断路器脱扣器调整机构图像定位技术的研究

摘要

在现代自动化生产中，为确保出厂产品质量，在生产过程中都需要对产品进行可靠性的测试试验。在配电系统中，作为一种开关保护器件低压断路器被广泛应用，如果其长延时、可靠性等性能指标未达标，往往会影响配电系统正常运行，甚至会危及系统及电力设备的安全。而对脱扣螺钉的快速准确定位是完成长延时检测的关键一步，螺钉的定位精度对断路器长延时测试起着至关重要的作用。在过去断路器长延时检测通常采用人工检测，无法满足自动化生产线的高速度、高精度、高稳定性等要求。因此，如何解决断路器长延时测试中螺钉的准确、快速定位跟踪，完成断路器长延时智能化测试设备成为必然趋势。
　　针对断路器长延时调整时对脱扣螺钉自动快速定位的难题，采用了基于视觉图像的脱扣螺钉定位方法。通过工业CCD相机获取断路器三相双金属片上脱扣螺钉的图像信息，利用开源的计算机视觉库（OpenCV）软件进行图像处理提取螺钉中心位置，从而将其坐标位置传送给下位机PLC控制同心双柔轴调整机构对螺钉螺母完成长延时调整动作。本文主要研究内容及创新点如下：
　　首先，通过对低压塑壳式式断路器（MCCB）脱扣器上热双金属元件受热变形原理分析，及一体化调整机构对螺钉调节过程受力分析，建立了脱扣螺钉的曲线轨迹模型，一体化调整机构动力学平衡模型。设计了微型一体化的脱扣螺钉螺母调整机构，实现了对断路器脱扣器双金属片上螺钉的多自由度快速、精确定位与实时动态跟踪调整，将断路器长延时测试时间缩短了30％以上。
　　其次，分析了基于机器视觉的断路器脱扣器调整机构定位系统的工作原理与组成，对系统各部分进行分析和选型，包括光源、工业CCD相机、镜头及图像采集卡等，并且搭建了硬件平台。
　　接着，对脱扣螺钉视觉定位系统的核心软件系统进行设计。按模块化设计思想，分别完成了图像采集模块、图像处理模块、软件界面模块、相机标定模块、运动控制模块及其相应的软件程序设计。各部分独立协调运行，实现自动定位检测与调整控制。针对脱扣螺钉的图像特征，完成图像灰度化及滤波去噪预处理工作，重点研究了Canny边缘检测算子及改进的Hough变换实现了对螺钉中心坐标的精确定位。通过张正友标定法进行摄像机标定，将目标定位结果转换成相应的脉冲数传输给下位 PLC控制单元，控制调整机构实现对脱扣螺钉的快速跟踪调整。
　　最后，基于Visual C++的平台中嵌入的微软基础类库（MFC），进行了操作界面设计，实现了操作员上位机上对视觉系统的实时监控、图像处理流程操作及对伺服运动控制系统的监控与参数设定。界面清晰简便，具有很好的人机交互性。
　　该系统已进入试验阶段，系统稳定可靠，实现了螺钉的快速、精确定位，将断路器长延时测试时间缩短了30%以上，具有很好的应用价值和市场前景。

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第一章 绪 论

1.1 选题来源

1.2 课题背景及研究现状

1.3 研究目的和意义

1.4 论文主要内容及创新点

第二章 断路器脱扣器调整机构设计

2.1 断路器长延时测试原理

2.2 脱扣器调整机构功能要求

2.3 脱扣器调整机构关键技术分析

2.4 调整机构整体方案设计

2.5 本章小结

第三章 脱扣螺钉视觉定位系统的分析与设计

3.1 机器视觉系统概述

3.2 脱扣螺钉视觉定位系统的原理与结构

3.3 脱扣螺钉视觉定位系统的设计

3.4 本章小结

第四章 脱扣螺钉视觉定位系统软件设计

4.1 定位软件设计基本思路

4.2 开发工具Visual C++与OpenCV

4.3 脱扣螺钉定位软件设计

4.4 图像边缘检测

4.5 螺钉中心坐标提取

4.6 基于MFC的上位机与PLC通讯

4.7 本章小结

第五章 脱扣螺钉视觉定位系统操作界面

5.1 MFC简介

5.2 系统操作界面设计

5.3 操作界面的实现与分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究内容总结

6.2 研究展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果

致谢