CN113240651B - 基于电缆俯视外轮廓线位置变化的电缆偏转角度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于电缆俯视外轮廓线位置变化的电缆偏转角度计算方法，包括步骤1.采集电缆实时俯视图像；步骤2.利用俯视图像中左右轮廓线分别到图像左右边际的距离差来判断电缆偏转角度；步骤3.通过建立物理模型推得计算公式；步骤4.利用计算机将步骤2中的距离差代入步骤3中公式计算得出实时电缆偏转角。本发明利用工业摄像机和计算机来判断电缆偏转角度，取代人工值守，减轻工人的劳动强度，提高生产过程的智能化。

Description

基于电缆俯视外轮廓线位置变化的电缆偏转角度计算方法

技术领域

本发明涉及一种判断电缆并线工序中电缆偏转角度的方法。

背景技术

成缆机是电缆加工专用设备。成缆机结构可分为传动装置、绕包装置、牵引装置、电器控制等部分，其中绕包装置由绕包头、绞龙、钢带头、模座、计米器组成。成缆机结构复杂，价格昂贵，是电线电缆行业保障电缆质量的关键设备。

多芯并线工艺是保证电缆品质的关键。工艺中，每根电缆的运动由旋转与直线构成，在轴向前进的同时，围绕中心缆芯绞合，原理如图1所示。

如图1所示，1为绞盘，电缆从绞盘上圆孔穿过，2为待绞合电缆，3为绞合模座内的并线模套，4为成缆后的电缆。目前，国内主要电缆生产厂使用的成缆机，在多芯并线工艺操作中，由于上一道线盘绕线工艺中，缆芯直接绞入线盘，导致缆芯凹槽面角度不统一，并在缆芯传送工艺中发生转动，致使并线后成缆成品产生钢带卷边、外圆圆整度不合要求等质量问题。目前，大多厂家为解决该工艺问题，均采用人工值守，即由人工目测识别缆芯凹槽角度是否偏差，工人判断经验要求高并且需要持续高强度注视观察，易产生眼睛疲劳，带来产品质量风险和操作工视力健康风险；在缆芯凹槽角度矫正过程中，使用人力手动旋转电缆角度，角度调整精确度凭人眼确定，存在精度难以保证的问题，且在设备运行过程中人工直接手动调整，存在严重的误伤安全隐患。角度误差太大人工不能调整时，需要停机调整、再启动。现有设备多芯并线工艺中存在以上使用人工多、生产效率低、存在严重的产品质量风险和安全隐患，这已经成为成缆机使用行业普遍的问题。

发明内容

为了在电缆纠偏过程中取代人工值守方式，减轻工人的劳动强度，提高生产过程的智能化，本发明提供一种适用于工业摄像机和计算判断电缆偏转角度的方法，该方法根据俯视电缆外轮廓线的位置变化来判断电缆当前偏转角度。

本发明采用如下技术方案：

通过设置垂直俯视电缆的图像采集设备，获取电缆俯视图像，利用图像处理技术提取电缆的俯视外轮廓线特征，并利用左右轮廓线分别到图像左右边际的距离差来判断电缆偏转角度，通过建立物理模型推得计算公式，利用计算机将前述所采集到的距离差数据代入公式计算得出实时电缆偏转角。

进一步的是，电缆简化截面轮廓，主要由左右对称的圆弧1、圆弧2、直线段4和底部居中的圆弧3组成，各段互相相切，顶部压痕凹槽由任何弧线表示；

O是电缆的旋转中心，O₁是圆弧1的圆心，O₂是圆弧2的圆心，O₃是圆弧3的圆心，R₁是O与O₁的连线，R₂是O与O₂的连线，R₃是O与O₃的连线；β角是左右两R₁的夹角，γ角是左右两R₂夹角的一半，φ角是O₃与左右两O₁连线夹角的一半，由于圆弧1与圆弧3相切，所以O₃O₁连线与圆弧1和圆弧3均垂直，ψ角是两直线段4延长线的夹角，根据统计上述角的大小关系如下：β＞2γ＞2ψ＞2φ，且ψ＜90°-φ；

俯视图中左右轮廓线的位置分别表现为截面图中电缆最左点和最右点的位置，推导出的左右轮廓线分别到图片左右边际的距离差与偏转角关系公式为：

进一步的是，步骤4利用计算机迭代解算方程得到实时电缆偏转角。

本发明的有益效果：

本发明能够利用工业摄像头和计算机来自动判断出当前电缆的偏转角度，方便随后将数据传输给纠偏装置，实现自动纠偏。减轻了工人的工作强度，改善了劳动条件，也提升了生产过程的自动化水平。

附图说明

图1为并线工艺绞合原理图；

图2为电缆截面简化物理模型图；

图3为电缆旋转第一阶段示意图；

图4为电缆旋转第一阶段到第二阶段的过渡状态示意图；

图5为电缆旋转第二阶段示意图；

图6为电缆旋转第二阶段到第三阶段的过渡状态示意图；

图7为电缆旋转第二阶段到第三阶段的过渡状态右半部分与初始状态对比图；

图8是电缆旋转第三阶段示意图；

图9是电缆旋转90°的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的基于电缆俯视外轮廓线位置变化的电缆偏转角度计算方法，包括以下步骤：

首先，需要对电缆截面建立简化物理模型，通过该模型找到左右轮廓线分别到图像左右边际的距离差与电缆偏转角的关系方程。

电缆截面的简化物理模型如图2所示。电缆的简化截面轮廓主要由左右对称的圆弧1、圆弧2、直线段4和底部居中的圆弧3组成，各段互相相切，顶部压痕凹槽可由任何弧线表示；o是电缆的旋转中心，o₁是圆弧1的圆心，O₂是圆弧2的圆心，O₃是圆弧3的圆心，R₁是O与O₁的连线，R₂是O与O₂的连线，R₃是O与O₃的连线；β角是左右两R₁的夹角，根据统计，几个角的大小关系如下：β＞2γ＞2ψ＞2φ，且ψ＜90°-φ。俯视图中左右轮廓线的位置分别表现为截面图中电缆最左点和最右点的位置。

下述公式推导以逆时针旋转为例，顺时针旋转同理。

如图3所示，当电缆不旋转时，左右轮廓线都落在圆弧1上，此时左右轮廓线分别到图片左右边际的距离是相等的，二者距离差为0即可判断电缆偏转角为0。当电缆刚刚开始旋转时，此时O₁都旋转到了O₁'的位置，表示左右轮廓线的最左和最右点位置发生变化，但均还在圆弧1上，左右轮廓线分别到图片左右边际的距离差不再为0，显然左边的距离大于右边的距离，二者的距离差相等于左轮廓线的位移X_L与右轮廓线的位移X_R之和，(ν为观测投影面，X_L、X_R为左右轮廓线位移在ν面的垂直投影)，此后均用X_L、X_R与偏转角θ的关系：

先讨论X_L

显然：

结合三角形OTO₁、OO₁O’₁易得：

结合(1)、(2)：

X_R同理

将X_L、X_R相加：

式(5)为第一个阶段的距离差与偏转角关系公式。

如图4所示，当电缆偏转到左边直线段4与ν面垂直时，就到了电缆旋转第一个阶段和第二个阶段的过渡状态(以下称过渡状态)，此时左边轮廓线对应的最左点即将由圆弧1经直线段4滑到圆弧2上去，右边轮廓线对应的最右点仍在圆弧1上，此状态仍能用式(5)表示。由简单的几何推导可知，此时电缆的偏转角θ＝ψ，即θ＝ψ时为电缆偏转公式的第一个分段点。

此时左边轮廓线

的全局位移量为：

当电缆继续旋转，如图5所示，在电缆过渡状态的基础上继续旋转θ'角，所以此时的全局偏转角θ＝θ'+ψ(显然θ＞ψ)，X’_L为在过渡状态X_L1的基础上继续移动的位移，左边轮廓线对应的最左点已经落在了圆弧2上，而右边轮廓线对应的最右点仍然在圆弧1上，过渡状态的O₁旋转到了O’₁上，过渡状态的O₂旋转到了O’₂上，过渡状态的截面对称线相对于初始位置对称线(即竖直线)的夹角为ψ。显然，右边的轮廓线的变化还保留着第一阶段相同的状态，故可用(4)式继续表示，现在只需探讨左边轮廓线位移X_L在这一阶段的公式：

显然：

结合三角形OTO₂、OO₂O’₂、∠TOO₂＝ψ+γ，

可知：结合(7)、(8)，并代入

θ’＝θ-ψ：

加上(6)式，可得全局

X_L：

X_R继续由(4)式表示，

将X_L、X_R相加：

式(11)为第二个阶段的距离差与偏转角关系公式。如图6所示，当电缆旋转到右边O₃O₁连线水平时，就到了电缆旋转第二个阶段和第三个阶段的过渡状态(以下称第二个过渡状态)。此时右边轮廓线对应的最右点即将由圆弧1滑倒圆弧3上去，左边轮廓线对应的最左点仍在圆弧2上，此状态仍能用式(11)表示。结合图7第二次过渡状态的右半部分与初始状态的右半部分对比，可以由简单的几何关系推导出：此时电缆的偏转角θ＝90°-φ，即θ＝90°-φ时为电缆偏转公式的第二个分段点。

此时右边轮廓线

的全局位移量为：

当电缆继续旋转，如图8所示，在电缆在第二次过渡状态的基础上继续θ'角，所以此时的全局偏转角θ＝θ’+90°-φ(显然θ＞90°-φ)，X’_R为在第二次过渡状态

的基础上继续移动的位移，右边的轮廓线对应的最右点已经落在了圆弧3上，而左边轮廓线对应的最左点仍然在圆弧2上，第二次过渡状态的O₂旋转到了O’₂上，第二次过渡状态的O₃旋转到了O’₃上。显然，左边的轮廓线的变化还保留着第二阶段相同的状态，故可用(10)式继续表示，现在只需探讨右边轮廓线位移X_R在这一阶段的公式：

显然：

结合三角形

OO₃O₁、OO₃O’₃、∠OO₃O₁＝φ，可知：

结合(13)、(14)，并带入

加上(12)式，可得全局

X_R:

X_L继续由(10)

式表示，

将X_L、X_R相加：

式(17)为第三个阶段的距离差与偏转角关系公式。第三阶段一直到电缆旋转90°结束，也就是θ＝90°时，如图9所示。

本发明仅讨论0-90°的情况，总结上述可得左右轮廓线，分别到图片右边际的距离差与偏转角关系公式为：

实际使用时需要结合采集的左右轮廓线分别到图片左右边际的距离差与函数图像，具体判断电缆当前的偏转方向和偏转的阶段，合理运用公式。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.基于电缆俯视外轮廓线位置变化的电缆偏转角度计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1.采集电缆实时俯视图像；

步骤2.利用俯视图像中左右轮廓线分别到图像左右边际的距离差作为判断电缆偏转角度的依据；

步骤3.通过建立物理模型推得计算公式，其内容包括：电缆简化截面轮廓，由左右对称的圆弧1、圆弧2、直线段4和底部居中的圆弧3组成，各段互相相切，顶部压痕凹槽由任何弧线表示；

O是电缆的旋转中心，O₁是圆弧1的圆心，O₂是圆弧2的圆心，O₃是圆弧3的圆心，R₁是O与O₁的连线，R₂是O与O₂的连线，R₃是O与O₃的连线；β角是左右两R₁的夹角，γ角是左右两R₂夹角的一半，φ角是O₃与左右两O₁连线夹角的一半，由于圆弧1与圆弧3相切，所以O₃O₁连线与圆弧1和圆弧3均垂直，ψ角是两直线段4延长线的夹角，根据统计上述角的大小关系如下：β＞2γ＞2ψ＞2φ，且ψ＜90°-φ；

俯视图中左右轮廓线的位置分别表现为截面图中电缆最左点和最右点的位置，推导出的左右轮廓线分别到图片左右边际的距离差与偏转角关系公式为：

步骤4.利用计算机将步骤2中的距离差代入步骤3中公式计算得出实时电缆偏转角。

2.根据权利要求1所述的基于电缆俯视外轮廓线位置变化的电缆偏转角度计算方法，其特征在于，步骤1通过设置垂直俯视电缆的图像采集设备，获取电缆俯视图像，利用图像处理方法提取电缆的俯视外轮廓线特征。

3.根据权利要求1所述的基于电缆俯视外轮廓线位置变化的电缆偏转角度计算方法，其特征在于，步骤4利用计算机迭代解算方程得到实时电缆偏转角。

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