CN114194937B - 一种高速绕线机绕线质量监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速绕线机绕线质量监控方法，包括：将线缆从放线机构上经过排线监控机构固定在绕线机构上；线缆在排线监控机构上，排线监控机构中的双目激光轮廓传感器对线盘进行采集数据；根据线缆的高度差，判断是否存在线缆或线缆层数；若存在线缆，则对上层线缆及次层线缆根据高度进行区分；对区分后的数据进行线缆直径拟合，测量线缆间距及线缆间高度差；根据线缆间距及线缆间高度差答复测量结果，反馈绕线系统控制绕线机构位移或暂停绕线机。该方法是对高速绕线机成卷过程进行质量监控，测量线缆间距及线缆间高度差，及时反馈到绕线系统，提高高速绕线机绕线质量，或当线缆层叠、间隙过大时，暂停设备，降低产品不合格率。

Description

一种高速绕线机绕线质量监控方法

技术领域

本发明属于机器视觉领域，用于高速绕线机绕线成卷过程中质量监控，特别涉及一种高速绕线机绕线质量监控方法。

背景技术

在工业生产过程中.线缆绕线机是重要的生产设备之一。伴随着对电缆需求的增加、质量的要求，更智能化更效率更安全的绕线设备也随之得到了广泛的发展，使得电缆的品质得到极大的提升，让电缆的生产流水线化，自动化。线缆绕线机能够按照要求将线缆卷绕成不同规格的线盘。它要求卷绕紧密、美观，避免发生叠线、塌边等现象。

在成卷过程中由于绕线机横向移动的速度过快或过慢，使得相邻两条线缆之间会产生空隙或使得同层线缆绕至下一层上去等情况的产生。现有的检测手段是当线缆成卷完成后，观察表层质量；而当成卷过程中出现质量不合格是无法进行监测与及时制止继续缠卷。

因此，如何实现对高速绕线机绕线成卷过程中的质量监控，并能及时制止，降低产品的不合格率，成为同行从业人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高速绕线机绕线质量监控方法，可解决目前针对高速绕线机成卷过程无法可视化及无法及时制止的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种高速绕线机绕线质量监控方法，包括：

步骤一：将线缆从放线机构上经过排线监控机构固定在绕线机构上；

步骤二：线缆在排线监控机构上，排线监控机构中的双目激光轮廓传感器对线盘进行采集数据；

步骤三：根据线缆的高度差，判断是否存在线缆或线缆层数；

步骤四：若存在线缆，则对上层线缆及次层线缆根据高度进行区分；

步骤五：对区分后的数据进行线缆直径拟合，测量线缆间距及线缆间高度差；

步骤六：根据线缆间距及线缆间高度差答复测量结果，反馈绕线系统控制绕线机构位移或暂停绕线机。

进一步地，所述步骤二包括：双目激光轮廓传感器对绕线机中心线垂直截面上的轮廓进行扫描，获取到绕线机当前线盘上的点云数据。

进一步地，所述步骤三包括：

S31、利用线盘至双目激光轮廓传感器恒定的距离及线缆直径作为判断依据；

S32、当线盘至双目激光轮廓传感器返回的Z值与线盘表面数据一致或相差在预设范围时，确定当前线缆并未缠绕至线盘上；

S33、当线盘至双目激光轮廓传感器返回的Z值产生偏差值，通过比较两个Z值，区分出线缆高度，判断是否存在线缆或线缆层数。

进一步地，所述步骤五包括：

S51、对区分后的点云数据，依据曲率进行线缆分段；

S52、分别对分段出的线缆进行圆拟合，确定出线缆的缠绕圆心坐标；

S53、测量水平相邻的两条线缆圆心与圆心的高度距离、圆心与圆心的宽度距离，实现线缆间距及线缆间高度差的测量。

进一步地，所述步骤四中对上层线缆及次层线缆根据高度进行区分的计算过程，包括：

L_i＝[max(H)/D] (1)

(1)式中，L_i表示当前绕线层数，max(H)表示激光轮廓传感器返回高度数据最大值，D表示线缆直径；

(2)式中，L_i-1表示上一层绕线层数，H₀表示激光轮廓传感器返回的数据初始值；H_i表示当前层绕线高度，H_i-1表示上一层绕线高度

通过绕线层数的高低差对所检测的线缆当前绕线层进行区分。

进一步地，步骤S51，包括：

采用三角形外接圆曲率法对被测线盘绕线线缆轮廓点云数据进行曲率计算，实现数据的分段；

设P_i(x_i,y_i)(i＝1,2,…,N)表示被测线盘绕线线缆轮廓曲线上的N个测量点，任取连续的三个数据点P_j-1(x_j-1,y_j-1)、P_j(x_j,y_j)、P_j+1(x_j+1,y_j+1)(j＝2,3,…,N-1)，其中P_j(x_j,y_j)测量点的曲率K_j(j＝2,3,…,N-1)计算如式(3)所示：

(3)式中：

A_i+1表示P_j点与P_j+1点的距离；A_i-1表示P_j点与P_j-1点的距离；C_i表示P_j+1点与P_j-1点的距离；被测线盘绕线线缆轮廓曲线每相邻的线间轮廓存在曲率的差异，获得相邻两个测量点的曲率差为E_j；

E_j＝K_j-K_j-1 (4)

当E_j＞(E_j-1+E_j)/2(j＝3,4,…,N-2)时作为分界点，用于区分线缆轮廓分段位置。

进一步地，步骤S52，包括：

利用已知的线缆半径作为约束条件，结合最小二乘法进行拟合，目标函数为：

式中，(x_p,y_p)表示线缆轮廓分段后的某一段点云；n表示参与拟合的点个数；R表示线缆半径；

当线缆半径作为约束参与拟合时，根据拉格朗日乘数法，其最小二乘优化目标函数为：

其中，通过求解获得对应分段的线缆轮廓圆心坐标(a,b)，R_l表示线缆的理论半径。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提出了一种高速绕线机绕线质量监控方法，是对高速绕线机成卷过程进行质量监控，其利用双目激光轮廓传感器对线盘进行数据获取，通过线缆高度差，判断线缆有无及当前线缆层数，并对存在线缆的状态进行分段，测量线缆间距及线缆间高度差，及时反馈到绕线系统，提高高速绕线机绕线质量，或当线缆层叠、间隙过大时，暂停设备，降低产品不合格率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高速绕线机的结构图；

图2为本发明实施例提供的高速绕线机绕线质量监控方法流程图；

图3为本发明实施例提供的高速绕线机绕线质量监控方法另一流程图；

图4为本发明实施例提供的双目激光轮廓传感器对线盘采集数据的示意图。

图5为本发明实施例提供的曲率的计算原理示意图。

图6为本发明实施例提供的线缆直径拟合示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供的一种高速绕线机绕线质量监控方法，应用于高速绕线机设备，对绕线过程中的相邻两条线缆之间是否产生空隙，以及对同层线缆是否绕至下一层线缆上去进行的实时监控，当出现上述两种情况时，比如可调整绕线机构位移，或暂停设备进行及时制止，降低不合格率，提高绕线质量。

其中所涉及的高速绕线机，如图1所示，由放线装置Ⅰ、排线支撑装置Ⅱ、排线线缆校正装置Ⅲ、升降式排线臂Ⅳ、排线监控机构Ⅴ、旋转绕线装置Ⅵ、走行排线装置Ⅶ组成。排线监控机构Ⅴ上设有双目激光轮廓传感器，可对线盘进行数据采集。

参照图2所示，本发明提供的一种高速绕线机绕线质量监控方法，包括：

步骤一：将线缆从放线机构上经过排线监控机构固定在绕线机构上；

步骤二：线缆在排线监控机构上，排线监控机构中的双目激光轮廓传感器对线盘进行采集数据；

步骤三：根据线缆的高度差，判断是否存在线缆或线缆层数；

步骤四：若存在线缆，则对上层线缆及次层线缆根据高度进行区分；

步骤五：对区分后的数据进行线缆直径拟合，测量线缆间距及线缆间高度差；

步骤六：根据线缆间距及线缆间高度差答复测量结果，反馈绕线系统控制绕线机构位移或暂停绕线机。

本实施例中，是对高速绕线机成卷过程进行质量监控，其利用双目激光轮廓传感器对线盘进行数据获取，通过线缆高度差，判断线缆有无及当前线缆层数，并对存在线缆的状态进行分段，测量线缆间距及线缆间高度差，及时反馈到绕线系统，提高高速绕线机绕线质量，或当线缆层叠、间隙过大时，暂停设备，降低产品不合格率。

如图3所示，描述了从获取点云开始直至实时监控高速绕线机成卷过程的点云处理步骤，比如可在上位机执行或绕线机的控制终端执行，具体如下：

步骤1：双目激光轮廓传感器对绕线机中心线垂直截面上的轮廓进行扫描，获取到绕线机当前线盘上的点云信息；如图4所示，可采集线盘上线缆的信息，以线缆角度为例，即水平方向和垂直方向的数据。对于双目激光轮廓传感器来说，即Z轴数据和X轴数据。

步骤2：对采集到的点云信息进行数据分割。利用线盘至双目激光轮廓传感器恒定的距离及线缆直径作为判断依据，当线盘至双目激光轮廓传感器返回的Z值与线盘表面数据基本一致或相差在预定范围内时，认为当前线缆并未缠绕至线盘上；当线盘至传感器返回的Z值产生偏差值，通过比较两个Z值，可以区分出线缆高度，以此为依据判断是否存在线缆或线缆层数。

步骤3：若存在线缆，则对上层线缆及次层线缆根据高度进行分段，得以区分出上、下层线缆；

步骤4：对分段后的点云数据，依据曲率进行线缆分段；

步骤5：分别对分段出的线缆进行圆拟合，确定出线缆的缠绕圆心坐标；

步骤6：测量线缆圆心与圆心的高度与宽度方向距离，实现线缆间距及线缆间高度差的测量；

步骤7：根据测量结果，反馈绕线系统控制绕线机构位移，提高线缆绕线质量或暂停设备。

上述步骤3中，线缆高度区分原理如下：

L_i＝[max(H)/D] (1)

式中，L_i表示当前绕线层数，max(H)表示激光轮廓传感器返回数据最大值，D表示线缆直径。

式中，L_i-1表示上一层绕线层数，H₀表示激光轮廓传感器返回数据初始值；H_i表示当前层绕线高度，H_i-1表示上一层绕线高度。

因此，可以利用绕线层数的高低差对所检测的线缆当前绕线层进行区分。

上述步骤4中曲率分段原理如下：

由于被测线盘绕线线缆轮廓曲线上的测量点呈现离散性，且在线缆出现叠线、空隙情况时容易产生尖点，使得局部位置曲率计算出现偏差，因此，采用三角形外接圆曲率法对被测线盘绕线线缆轮廓进行曲率计算，实现数据的分段。

设P_i(x_i,y_i)(i＝1,2,…,N)是被测线盘绕线线缆轮廓曲线上的N个测量点，参照图5所示，任取连续的三个数据点

P_j-1(x_j-1,y_j-1)、P_j(x_j,y_j)、P_j+1(x_j+1,y_j+1)(j＝2,3,…,N-1)，其中P_j(x_j,y_j)测量点的曲率K_j(j＝2,3,…,N-1)的计算如式(3)所示。

式中：

A_i+1表示P_j点与P_j+1点的距离；A_i-1表示P_j点与P_j-1点的距离；C_i表示P_j+1点与P_j-1点的距离；被测线盘绕线线缆轮廓曲线每相邻的线间轮廓存在曲率的明显差异，因此，可以获得相邻两个测量点的曲率差为E_j。

E_j＝K_j-K_j-1 (4)

当E_j＞(E_j-1+E_j)/2(j＝3,4,…,N-2)时可以作为分界点，用于区分线缆轮廓分段位置。

上述步骤5中圆拟合原理如下：

如图6所示，在对线盘线缆、边界轮廓监测数据中，线缆轮廓点云所占圆比例接近于1/2，但由于线缆外皮存在收缩性，使得拟合数据存在误差。利用常规方法进行线缆轮廓中心定位的精度并不理想。从监控系统工作的原理来看，提取线缆轮廓的圆心作为检测基准点，其精度直接影响到线距、线缆绕线高度、线缆是否存压线及间隙的精度及状态判断。在此，利用已知的线缆半径作为约束条件，结合最小二乘法进行拟合，提高拟合精度。

采用最小二乘法拟合圆，其目标函数为：

式中，(x_i,y_i)表示线缆轮廓分段后的某一段点云；n表示参与拟合的点个数；R表示线缆半径。

当线缆半径作为约束参与拟合时，根据拉格朗日乘数法，其最小二乘优化目标函数可以写为：

通过对式(6)进行求解，可以获得对应分段的线缆轮廓圆心坐标(a,b)，R_l表示线缆的理论半径。

上述步骤6中质量监控评定原理如下：

线距作为评价线缆绕线质量的重要指标，比如两条相近的线缆线距应小于线缆直径的1/30～1/20，

设线缆直径为D，轮廓段A的圆心坐标为(X_A,Y_A)、轮廓段B的圆心坐标为(X_B,Y_B)，则存在下列关系：

线缆绕线高度差作为评价线缆绕线质量是否存在压线的重要指标，线缆绕线高度差在当前绕线层与上一层绕线层应保持近似恒定。

设线缆直径为D，当前绕线层在绕线缆圆心坐标为(X_C,Y_C),上一层绕线层的Y轴坐标为Y_D，则存在下列关系：

本实施例中，通过利用双目激光轮廓传感器可解决无法用单个传感器扫描线盘线缆、边界完整的轮廓问题；通过对线缆绕线过程中，双目激光轮廓传感器返回Z轴数据，随着线盘绕线层数的增加的特性，区分出线缆当前缠绕层数以及是否出现叠线；利用双目激光轮廓传感器返回X轴数据区分空隙、塌边等错误绕线情况的产生，从一定程度上能够提高线缆缠绕质量，并使得高速线缆缠绕过程可视化。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种高速绕线机绕线质量监控方法，其特征在于，包括：

步骤一：将线缆从放线机构上经过排线监控机构固定在绕线机构上；

步骤二：线缆在排线监控机构上，排线监控机构中的双目激光轮廓传感器对线盘进行采集数据；

步骤三：根据线缆的高度差，判断是否存在线缆或线缆层数；

步骤四：若存在线缆，则对上层线缆及次层线缆根据高度进行区分；

步骤五：对区分后的数据进行线缆直径拟合，测量线缆间距及线缆间高度差；

步骤六：根据线缆间距及线缆间高度差答复测量结果，反馈绕线系统控制绕线机构位移或暂停绕线机；

其中，所述步骤二包括：双目激光轮廓传感器对绕线机中心线垂直截面上的轮廓进行扫描，获取到绕线机当前线盘上的点云数据；

所述步骤三包括：

S31、利用线盘至双目激光轮廓传感器恒定的距离及线缆直径作为判断依据；

S32、当线盘至双目激光轮廓传感器返回的Z值与线盘表面数据一致或相差在预设范围时，确定当前线缆并未缠绕至线盘上；

S33、当线盘至双目激光轮廓传感器返回的Z值产生偏差值，通过比较两个Z值，区分出线缆高度，判断是否存在线缆或线缆层数；

所述步骤五包括：

S51、对区分后的点云数据，依据曲率进行线缆分段；

S52、分别对分段出的线缆进行圆拟合，确定出线缆的缠绕圆心坐标；

S53、测量水平相邻的两条线缆圆心与圆心的高度距离、圆心与圆心的宽度距离，实现线缆间距及线缆间高度差的测量；

所述步骤四中对上层线缆及次层线缆根据高度进行区分的计算过程，包括：

L_i＝[max(H)/D] (1)

(1)式中，L_i表示当前绕线层数，max(H)表示激光轮廓传感器返回高度数据最大值，D表示线缆直径；

(2)式中，L_i-1表示上一层绕线层数，H₀表示激光轮廓传感器返回的数据初始值；H_i表示当前层绕线高度，H_i-1表示上一层绕线高度；

通过绕线层数的高低差对所检测的线缆当前绕线层进行区分；

步骤S51，包括：

采用三角形外接圆曲率法对被测线盘绕线线缆轮廓点云数据进行曲率计算，实现数据的分段；

设P_i(x_i,y_i)(i＝1,2,…,N)表示被测线盘绕线线缆轮廓曲线上的N个测量点，任取连续的三个数据点P_j-1(x_j-1,y_j-1)、P_j(x_j,y_j)、P_j+1(x_j+1,y_j+1)(j＝2,3,…,N-1)，其中P_j(x_j,y_j)测量点的曲率K_j(j＝2,3,…,N-1)计算如式(3)所示：

(3)式中：

A_i+1表示P_j点与P_j+1点的距离；A_i-1表示P_j点与P_j-1点的距离；C_i表示P_j+1点与P_j-1点的距离；被测线盘绕线线缆轮廓曲线每相邻的线间轮廓存在曲率的差异，获得相邻两个测量点的曲率差为E_j；

E_j＝K_j-K_j-1 (4)

当E_j＞(E_j-1+E_j)/2(j＝3,4,…,N-2)时作为分界点，用于区分线缆轮廓分段位置；

步骤S52，包括：

利用已知的线缆半径作为约束条件，结合最小二乘法进行拟合，目标函数为：

式中，(x_p,y_p)表示线缆轮廓分段后的某一段点云；n表示参与拟合的点个数；R表示线缆半径；

当线缆半径作为约束参与拟合时，根据拉格朗日乘数法，其最小二乘优化目标函数为：

其中，通过求解获得对应分段的线缆轮廓圆心坐标(a,b)，R_l表示线缆的理论半径。