n ks y s t e ms c a l a b i l i t ya n de a s eo f m a i n t e n a n c e h u m a np cs o f t w a r em a k e su s e r so p e r a t et h es y s t e me a s i l y , a n dh a v e g o o de r r o rc o r r e c t i o n s t a b i l i t yc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t sm a k et h es y s t e m m o r es t a b l ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o n b e c a u s es y s t e md e s i g no ft h ep a p e ri n c l u d e ss o m em o d u l e s ，id e s i g ne v a l u a t i o n p r o g r a mb a s e do ni m a g ep r o c e s s i n gi n o r d e rt om a k eo b j e c t i v ea n dr e a s o n a b l e o v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n t h es p e c i f i cm e t h o di st ou s et h ec a m e r at o 哈尔滨理t 火学t 学硕l j 学位论文 s h o o tt h es t a n d a r dt e s tb o r e ，a n dt a k ea d v a n t a g eo f e x t r a c t i n gg r a yl e v e lh i s t o g r a m ， c o r r o s i o n ，r e g i o n a li m a g ef e a t u r e so b t a i n e da n do t h e ri m a g ep r o c e s s i n gm e a n s a t t h es a m et i m e ，as e r i e so f p i c t u r e sw i l lb ep r o c e s s e da n de x t r a c t e dt h ep a r a m e t e r s s i m u l t a n e o u s l y , w ec a l c u l a t et h ep a r a m e t e r so b t a i n e d a tl a s t ，w eo b t a i ni m a g eo f f s e t e r r o rt h a tr e s p o n s e st h em o t i o np e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n dg r a yl e v e lh i s t o g r a m t h a tr e s p o n s et h el i g h ts o u r c eq u a l i t y t h ef e a t u r e so fl a r g ef o r m a ta u t o m a t i cji g s a wp u z z l em a c h i n eo f t h i ss u b j e c t a r ee x c e l l e n ts c a l a b i l i t y , l o n gw o r ks t r o k e ，l o wc o s t ，e a s ym a i n t e n a n c ea n do p e r a t i o n a c c u r a c y t h ep r o d u c ti sa p p l i e st oa l lk i n d so fp a i n t i n g ，c a l l i g r a p h y , d r a w i n g sa n d o t h e rt a r g e ts h o o t i n g ，a n ds o l v et h ep r o b l e mo ft h eh i g h q u a l i t yu l t r a l a r g ef o r m a t d i g i t a lp h o t ot a r g e ta c q u i s i t i o n k e y w o r d sp u z z l e sm a c h i n e ，m c u ，v b ，i m a g ep r o c e s s i n g 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 书画作品高质量数码图像的市场需求 当今社会已经进入了数字化时代，数字化技术已经完全融入到我们h 常的 生产生活当中。由于近年来人们的生活水平和文化需求的不断提高，书画作品 的数字化已经成为了市场的迫切需要，仿真书画作品有着广阔的市场空间。 在市场领域，书画作品的高保真的数字图像可以用于艺术网站和数字博物观的 建设，使世界各地的人们可以打破地域限制，得以近距离的欣赏艺术作品。另 外通过数字图像技术的应用对艺术品的高逼真度仿也有很大帮助。从文物保护 的角度看，很多书画作品随着年代的推移，大多受到了一定程度的损坏，而高 质量的古代书画艺术品的数码照片则不会出现这种情况，。叮以一直流传下去。 通过数字图像对书画作品进行保存，不但对书面作品没有损伤，而且町以通过 现代化图像处理手段刈。损坏的书画作品进行重构，还原其本来面目。 1 1 2 大幅面数字图像采集系统的国内外发展现状 当前大幅面的数码图形获取技术广泛的应用于地理信息、广告设计、工程 建筑、机械设计、艺术品复制等领域，目前划于书画作品的高质量数字图像获 得主要通过大型扫描仪器来完成2 1 。 a ) 平极式扫描仪b ) 馈纸扫描仪 幽1 1 人幅面数字蚓像获取设备 f ig 1 1t h eo b t a i ne q u i p m e n to fg r e a t l yf a c e 喻尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 大幅面扫描仪是一种汁算机外围输入设备，与我们普通家用( 商用) 扫描 仪最大的区别是扫描幅面的宽度、长度及精度和影像质量等方面不同。通常我 们将扫描幅面大于a 3 幅面的( 2 9 7 c m x 4 2 c m ) 扫描仪统称为大幅面扫描仪。 目前众多国内# 1 - 1 - 一家都致力于大幅而扫描仪的开发，市场上应用较多的大幅面 扫描仪，按照走纸方式分类主要可分为平板式扫描仪和馈纸式扫描仪两大类， 如图1 1 所示。 平板式扫描仪和同常家用扫拙仪相同，是将目标物平放于扫描仪的大而积 光学玻璃上，图纸处于静i 卜状念，然后通过电荷耦合器件( c c d c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 在同定的轨道上做往复运动，从而对图像信息进行扫拙。这种 采集方式的最大优点是对目标物不会造成任何损伤，可以应用在扫描平面文 物，如易碎图档、古画、珍贵档案等等。其缺点是由于使用线阵c c d 对目标 物进行扫描，而线阵c c d 长度受制造工艺的限制，而且成像宽度受其内部图 像处理单元的制约，致使其成像面积受到很大制约。另一种馈纸式扫描仪，扫 描仪成像机构处于静止状态，传动机构带动扫描r 标物向前移动，进行图像数 据的采集。目自订市场主流的大多数大幅面扫描仪，基本上都是采用这种扫描方 式，其可以在保证获取高质量图片的同时，提高扫描的速度。馈纸式扫描仪的 缺点也是显而易见的，在传动过程中传动机构与扫描目标之间的接触可能造成 损伤，因此，降低了它的适用范围。同自i 市场上最人的扫描仪是德国c r u s e 的 c s 2 8 5 s t 超级大平台扫描仪，如图1 2 所示卜”。 幽1 2c s 2 8 5 s q 、超级人平台扫描仪 f i g i 一2c s 2 8 5 s ts u p e rl a r g ep l a t f o r ms c a n n e r c s 2 8 5 s t 所能扫描幅而可达15 0 c mx2 2 5 c m ；最大分辨率可达 1 0 0 0 0 x15 0 0 0 像素；存真彩色时最人文件尺寸为4 5 0 m b ，特别适合人型书法、 占面i 、化布的士- 1 拙、复制。但足，此类手1 描仪有三火缺点，首先是由十其图像 获取力式是每次获取一条直线，然后在另一个方向作步进运动，最后把获取的 哈尔滨理丁人学t 学硕l j 学位论文 许多线拼接成一幅完整的图像。这就使得此类扫描仪受制于线阵c c d 长度的 限制，扫描幅面很难进一步做大，例如现在最大的只能达到1 5 0 厘米。其次由 于内部图像处理引擎性能的制约，扫描的分辨率与文件尺寸受到一定的限制， 而这与高精度获耿存在着巨大的矛盾。最后是这种实现方式的可扩展性较差， 与使用数码相机的数字化获取方法比较，这种方法的升级比较困难，严重的制 约了设备的使用周期。 1 1 3 图像拼接技术的发展现状 图像拼接技术就是将数张有重叠部分的图像拼成一幅大型的、无缝的、高 分辨率图像的技术。图像配准和图像融合是图像拼接的两个关键技术。早期的 图像拼接研究一直用于照相绘图学，图像配准技术主要采用点匹配法，这类方 法速度慢、精度低，而且常常需要人工选取初始匹配点，无法适应大数据量图 像的融合，其一般针对航拍或卫星采集的图像进行整合，用以获得完整的航拍 图或卫星图p 。近年随着传感器和数字图像处理技术的发展，机器人技术，虚 拟现实技术、医学图像、地质勘探等领域大量的运用图像拼接技术，全景高分 辨率图像的绘制成为了研究焦点。图像拼接的过程和步骤如下图1 3 所示p 。 匪鄄秭匦 叫鱼堡塑壅垂h ：鱼堡画亘 _ 悝堕垂至) 叫( 巫亘豳 图1 3 图像拼接的基本流科 f i g 1 - 3t h eb a s i cf l o wo fi m a g em o s a i c i n g 1 2 幅面自动拼图机的设计要求 针对目前流行的大幅面扫描仪存在的i u j 题和对市场需要的调研，本文 研发一套基于图像拼接技术适用于大幅面和超大幅面高保真数字图像获取 系统。该系统包括机械运动结构部分、电机驱动部分、控制电路部分和上 位机控制处理软件。操作人员对软件界面中驱动项进行设定，然后由串口 传输给控制电路，冉由摔制电路对电动部分产生控制信号，从而实现驱动 部分控制机械系统按照设定值运行。 目前的图像拼接方法是以一定的算法搜寻相邻两幅图像中相同的内 容，从而确定它们的相对位置，其中还要进行畸变矫正和空间位置重组等 处理过程。但如果图像拼接技术过于依赖软件算法，会带来繁重的后期处 理过程，不但系统的实时性难以保证，而且图像拼接效果往往不太理想。 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 如能设计出合适的图像采集硬件，从而给后期图像拼接算法的简化提供条 件，那么对实现系统的图像采集性能将有很大的帮助。本文基于以上思想 研究丌发了大幅面自动拼图机。 大幅面自动拼图机的设计与开发需要解决以下问题： 1 建立完善的机械结构，使其能完成项目要求的所有动作，并有良好的可 维护性和扩展性。 2 搭建达到精度用户需求的传动结构及控制系统。 使系统具有较高稳定性、精度和易用性，基本实现无缝拍摄。 1 3 本文研究内容 本文根据市场上流行的大幅面图像获取设备存在的问题，针对基于图 像拼接的大幅面数码图像获取方案进行研究主要包括以下内容： 1 从机电一体化系统设计角度对整个系统结构进行分析，丌发配合 拍摄方案的机械系统，设计出满足系统需要的三自由度的机械系统； 2 设计较为完善的控制电路，使其可以完成电机驱动控制、运行状 念显示、上位机通信和信号采集等一系列功能； 3 设计满足用户需求的人性化软件系统，并有一定的扩展性； 4 在系统设计完成以后，对系统整体性能评价方案进行研究，实现 系统性能指标数据化，为系统今后的改进提供参考。 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 第2 章大幅面自动拼图机的机械结构设计 2 1 大幅面自动拼图机总体设计 本文设计的大幅面自动拼图机是一个涉及多领域的机电一体化产品，按照 产品功能的要求，结合机电一体化系统的设计方法，在详细的分析大幅面自动 拼图机的各个部分的基础上，确定具体的设计思想如下： 首先，完成矩阵式拍摄过程。即把所要拍摄的目标，分为n x m 各小块， 每次拍摄一小块，从而完成整个图画的拍摄。在整个拍摄过程中系统有一定的 灵活性，可以对拍摄动作进行控制并达到一定精度。 其次，在分析系统要求的基础上，制定了以上位机软件加控制电路的控制 方案，这样使操作者可以方便的控制机器的运动状态，而且可以及时对结果进 行判断和分析，从而对整个操作过程进行掌握。 综上所述，根据功能、造价和加工难易程度，考虑机械系统部分的设计。 因为产品有投放市场的需求，所以还应使机械系统性能稳定可靠，并使系统各 个部件较易史换，使机械系统具有良好的维护性 2 1 1 大幅面自动拼图机总体设计的基本设计内容 在充分理解大幅面自动拼图机的性能要求下，根据设计总体思想，本次设 计包含内容如图2 1 所示们。 图2 1 系统设计内容 f i g 2 一lt h e c o n t e n t so fs y s t e md e s i g n 哈尔演理t 人学t l 学硕i ：学位论文 其中机械设计主要完成整个系统运动框架的搭建。机械部件作为整个系统 的基础，机械结构部分的设计主要包括以下内容： 1 支撑框架和导向结构设计。导轨选型、安装固定和系统支撑框架设计。 2 固定结构设计。对步进电机悬挂支撑、传动输出和限位器的安装等。 控制系统包括上位机软件、通信电路和控制电路，其结构如图2 2 所示。 控制电路的主要任务是实现按操作者的设定值来控制机械系统运行，并且根据 机械结构优化其控制动作，使机械结构运行的更加平稳。控制电路接收通过通 讯电路由上位机软件传来的数据，并结合传感器对动力系统进行控制吲。 ， i 拍摄相机 上位机控制刮x 轴i 乜机驱动吲x 轴1 1 三4 9 tpx 轴传动件机 传 软件系统 从 通信 肚控制 械 感 w 电路 w 电路 刊y 轴，【i 机驱动吲y 轴一m j lb y 轴传动件系 1 器 ( 人机界面) 统 刮z 轴u 机驱动吲z 轴- 【l 机pz 轴传动件 f l 图2 2 系统结构 f i g 2 - 2t h es y s t e ms t r u c t u r e 上位机软件完成每次装置运行动作的设定，其中包括拍摄的总长度、总宽 度，并设定每个拍摄动作的运行距离，从而确定出每次拍摄矩阵的大小，并将 这些数据传送给单片机，同时控制相机的拍摄动作。 控制电路完成从上位机接收运行与拍摄的相关数据，再根据上位机软件的 设定值，通过电机驱动器来驱动系统中的电机运行，并根据传感器的情况调整 运行动作，当拍摄结束后完成复位等操作p 1 。 2 1 2 大幅面自动拼图机的拍摄流程 整个系统的运行拍摄流程过程如图2 3 所示。系统上电以后首先完成初始 化，其中包括上位机软件和电路的初始化。然后，操作人员按照拍摄目标的情 况，通过上位机软件对运行参数进行设置。当设定结束后，再由操作人员控 制，把运动参数通过传输电路传输给控制电路，再由控制电路根据运行参数和 上位机的控制信号向驱动装置发出控制信号，驱动电机运行。在电机运行过程 还要不断检验限位装置信号，从而及时调整运动过程，以免出现超出系统运行 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论丈 范围损坏机器的情况网。 2 2 系统部件选型 2 2 1 导向部件选择 图2 3 拍摄流程 f i g 2 - 3f i l m i n gp r o c e s s 导向支撑部件的作用是支撑和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运 动方向运动，这样的部件通常称为导轨副，简称导轨。导轨副主要由承导件和 运动件组成。在机电一体化系统中，对导轨的基本要求是要有很高的导向精 度，运行平稳，摩擦系数小，有良好的耐磨性，受温度变化的影响小，良好刚 性以及结构工艺性好。 本文设计采用丌放式圆柱面导轨如图2 4 所示，其具有结构工艺性好，方 向精度高，对温度变化不敏感，成本低等优点，但其承载力较小，摩擦力和耐 磨性较差。因为本文设计产品的运动载荷较小，而且运动速度和强度较低， 所以丌放式网柱面导轨符合设计要求。运动件选择与其酉己套的滚珠轴承，将轴 承内嵌于较大的运动平台，方便承载机构的安装。其运动载荷为3 9 2 n ，静力 载荷为4 9 0 n 。 哈尔滨理丁大学丁学硕i j 学位论文 晚羹 a ) 滑轨b ) 运动平台 图2 - 4 滑轨与运动平台 f i g 2 4d u m p r a i la n dm o t i o np l a t f o r m 2 2 2 传动部件选择 机械传动部件通常有螺旋传动、齿轮齿条传动、同步带传动，高速带传动 和各种非线性传动部件，其主要功能是传递转矩和转速。根据产品的设计要 求，本文主要对滚珠丝杠副传动、同步带传动和齿轮齿条传动进行比较，如表 2 1 所示。 表2 1 传动方案比较 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o no ft r a n s m i s s i o ns c h e m e 传动件精度加工成本可维护性自锁推荐行程 滚珠丝杠局品低无较大 同步带较高低l 司无 大 齿轮齿条i 司同较高无较小 滚珠丝杠具有很高的轴向钢度、运动半稳、传动精度高、不易磨损、使用 寿命长等优点，所以在工作台设计领域火量应用。其缺点在于彳 能自锁，且加 工成本较高，运动行程有一定的局限性。小产品设计要求水平方向上有很大行 程，如果使用丝杠和齿轮齿条，将大大提高成本，并且给后期产品的维护带来 很大网难，所以在平面x 轴和y 轴方向选择同步带传动，选用的为钢丝聚氨 酯同步带如图2 5 所示”。这种具有同步带足山钢丝和进1 5 1 热塑聚氨酯材料 制成，具有较高抗磨损能力，其内部嵌入各种类型钢丝芯保征其住传动r f l 仍然保持良好的运动能力，生产公差小，并且成本低，有良好的抗腐蚀 性，易f 更换和保养。 哈尔滨理工大学t 学顾 ：学位论文 一 a ) 同步带b ) 同步轮 图2 5 同步带与同步轮 f i g 2 5s y n c h r o n o u sb e l ta n ds y n c h r o n i z i n gw h e e l 2 2 3 执行原件选择 执行原件是机电一体化系统的机械系统与微电子控制系统之间的连接部 分，是完成能量转换的器件。它能在微电子系统的控制下，将各种形式的输入 能量转化为机械能量，如电磁铁、继电器、液j 1 i 能、电机等等，转化微机械 能。 系统根据要求对机械结构动作完令控制，并要有较高精度，所以这罩选用 步进电机作为执行原件，如图2 - 6 所示。步进电机具有： 作稳定，步距角小， 不易受外界干扰，步距角误差不会长期累积，控制性能好等特点。而且通过细 分实现对机械结构的高精准度控制纠“。 图2 - 6 步进电机 f i g 2 6s t e p p i n gm o t o r 2 2 4 限位装置选型 限位丌关，1 般按其工作原理可分为机械式、高频振荡电感型、磁性接近 型、光电式、电容式、超声波式接近丌关五大类。供电方式可以分为直流型和 交流性。因为系统主要部件均为钒制，且系统工作在窄温条件，工作环境较 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 好，又因为系统采用单片机作为控制器，所以采用光电式接近开关可以满足以 上的系统要求，而且可直接与控制电路相连，避免了设计转换电路。这里为了 方便安装，选用了圆柱形光电开关，其外形如图2 7 所示m 1 。 图2 7 光电接近开关 f i g 2 - 7p h o t o e l e c t r i cp r o m i x i t ys w i t c h e s 2 3 机械结构总体外形 机械结构作为整个系统的支撑框架和运动的底层实现部分，其质量和 可靠性直接关系到整个系统的性能”。本系统的机械部分要实现带动相机 沿水平方向和竖直方向的运动，并且要有一定的精度1 1 6 1 。 根据产品设计要求，该机器的整体结构方案如图2 8 所示，主要包 括：z 轴相机安装及运动机构，x 载物轴运动机构，y 载物轴运动机构， 位置限定机构和载物台。 图2 8 产品总体外形 f i g 2 - 8t h e o v e r a l la p p e a r a n c eo ft h ep r o d u c t 操作人员把拍摄目标放于载物台上，启动机器。调整z 轴改变相机位置选 择合适的物距，x 轴将按照上位机软件设定值完成固定距的一个横向的运动， 哈尔滨理t 大学t 学顾_ i 学位论文 然后停止，等待上位机下一个运动命令，在这期间，操作人员可以控制相机对 目标进行拍摄。当拍摄结束后，控制电路接收上位机的命令，横向移动下一个 距离，直到完成所设定的横向位移个数后反向，y 轴电机纵向运动一段距离， 大小同样由上位机软件设定。在运动过程巾，控制电路对运动机构位置进行检 测，并把信号传输给控制电路，以防止机器出现超出行程运行的情况。当完成 系统设定的拍摄动作后，由控制电路根据位置限定机构将相机归位到初始原点 位置，等待下一次拍摄”1 。 2 4 传动系统设计方案 2 4 1z 轴结构及传动方案 z 轴主要完成相机的固定、光源固定和调整相机竖直方向位置，这里采用 燕尾槽结合斜齿轮齿条来完成固定和传动，山步进电机或者手动方式提供动力 来完成此功能。如图2 - 9 所示，该机构主要包括相机固定件、燕尾槽、齿轮齿 条、光源固定以及z 轴与x 轴连接件。电机转动经过齿轮齿条变为直线运 动，并带动相机沿燕尾槽方向做上下运动。当到达设定位置时，电机停止转动 相机物距固定。 j 豢辫 o ，。鳖逦丞热鱼 1 3 12 - 9z 轴结构 f i g 2 - 9t h ez a x i ss t r u c t u r e z 轴的动力源设计为电动和手动两种形式，其固定件底座如图2 1 0 ( a ) 所 示，它的一端通过螺纹与轴套连接，另一端的通过掐槽与电机固定座的掐点配 合将其固定住。电机固定座如图2 1 0 ( b ) 所示。电机固定座上的固定孔提供了电 鬻糕 哈尔滨理工大学- t 学硕一l ：学位论文 机固定位置，手动旋钮可以直接安装，这样可以方便的实现手动与电动之间的 切引引。 图2 1 0 轴连接座和电机及手动装置蚓定座 f i g 2 10s h a f tl i n ks e a ta n dm o t o ra n dm a n u a ld e v i c ef i x e db l o c k 手动装置安装效果如图2 1 1 所示。我们可以通过转动旋钮或电机， 通过连轴器来带动齿轮转动，实现运动平台沿燕尾槽方向上下移动，从而 实现相机物距的调整。 图2 - 11z 轴动力件安装 f i g 2 11t oi n s t a l lp o w e rp i e c e so n t h eza x i s 2 4 2x 轴结构 x 轴承载z 轴做横向运动，在滑轨两端通过光电丌关防止z 轴运动超 出行程，其结构如图2 12 所示。 图2 12x 轴结构 f i g 2 - 12x a x i ss t r u c t u r e 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 鉴于所选择的圆型滑轨结构特点，单根圆轨对转矩没有约束，这里 采用并排两根导轨，在水平方向添加两点约束，从而将z 轴沿水平方向固 定。这里考虑到z 轴、相机和光源所产生的重心在x 轴外侧，所以x 轴 的两根滑轨将承受一个侧向的转矩，将对前一根导轨产生下压的力，对后 一根有上拉作用。所以，为了增加x 轴强度在两块导轨之f n j 增加了底 座，将其连在一起从而增加了横截面积，提高了强度。 x 轴传动器件选择为t 形同步带，电机输出轴直接与同步轮相连，用 特制的央具将同步带同运动平台固定，同步带与运动平台固定滑轨同方向 固定，从而实现了同步传动。设计时选择同步带轮直径相同，同时采用特 殊央紧装置，并由其完成张紧功能，使得结构稳定性得到良好改善。同步 带的参数如表2 2 所示。 表2 - 2x 轴同步带选择 t a b l e2 - 2c o m p a r i s o no ft r a n s m i s s i o ns c h e m e 项目型号及尺寸( m m )说明 带型 m x l 系统对功率要求低 同步带节距 2 0 3 2 系统设计要求 主从动轮齿数 3 8 系统主从动轮齿数相同 主从动轮节圆直径 3 6 包括挡边距离 实际中心距 l0 0 0 产品要求 带宽 1o 系统负载 2 4 3y 轴结构 y 轴主要完成承载x 轴结构完成纵向运动。系统将拍摄物放置于x 轴与 y 轴之问。为了实现功能，这罩将导轨放置于拍摄面荫侧，采用双滑块固定， 加强支撑稳定性，如图2 1 3 ( a ) 所示。采用同一台电机带动一根长轴作为两侧同 步带的主动轮，这样可以保证两侧滑轨上同步带运动的一致性，同样，采用一 根长轴作为两侧同步带的从动轮。这种设计相对于丝杠传动而言口丁以有效地延 长传动距离，使机构具有良好的扩展性，具有易维护保养等优点。其不足在于 系统运行的稳定性不如丝杠，因为没有横向锁紧的功能。系统在运动过程中容 易震颤，这就要求在动力控制方面加以弥补，提高其稳定性。另外虽然同步带 精度稍差，但可以满足本产品的设计功能要求。 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 a ) y 轴与x 轴连接b ) 传动结构c ) 同步带安装 图2 13y 轴结构 f i g2 13y a x i ss t r u c t u r e y 轴同步带的计算过程与x 轴相同，其结果如表2 3 所示： 表2 3y 轴同步带选择 t a b l e2 - 3c o m p a r i s o no f t r a n s m i s s i o ns c h e m e 项目型号及尺、r ( m m )说明 带型 m x l 系统对功率要求低 同步带节距 2 0 3 2 系统设计要求 主从动轮齿数主15 2 从3 8降低速度增加转矩 主从动轮节圆直径 3 6 系统设计要求 实际中心距 1 2 0 0 产品要求 带宽 1 0 系统对功率要求 2 5 装配部件 2 5 1 夹紧装置 本文开发的系统要求有很大的行程，这就人人增加了选用同步带的长度， 并且为了产品的紧凑性，对设计空i 、日j 又有定的限制。基于以上问题，导致传 统的张紧模式不再适用，本文设计了新型丌口带的张紧装置，同时将同步带与 运动平台相连接。其中x 轴同步带央具如图2 1 4 所示。其优点在于可以通过 调节张紧夹的两颗张紧螺栓，来调节同步带的张紧力，其安装体积小，并上上便 于更换同步带。 哈尔滨理t 火学丁学硕一i ：学位论文 纛冷 芽 ，“ 图2 1 4 同步带张紧央具 f i g 2 14t h et e n s i o n a lt o n g so f t h es y n c h r o n o u sb e l t 2 5 2 可调限位装置 在样机调试阶段为了能对拍摄原点的位置进行调节，以测试不同型号的相 机，并得出合理的z 轴参数。这里设计了一个双向可调的限位板，如图2 1 5 所示。将其固定在x 轴与y 轴上，当机械装置运动到指定位置时，限位装置 与接近= ：r 关到达有效距离产生限位信号，控制电路停止电机转动。用户可以通 过调节限位板伸出的距离改变拍摄装置原点的位置。 2 5 3 可调限位装置 图2 1 5 可调限位装置 f i g 2 15a d j u s t a b l ep e n e u m a t i e d d e v i c e 拍摄物放在载物台卜面，如图2 1 6 ( a ) 所示，鉴于所拍摄物体一般为人幅柔 软平面，为了不影响其平整度，在载物台平面上打上了均匀分布的圆孔，使空 气不会存于目标物与平台之间，从而提高目标平整度。支撑架作为整个系统的 基座，其稳定性对整个系统的平稳运行有着重要作用，其结构如图2 16 ( b ) 所 示。由两块1 1 0 m m 7 5 m m 的角铝作为两端支撑架，用以放置y 轴导轨，并支 撑y 轴传动机构。两块角钒之i 、h j 用四块水平铁板千f 1 连，增加其稳定度“。 哈尔滨理工人学工学硕j j 学位论文 2 6 本章小结 a ) 支撑面板 图2 一1 6 载物台 f i g 2 - 16l o a d i n gp l a t f o r m b ) 支撑架 首先，按照大幅面自动拼图机的设计要求对设计的总体方案做了详细的规 划。然后，还对产品关键部件进行了分析和选型。最后，对机械动力结构进行 了搭建。系统采用龙门型结构将拍摄目标放置于龙门下，相机配合光源安装于 龙门上端来进行拍摄。实现了产品设计要求的x ，y 方向的大行程矩阵式运动 所需要的机械条件。设计了带自锁功能的z 轴方向相机物距的调节，根据实际 情况操作者可以选择电动和手动两种工作模式。在设计过程中考虑了结构钢 度、限位位置等问题，提高了产品的实际使用性能。 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 第3 章大幅面自动拼图机控制系统 根据拼图机的总体结构设计，拼图机主要包括x 轴运动机构，y 轴运动机 构，z 轴运动机构。在拼图机工作的过程中各组成部件要工作协调，才能完成 预定的运动轨迹。又因为照片的拍摄效果评价受人主观因素影响大，可能在拍 摄的过程中要进行相应的调整，所以拍摄方式要具有一定的可控性。用户应该 可以通过操作界面方便地控制运动方式和拍摄动作。 3 1 硬件控制电路总体方案 ：x 轴限位j f 关l ；一 ；一；x 轴电机方向i 。 1 r _ 一 x 轴限位j f 关2 一一 x 轴电机脉冲! y 轴限位歼关l | db y 轴电机方向1 i 1 y 轴限位歼关2i 卜1 r 一_ ： y 轴电机脉冲! _ = 二一= 主控芯片卜i 一 一z 轴电机方向 ；拍摄电路 ；一jj ! z 轴电机脉冲i l j f !f 一! - _ j ( 通m 信a x 电2 3 要2 一 _ i 显j ：电路l _ ) i l 1 1 1 0 ”l l jl ，i ， 一j 图3 1 系统控制电路 f i g 3 。1s y s t e mc o n t r o lc i r c u i t 控制电路的总体设计如图3 1 所示，要完成对三台电机的控制。其中每台 电机需要两个i o 口：一个控制方向，另一个控制转动角度。另外，还要驱动 显示电路和拍摄电路。在完成拍摄动作的同时，为了保护机器还要对两组限位 装置进行检测，以免出现故障。如出现故障，应可以自动调整。控制电路还需 要由通信电路来完成与上位机的数据交换弘叫弘“。 3 1 1 主控芯片 系统设计行程规定：x 方向行程为1 0 0 0 m m ，y 方向行程为1 2 0 0 m m ，其 最小运动单位为l o m m 。需要对每个拍摄块的x 、y 方向距离，以及整幅拍摄 面x 、y 方向划分的块数，同时在定点拍摄中还要记录定点拍摄的横纵坐标， 以及为z 轴预留的存储器。根据以上的系统要求，经过资源分配，选择 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论丈 s t c 8 9 c 51r c r d + 系列单片机作为主控芯片。 s t c 8 9 c 5 1 r c r d + 系列单片机其兼容8 0 5 l 内核的单片机，是高速低功耗 的新一代8 0 5 1 单片机，1 2 1 手j 钟机器周期和6 时钟机器周期可反复设置，最新的 d 版本内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路。其集成5 1 2 字节r a m 、i s p ( 在系统可 编程) i a p ( 在应用可编程) 、无需专用编程器可通过串口直接将程序下载到 芯片、e e p r o m 功能、看门狗、内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路。通用异步串 行口( u a r t ) ，s p i 同步通信1 5 1 ，主模式从模式1 2 2 。 单片机工作执行其内部程序，需要按照一定的节拍，时钟电路就是为单片 机提供这种节拍的器件。外部品振电路为单片机提供个工作的稳定时序，决 定着单片机的机器周期和指令周期。本文采用的时钟电路如图3 2 所示。 r k 图3 - 2 时钟i 乜路驶计 f i g 3 2t h ed e s i g no fc l o c kc i r c u i t 复位信号是确保单片机上电以后从内部程序顶端正常运行，高电平有效。 因为是样机制作，所以在研发过程中经常会需要临时调整，所以，在单片机的 三种复位方式一上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位，选择了手动和 自动相结合的方式。其电路图如图3 3 所示弘“。 3 1 2 通信电路 j f 图3 3 芯片复何电路没计 f i g 3 - 3t h ed e s i g no fc h i pr e s e tc i r c u i t 控制系统需要接收从上位机传递的控制命令和各个电机的转动参数，同时 需要把电机运行的状念和位置信息传递给上位机以进行监控，并且还要接收上 位机软件的相机拍摄命令，来控制相机拍摄。这罩采用串口通信方式来进行数 呛尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 据传输，这样不但可以满足传输速度的要求，还可以保证良好的准确性，以及 传输距离，并且具有良好的通用性。 s t c 芯片提供了串行通信的s c i 模块，使得中央处理器可以与使用标准格 式的异步外设进行数据交换。e i ar s 一2 3 2 是异步通信中使用最为广泛的标准总 线，本文采用此种方式，并使用美信公司专f i r s 一2 3 2 设计的单电源电平转换芯 片m a x 2 3 2 a c s e ，其应用电路图如图3 4 所示卜： v r r 一穗v d d 5 l 仪d1 0 厂 r x d1 2 、3 厂5 1r x d9 l e d 4 1 5 忉厂 3