CN105717865B - 一种具有检测功能的机床传动节能控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有检测功能的机床传动节能控制方法及装置，该方法包括以下步骤：S1、通过图像传感器采集刀具与工件的图像数据，对获取到的图像数据进行处理得到黑白图像；S2、对黑白图像进行图形面积标志位检测；S3、对黑白图像进行凹凸性标志位检测；S4、将步骤S2和S3得到的结果进行综合判断，若两个标志位均被触发，判定车刀接近工件，机床即将开始加工，反之判定机床处于空载或对刀退刀状态；S5、若判定机床为空载或对刀退刀状态，输出低占空比pwm波，控制电机输出电压在维持电机转速的最低电压值，控制电机转速为低转速。本发明能够有效的减少机床空载时的能量消耗，并且不会影响机床的工作状态转换速度；节省了人工，同时也避免了人工判断造成的误操作。

Description

一种具有检测功能的机床传动节能控制方法及装置

技术领域

本发明涉及机床控制领域，尤其涉及一种具有检测功能的机床传动节能控制方法及装置。

背景技术

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。十八世纪中叶开启工业文明以来，世界强国的兴衰史和中华民族的奋斗史一再证明，没有强大的制造业，就没有国家和民族的强盛。打造具有国际竞争力的制造业，是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。

2015的两会上，李克强总理在政府工作报告中首次提出要实施《中国制造2025》，并表示“坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，加快从制造大国转向制造强国”。在国务院发布的《中国制造2025》中，明确提出了“绿色发展”的基本要求，绿色发展的其中一项重要指标为“规模以上单位工业增加值能耗下降幅度”在2020年对比2015年下降18％，在2025年下降34％。

机床作为机械制造业中重要的大型加工设备，在我国一直具备较大的保有量，据调行业调查显示，截止2015年，国内机床保有量约750万台，由车削占所有工种的比重，车床占机床总量约40％～60％，若以50％计，则车床总量约为375万台。截止2015年，预估普通车床约占车床总量70％。综上所述，目前国内机床保有量约750万台；其中车床以50％计，约375万台；普通车床占车床总量以70％计，约262万台。机床作为高性能的大型制造设备，能耗较高，若每台机床额定功率按平均10千瓦计算，则总功率约7500万千瓦，普通车床总功率约为2620万千瓦；且机床平均能量利用率低下，平均低于30％。根据理论分析，现役普通车床在加工工件时对刀、退刀等空载的期间机床主轴电机存在能源消耗问题，空载期间主轴电机的功率消耗仍然较大。经过对加工工厂实地调研后发现，在实际加工流程中，车床空载时间较长，在整个开机工作时间中所占比例较高，因此空载时的主轴电机能量消耗不可忽视。另外，机床内部每个继电器所加电压较高，对应的功率消耗较大，在保证安全与设备正常运行的前提下可以对其进行控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术机床空载时间较长，消耗能量大，造成电量浪费的缺陷，提供一种控制机床空载时减小能量消耗的具有检测功能的机床传动节能控制方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种具有检测功能的机床传动节能控制方法，包括以下步骤：

S1、通过图像传感器采集刀具与工件的图像数据，对获取到的图像数据进行处理得到黑白图像，其中车刀与工件作为识别对象在黑白图像中为白点，其余为黑点；

S2、对黑白图像进行图形面积标志位检测：通过判断白点个数可以得出车刀和工件进入视场的面积大小，若面积到达阈值时触发标志位；

S3、对黑白图像进行凹凸性标志位检测：通过判断车刀和工件构成的两块白点图像的凹凸性，若两个凹凸性均超过阈值时触发标志位；

S4、将步骤S2和S3得到的结果进行综合判断，若两个标志位均被触发，判定车刀接近工件，机床即将开始加工，反之判定机床处于空载或对刀退刀状态；

S5、若判定机床为空载或对刀退刀状态，输出低占空比pwm波，控制电机输出电压在维持电机转速的最低电压值，控制电机转速为低转速。

进一步地，本发明的步骤S1中处理得到黑白图像的具体方法为：

采集到图像数据后，图像数据以YUV格式存储，通过提取YUV格式图片中的灰度信息，得到当前时刻的灰度图，再将灰度图二值化形成黑白图像。

进一步地，本发明的步骤S3中判断图像凹凸性的具体方法为：

通过计算每列从上至下第一个白点与最后一个白点分别与第二列第一个白点与最后一个白点的距离，直至某列不存在白点，将这些距离求和可得弧长，通过计算弧长与弦长差与和的比值，得到图形的凹凸性。

进一步地，本发明的步骤S5中控制输出电压的具体方法为：

通过控制IGBT的通断时间比，来改变电源的输出电压大小；在输入PWM 为低占空比情况下，电机功率控制输出电压为低电压，其输出电压值将电机转速维持在保持电机转动的最低电压值；在输入PWM波为高占空比情况下，电机控制输出电压为正常电压。

本发明提供一种具有检测功能的机床传动节能控制装置，包括与主轴电机相连的接触器模块、传感器检测模块和电机功率模块，传感器检测模块还连接有图像传感器，其中：

图像传感器，安装在机床侧面刀架上，用于拍摄机床工作时侧面刀件正向观察到的的画面，以YUV格式图像存储于单片机内存中；

接触器模块，用于对输入电压进行交流斩波，降低电流至维持电流，从而降低交流接触器的吸持功耗；

传感器检测模块，用于在本装置进行车削加工工作时，在车刀对刀期间实时监测加工工件状态，按不同工作状态输出不同pwm波给电机功率模块；

电机功率模块，用于通过控制IGBT的通断时间比，来改变电源的输出电压大小，IGBT的通断时间比由传感检测模块输入的PWM波决定。

进一步地，本发明的所述图像传感器使用的CMOS摄像头芯片为OV7725。

进一步地，本发明的所述接触器模块随机床主轴电机开关共同打开与关闭。

进一步地，本发明的所述电机功率模块采用单管双向斩波调压电路。

本发明产生的有益效果是：本发明的具有检测功能的机床传动节能控制方法，通过对采集到的车刀和工件的图像进行处理，得到机床的工作状态，进而调节机床的输出电压和功率；能够有效的减少机床空载时的能量消耗，并且不会影响机床的工作状态转换速度；相比传统继电器模块，大幅提高了节能效率，提高了机床的使用效率；结合图像处理和程序控制，节省了人工，同时也避免了人工判断造成的误操作。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制方法的流程图；

图2是本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制方法的黑白图像；

图3是本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制装置的结构框图；

图4是本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制装置的延时电路；

图5是本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制装置的TL494 控制电路；

图6是本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制装置的驱动电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制方法，包括以下步骤：

S1、通过图像传感器采集刀具与工件的图像数据，对获取到的图像数据进行处理得到黑白图像，其中车刀与工件作为识别对象在黑白图像中为白点，其余为黑点；

S2、对黑白图像进行图形面积标志位检测：通过判断白点个数可以得出车刀和工件进入视场的面积大小，若面积到达阈值时触发标志位；

S3、对黑白图像进行凹凸性标志位检测：通过判断车刀和工件构成的两块白点图像的凹凸性，若两个凹凸性均超过阈值时触发标志位；

S4、将步骤S2和S3得到的结果进行综合判断，若两个标志位均被触发，判定车刀接近工件，机床即将开始加工，反之判定机床处于空载或对刀退刀状态；

S5、若判定机床处于空载或对刀退刀状态，输出低占空比pwm波，控制电机输出电压在维持电机转速的最低电压值，控制电机转速为低转速。

通过OV7670传感器采集到图像后，图形数据以YUV格式存储，通过提取 YUV格式图片中的灰度信息，可以得到当前时刻的灰度图，再将灰度图二值化形成黑白图像。该传感器体积小，工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制，可以输入整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。该产品VGA图像最高达到30帧/秒。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等都可以通过SCCB接口编程。OmmiVision图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尼、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。

如图2所示，图像处理中，主要用到两种判断依据：

(1)图形面积：

由于经过上述处理后得到黑白图像，而车刀与工件作为识别对象在图像中为白色，其余为黑色，通过判断白点个数可以得出车刀和工件进入视场的面积大小，在面积到达阈值时将触发标志位。

(2)凹凸性：

如图2所示，车刀和工件是从视场的两个互相垂直的边界进入视场，图中区域1为工件进入视场时产生的白斑，区域2为车刀进入视场时产生的白斑。

A、B、C三点为视场定点，通过计算A和B两点间白斑和B、C两点间白斑的凹凸性，当两块白斑凹凸性均超过阈值时，触发标志位。

当图形面积标志位和凹凸性标志位同时被触发时判定车刀接近工件，反之判定车刀远离工件，然后根据工作状态对调速电路进行相应操作。

如图3所示，本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制装置，包括与主轴电机相连的接触器模块、传感器检测模块和电机功率模块，传感器检测模块还连接有图像传感器，其中：

接触器模块，接触器模块随机床主轴电机开关共同打开与关闭，对输入电压进行交流斩波，降低电流至维持电流，从而降低交流接触器的吸持功耗达到节能效果。

传感检测模块，在本装置进行车削加工工作时，在车刀对刀期间实时监测加工工件状态，按下列不同情况其模块主控输出不同pwm波给电机功率控制模块：1.单片机最终判定工件加工状态为“对刀状态”，即车刀远离工件，输出低占空比pwm波通过电机控制模块控制电机转速为低转速。2.单片机最终判定工件加工状态为“即将加工”，即车刀靠近工件，输出高占空比pwm波通过电机控制模块控制电机转速为正常转速。以此达到节能效果。

电机功率模块，采用一种单管双向斩波调压电路，通过控制IGBT的通断时间比，来改变电源的输出电压大小，IGBT的通断时间比由传感检测模块输入的PWM波决定。在输入PWM为低占空比情况下，电机功率控制输出电压为低电压，其输出电压值将电机转速维持在保持电机转动的最低电压值，从而减低电机在对刀期间功率消耗；在输入PWM波为高占空比情况下，电机控制输出电压为正常电压，从而保证不影响电机正常工作。

控制模块中使用的mcu型号为MK60DN512Z，是NXP(原飞思卡尔)公司生产的高性能单片机，具有硬件乘法器、除法器，最高可达到180MHZ主频，信号处理性能优良。

控制原理为，将CMOS图像传感器采集的数据通过处理后通过判断工作状态，将判断结果作为依据输出占空比不同的PWM方波，从而控制功率部分IGBT 的开与关，进而达到控制IGBT输出电压有效值的目的。

在本发明的另一个具体实施例中，控制流程为：

1.通过安装于机床侧面刀架上的cmos图像传感器，拍摄机床工作时侧面刀件正向观察到的的画面，以YUV格式图像存储于单片机内存中。

2.通过算法提取YUV格式图像的灰度值得到灰度图，并将灰度图二值化为黑白图像，二值化阈值通过特定区域图像自适应调整以适应不同光照情况。

3.由于经过上述处理后得到黑白图像，而车刀与工件作为识别对象在图像中为白色，其余为黑色，通过判断白点个数可以得出车刀和工件进入视场的面积大小。

4.计算上述A B C三点之间白斑凹凸性,计算A B间白斑凹凸性方法如下，像素从第一行左起编号，A编号为1，通过编号给定每点坐标A点为(1，1) 通过计算每列从上至下第一个白点与最后一个白点分别与第二列第一个白点与最后一个白点的距离直至某列不存在白点，将这些距离求和可得弧AB长度，通过计算弧AB与弦AB长度差与和的比值可得图形的凹度。B C点间白斑凹度求法同上。

5.将步骤3、4得到的数据输入单片机，运用单片机处理能力综合判断出机床处于对刀状态或是即将工作状态。

6.单片机根据判断情况调整PWM控制后续电机功率电路。

在本发明实施例的硬件部分中，对接触器进行了重新设计。接触器是一种应用广泛的低压控制电器，要用于控制电动机等用电负荷的运行和停止，也可用于控制其他电力负载，如电热器、照明、电焊机、电容器组等。

交流接触器的线圈功耗主要集中在保持功耗上，虽然线圈起动瞬间功耗较大但时间很短，仅为几十毫秒，其余时间接触器一直处于保持状态，此时接触器能量损耗主要集中在吸合状态的铁损上，因而降低交流接触器的吸持功耗是节能的一大方向。

在接触器启动瞬间，需较大吸合电压、吸合电流，从而保证接触器的可靠启动。在接触器吸合的时间段内，较小的维持电流降低吸持损耗。我们利用斩波技术，通过TL494与IR2110达到控制接触器输入电流，电路工作原理如下。

如图4所示，利用三极管延时电路。在上电时，由于三极管基极电压较低，三极管关断，R3上无电流通过，FB处电压为0；经过延时时间t，其中：

由于C5的充电，导致三极管基极电压较高，三极管开通，此时：

其中R₃为可调电阻，故FB处电压可调。

如图5所示，为TL494控制电路。其两误差放大器均屏蔽掉，3脚为反馈脚，通过延时电路控制反馈电压。上电启动时，反馈电压较低，TL494输出PWM 波占空比较高，从而保证了接触器的正常吸合。延时之后，反馈脚电压上升，输出PWM波占空比下降，从而降低输出电压。

驱动电路采用IR2110芯片，这是大功率MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成电路，具有以下优点：体积小、集成度高、响应快、偏值电压高、驱动能力强、内设欠压封锁、成本低、易于调试、设有外部保护封锁端口。

如图6所示，为驱动电路。根据交流接触器“强电吸合、弱电吸持”的工作原理设计出的一款交流接触器节能芯片，可实现交流接触器的高效节能。

电磁式交流接触器的主要工作原理如下：当线圈通过控制回路接额定电压时，电磁力克服弹簧的反作用力将衔铁吸向静铁芯，接通电路，此时交流接触器处于吸持状态；断电时，交流接触器断开。吸持状态下，线圈中的交变电流产生交变磁通，从而在铁芯中产生涡流。这个涡流使交流接触器产生了极大的能量浪费。交流接触器作为一种大规模使用在工农业生产中的低压电器，在全国的使用量数以亿计，耗电总量巨大。

该芯片使交流接触器能够在很小导通角的直流方式下运行，并且可以根据外电压的变化智能调整导通角宽度，不仅能够节约电能，还能显著的降低噪声与温升。

芯片上电之后，先输出一段周期为20ms,脉宽为10ms的工频方波信号。此时交流接触器线圈上的直流电流也很大,交流接触器电磁系统产生强磁，从而接触器很快吸合。当接触器吸合之后，芯片OUT改为输出周期为20ms，脉冲宽度约为1.2ms的工频方波信号，此时晶闸管的导通时间变得很短。接触器线圈上的电压减小。线圈电流也相应减少并且维持在一个较小的值，保证接触器触头能够处于吸持状态。可见，在交流接触器吸合之后，节能器不仅能够减小接触器的功耗。同时也能降低接触器线圈的噪声和温升，增加交流接触器的使用寿命。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有检测功能的机床传动节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过图像传感器采集刀具与工件的图像数据，对获取到的图像数据进行处理得到黑白图像，其中车刀与工件作为识别对象在黑白图像中为白点，其余为黑点；

S2、对黑白图像进行图形面积标志位检测：通过判断白点个数可以得出车刀和工件进入视场的面积大小，若面积到达阈值时触发标志位；

S3、对黑白图像进行凹凸性标志位检测：通过判断车刀和工件构成的两块白点图像的凹凸性，若两个凹凸性均超过阈值时触发标志位；

S4、将步骤S2和S3得到的结果进行综合判断，若两个标志位均被触发，判定车刀接近工件，机床即将开始加工，反之判定机床处于空载或对刀退刀状态；

S5、若判定机床为空载或对刀退刀状态，输出低占空比pwm波，控制电机输出电压在维持电机转速的最低电压值，控制电机转速为低转速。

2.根据权利要求1所述的具有检测功能的机床传动节能控制方法，其特征在于，步骤S1中处理得到黑白图像的具体方法为：

采集到图像数据后，图像数据以YUV格式存储，通过提取YUV格式图片中的灰度信息，得到当前时刻的灰度图，再将灰度图二值化形成黑白图像。

3.根据权利要求1所述的具有检测功能的机床传动节能控制方法，其特征在于，步骤S3中判断图像凹凸性的具体方法为：

通过计算每列从上至下第一个白点与最后一个白点分别与第二列第一个白点与最后一个白点的距离，直至某列不存在白点，将这些距离求和可得弧长，通过计算弧长与弦长差与和的比值，得到图形的凹凸性。

4.根据权利要求1所述的具有检测功能的机床传动节能控制方法，其特征在于，步骤S5中控制输出电压的具体方法为：

通过控制IGBT的通断时间比，来改变电源的输出电压大小；在输入PWM为低占空比情况下，电机功率控制输出电压为低电压，其输出电压值将电机转速维持在保持电机转动的最低电压值；在输入PWM波为高占空比情况下，电机控制输出电压为正常电压。

5.一种具有检测功能的机床传动节能控制装置，其特征在于，包括与主轴电机相连的接触器模块、传感器检测模块和电机功率模块，传感器检测模块还连接有图像传感器，其中：

图像传感器，安装在机床侧面刀架上，用于拍摄机床工作时侧面刀件正向观察到的画面，以YUV格式图像存储于单片机内存中；对图像进行处理包括图形面积和凹凸性两种判断依据：

图像面积：对图像处理得到黑白图像，车刀与工件作为识别对象在图像中为白色，其余为黑色，通过判断白点个数得出车刀和工件进入视场的面积大小，在面积到达阈值时将触发标志位；

凹凸性：车刀和工件从视场的两个互相垂直的边界进入视场，视场中第一区域为工件进入视场时产生的白斑，第二区域为车刀进入视场时产生的白斑；定义A、B、C三点为视场定点，通过计算A和B两点间白斑和B、C两点间白斑的凹凸性，当两块白斑凹凸性均超过阈值时，触发标志位；

若两个标志位均被触发，判定车刀接近工件，机床即将开始加工，反之判定机床处于空载或对刀退刀状态；

接触器模块，用于对输入电压进行交流斩波，降低电流至维持电流，从而降低交流接触器的吸持功耗；

传感器检测模块，用于在本装置进行车削加工工作时，在车刀对刀期间实时监测加工工件状态，按不同工作状态输出不同pwm波给电机功率模块；

电机功率模块，用于通过控制IGBT的通断时间比，来改变电源的输出电压大小，IGBT的通断时间比由传感检测模块输入的PWM波决定；

进行车削加工工作时，在车刀对刀期间实时监测加工工件状态，按下列不同情况电机功率模块主控输出不同pwm波给电机功率控制模块：单片机最终判定工件加工状态为“对刀状态”，即车刀远离工件，输出低占空比pwm波通过电机控制模块控制电机转速为低转速；单片机最终判定工件加工状态为“即将加工”，即车刀靠近工件，输出高占空比pwm波通过电机控制模块控制电机转速为正常转速。

6.根据权利要求5所述的具有检测功能的机床传动节能控制装置，其特征在于，所述图像传感器使用的CMOS摄像头芯片为OV7725。

7.根据权利要求5所述的具有检测功能的机床传动节能控制装置，其特征在于，所述接触器模块随机床主轴电机开关共同打开与关闭。

8.根据权利要求5所述的具有检测功能的机床传动节能控制装置，其特征在于，所述电机功率模块采用单管双向斩波调压电路。