CN101694754A - 机器视觉和运动控制技术实验台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机器视觉和运动控制技术实验台，其特征在于该实验台包括台架、工业控制计算机及软件、图像采集模块、运动控制模块及外围控制电路总成；图像采集模块和运动控制模块安装在台架上部的操作区内，其余部分安装在台架下部的控制柜内；工业控制计算机采用PXI总线形式，其内部包括一块1394图像采集卡，其外部连接一个USB手柄；图像采集模块包括一台高速摄像机和一块图像采集卡；运动控制模块包括一块多轴运动控制卡、4套伺服电机及其驱动器和4套运动执行元件；4套运动执行元件搭建成上下平行的两套二维滑台，上、下二维滑台上分别安装有高速摄像机和载物台，上、下二维滑台的运动由工控机外接的USB手柄分别控制。

Description

机器视觉和运动控制技术实验台
技术领域
本发明涉及一种教学和科研设备，具体为一种基于机器视觉和运动控制技术的视觉跟踪定位实验平台。该实验台可针对当前典型的机器视觉及运动控制技术应用进行模拟演示，并可提供开放式的开发及实验环境，方便相关的教学与科研。
背景技术
机器视觉是一个新兴而发展十分迅速的学科领域，以实际工程问题为研究对象，以计算机理论、智能控制、光学、机械、电子等多种工程应用学科为基础，目的是模拟人眼来实现从观察到识别与控制等功能。越来越多的工程技术人员认识到当前的机器视觉技术和运动控制技术相结合对于解决复杂应用问题有着相当大的帮助，二者相结合的技术已广泛应用于工业产品检测、识别、定位、移动机器人导航、医学图像分析、保安监控系统、智能交通以及国防和娱乐等行业。
机器视觉及运动控制技术的研发与应用，相应地增加了系统的复杂性及多样性，但目前高校及科研院所仅能通过特定的实例进行相关技术的讲授，没有试验研究仪器或手段，更不具有开放性及普适性，难以满足机器视觉技术及运动控制技术应用多样性的要求，使得针对相应技术的教学和科研工作难以有效开展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种机器视觉和运动控制技术实验台，该实验台可针对当前典型应用的机器视觉与运动控制两种技术的合成进行教学演示，且可用于开放式的多功能的相关技术研发实验平台。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种机器视觉和运动控制技术实验台，其特征在于该实验台包括台架、工业控制计算机及软件、图像采集模块、运动控制模块及外围控制电路总成；所述台架分为操作区和控制柜上下两部分，图像采集模块和运动控制模块安装在操作区内，其余部分安装在控制柜内；
所述的工业控制计算机采用PXI总线形式，其外部连接一部USB手柄；
所述的图像采集模块包括线缆联接的一台高速摄像机和一块图像采集卡，图像采集卡安装在工业控制计算机内；
所述的运动控制模块包括一块多轴运动控制卡、4套伺服电机及其驱动器和4套运动执行元件；其中多轴运动控制卡、伺服电机驱动器安装于工业控制计算机内，4套伺服电机及其驱动器安装在控制柜内，伺服电机和伺服电机驱动器均通过线缆与多轴运动控制卡的端子板联接；4套运动执行元件搭建成上下平行的两套二维滑台，上二维滑台安装在操作区顶面的台架上，下二维滑台安装在操作区底面的台架上，上二维滑台上安装有所述高速摄像机，下二维滑台上安装有载物台，高速摄像机的镜头朝向载物台；上二维滑台拖动高速摄像机平面二维运动，下二维滑台拖动载物台平面二维运动，上二维滑台和下二维滑台的平面二维运动由工控机外接的USB手柄分别控制；
所述的外围电路包括与PCB电路板连接的零位开关控制电路、限位开关控制电路、伺服驱动器与多轴运动控制卡端子板之间的适配电路。
与现有技术相比，本发明把图像采集模块和运动控制模块有机综合到同一台架上，利用工业控制计算机和相应软件，对机器视觉技术和运动控制技术提供开放式的学习和研究平台，降低了机器视觉技术和运动控制技术的教学及科研的工作难度。本发明机器视觉和运动控制技术实验台结构简单、布局直观、机器视觉模块和运动控制模块结构清楚明晰，系统软件界面友好，便于学生及科研人员熟练掌握机器视觉技术和运动控制技术的多种应用方法及技巧，操作方便，基本能够满足机器视觉技术及运动控制技术的应用多样性，为高校和科研院所的教学、科研工作提供了新的设备支撑。
附图说明
图1为本发明机器视觉和运动控制技术实验台一种实施例的整机结构示意图；
图2为本发明机器视觉和运动控制技术实验台一种实施例的控制系统结构示意图。
具体实施方式：
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。
本发明设计的机器视觉和运动控制技术实验台(简称实验(平)台，参见图1-2)，其特征在于它包括台架1、工业控制计算机(工控机)及软件、图像采集模块、运动控制模块及外围控制电路总成。
所述的台架1实施例采用铝合金型材搭建为柜式框架，框架或台架1分为上下两部分，上半部分为操作区11，用有机玻璃封闭，但开有前、后门，以便于操作和观察；台架1的下半部分为控制柜12，用薄铁板封闭，也有开前、后门，以便于操作。所述图像采集模块和运动控制模块安装在操作区11内，其余部分安装在控制柜12内；
所述的图像采集模块包括一台高速摄像机2和一块图像采集卡，高速摄像机2安装于台架1的操作区11内(台架1顶面上的上二维滑台31上)，图像采集卡安装在工业控制计算机内，高速摄像机2与图像采集卡通过线缆联接。
所述的运动控制模块包括一块多轴运动控制卡、4套伺服电机及其驱动器和4套运动执行元件；其中多轴运动控制卡、伺服电机驱动器安装于工业控制计算机内，4套伺服电机及其驱动器安装在控制柜12内，伺服电机和伺服电机驱动器均通过线缆与多轴运动控制卡的端子板联接；4套运动执行元件搭建成上下平行的两套二维滑台，上二维滑台31安装在操作区11顶面的台架1上，下二维滑台32安装在操作区11底面的台架1上，上二维滑台31上安装有所述的高速摄像机2，下二维滑台32上安装有载物台33，高速摄像机2的镜头朝向载物台33；上二维滑台31拖动高速摄像机2平面二维运动，下二维滑台32拖动载物台平面二维运动，上二维滑台31和下二维滑台32的平面二维运动由工控机外接的USB手柄分别控制。
所述的外围控制电路包括零位开关控制电路、限位开关控制电路、伺服驱动器与多轴运动控制卡端子板之间的适配电路。这些电路均为现有技术，它们通过线缆及PCB电路板连接。
所述的运动控制模块的伺服驱动系统及控制系统、除板卡外的外围控制电路(板卡安装于工业控制计算机内)均装在的控制柜12内。所述图像采集模块、运动控制模块及外围控制电路总成均通过线缆与工控机联接。外围控制电路总成包括电源及其供给电路，供电电源具体为5个：微机(工控机)电源、上二维滑台31的X轴伺服系统电源、上二维滑台31的Y轴伺服系统电源、下二维滑台32的X轴伺服系统电源、下二维滑台32的Y轴伺服系统电源和四个驱动器的I/O专用电源。多轴运动控制卡分别通过线缆与按钮、传感器和状态指示连接。四台伺服驱动器与多轴运动控制卡之间的信号调理、连接电路(传感)按钮设计在控制柜面板上，控制柜面板还包括电源指示和电源开关指示等状态显示。所述伺服驱动系统及控制系统本身为现有技术。
所述工控机采用PXI总线形式，内部装有一块1394图像采集卡(和运动控制模块一块多轴运动控制卡)，外部连接一个USB手柄，通过USB手柄操作者可以灵活控制上、下二维滑台的运动。二维滑台本身为现有技术。所述工控机通过线缆与显示器连接。通过基于工控机的软件开发，可顺利实现当前机器视觉技术及运动控制技术典型应用的演示及研发。实施例中，上、下两套二维滑台均采用台湾HIWIN公司生产的KK系列精密线性模组搭建；所述伺服电机为日本安川公司生产的Sigma-II型伺服电机；所述高速摄像机2采用德国Basler生产的A601b型1394摄像机。
本发明实施例的工控机采用美国国家仪器公司(National Instruments，NI)生产的PXI工业控制计算机，其内部包括PXI-7344运动控制卡和一块PXI-1428图像采集卡。本发明实施例中采用美国国家仪器公司的LabVIEW软件作为软件开发平台，通过已完成的相应软件模块开发，可以实现视觉伺服跟踪定位、全局路径规划及轨线跟踪、基于机器视觉的精密测量、视觉识别与分拣等当前机器视觉技术和运动控制技术典型应用的展示。
本发明未述及之处适用于现有技术。
本发明实验平台由于具有开放性，用户也可以针对特定需求在实验平台上进行研发与实验验证。

Claims (4)

1.一种机器视觉和运动控制技术实验台，其特征在于该实验台包括台架、工业控制计算机及软件、图像采集模块、运动控制模块及外围控制电路总成；所述台架分为操作区和控制柜上下两部分，图像采集模块和运动控制模块安装在操作区内，其余部分安装在控制柜内；
所述的工业控制计算机采用PXI总线形式，其外部连接一个USB手柄；
所述的图像采集模块包括线缆联接的一台高速摄像机和一块图像采集卡，图像采集卡安装在工业控制计算机内；
所述的运动控制模块包括一块多轴运动控制卡、4套伺服电机及其驱动器和4套运动执行元件；其中多轴运动控制卡、伺服电机驱动器安装于工业控制计算机内，4套伺服电机及其驱动器安装在控制柜内，伺服电机和伺服电机驱动器均通过线缆与多轴运动控制卡的端子板联接；4套运动执行元件搭建成上下平行的两套二维滑台，上二维滑台安装在操作区顶面的台架上，下二维滑台安装在操作区底面的台架上，上二维滑台上安装有所述的高速摄像机，下二维滑台上安装有载物台，高速摄像机的镜头朝向载物台；上二维滑台拖动高速摄像机平面二维运动，下二维滑台拖动载物台平面二维运动，上二维滑台和下二维滑台的平面二维运动由工控机外接的USB手柄分别控制；
所述外围控制电路包括与PCB电路板连接的零位开关控制电路、限位开关控制电路、伺服驱动器与多轴运动控制卡端子板之间的适配电路。
2.根据权利要求1所述的机器视觉和运动控制技术实验台，其特征在于所述工控机采用美国国家仪器公司生产的PXI工业控制计算机，其内部包括PXI-7344运动控制卡和一块PXI-1428图像采集卡。
3.根据权利要求1所述的机器视觉和运动控制技术实验台，其特征在于所述上、下两套二维滑台均采用台湾HIWIN公司生产的KK系列精密线性模组搭建；所述伺服电机采用日本安川公司生产的Sigma-II型伺服电机；所述高速摄像机采用德国Basler生产的A601b型1394摄像机。
4.根据权利要求1所述的机器视觉和运动控制技术实验台，其特征在于所述工控机软件采用LabVIEW软件。
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