Đang tải... (xem toàn văn)
Nội dung của luận văn là nghiên cứu ứng dụng của xử lí ảnh vào bàn máy 2D. Bàn máy 2D sẽ vẽ lại một bức ảnh do người dùng đưa ra.Từ bức ảnh đầu vào sẽ được chương trình xử lí ảnh lấy tọa độ đối tượng cần vẽ. Sau đó, tọa độ này được truyền từ máy tính xuống vi điều khiển để điều khiển bàn máy 2D di chuyển theo tọa độ được truyền.
Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin cảm ơn quý thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Cơ Khí và bộ môn Cơ Điện Tử đã tận tình và hết lòng truyền đạt những kiến thức cho em trong suốt quãng thời gian em học tập tại trường. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Thanh Hải. Người thầy đã hết lòng giúp đỡ và theo sát em trong quá trình làm và hoàn thành luận văn này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp CK10KSTN và CK10KSCD. Những người đã cùng học và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và luận văn cuối khóa. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy phản biện và các thầy trong hội động bảo vệ luận văn đã dành thời gian để nhận xét và giúp đỡ em trong quá trình bảo vệ luận văn. Cuối lời, em xin gửi lời chúc sức khỏe đến các thầy cô trong khoa và bộ môn cơ điện tử. Tp.HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2015 Sinh viên Đỗ Ngọc Khỏe 1 Tóm tắt TÓM TẮT Nội dung của luận văn là nghiên cứu ứng dụng của xử lí ảnh vào bàn máy 2D. Bàn máy 2D sẽ vẽ lại một bức ảnh do người dùng đưa ra.Từ bức ảnh đầu vào sẽ được chương trình xử lí ảnh lấy tọa độ đối tượng cần vẽ. Sau đó, tọa độ này được truyền từ máy tính xuống vi điều khiển để điều khiển bàn máy 2D di chuyển theo tọa độ được truyền. Các công việc chính bao gồm: thiết kế chế tạo mô hình cơ khí, thiết kế mạch điện, xử lý ảnh và điều khiển bàn máy 2D đi theo tọa độ điểm của bức ảnh. 2 Mục lục MỤC LỤC 3 Danh sách hình vẽ DANH SÁCH HÌNH VẼ 4 Chương 1: Tổng quan Chương 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu bàn máy 2D và một số ứng dụng Bàn máy 2D là một cơ cấu vận hành nhờ sự kết hợp chuyển động của hai động cơ tạo ra một chuyển động bất kì (đường thẳng, đưởng tròn, cung tròn hay một đường cong) trên một mặt phẳng cố định. Trên thị trường hiện nay có hai dạng bàn máy 2D thông dụng là bàn máy 2D sử dụng cơ cấu truyền động bằng trục vít. Cơ cấu này chiếm ưu thế hơn so với cơ cấu truyền động bằng đai. Bàn máy 2D có nhiều chức năng khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Khi lắp vào các bộ phận công tác khác nhau như: đầu tia lazer, đầu cắt plasma, đầu cắt tia nước… thì chúng sẽ có những chức năng khác nhau. Máy cắt lazer là một trong những loại máy CNC 2D phổ biến nhất. Chúng làm việc trên các vật liệu phi kim loại như: mica, gỗ, giấy, vải, da… Một số chi tiết được cắt bằng máy cắt lazer 5 Chương 1: Tổng quan Máy cắt plasma thường ứng dụng cho máy cắt kim loại dẫn điện bằng luồng khí ion hóa có nhiệt độ cao. !" # Một số sản phẩm được cắt từ máy cắt plasma $%& 6 Chương 1: Tổng quan Máy cắt bằng tia nước là một công cụ có khả năng cắt kim loại hay các vật liệu khác bằng cách sử dụng một tia nước có áp suất rất cao và tốc độ lớn, hoặc bằng một hỗn hợp của nước và hạt mài (loại vật chất dùng để mài mòn như các hạt đá mài). #'()*+, "/0 Một số sản phẩm cắt bằng tia nước: 12+3'()*+, 7 Chương 1: Tổng quan 1.2 Giới thiệu về xử lí ảnh và ứng dụng của nó trong bàn máy 2D 1.2.1 Giới thiệu về xử lí ảnh Ảnh số là ảnh tạo bởi các điểm ảnh, đặc trưng cho một giá trị nào đó là một hàm n biến. Ảnh trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng. Để có thể xử lý ảnh bằng máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá ảnh. Trong quá trình số hoá, người ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu (rời rạc hoá về không gian) và lượng hoá thành phần giá trị mà về nguyên tắc bằng mắt thường không phân biệt được 2 điểm kề nhau. Trong quá trình này người ta sử dụng khái niệm điểm ảnh được gọi từ picture element. Xử lí ảnh là quá trình biến đổi một hình ảnh thành một hình ảnh khác bằng máy tính điện tử một cách tự động phụ thuộc vào mục đích của người sử dụng thông qua ảnh số. Quá trình xử lí ảnh bao gồm: − Thu nhận ảnh: là quà trình máy tính nhận ảnh từ camera hoặc ảnh được đưa vào máy tính. Sau đó ảnh được số hóa thành ảnh rời rạc (ảnh được tập hợp từ các pixel). − Tiền xử lí là quá trình nâng cao chất lượng ảnh bằng các biện pháp như: xóa nhiễu, làm trơn biên, lọc, tăng cấp độ sáng… để thuận lợi cho quá trình xử lí về sau. − Trích chọn dấu hiệu là quá trình phát hiện các biên, phân vùng ảnh… tùy thuộc vào mục đích của người lập trình. − Nhận dạng ảnh là quà trình tìm kiếm, nhận dạng đến các mô tả mà người lập trình mong muốn trong bức ảnh. Ngày nay, xử lí ảnh đã có nhiều ứng dụng trong cuộc sống và đóng một vai trò quan trọng các lĩnh vực như: − Thông tin, truyền thông: báo điện tử, truyền hình số. − Thị giác máy, robot. − Ảnh không gian, viễn thám. − Y học, sinh học. − Nghiên cứu không gian, thiên văn, địa chất. − Quân sự, hình sự và an ninh. − V.v. 8 Chương 1: Tổng quan 1.2.2 Ứng dụng của xử lí ảnh trên bàn máy 2D Việc ứng dụng xử lí ảnh trong bàn máy 2D nhằm mục đích sao chép một bức ảnh được đưa vào máy tính. Bàn máy sẽ vẽ lại các biên dạng của ảnh, bức ảnh chân dung hoặc vẽ các hoa văn trang trí trên giấy, các mặt hàng thuộc da… 1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài 1.3.1 Mục tiêu Mục tiêu của đề tài là sử dụng các chức năng của xử lý ảnh, lấy biên dạng của vật thể và lập trình điều khiển cho bàn máy 2D bám quỹ đạo và vẽ được biên dạng của vật thể đáp ứng nhu cầu sử dụng cho người sử dụng, các ứng dụng của bàn máy 2D được dùng cho các nghiên cứu lớn hơn sau này. 1.3.2 Nhiệm vụ Nhiệm vụ cụ thể của đề tài luận văn như sau: − Thiết kế, chế tạo mô hình bàn máy 2D để kiểm nghiệm tính đúng đắn của luận văn. − Thiết kế phần mạch điện thích hợp cho phần cơ khí của mô hình. − Xây dựng giải thuật và giao diện điều khiển lấy tọa độ của đối tượng cần vẽ từ ảnh. − Xây dựng giải thuật điều khiển bàn máy 2D và giao tiếp máy tính. 1.3.3 Phạm vi đề tài ˗ Bàn máy có phạm vi hoạt động 550 x 470(mm). ˗ Đối tượng của bàn máy là một bức ảnh có các định dạng như: JPEG, GIF, PNG, BMP… 1.4 Tổ chức luận văn Để hoàn thành các nhiệm vụ trên thì tổ chức luận văn gồm các phần sau: − Chương 1: Tổng quan. − Chương 2: Thiết kế chế tạo mô hình cơ khí và tính toán động học. − Chương 3: Thiết kế mạch điện điều khiển. − Chương 4: Xây dựng giải thuật lấy tọa độ đối tượng và giải thuật điều khiển bàn máy. − Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả. − Chương 6: Tổng kết và định hướng phát triển. 9 Chương 2: Thiết kế cơ khí và tính toán động học Chương 2: Thiết kế cơ khí và tính toán động học cho bàn máy 2.1 Giới thiệu một số cấu trúc bàn máy 2D Hiện tại, bàn máy 2D có rất nhiều kiểu kết cấu khác nhau. Nhưng chủ yếu đều được dẫn động bằng vít me hoặc đai răng. Bàn máy 2D dẫn động bằng vít me: đây là kiểu dẫn động phổ biến trên các máy CNC hiện nay. Cách dẫn động này thường động cơ sẽ được nối trực tiếp với vít me. -45627)'()89 Ưu điểm của loại bàn máy này là độ chính xác cao do mỗi vòng quay của động cơ bàn máy chỉ dịch chuyển được một khoảng bằng một bước ren của vít me. Khi dẫn động bằng vít me thì bàn máy tránh được hiện tượng rung động hơn khi dẫn động bằng đai. Do đó, bàn máy hoạt động êm hơn. Nhược điểm của loại bàn máy này là chi phí khá cao, tốc độ chạy thấp so với bàn máy được dẫn động bằng đai do mỗi vòng quay chỉ đi được một bước ren. Bàn máy 2D dẫn động bằng đai răng có hai loại sau: ˗ Hai động cơ cùng điều khiển một dây đai đơn: 10 [...]... hơn Do đó luận văn chọn kiểu dẫn động bằng đai Luận văn sẽ chọn cơ cấu dẫn động bằng đai gồm hai động cơ hoạt động riêng biệt dẫn động hai chuyển động theo trục x và trục y của bàn máy Một động cơ nằm cố định trên bàn máy điều khiển chuyển động theo trục x, động cơ còn lại di chuyển theo trục x điều khiền chuyển động theo trục y của bàn máy Để bàn máy hoạt động tốt và 11 Chương 2: Thiết kế cơ khí và... trên, luận văn lựa chọn cơ cấu căng đai theo phương án thứ hai là sử dụng bu lông siết vì nó phù hợp với những yêu cầu của luận văn Hình 2.12: Cơ cấu căng đai của mô hình 19 Chương 2: Thiết kế cơ khí và tính toán động học 2.4 Phân tích động học Tính toán động học là một bước quan trọng trong việc thiết kế chế tạo bàn máy 2D là cơ sở để hoạch định quỹ đạo cho bộ phận công tác (đầu bút) của bàn máy 2D Việc... giao tiếp với máy tính: truyền dữ liệu từ máy tính xuống vi điều khiển Hình 3.1: Vị trí các phần của mạch điện trong hệ thống 3.2 Mạch điều khiển Mạch điều khiển của bàn máy 2D của luận văn chọn vi điều khiển vì vi điều khiển có giá thành thấp và các chức năng của vi điều khiển đủ khả năng đáp ứng yêu cầu của bàn máy 22 Chương 3: Thiết kế phần điện Mạch điều khiển có nhiệm vụ nhận lệnh từ máy tính sau... 3: Thiết kế phần điện − Ta sử dụng timer 0 để điều khiển việc nâng hạ bút khi vẽ thông qua động cơ RC servo Timer 0 sẽ điều khiển thông qua chân RD4 nối với chân PWM của động cơ RC servo − Khi bàn máy hoạt động, có những lúc ta cần dừng hoạt động bàn máy để kiểm tra và sau đó là cho hoạt động lại Như vậy, bàn máy sẽ cần đến hai nút nhấn cho yêu cầu này Luận văn sử dụng chân RB0 cho việc ngừng bàn máy. .. nút nhấn Stop − Khi bàn máy hoạt động thì ta phải giới hạn được hành trình của bàn máy để đảm bảo an toàn khi bàn máy chạy quá hành trình quy định Để đảm bảo yêu cầu này luận văn dùng 4 công tắc hành trình ở đầu và cuối mỗi trục của bàn máy Và 4 công tắc hành trình này sẽ được nối với 4 chân ngắt port B (từ RB4 đến RB7) của vi điều khiển Hình 3.2: Mạch điều khiển 24 Chương 3: Thiết kế phần điện 3.3 Mạch... với đề tài luận văn thì mô hình không mang tải lớn nên việc chọn động cơ bước là hợp lí 2.3 Thiết kế mô hình 2.3.1 Thiết kế phần khung Đối với bàn máy 2D thì một trong những yêu cầu quan trọng đó là bộ phận công tác phải được di chuyển trên những đường thẳng ổn định Đối với yêu cầu này, thì ta có thể chọn thanh trượt làm thanh dẫn hướng trên hai trục x và y Hiện tại trên 13 Chương 2: Thiết kế cơ khí... cũng khá cao Mặt bàn máy cần có độ phẳng nên luận văn dùng ván gỗ ép dày 10mm Vì đây là vật liệu có độ phẳng tương đối tốt và chi phí thấp Bên cạnh đó luận văn dùng vật liệu nhựa mica để chế tạo các chi tiết trong mô hình vì đây là vật liệu dễ tìm có khả năng cắt bằng máy lazer CNC có sẵn trong khoa Hình 2.4: Mô hình thiết kế trên solidworks Mô hình được chế tạo 14 Chương 2: Thiết kế cơ khí và tính... bậc tự do trong khi thanh trượt vuông giới hạn đủ 5 bậc tự do Do đó, luận văn chọn thanh trượt vuông làm thanh dẫn hướng trên mỗi trục Phần khung bàn máy luận văn chọn nhôm định hình làm vật liệu cho phần khung vì nó những ưu điểm sau: nhôm là vật liệu nhẹ và không gỉ giúp giảm khối lượng cho bàn máy mà vẫn đảm bảo độ cứng vững cho bàn máy, nhôm định hình có nhiều rãnh giúp quá trình lắp ráp dễ dàng hơn... 2: Thiết kế cơ khí và tính toán động học 2.3.3 Thiết kế bộ căng đai Đối với một hệ thống hoạt động có hệ thống dẫn động bằng đai thì sau một thời gian hệ thống đai sẽ bị chùng lại Do đó, bộ căng đai có vai trò quan trọng trong đề tài luận văn Đối với một bộ căng đai thì yêu cầu đặt ra là thao tác căng đai phải dễ dàng Kết cấu bộ căng đai đơn giản và nhỏ gọn tránh ảnh hưởng đến sự di chuyển của bàn máy. .. qua một thiết bị khác Nếu dùng động cơ bước kết hợp với trục vít thì chi phí sẽ rất cao Do đó, luận văn chọn động cơ RC servo để làm bộ phận tạo lực nâng bút và phương án được chọn có sơ đồ nguyên lí như hình 2.6 1: Phần giá cố định 2: Phần giá di chuyển 3: Lò xo đẩy 4: Động cơ RC servo Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lí cơ cấu nhấc bút dùng khớp trượt Mô hình thiết kế trên solidworks: 16 Chương 2: Thiết kế cơ . học cho bàn máy 2.1 Giới thiệu một số cấu trúc bàn máy 2D Hiện tại, bàn máy 2D có rất nhiều kiểu kết cấu khác nhau. Nhưng chủ yếu đều được dẫn động bằng vít me hoặc đai răng. Bàn máy 2D dẫn động. quan 1.2.2 Ứng dụng của xử lí ảnh trên bàn máy 2D Việc ứng dụng xử lí ảnh trong bàn máy 2D nhằm mục đích sao chép một bức ảnh được đưa vào máy tính. Bàn máy sẽ vẽ lại các biên dạng của ảnh, bức. hiện nay có hai dạng bàn máy 2D thông dụng là bàn máy 2D sử dụng cơ cấu truyền động bằng trục vít. Cơ cấu này chiếm ưu thế hơn so với cơ cấu truyền động bằng đai. Bàn máy 2D có nhiều chức năng