CN115222643A - 电镀金刚石线网生产线断线检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电镀金刚石线网生产线断线检测方法,其包括以下步骤,步骤一:构造图像采集装置;步骤二:通过光流法检测判断金刚石线网是否断线;步骤三:快速实时显示生产线上所有检测节点的金刚石线网的状态。本发明提出的电镀金刚石线网生产线断线检测方法可以实时检测电镀金刚石线网生产线上金刚石线的状态,及时快速的对生产线断线情况进行确定,对断线异常进行快速报警,相比传统的力传感器方案提高了工作效率,缩短了断线异常报警周期。
Description
技术领域
本发明属于电镀金刚石线网生产制备技术领域,具体涉及一种电镀金刚石线网生产线断线检测方法。
背景技术
金刚石线网被广泛应用在硅片、光学玻璃、石材、陶瓷等超硬脆材料的切割加工领域。由于金刚石线网母线线径极细,抗拉能力有限且生产制备过程比较复杂,在制程中,经常因机台、异物等原因导致金刚石线网所受张力不均匀而断裂。
目前电镀金刚石线网生产线主要采用力传感器检测方案,该方案在生产线放线端和生产线收线端通过张力传感器检测金刚石线网张力值来检测金刚石线网锯的在线状态。该方案具有测力稳定的优点,但存在较长的滞后时间,如在上砂和加厚工艺流程中若出现断线,必须断线头接近收线端后,工人才会发现断线,延迟时间大概50秒,在此工艺流程中,若金刚石线网出现断线,工人不能快速准确的掌握断线位置,将会影响正常作业生产,降低生产效率,花费更多的时间。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足,本发明提供一种电镀金刚石线网生产线断线检测方法,能够快速、准确、稳定地监测金刚石线生产过程中线网状态,提高线网状态更新频率,对生产过程进行实时监控,及时处理生产过程中发生的断线故障。此外,本发明提出的电镀金刚石线网生产线断线检测方法,该方法将识别金刚石线的运动状态表征为金刚石线上漫反射形成的亮斑状态,并通过光流法对亮斑状态进行识别,从而判定金刚石线网状态。
本发明采用的技术方案如下:
一种电镀金刚石线网生产线断线检测方法,其包括以下步骤:
步骤1:构造图像采集装置,使用绿色激光光源向生产线上的金刚石线网投射激光,激光照射在金刚石线网上形成一排光斑点,安装图像采集装置将光流传感器组布置在激光光源同侧,获取金刚石线网状态数据;
步骤2:光流法检测金刚石线网状态,具体包括以下步骤:
步骤21:构建光流约束方程:
通过所述步骤1采集连续图像,使用光流传感器获取连续的带有光斑的金刚石线网图像;假设相邻两帧图像之间的时间间隔t小于0.1s,而且图像的灰度变化P小于1时,推导得出光流约束方程:
光流方程如下式所示:
Ixu+Iyv+It=0
式中:u和v分别表示光斑点(x,y)的光流沿x,y方向上的速度分量;Ix,Iy,It分别是图像中获取的灰度值对x,y和t的偏导数;t表示相邻两帧图像的时间间隔。
步骤22:求解光流约束方程:
求解步骤21所述的光流约束方程,具体过程为:
假设在目标点的邻域内所有的点都具有相似的运动;即为,(u,v)在一个大小为m×m,(m>1)的矩阵小窗中是一个常数,那么从像素1...n,n=m2中能给得到下列一组方程;
上述方程仅包含两个未知数,因此这个方程组自然是个超定方程,也就是说方程组内有冗余,将方程组转换为下式形式:
上述方程简写为下式:
使用最小二乘法求解上述方程:
式中:AT表示矩阵A的转置;
上式可以转换成下式所示:
进一步写成下式所示:
求解上式即可获得光斑点(x,y)的光流沿x,y方向上的速度分量u和v。
步骤23:确定光斑位移数值:
获取步骤22求得的速度分量u和v后,光斑位移反馈Δx,Δy通过对速度分量u和v进行积分求得;如下式所示:
式中:Δx,Δy分别表示光斑的位移数值;t表示相邻两帧图像的时间间隔;
步骤24:获得所述步骤23中光流传感器的光斑位移反馈Δx,Δy,确定金刚石线网是否断线:利用微控制器收集光流传感器的数据信号值,当相对位移值Δx,Δy为零值时,则能够确定金刚石线线网为断线状态,如下式所示:
步骤3:根据所述步骤24的判断结果,微控制器控制指示灯和蜂鸣器、数码管显示模块分别传递金刚石线状态和断线位置的信息,同时微控制器通过数据接口反馈至产线上位机,显示产线上所有检测节点的金刚石线网的状态;
可优选的是,所述步骤1中的图像采集装置由绿色激光光源、背景板和光流传感器共同组成;激光光源和背景板分别布置在金刚石线网的两侧,光流传感器组布置在与激光光源同侧位置,用于获取金刚石线网状态数据,并形成数据集。
可优选的是,所述步骤2中的光流法通过捕捉目标物体的运动,快速连续获取金刚石线网的黑白图像,并形成矩阵数据集;传感器芯片通过光流法识别捕获图像之间的共同特征,并确定它们之间的位置变化,然后通过这些信息判断目标的移动方向和移动距离。
可优选的是,所述步骤21中的光流约束方程可通过下面两个公式确定:
对于所述的光流方程,首先需要获取光流分量:
式中:u和v分别表示光斑点(x,y)的光流沿x,y方向上的速度分量。
对于所述的光流方程,还需要获取偏导数:
式中:P(x,y,t)是像素点(x,y)在时刻t的灰度值,可在图像中获得;Ix,Iy,It分别是灰度值P(x,y,t)对x,y和t的偏导数;t表示相邻两帧图像的时间间隔。
获取的光流方程如下式所示:
Ixu+Iyv+It=0
可优选的是,所述步骤24中光流传感器输出信号值是否为零值可初步表征金刚石线是否断线,金刚石线未断裂,光流传感器接收到激光经金刚石线漫反射形成的光斑图像,如光流传感器采集的连续相同的金刚石线斑点图像帧存在变化,则光流传感器输出Δx,Δy为非零值;反之,若光流传感器采集到连续相同的金刚石线图像帧,则光流传感器持续输出的Δx,Δy为零。
可优选的是,所述步骤3中所述的金刚石线网的显示状态;
所述微控制器控制的指示灯分为红绿两种颜色,红绿灯互锁,绿灯亮表示对应金刚石线正常在线状态,红灯亮表示对应金刚石线处于断线异常状态;
所述蜂鸣器的作用是在金刚石线网出现断线异常触发信号进行声音报警;
所述数码管显示屏作用就是在工作状态下实时显示金刚石线网的在线数量和在触发报警信号时显示金刚石线网断线的具体位置。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
(1)断线报警速度更快,本发明方法通过实时扫描,动态图像捕捉以及应用先进的图像处理算法,实现对生产线是否断线状态进行过程监测,实现线网状态的动态更新,形成完善的线网在线监测系统。此方法相比现有的力传感器方案,可对每圈金刚石线锯状态进行检测,且更加便捷安装至生产线中间上砂处、加厚上砂、镀镍处;故断线后,生产线上的金刚石线头可以更快的走到检测区,断线报警响应时间大大缩短较大程度上避免了断线线体对邻线的干扰导致断线数量扩大,达到了及时止损的目的。
(2)系统设计更加合理和可靠,利用现有力传感器搭建整个张力传感断线检测系统通常比较复杂。利用本发明优化后的断线检测方法,采用光流传感器和微控制器的设计,系统结构更加盒体,可大大系统提高稳定性。
附图说明
图1为本发明电镀金刚石线网生产线断线检测方法的步骤流程图;
图2为本发明电镀金刚石线网生产线断线检测方法各模块示意图;
图3为本发明电镀金刚石线网生产线断线检测方法的技术方案总体示意图;
图4为本发明电镀金刚石线网生产线断线检测方法的运行流程图;
图5为某次实验金刚石线断线状态下3s内光流传感器输出的数据信号值;
图6为某次实验金刚石线在线状态下3s内光流传感器输出的数据信号值;
图7为本发明微控制器判断第n条金刚线石锯状态的逻辑流程图。
上述附图中,附图标记对应的部件名称如下:
120-光流传感器组,130-激光光源;140-黑色光面亚克力板;150-微控制器;160-若干信号输出元件。
具体实施方式
以下,参照附图1—附图7对本发明的实施方式进行说明。
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明,本发明实施例提供了一种电镀金刚石线网生产线断线检测方法,可以有效解决金刚石线网的检测问题,具体包含如下步骤:
S1:图像采集装置由绿色激光光源、黑色光面亚克力板、光流传感器共同组成;绿色光源向生产线上的金刚石线投射激光,激光照射在金刚石线网上形成一排明亮的光斑点;黑色光面亚克力板作为采集图像背景,用与光斑形成对比,构造图像采集的基础环境;光流传感器组布置在与激光光源同侧位置,用于获取金刚石线网状态数据,并形成数据集。
激光光源采用可调激光粗细的一字线激光灯,工作电压为5V,功率为50mW。在激光光源颜色选择中,由于多次实验证明,在绿色的光源下,图像成像效果相对于普通白光和红光更好,光流传感器对于绿色光源成像下的图像更加敏感,故本方案采取绿色光源的一字线激光灯。
背景板用于充当金刚石线的背景,由于金刚石线网下方滚筒在转动,图像采集的环境比较复杂,存在较多的干扰因素。为排除干扰,背景板作为背景能够很好的提供干净、稳定的图像采集环境。
S2:光流法检测金刚石线网状态,具体包括以下步骤:
光流法通过捕捉目标物体的运动,在工作时能够快速连续拍照,捕捉足够数量的黑白图像,并形成矩阵数据集,在相邻的两张图像之间可得到相邻两帧之间的视界中的同一点在图像上的移动,对于图像来说,就是像素点的移动;传感器芯片通过特定算法识别捕获图像之间的共同特征,并确定它们之间的位置变化,然后通过这些信息判断目标的移动方向和移动距离。
S21:光流约束方程可通过下面两个公式确定:
对于光流方程,首先需要获取光流分量:
式中:u和v分别表示光斑点(x,y)的光流沿x,y方向上的速度分量。
对于光流方程,还需要获取偏导数:
式中:P(x,y,t)是像素点(x,y)在时刻t的灰度值,可在图像中获得;Ix,Iy,It分别是灰度值P(x,y,t)对x,y和t的偏导数;t表示相邻两帧图像的时间间隔;
获取的光流方程如下式所示:
Ixu+Iyv+It=0
S22:求解光流约束方程可通过下面方法:
假设在目标点的邻域内所有的点都具有相似的运动;即为,(u,v)在一个大小为m×m,(m>1)的矩阵小窗中是一个常数,那么从像素1...n,n=m2中可以得到下列一组方程;
上述方程仅包含两个未知数,因此这个方程组自然是个超定方程,也就是说方程组内有冗余,可将方程组转换为下式形式:
上述方程简写为下式:
式中:A表示像素点在x,y方向上灰度值的偏导数矩阵;v表示光流沿x,y方向上的分量向量;b表示像素点在t时刻灰度值的偏导数向量。
使用最小二乘法求解上述方程:
式中:AT表示矩阵A的转置;
上式可以转换成下式所示:
进一步写成下式所示:
求解上式即可获得光斑点(x,y)的光流沿x,y方向上的速度分量u和v。
S23:光斑位移数值可通过下面方法确定:
获取上步骤求得的速度分量u和v,光斑位移反馈Δx,Δy可以通过对速度分量u,v进行积分求得,如下式所示:
式中:Δx,Δy分别表示光斑的位移数值。
S24:光流传感器输出信号值(相对位移值Δx,Δy)是否为零值可初步表征金刚石线是否断线,金刚石线未断裂,光流传感器接收到激光经金刚石线漫反射形成的光斑图像,由于金刚石线实时振动,故光流传感器采集的连续相同的金刚石线斑点图像帧存在变化,光流传感器输出Δx,Δy为非零值;反之,若金刚石线断裂,激光经金刚石线漫反射形成的光斑消失,光流传感器将采集到连续相同的金刚石线图像帧,光流传感器持续输出的Δx,Δy为零。
S3:金刚石线网的显示状态;
微控制器控制的指示灯分为红绿两种颜色,红绿灯互锁,绿灯亮表示对应金刚石线正常在线状态,红灯亮表示对应金刚石线处于断线异常状态;
蜂鸣器的作用是在金刚石线网出现断线异常触发信号进行声音报警;
数码管显示屏作用就是在工作状态下实时显示金刚石线网的在线数量和在触发报警信号时显示金刚石线网断线的具体位置。
如图2所示,本申请公开的电镀金刚石线网生产线断线检测方法包括光流传感器组120、激光光源130、背景板140、微控制器150和信号输出元件160。利用线扫激光向生产线上金刚石线投射闪烁激光,将光流传感器布置于合适位置,并优选使用黑色亚克力板充当背景板,采集带有光斑的金刚石线图像。微控制收集光流传感器数据信号值,在微控制器中经过图像处理后,通过指示灯、蜂鸣器或显示屏等人机交互设备显示金刚石线状态。
微控制器采用基于ARM-Cortex-M3核心的STM32-F103ZET6为主控芯片,该芯片为32为处理内核,64K的SPAM,512K的FLASH储存器,时钟最高频率72MHz,能够运行嵌入预设的运算程序实现高速的状态采集和断线在线识别的运算。
光流传感器组采用ADNS3080光流传感器。ADNS-3080是一个光电鼠标传感器,能够感应速度高达40inch/s和加速度高达15g的高速鼠标移动。通过光学地获取连续的表面图像帧并在数学上确定移动的方向和大小用来检测位置的变化,不需要精确的光学对准,集成了图像采集系统(IAS)数字信号处理器(DSP)和四线串行端口。IAS通过镜头获取微观表面图像。这些图像由DSP处理以正确方向和距离运动。DSP计算Δx,Δy两个轴向的位移数据。高度变化时低的位置会看到表面特征运动得更近,所以光流数值会更大。外部微控制器从传感器串行端口读取Δx,Δy。
ADNS3080光流传感器输出的是x,y两个轴向的位移数据,通过摄像头获得图像数据,分析图像的不同时刻的帧数据,得到像素的移动速度并将像素的移动速度转换成光斑的移动速度,光流算法基于两个假设即认为摄像投采集到的两帧图像之间的像素灰度不变和相邻的两帧像素具有相对运动。
某条生产线上并行生产n根金刚石线,且每根在大辊轮上缠绕m圈,若检测该工艺的断线,则可在该工艺上布置n×m个光流传感器。微控制器对光流传感器的采样检测采用轮询的方式进行,记对单个传感器数据采样的时间为t(ms),则微控制器接受所有传感器的采集信号一个周期需要的时间为n×m×t(ms)。
信号输出元件主要是根据微控制器的运算处理结果来确定是否输出报警停机信号,主要由指示灯、蜂鸣器和数码管显示屏组成。
的微控制器控制的指示灯采用0603LED灯珠,灯珠分为红绿两种颜色,每条金刚石线对应位置布置一对红绿指示灯,则可在该工艺上布置n对红绿指示灯。其中红绿灯互锁,通过微控制器IO引脚通过高低电平信号切换双灯,绿灯亮表示对应金刚石线正常在线状态,红灯亮表示对应金刚石线处于断线异常状态。蜂鸣器采用3105A高分贝报警器SFM-27。数码管显示屏采用4位LED显示四位串行595驱动的数码管模块。
控制器的输出信号模式可分为单机模式下的状态指示以及联机状态下的数据交互。其中状态指示可通过指示灯或显示屏进行当前状态显示。控制器采用问询式的数据交互方式,控制器正常工作过程中实时采样金刚石线网的工作状态,并统计金刚石线网状态,采样结果保留在控制器中,待接收到上位机发出的问询指令时,控制器返回当前产线工作状态,形成问询报告机制。
根据图3装置进行实验,并采集检测其中一根金刚石线的光流传感器输出的数据信号值(Δx,Δy相对位移值),并通过上位机显示其输出的信号值,图5为某次实验金刚石线断线状态下在9:35:22-9:35:25时间段的光流传感器的数据信号值,图6为某次实验金刚石线在线状态下在9:46:53-9:46:56的光流传感器的输出信号值。从图5可以看出金刚石线断线时光流传感器输出的数据信号值Δx,Δy持续为零值,而金刚石线在线状态下,光流传感器输出的数据信号值Δx,Δy不为持续非零值,中间会偶尔出现Δx,Δy=0的数据,但通过微控制器中设计的逻辑运算可以避免发生误报警的情况。图7为本发明微控制器判断第n条金刚线石锯状态的逻辑流程图,微控制器轮询第n条金刚线石锯的状态,此处将光流传感器输出的Δx,Δy的位移值简称为光流位移,若第一次检测的光流位移均为0,则微控制器对该条金刚石线网对应的光流位移再重复检测两次,若第一次检测的光流位移不为零,则判定第n条金刚线石锯的状态为在线状态。则直接进行第n+1条金刚线石锯的检测,若第n条连续三次的光流位移均为0,则判定第n条金刚线石锯为断线状态。
假设金刚石线锯上并行生产n根金刚石线,在上砂和镀镍工艺中每根在大辊轮上需缠绕m圈,若产线中间一根金刚石线锯断线,金刚线锯断线位置在此根金刚线的第x圈,断线位置距离线尾L1,产线的线速为v,力传感器的检测方案是在线头和线尾分别安装n个张力传感器,只有当金刚石断线线头接近线尾的时候才能触发报警。
力传感器的金刚线断线反应时间t1=2L(m-x)/v
本申请可以将检测装备布置在产线中间,且对每一圈金刚石线进行检测,故线头可以更快的走到检测装置,可以更快的检测到断线。
根据断线位置的不同,断线后报警时间不同。下表1是实际生产线中运用力传感器检测方法与光流传感器检测的对比,可以明显看出本方法的优点。
表1力传感器检测方法与光流传感器检测方法对比
断线后报警时间 | 单个传感器成本 | 全系统成本 | |
力传感器检测方法 | 10s-90s | 180元 | 10000 |
光流传感器检测方法 | 5s-10s | 50元 | 3000 |
综上,本案例的金刚石线网生产过程的检测方法,很好的应用与金刚刚石线网的生产过程:
(1)断线报警速度更快,本方法通过实时扫描,动态图像捕捉以及应用先进的图像处理算法,实现对产线上线网状态进行过程监测,实现线网状态的动态更新,形成完善的线网在线监测系统。此方法相比现有的力传感器方案,可对每圈金刚石线锯状态进行检测,且装置更加便捷可安装至产线中间上砂处、加厚上砂、镀镍处;故断线后,产线上的金刚石线头可以更快的走到检测区,断线报警响应时间大大缩短,很大程度上避免了断线线体对邻线的干扰导致断线数量扩大,达到了及时止损的目的。
(2)系统获得了优化,实现了更安全和快速进行金刚石线网生产过程中生产线断线检测。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种电镀金刚石线网生产线断线检测方法,其特征在于,其包括以下步骤:
步骤1:安装图像采集装置,使用绿色激光光源向生产线上的金刚石线网投射激光,激光照射在金刚石线网上形成一排光斑点,安装图像采集装置将光流传感器组布置在激光光源同侧,获取金刚石线网状态数据;
步骤2:光流法检测金刚石线网状态,具体包括以下步骤:
步骤21:构建光流约束方程:
通过所述步骤1采集连续图像,使用光流传感器获取连续的带有光斑的金刚石线网图像;假设相邻两帧图像之间的时间间隔t小于0.1s,而且图像的灰度变化P小于1时,推导得出光流约束方程:
光流约束方程如下式所示:
Ixu+Iyv+It=0
式中:u和v分别表示光斑点(x,y)的光流沿x,y方向上的速度分量;Ix,Iy,It分别是图像中获取的灰度值对x,y和t的偏导数;t表示相邻两帧图像的时间间隔;
步骤22:求解光流约束方程:
求解步骤21所述的光流约束方程,具体过程为:
假设在目标点的邻域内所有的点都具有相似的运动;即为,(u,v)在一个大小为m×m,(m>1)的矩阵小窗中是一个常数,则从像素1...n,n=m2中能够得到下列一组方程;
将方程组转换为下式形式:
上述方程简写为下式:
使用最小二乘法对上述方程进行求解:
式中:AT表示矩阵A的转置;
上式可以转换成下式所示:
进一步写成下式所示:
求解上式即可获得光斑点(x,y)的光流沿x,y方向上的速度分量u和v;
步骤23:确定光斑位移反馈数值:
获取步骤22求得的速度分量u和v后,光斑位移反馈数值Δx,Δy通过对速度分量u和v进行积分求得,如下式所示:
式中:Δx,Δy分别表示光斑反馈数值;t表示相邻两帧图像的时间间隔;
步骤24:获得所述步骤23中光流传感器的光斑位移反馈Δx,Δy,确定金刚石线网是否断线:利用微控制器收集光流传感器的数据信号值,当光斑反馈数值Δx,Δy为零值时,则能够确定金刚石线线网为断线状态,如下式所示:
步骤3:根据所述步骤24的判断结果,微控制器控制指示灯和蜂鸣器、数码管显示模块分别传递金刚石线状态和断线位置的信息,同时微控制器通过数据接口反馈至产线上位机,显示产线上所有检测节点的金刚石线网的状态。
2.根据权利要求1所述的电镀金刚石线网生产线断线检测方法,其特征在于,所述步骤1中的图像采集装置由绿色激光光源、背景板和光流传感器共同组成;激光光源和背景板分别布置在金刚石线网的两侧,光流传感器组布置在与激光光源同侧位置,用于获取金刚石线网状态数据,并形成数据集。
3.根据权利要求1所述的电镀金刚石线网生产线断线检测方法,其特征在于,所述步骤2中的光流法通过捕捉目标物体的运动,连续获取金刚石线网的黑白图像;传感器芯片通过光流法识别捕获图像之间的共同特征,并确定它们之间的位置变化,然后通过这些信息判断目标的移动方向和移动距离。
5.根据权利要求1或者4所述的电镀金刚石线网生产线断线检测方法,其特征在于,所述步骤24中光流传感器输出信号值是否为零值则初步表征金刚石线是否断线,金刚石线未断裂,光流传感器接收到激光经金刚石线漫反射形成的光斑图像,如光流传感器采集的连续相同的金刚石线斑点图像帧存在变化,则光斑反馈数值Δx,Δy为非零值;反之,若光流传感器采集到连续相同的金刚石线图像帧,则光流传感器持续输出的Δx,Δy为零。
6.根据权利要求5所述的电镀金刚石线网生产线断线检测方法,其特征在于,所述步骤3中所述的金刚石线网的显示状态;
所述微控制器控制的指示灯包括红灯和绿灯,绿灯亮表示对应金刚石线处于正常在线状态,红灯亮表示对应金刚石线处于断线异常状态;
所述蜂鸣器用于在金刚石线网出现断线异常触发信号进行声音报警;
所述数码管显示屏用于在工作状态下实时显示金刚石线网的在线数量和在触发报警信号时显示金刚石线网断线的具体位置。
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