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        一種翻盤(pán)式快遞自動(dòng)分揀裝置的設(shè)計(jì)

        2021-07-30 06:49:17呂潛龍阮學(xué)云
        關(guān)鍵詞:機(jī)器視覺(jué)

        呂潛龍 阮學(xué)云

        摘 要:目前國(guó)內(nèi)三四線城市的快遞分揀主要為人工分揀,受員工疲勞等因素影響,效率低、差錯(cuò)率高。雖然市場(chǎng)上已有交叉帶分揀機(jī)等設(shè)備,但存在成本高、占地面積大等局限,為了改善這種情況,提出一種翻盤(pán)式快遞自動(dòng)分揀裝置。該裝置由機(jī)械系統(tǒng)和PLC-組態(tài)-視覺(jué)聯(lián)合控制系統(tǒng)構(gòu)成。機(jī)械系統(tǒng)采用皮帶輸送機(jī)提供循環(huán)動(dòng)力,翻盤(pán)式結(jié)構(gòu)通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙側(cè)分揀,設(shè)計(jì)氣動(dòng)回路為分揀機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力;PLC-組態(tài)-視覺(jué)聯(lián)合控制系統(tǒng)采用視覺(jué)識(shí)別技術(shù)提取快遞面單信息,設(shè)計(jì)了人機(jī)交互的組態(tài)王上位機(jī)通訊,獲取視覺(jué)識(shí)別出的代表位置信息的字符,將PLC作為下位機(jī)控制硬件動(dòng)作。結(jié)果表明,該裝置工作安全可靠、空間利用率高、節(jié)能高效,適用于中小物流企業(yè)。

        關(guān)鍵詞:分揀裝置;翻盤(pán)式;機(jī)器視覺(jué);組態(tài);PLC

        中圖分類號(hào): TP29;TP273;TH22?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        文章編號(hào):1672-1098(2021)01-0062-06

        收稿日期:2020-05-31

        基金項(xiàng)目:安徽省自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(KJ2016A201);安徽理工大學(xué)2019年研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2019CX2036);安徽理工大學(xué)2019年創(chuàng)業(yè)扶持基金資助項(xiàng)目

        作者簡(jiǎn)介:呂潛龍(1996-),男,山西運(yùn)城人,在讀碩士,研究方向:機(jī)電一體化。

        Design of A Flip-disk Typed? Automatic Sorting Device? for Express Delivery

        LV Qianlong,RUAN Xueyun

        (School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

        Abstract:At present, the delivery sorting in Chinas third-tier and fourth-tier cities is mainly manual sorting, which is affected by fatigue and other factors, resulting in low efficiency and high error rate. Although there are some equipment such as cross belt sorting machine in the market, it has the limitation of high cost and large floor space. To improve the situation, a Flip-disk typed automatic sorting device for express delivery was proposed, which was composed of mechanical system and PLC-configuration-vision joint control system. The mechanical system adopts the belt conveyor to provide the circulating power, the tilting plate structure realizes the bilateral sorting through the relative movement, and the pneumatic circuit is designed to provide the power for the sorting mechanism. The PLC-configuration-vision joint control system adopts the visual recognition technology to extract the surface information of express delivery, designs the human-computer interactive Kingview upper computer communication, and obtains the characters representing the position information identified by the vision, with PLC used as the lower computer to control the hardware action. The results show that the device works safely and reliablywith high space utilization rate and energy saving efficiency, suitable for small and medium-sized logistics enterprises.

        Key words:sorting device; flip-disk type; machine vision technology; configuration; PLC

        近年來(lái),隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,快遞行業(yè)也得到蓬勃發(fā)展。然而,在快遞物流派送的最后“100m”中,快遞分揀是一道即繁瑣又必不可少的工序,在我國(guó)三四線城市里的快遞分揀中心,多年來(lái)一直采用人工分揀的形式,依靠人眼識(shí)別快遞信息,再將其取出進(jìn)行分揀,不僅效率低,而且由于員工疲勞、注意力無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間集中等原因,分揀差錯(cuò)率高,大大延長(zhǎng)了分揀周期,帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí),客戶體驗(yàn)也較差,因此市場(chǎng)對(duì)安全高效的自動(dòng)分揀裝置的需求十分迫切[1]。

        目前為止,市場(chǎng)已存在類似的裝置,即交叉帶自動(dòng)分揀機(jī)[2-4]及AGV小車分揀[5]。交叉帶自動(dòng)分揀機(jī)分揀效率高,可靠性好,但占地面積大,且對(duì)地面的平整度要求較高,造價(jià)成本高昂,維修成本也較高[6-7];AGV采用并聯(lián)模式運(yùn)行,單個(gè)損壞不會(huì)影響其他AGV小車的運(yùn)行,但是對(duì)貨物的重量以及體積形狀有很大的限制,且運(yùn)作效率有限[8]。為克服交叉帶自動(dòng)分揀機(jī)以及AGV分揀造價(jià)昂貴、占地面積大及對(duì)地面平整度要求高的局限性,本文將設(shè)計(jì)一種自動(dòng)分揀裝置,在保障分揀效率及可靠性的前提下,節(jié)約成本,減小占地面積,以滿足三四線城市的分揀需求。

        1 整體介紹

        針對(duì)以上問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種翻盤(pán)式快遞自動(dòng)分揀裝置。該裝置整體功能框架如圖1所示,由機(jī)械系統(tǒng)、PLC-組態(tài)-視覺(jué)聯(lián)合控制系統(tǒng)構(gòu)成。

        主要工作原理:首先,在組態(tài)王上位機(jī)的通訊界面點(diǎn)擊“開(kāi)始分揀”,PLC控制系統(tǒng)向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出響應(yīng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)器通過(guò)控制脈沖驅(qū)動(dòng)皮帶輸送機(jī)啟動(dòng),由于摩擦作用,翻盤(pán)式小車開(kāi)始循環(huán)運(yùn)動(dòng);分揀時(shí),快遞進(jìn)入小車平臺(tái)后,該小車觸發(fā)啟動(dòng)機(jī)器視覺(jué)程序的光電開(kāi)關(guān),工業(yè)相機(jī)攝取圖片,并提取圖片中的快遞信息反饋給組態(tài)程序,經(jīng)組態(tài)處理后,判斷出該快遞所屬的分揀區(qū)域,并計(jì)算出所屬分揀區(qū)域前的光電傳感器需要達(dá)到的數(shù)值,此時(shí),快遞已與對(duì)應(yīng)分揀區(qū)域綁定,若屬于內(nèi)側(cè),則翻轉(zhuǎn)裝置推出,將小車平臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋?cè),當(dāng)所屬分揀區(qū)域前的光電計(jì)數(shù)達(dá)到給定值,外部動(dòng)力裝置動(dòng)作,快遞落入分揀區(qū)域,完成分揀,在下一個(gè)循環(huán)開(kāi)始前,所有小車在固定回位軌道的作用下,翻盤(pán)式小車平臺(tái)全部朝向外側(cè),一個(gè)分揀循環(huán)完成。機(jī)械系統(tǒng)通過(guò)與PLC控制系統(tǒng)、組態(tài)王上位機(jī)和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)了智能分揀快遞,可減少分揀人員勞動(dòng)強(qiáng)度,高效、安全、可靠地完成快遞分揀。

        2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        翻盤(pán)式快遞自動(dòng)分揀裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,如圖2所示。該機(jī)械裝置包括前端掃描裝置、翻轉(zhuǎn)裝置、皮帶輸送機(jī)、翻盤(pán)式小車、分揀口判別裝置、外部動(dòng)力裝置、固定回位軌道、工業(yè)相機(jī)、光源等。

        1.前端掃描裝置;2.翻轉(zhuǎn)裝置;3.皮帶輸送機(jī);4.翻盤(pán)式小車;5.分揀口判別裝置;6.外部動(dòng)力裝置;7.固定回位軌道; 8.工業(yè)相機(jī);9.光源

        2.1 皮帶輸送機(jī)的設(shè)計(jì)

        本文采用皮帶輸送機(jī)作為小車的循環(huán)動(dòng)力,包括直線分揀段和轉(zhuǎn)彎掃描段兩部分。皮帶與小車底盤(pán)通過(guò)摩擦提供動(dòng)力,在小車底盤(pán)設(shè)置交叉輪,其沿著皮帶架子上的軌道滾動(dòng),實(shí)現(xiàn)皮帶過(guò)渡處的平穩(wěn)渡過(guò)。

        皮帶采用PVC材料(即聚氯乙烯,密度1.35~1.40g/cm3)。小車底盤(pán)選用45鋼。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得兩者之間靜摩擦因數(shù)μs為0.45,動(dòng)摩擦因數(shù)為μk為0.40。

        最大靜摩擦力為

        fs=μsN(1)

        式中:N為正壓力, N=mg;g為重力加速度, g=9.8m/s2。

        單個(gè)翻盤(pán)式小車的質(zhì)量為3.15kg,快遞重量在0.2~3.5kg[7]之間,由小車的受力分析可知,小車與皮帶之間屬于靜摩擦,算得最大靜摩擦力fs為13.98~29.33N,對(duì)皮帶的摩擦力需求不高。而皮帶輸送機(jī)帶速v=0.8m/s,卷筒直徑D=32mm,驅(qū)動(dòng)滾筒的圓周力(牽引力)F=300N,本設(shè)計(jì)中一條皮帶上最多3個(gè)小車同時(shí)在皮帶上,符合設(shè)計(jì)要求。

        2.2 翻盤(pán)式小車的設(shè)計(jì)

        翻盤(pán)式小車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,如圖3所示。小車由分揀平臺(tái)、車門(mén)、支撐板、底座、回位彈簧、小齒輪、大齒輪、90°圓錐齒輪換向器和L型桿等組成。在分揀條件滿足時(shí),安裝在皮帶輸送機(jī)的安裝支架上的氣缸伸出并保持,通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)與L型桿相接觸,通過(guò)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)打開(kāi)車門(mén),以完成分揀。

        1.分揀平臺(tái);2.車門(mén);3.支撐板;4.底座;5.回位彈簧;6.小齒輪;7.大齒輪;8.90°圓錐齒輪換向器;9.L型軸

        根據(jù)工作條件,齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪取7級(jí)精度,錐齒輪選用40Cr(調(diào)質(zhì)),圓柱齒輪選用45鋼(調(diào)質(zhì)),采用軟齒面。設(shè)計(jì)示意圖如圖4所示,Ⅰ軸是輸入軸,試取Z1=21,Z3=61,設(shè)門(mén)板所受沖擊力為100N,軸Ⅲ的轉(zhuǎn)速為15r/min,滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率η1=0.985,圓錐齒輪傳動(dòng)效率η2=0.95,圓柱齒輪傳動(dòng)效率為η3=0.96,圓柱齒輪傳動(dòng)比i柱=2,錐齒輪傳動(dòng)比i錐=1,壓力角取20°。

        小錐齒輪分度圓直徑

        d1t≥34KHtT1R(1-0.5R)2u·ZHZEσH2(2)

        式中:KHt=1.3; 齒輪力矩T1; 齒寬系數(shù)R=0.3; u=1; 區(qū)域系數(shù)ZH;彈性影響系數(shù)ZE;接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力[σH]。

        錐齒輪模數(shù)

        mt≥KFtT3R(1-0.5R)2Z23u2+1·YFtYsa[σF](3)

        式中:KFt=1.3;齒形系數(shù)YFt;應(yīng)力修正系數(shù)Ysa。

        經(jīng)計(jì)算并修正之后得:齒數(shù)Z1=41,Z2=42,模數(shù)m=1.25,變位系數(shù)x1=0,x2=0,分錐角δ1=45°,δ2=45°,齒寬b1=b2=11mm。

        大圓柱齒輪分度圓直徑

        d1t≥32KHtT1d·u+1u·ZHZEZε[σH]2(4)

        圓柱齒輪模數(shù)

        mt≥32KFtT3YεdZ23·YFtYsa[σF](5)

        經(jīng)計(jì)算并修正之后得:齒數(shù)Z3=81,Z4=43,模數(shù)m=0.5,變位系數(shù)x3=0,x4=0,中心距a=31mm,齒寬b1=40.5mm,b2=21.5mm。

        由于翻盤(pán)式小車與外部氣缸是通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)作,在接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖擊,因此,應(yīng)用ANAYS Workbench18.1軟件對(duì)沖擊過(guò)程進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)分析。首先,將沖擊模型導(dǎo)入軟件中,設(shè)定推桿材料為45鋼,L型桿材料為不銹鋼。其次,通過(guò)size功能定義網(wǎng)格尺寸,其網(wǎng)格總數(shù)為85 557個(gè)。然后,進(jìn)行沖擊系統(tǒng)分析設(shè)置,將結(jié)束時(shí)間設(shè)為0.15s,添加固定在氣缸上,再添加速度限制,整個(gè)小車速度設(shè)為1 m/s,最后求解沖擊接觸位置的等效應(yīng)力與等效應(yīng)變,如圖5所示。

        由圖5可知,在沖擊接觸的等效應(yīng)變?yōu)?.32時(shí),沖擊的等效應(yīng)力為74.201MPa,而45鋼的屈服強(qiáng)度為355MPa,304不銹鋼的屈服強(qiáng)度為205MPa,仿真結(jié)果遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度,滿足工作要求。

        2.3 其他機(jī)械裝置設(shè)計(jì)

        前端掃描裝置包括工業(yè)相機(jī)和光源兩部分,光源照射為工業(yè)相機(jī)拍攝提供基礎(chǔ),工業(yè)相機(jī)安裝垂直于翻盤(pán)式小車平臺(tái)平面。翻轉(zhuǎn)裝置與固定回位軌道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,如圖6所示。固定回位軌道將所有翻盤(pán)式小車平臺(tái)轉(zhuǎn)向外側(cè),翻轉(zhuǎn)裝置由雙軸氣缸和過(guò)渡軌道構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)翻盤(pán)式小車平臺(tái)的內(nèi)外側(cè)變換。分揀區(qū)域判別裝置采用光電傳感器,利用其計(jì)數(shù)原理由組態(tài)編程判斷是否是對(duì)應(yīng)分揀區(qū)域的快遞。

        3 PLC-組態(tài)-視覺(jué)聯(lián)合控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        本裝置的控制部分是由PLC控制系統(tǒng)、組態(tài)王編程以及機(jī)器視覺(jué)聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)的,它們相互配合,協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作[9]。機(jī)器視覺(jué)使用的HALCON軟件、上位機(jī)通信的組態(tài)王軟件和編寫(xiě)PLC的GX Works2軟件安裝在工控機(jī)上,由人員進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

        3.1 機(jī)器視覺(jué)

        基于機(jī)器視覺(jué)的字符定位和識(shí)別需要對(duì)圖片進(jìn)行采集和處理,所采用的識(shí)別系統(tǒng)如圖7所示。識(shí)別系統(tǒng)包括攝像機(jī)、光源、光電傳感器、圖像處理單元[10]。在HALCON軟件上運(yùn)行程序,當(dāng)翻盤(pán)式小車經(jīng)過(guò)工業(yè)相機(jī)拍攝區(qū)域時(shí),由光電傳感器觸發(fā)HALCON軟件程序,程序運(yùn)行。

        得到快遞面單圖片后,需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,在對(duì)字符識(shí)別中采用基于形狀模板匹配下的定位,并大量地運(yùn)用仿射變換和Blob分析對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別前的預(yù)處理。目標(biāo)定位的優(yōu)化處理包括:對(duì)圖像進(jìn)行灰度化處理降低圖像處理時(shí)間、選用中值濾波來(lái)有效抑制噪聲、定位校準(zhǔn)減少角度偏差帶來(lái)的影響。之后采用HALCON中自帶均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差局部閾值分割算法,實(shí)現(xiàn)閾值的動(dòng)態(tài)調(diào)整,閾值分割后,調(diào)用算子進(jìn)行特征選擇。在HALCON平臺(tái)上搭建字符定位識(shí)別流程,根據(jù)字符所提取的特征,與系統(tǒng)中的模板相對(duì)比,將置信度最大的值返回,以此達(dá)到識(shí)別的目的,并將提取的信息進(jìn)行儲(chǔ)存,完成HALCON程序的一個(gè)循環(huán)。

        3.2 組態(tài)王編程

        本裝置利用組態(tài)王作為上位機(jī)控制程序, 在COM端連接三菱PLC設(shè)備, 通過(guò)I/O設(shè)備與PLC交換數(shù)據(jù)。設(shè)置組態(tài)王“設(shè)備”的波特率、 奇偶校驗(yàn)、 數(shù)據(jù)位和停止位等參數(shù), 在“數(shù)據(jù)詞典”中定義需要的變量, 在應(yīng)用程序命令語(yǔ)言中用組態(tài)語(yǔ)言編寫(xiě)程序, 并通過(guò)程序調(diào)用HALCON軟件提取的信息[11]。

        具體工作過(guò)程如下:在需要分揀作業(yè)時(shí),點(diǎn)擊組態(tài)王控制界面的“開(kāi)始分揀”按鈕,系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行,進(jìn)入“分揀界面”(見(jiàn)圖8),當(dāng)翻盤(pán)式小車經(jīng)過(guò)工業(yè)相機(jī)拍攝后,由下一個(gè)光電傳感器觸發(fā)組態(tài)編程程序,提取HALCON軟件存儲(chǔ)的分揀信息,并對(duì)該信息進(jìn)行處理,判別屬于幾號(hào)分揀區(qū)域之后,經(jīng)算法程序計(jì)算給出對(duì)應(yīng)分揀區(qū)域的光電傳感器的分揀數(shù)值,并判斷該分揀區(qū)域所屬的內(nèi)外側(cè)信息反饋給PLC控制系統(tǒng),完成組態(tài)程序的一個(gè)循環(huán)。

        3.3 PLC控制系統(tǒng)

        根據(jù)機(jī)械、電氣控制裝置的整體控制要求,對(duì)控制系統(tǒng)中各方面影響因素進(jìn)行分析,編寫(xiě)相應(yīng)的PLC程序。在上位機(jī)點(diǎn)擊開(kāi)始分揀時(shí),通過(guò)輔助繼電器控制皮帶輸送機(jī)的啟動(dòng);利用光電傳感器的計(jì)數(shù)原理,根據(jù)組態(tài)程序反饋的計(jì)數(shù)信息,同時(shí)配合輔助繼電器、定時(shí)器的使用,實(shí)現(xiàn)電氣裝置動(dòng)作的開(kāi)關(guān)控制;通過(guò)控制對(duì)應(yīng)分揀區(qū)域的電磁閥,進(jìn)而控制氣動(dòng)回路的開(kāi)閉,選用兩位三通電磁閥控制對(duì)應(yīng)氣動(dòng)裝置,完成氣動(dòng)推桿的伸出、保持與縮回,進(jìn)而與翻盤(pán)式小車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)接觸,實(shí)現(xiàn)分揀。

        4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

        將機(jī)械系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)組裝完成以后,再對(duì)整體功能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證(現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖,如圖9所示),試驗(yàn)主要分為以下幾個(gè)方面:皮帶輸送機(jī)的配合啟動(dòng),氣動(dòng)回路的調(diào)試,HALCON軟件、組態(tài)軟件的調(diào)試。所得實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)記錄如表1所示。

        從實(shí)驗(yàn)記錄可知,皮帶輸送機(jī)可實(shí)現(xiàn)同步啟動(dòng)。翻盤(pán)式小車可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能:①車門(mén)與氣缸配合可靠,可以正常打開(kāi)車門(mén);②小車平臺(tái)與翻轉(zhuǎn)裝置配合可靠,可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)。氣缸響應(yīng)快,通過(guò)PLC程序可實(shí)現(xiàn)與小車的預(yù)定動(dòng)作。HALCON軟件程序在調(diào)整參數(shù)后,運(yùn)行穩(wěn)定;組態(tài)程序參數(shù)調(diào)整后,界面運(yùn)行流暢,響應(yīng)速度快;PLC可以正常完成組態(tài)提供的動(dòng)作信息。測(cè)試完成后,與現(xiàn)有分揀機(jī)的參數(shù)對(duì)比如表2所示。

        從表2可以看出翻盤(pán)式自動(dòng)分揀機(jī)在滿足分揀效率的前提下,可以大大節(jié)省設(shè)備成本以及占地面積,可以滿足三四線城市的分揀需求。

        5 結(jié)論

        設(shè)計(jì)一種基于PLC-組態(tài)-視覺(jué)聯(lián)合控制系統(tǒng)下的翻盤(pán)式自動(dòng)分揀裝置,其開(kāi)發(fā)成功必將為廣大的物流配送中心建設(shè)提供了一種安全可靠、空間利用率高、節(jié)能高效、適應(yīng)能力強(qiáng),具有廣泛的社會(huì)意義,同時(shí)也具有深遠(yuǎn)的實(shí)際運(yùn)用意義。本設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

        (1)翻盤(pán)式小車無(wú)需自帶動(dòng)力源,通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)分揀,翻盤(pán)式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩側(cè)提前傾覆,空間利用率高;

        (2)小車循環(huán)動(dòng)力采用皮帶輸送機(jī),噪音小,速度快且經(jīng)濟(jì)性好;

        (3)采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù),通過(guò)HALCON軟件編程,提取關(guān)鍵分揀信息交由組態(tài)處理,組態(tài)通過(guò)PLC控制氣動(dòng)回路實(shí)現(xiàn)動(dòng)作,效率高,通用性好,可實(shí)現(xiàn)目前市場(chǎng)前端掃描的統(tǒng)一。

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        (責(zé)任編輯:李 麗,范 君)

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