CN109877985B - 一种基于图像处理的多线切割机张力控制*** - Google Patents

一种基于图像处理的多线切割机张力控制*** Download PDF

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Abstract

一种基于图像处理的多线切割机张力控制***，包括切割线、主辊、放线辊、收线辊、放排线轮、导线轮Ⅰ、导线轮Ⅱ、收排线轮、上位机、人机交互模块、图像采集卡、数据采集卡、主辊电机、放线电机、收线电机、放排线电机、收排线电机以及对应的编码器。所述多线切割机张力控制***采集切割线实时图像，根据切割线位移计算出线网张力，作为反馈量对放线电机和收线电机转速进行控制;根据切割线轨迹对排线电机进行控制，防止跳线和错排。本发明可以降低多线切割机制造成本和维护成本，缩短布线路径，提高***可靠性。

Description

一种基于图像处理的多线切割机张力控制***
技术领域
本发明涉及一种多线切割机张力控制***。
背景技术
多线切割机具有批量、多片切割太阳能硅片、蓝宝石、碳化硅等硬脆性材料的功能，主要原理是将切割线在主辊之间形成网状，让切割线网高速运转，同时工作台带动工件垂直于线网运动方向进给，完成切割任务。在切割过程中，切割线网需要高速运行，同时保持给定的张力，所以对于自动控制***的要求非常严格。多线切割机张力控制***是多线切割机的核心技术。
现有张力控制技术主要采用张力重锤或张力摆杆等方式，需要增加张力锤、张力摆杆、导轮等机械部件，运行过程中不可避免的磨损增加了维护成本；同时增加了布线长度，增加了切割机的体积和重量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有多线切割机张力控制***的不足，提供一种采用图像传感器非接触式测量线网张力，不需要额外增加机械部件，缩短布线路径，有效降低多线切割机的制造成本和维护成本的基于图像处理的多线切割机张力控制***。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于图像处理的多线切割机张力控制***，包括切割线、主辊、放线辊、收线辊、放排线轮、导线轮Ⅰ、导线轮Ⅱ、收排线轮、上位机、人机交互模块、图像采集卡、数据采集卡、主辊电机、放线电机、收线电机、放排线电机、收排线电机以及对应的编码器；所述切割线从放线辊出发，经过放排线轮、导线轮Ⅰ、主辊、导线轮Ⅱ、收排线轮，到达收线辊；所述放排线轮和收排线轮下方各安装一个图像传感器对切割线进行拍摄，所述图像采集卡采集收线图像传感器和放线图像传感器的图像传输给上位机；所述数据采集卡采集主辊编码器、收线辊编码器和放线辊编码器的数据传输给上位机；所述人机交互模块完成收线张力、放线张力、走线速度以及设备参数的输入，并将重要数据进行显示；所述上位机包括收排线控制器、收排线偏移补偿器、收线张力估测器、收线张力控制器、收线控制器、主辊控制器、放线控制器、放线张力控制器、放线张力估测器、放排线偏移补偿器和放排线控制器，通过调节主辊电机、放线电机和收线电机的转速来控制线网张力。
进一步，所述上位机中收排线控制器的作用是控制收排线轮移动速度，使得切割线在收线轮上均匀分布，按下式计算收排线电机转速
Figure 949934DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 808169DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，
Figure 623678DEST_PATH_IMAGE003
为收线辊绕线间距，
Figure 832942DEST_PATH_IMAGE004
为第
Figure 896494DEST_PATH_IMAGE005
个采样时刻的收线电机转速，
Figure 874814DEST_PATH_IMAGE006
为收线电机转速位移比。
进一步，所述上位机中收排线偏移补偿器的作用是根据收排线倾斜角的测量值，对收排线轮移动速度进行补偿，形成闭环控制，提高切割线在收线轮上分布的均匀性，包含如下步骤：
1）在第
Figure 126804DEST_PATH_IMAGE007
个采样时刻，对所采集的放线图像数据，通过边缘提取、边缘锐化计算出切割线在图像中的轨迹，用最小二乘法将切割线轨迹拟合为直线，并计算拟合直线的倾斜角
Figure 292206DEST_PATH_IMAGE008
；
2）计算第
Figure 655055DEST_PATH_IMAGE007
个采样时刻的收排线倾斜角偏差
Figure 487881DEST_PATH_IMAGE009
；
3）按下式计算第
Figure 412237DEST_PATH_IMAGE007
个采样时刻的收排线电机转速补偿量
Figure 64936DEST_PATH_IMAGE010
：
Figure 231475DEST_PATH_IMAGE011
；
其中
Figure 184387DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 512600DEST_PATH_IMAGE013
分别为第
Figure 918174DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 357245DEST_PATH_IMAGE015
个采样时刻的收排线倾斜角偏差，
Figure 663200DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 162314DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 55184DEST_PATH_IMAGE018
分别为收排线偏移补偿的比例系数、积分系数和微分系数。
进一步，所述上位机中收线张力估测器的作用是对收线张力进行实时测量，包含如下步骤：
1）在第
Figure 297946DEST_PATH_IMAGE007
个采样时刻，对所采集的收线侧图像数据，通过边缘提取、边缘锐化计算出切割线在图像中的轨迹，找出切割线横向偏移最大的位置
Figure 959872DEST_PATH_IMAGE019
；
2）计算切割线偏移传播速度
Figure 629887DEST_PATH_IMAGE020
，其中
Figure 511518DEST_PATH_IMAGE021
为采样间隔，
Figure 557971DEST_PATH_IMAGE022
为第
Figure 74403DEST_PATH_IMAGE023
采样时刻的收线侧切割线横向偏移最大位置；
3）计算第
Figure 915321DEST_PATH_IMAGE007
个采样时刻的切割线收线张力估测值
Figure 782782DEST_PATH_IMAGE024
，其中
Figure 632927DEST_PATH_IMAGE025
为切割线线密度，
Figure 762120DEST_PATH_IMAGE026
为切割线的线速度。
进一步，所述上位机中收线张力控制器的作用是根据收线张力设定值和估测值，对收线电机转速进行补偿，形成收线张力的闭环控制，包含如下步骤：
1）计算收线张力误差
Figure 773939DEST_PATH_IMAGE027
，其中
Figure 128697DEST_PATH_IMAGE028
为收线张力设定值；
2）按下式计算收线电机转速补偿量
Figure 251373DEST_PATH_IMAGE029
：
Figure 742397DEST_PATH_IMAGE030
；
其中，
Figure 190696DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 268636DEST_PATH_IMAGE032
分别为第
Figure 195004DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 806114DEST_PATH_IMAGE034
时刻的收线张力误差，
Figure 159735DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 223506DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 953564DEST_PATH_IMAGE037
分别为收线电机补偿的比例系数、积分系数和微分系数。
进一步，所述上位机中收线控制器的作用是根据走线速度的设定值，对收线电机的转速进行控制，包含如下步骤：
（1）按下式计算收线电机的期望转速
Figure 419181DEST_PATH_IMAGE038
：
Figure 707817DEST_PATH_IMAGE039
；
其中，
Figure 993305DEST_PATH_IMAGE040
为收线辊直径，
Figure 261475DEST_PATH_IMAGE041
为切割线直径，
Figure 581598DEST_PATH_IMAGE042
为第
Figure 808180DEST_PATH_IMAGE043
个采样时刻切割线在收线辊上缠绕的层数；
（2）根据收线电机编码器计算出收线电机的实际转速
Figure 580964DEST_PATH_IMAGE044
，转速偏差
Figure 154290DEST_PATH_IMAGE045
；
（3）按下式计算收线电机转速控制值
Figure 328920DEST_PATH_IMAGE046
：
Figure 460824DEST_PATH_IMAGE047
；
其中，
Figure 986483DEST_PATH_IMAGE048
为第
Figure 862035DEST_PATH_IMAGE049
时刻的转速偏差，
Figure 891171DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 963950DEST_PATH_IMAGE051
分别为收线控制的比例系数和积分系数。
进一步，所述主辊控制器的作用是根据走线速度的设定值，对主辊电机的转速进行控制，包含如下步骤：
（1）按下式计算主辊电机的期望转速
Figure 711326DEST_PATH_IMAGE052
：
Figure 124990DEST_PATH_IMAGE053
；
其中，
Figure 274212DEST_PATH_IMAGE054
为主辊直径；
（2）根据主辊电机编码器计算出主辊电机的实际转速
Figure 747918DEST_PATH_IMAGE055
，转速偏差
Figure 982590DEST_PATH_IMAGE056
；
（3）按下式计算主辊电机转速控制值
Figure 701410DEST_PATH_IMAGE057
：
Figure 705138DEST_PATH_IMAGE058
；
其中，
Figure 615325DEST_PATH_IMAGE059
为第
Figure 337294DEST_PATH_IMAGE060
时刻的转速偏差，
Figure 92760DEST_PATH_IMAGE061
和
Figure 950995DEST_PATH_IMAGE062
分别为收线控制的比例系数和积分系数。
进一步，所述放线控制器的作用是根据走线速度的设定值，对放线电机的转速进行控制，包含如下步骤：
（1）按下式计算放线电机的期望转速
Figure 265039DEST_PATH_IMAGE063
：
Figure 474304DEST_PATH_IMAGE064
；
其中，
Figure 299040DEST_PATH_IMAGE065
为放线辊直径，
Figure 11781DEST_PATH_IMAGE066
为切割线直径，
Figure 732612DEST_PATH_IMAGE067
为第
Figure 429173DEST_PATH_IMAGE068
个采样时刻切割线在放线辊上缠绕的层数；
（2）根据放线电机编码器计算出放线电机的实际转速
Figure 559065DEST_PATH_IMAGE069
，计算转速偏差
Figure 657471DEST_PATH_IMAGE070
；
（3）按下式计算收线电机转速控制值
Figure 345942DEST_PATH_IMAGE071
：
Figure 529798DEST_PATH_IMAGE072
；
其中，
Figure 696337DEST_PATH_IMAGE073
为第
Figure 165363DEST_PATH_IMAGE074
时刻的转速偏差，
Figure 759156DEST_PATH_IMAGE075
和
Figure 164729DEST_PATH_IMAGE076
分别为放线控制的比例系数和积分系数。
进一步，所述放线张力控制器的作用是根据放线张力设定值和放线张力估测值，对放线电机的转速进行补偿，形成放线张力的闭环控制，包含如下步骤：
1）计算放线张力误差
Figure 666118DEST_PATH_IMAGE077
，其中
Figure 975002DEST_PATH_IMAGE078
为放线张力设定值；
2）按下式计算放线电机转速补偿量
Figure 5274DEST_PATH_IMAGE079
：
Figure 898144DEST_PATH_IMAGE080
；
其中，
Figure 406486DEST_PATH_IMAGE081
和
Figure 333991DEST_PATH_IMAGE082
分别为第
Figure 768121DEST_PATH_IMAGE083
和
Figure 148286DEST_PATH_IMAGE084
时刻的放线张力误差，
Figure 460319DEST_PATH_IMAGE085
、
Figure 507909DEST_PATH_IMAGE086
和
Figure 348827DEST_PATH_IMAGE087
分别为放线张力控制的比例系数、积分系数和微分系数。
进一步，所述放线张力估测器的作用是对放线张力进行实时测量，包含如下步骤：
1）在第
Figure 717753DEST_PATH_IMAGE088
个采样时刻，对所采集的放线侧图像数据，通过边缘提取、边缘锐化计算出切割线在图像中的轨迹，找出切割线横向偏移最大的位置
Figure 302318DEST_PATH_IMAGE089
；
2）计算切割线偏移传播速度
Figure 938836DEST_PATH_IMAGE090
，其中
Figure 950654DEST_PATH_IMAGE091
为采样间隔，
Figure 39833DEST_PATH_IMAGE092
为第
Figure 693668DEST_PATH_IMAGE093
采样时刻的放线侧切割线横向偏移最大位置；
3）计算第
Figure 423508DEST_PATH_IMAGE088
个采样时刻的切割线放线张力估测值
Figure 137386DEST_PATH_IMAGE094
，其中
Figure 979440DEST_PATH_IMAGE095
为切割线线密度，
Figure 171387DEST_PATH_IMAGE096
为切割线的线速度。
进一步，所述放排线偏移补偿器的作用是根据放排线倾斜角的测量值，对放排线轮移动速度进行补偿，形成闭环控制，包含如下步骤：
1）在第
Figure 516918DEST_PATH_IMAGE097
个采样时刻，对所采集的放线图像数据，通过边缘提取、边缘锐化计算出切割线在图像中的轨迹，用最小二乘法将切割线轨迹拟合为直线，并计算拟合直线的倾斜角
Figure 903162DEST_PATH_IMAGE098
；
2）计算第
Figure 232512DEST_PATH_IMAGE097
个采样时刻的放排线倾斜角偏差
Figure 228150DEST_PATH_IMAGE099
；
3）按下式计算第
Figure 162608DEST_PATH_IMAGE097
个采样时刻的放排线轮转速补偿量
Figure 218289DEST_PATH_IMAGE100
：
Figure 267891DEST_PATH_IMAGE101
；
其中
Figure 801640DEST_PATH_IMAGE102
和
Figure 856184DEST_PATH_IMAGE103
分别为第
Figure 82766DEST_PATH_IMAGE104
和
Figure 589971DEST_PATH_IMAGE105
个采样时刻的放排线倾斜角偏差，
Figure 927411DEST_PATH_IMAGE106
、
Figure 102040DEST_PATH_IMAGE107
和
Figure 735409DEST_PATH_IMAGE108
分别为放排线偏移补偿比例系数、积分系数和微分系数。
进一步，所述放排线控制器的作用是对放线电机的转速进行控制，按下式计算放排线电机转速
Figure 261069DEST_PATH_IMAGE109
：
Figure 871042DEST_PATH_IMAGE110
；
其中，
Figure 165757DEST_PATH_IMAGE111
为放线辊绕线间距，
Figure 202983DEST_PATH_IMAGE112
为放线辊转速，
Figure 215938DEST_PATH_IMAGE113
为放线电机转速位移比。
收排线电机、收线电机、主辊电机、放线电机、放排线电机采用伺服电机。收线侧图像传感器安装在收排线轮和收线辊之间，放线侧图像传感器安装在放排线轮和放线辊之间。
本发明的有益效果：
本发明采用图像传感器对线网张力进行检测，与线网没有直接接触，从而避免机械磨损，降低维护成本；
本发明通过调整放线电机和收线电机转速来控制张力，不需要专门的张力电机，节约制造成本和维护成本；同时缩短线网的布线路径，减少导轮数量，降低多线切割机的体积和重量，提高***的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例多线切割机张力控制***的机械结构示意图；
图2为本发明实施例多线切割机张力控制***的控制结构示意图；
图3为本发明实施例多线切割机张力控制***的上位机控制器示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参照图1和图2，本实施例包括切割线、主辊1、放线辊2、收线辊3、放排线轮4、导线轮Ⅰ5、导线轮Ⅱ6、收排线轮7、上位机16、人机交互模块17、图像采集卡14、数据采集卡15、主辊电机18、放线电机19、收线电机20、放排线电机21、收排线电机22以及对应的编码器；所述切割线从放线辊2出发，经过放排线轮4、导线轮Ⅰ5、主辊1、导线轮Ⅱ6、收排线轮7（在主辊1上形成线网8），到达收线辊3；所述放排线轮4和收排线轮7下方各安装一个图像传感器对切割线进行拍摄，所述图像采集卡14采集收线图像传感器10（收线CCD传感器）和放线图像传感器9（放线CCD传感器）的图像传输给上位机16；所述数据采集卡15采集主辊编码器11、收线辊编码器12和放线辊编码器13的数据传输给上位机16；所述人机交互模块17完成收线张力、放线张力、走线速度以及设备参数的输入，并将重要数据进行显示；上位机16包括收排线控制器、收排线偏移补偿器、收线张力估测器、收线张力控制器、收线控制器、主辊控制器、放线控制器、放线张力控制器、放线张力估测器、放排线偏移补偿器和放排线控制器，通过调节主辊电机18、放线电机19和收线电机20的转速来控制线网张力。
本实施例所述多线切割机张力控制***的上位机控制方法如图3所示。
所述收排线控制器的作用是控制收排线轮移动速度，使得切割线在收线轮上均匀分布，按下式计算收排线电机转速
Figure 387857DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 271499DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，
Figure 10785DEST_PATH_IMAGE003
为收线辊绕线间距，
Figure 979878DEST_PATH_IMAGE004
为第
Figure 197233DEST_PATH_IMAGE005
个采样时刻的收线电机转速，
Figure 200961DEST_PATH_IMAGE006
为收线电机转速位移比。
所述收排线偏移补偿器的作用是根据收排线倾斜角的测量值，对收排线轮移动速度进行补偿，形成闭环控制，提高切割线在收线轮上分布的均匀性，包含如下步骤：
1）在第
Figure 347034DEST_PATH_IMAGE007
个采样时刻，对所采集的放线图像数据，通过边缘提取、边缘锐化计算出切割线在图像中的轨迹，用最小二乘法将切割线轨迹拟合为直线，并计算拟合直线的倾斜角
Figure 69002DEST_PATH_IMAGE008
；
2）计算第
Figure 90048DEST_PATH_IMAGE007
个采样时刻的收排线倾斜角偏差
Figure 948282DEST_PATH_IMAGE009
；
3）按下式计算第
Figure 29371DEST_PATH_IMAGE007
个采样时刻的收排线电机转速补偿量
Figure 238635DEST_PATH_IMAGE010
：
Figure 296328DEST_PATH_IMAGE011
；
其中
Figure 9069DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 261059DEST_PATH_IMAGE013
分别为第
Figure 692040DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 54888DEST_PATH_IMAGE015
个采样时刻的收排线倾斜角偏差，
Figure 622136DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 546492DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 464769DEST_PATH_IMAGE018
分别为收排线偏移补偿的比例系数、积分系数和微分系数。
所述收线张力估测器的作用是对收线张力进行实时测量，包含如下步骤：
1）在第
Figure 365729DEST_PATH_IMAGE007
个采样时刻，对所采集的收线侧图像数据，通过边缘提取、边缘锐化计算出切割线在图像中的轨迹，找出切割线横向偏移最大的位置
Figure 318642DEST_PATH_IMAGE019
；
2）计算切割线偏移传播速度
Figure 912434DEST_PATH_IMAGE020
，其中
Figure 52428DEST_PATH_IMAGE021
为采样间隔，
Figure 527053DEST_PATH_IMAGE022
为第
Figure 68893DEST_PATH_IMAGE023
采样时刻的收线侧切割线横向偏移最大位置；
3）计算第
Figure 833586DEST_PATH_IMAGE007
个采样时刻的切割线收线张力估测值
Figure 726456DEST_PATH_IMAGE024
，其中
Figure 969218DEST_PATH_IMAGE025
为切割线线密度，
Figure 631144DEST_PATH_IMAGE026
为切割线的线速度。
所述收线张力控制器的作用是根据收线张力设定值和估测值，对收线电机转速进行补偿，形成收线张力的闭环控制，包含如下步骤：
1）计算收线张力误差
Figure 68204DEST_PATH_IMAGE027
，其中
Figure 448370DEST_PATH_IMAGE028
为收线张力设定值；
2）按下式计算收线电机转速补偿量
Figure 229244DEST_PATH_IMAGE029
：
Figure 11255DEST_PATH_IMAGE030
；
其中，
Figure 852172DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 719634DEST_PATH_IMAGE032
分别为第
Figure 68313DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 704831DEST_PATH_IMAGE034
时刻的收线张力误差，
Figure 982229DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 805828DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 459663DEST_PATH_IMAGE037
分别为收线电机补偿的比例系数、积分系数和微分系数。
所述收线控制器的作用是根据走线速度的设定值，对收线电机的转速进行控制，包含如下步骤：
（1）按下式计算收线电机的期望转速
Figure 685108DEST_PATH_IMAGE038
：
Figure 634872DEST_PATH_IMAGE039
；
其中，
Figure 476926DEST_PATH_IMAGE040
为收线辊直径，
Figure 668873DEST_PATH_IMAGE041
为切割线直径，
Figure 279983DEST_PATH_IMAGE042
为第
Figure 899183DEST_PATH_IMAGE043
个采样时刻切割线在收线辊上缠绕的层数；
（2）根据收线电机编码器计算出收线电机的实际转速
Figure 479067DEST_PATH_IMAGE044
，转速偏差
Figure 943547DEST_PATH_IMAGE045
；
（3）按下式计算收线电机转速控制值
Figure 409163DEST_PATH_IMAGE046
：
Figure 199265DEST_PATH_IMAGE047
；
其中，
Figure 484752DEST_PATH_IMAGE048
为第
Figure 18502DEST_PATH_IMAGE049
时刻的转速偏差，
Figure 338625DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 801093DEST_PATH_IMAGE051
分别为收线控制的比例系数和积分系数。
所述主辊控制器的作用是根据走线速度的设定值，对主辊电机的转速进行控制，包含如下步骤：
（1）按下式计算主辊电机的期望转速
Figure 573876DEST_PATH_IMAGE052
：
Figure 911317DEST_PATH_IMAGE053
；
其中， 为主辊直径；
（2）根据主辊电机编码器计算出主辊电机的实际转速
Figure 85946DEST_PATH_IMAGE055
，转速偏差
Figure 483430DEST_PATH_IMAGE056
；
（3）按下式计算主辊电机转速控制值
Figure 477930DEST_PATH_IMAGE057
：
Figure 117597DEST_PATH_IMAGE058
；
其中，
Figure 146733DEST_PATH_IMAGE059
为第
Figure 449538DEST_PATH_IMAGE060
时刻的转速偏差，
Figure 196914DEST_PATH_IMAGE061
和
Figure 876157DEST_PATH_IMAGE062
分别为收线控制的比例系数和积分系数。
所述放线控制器的作用是根据走线速度的设定值，对放线电机的转速进行控制，包含如下步骤：
（1）按下式计算放线电机的期望转速
Figure 759800DEST_PATH_IMAGE063
：
Figure 734971DEST_PATH_IMAGE064
；
其中，
Figure 704064DEST_PATH_IMAGE065
为放线辊直径，
Figure 186998DEST_PATH_IMAGE066
为切割线直径，
Figure 190726DEST_PATH_IMAGE067
为第
Figure 835334DEST_PATH_IMAGE068
个采样时刻切割线在放线辊上缠绕的层数；
（2）根据放线电机编码器计算出放线电机的实际转速
Figure 557303DEST_PATH_IMAGE069
，计算转速偏差
Figure 82743DEST_PATH_IMAGE070
；
（3）按下式计算收线电机转速控制值
Figure 940977DEST_PATH_IMAGE071
：
Figure 756487DEST_PATH_IMAGE072
；
其中，
Figure 700172DEST_PATH_IMAGE073
为第
Figure 259329DEST_PATH_IMAGE074
时刻的转速偏差，
Figure 237649DEST_PATH_IMAGE075
和
Figure 224060DEST_PATH_IMAGE076
分别为放线控制的比例系数和积分系数。
所述放线张力控制器的作用是根据放线张力设定值和放线张力估测值，对放线电机的转速进行补偿，形成放线张力的闭环控制，包含如下步骤：
1）计算放线张力误差
Figure 422085DEST_PATH_IMAGE077
，其中
Figure 784934DEST_PATH_IMAGE078
为放线张力设定值；
2）按下式计算放线电机转速补偿量
Figure 352181DEST_PATH_IMAGE079
：
Figure 775072DEST_PATH_IMAGE080
；
其中，
Figure 427770DEST_PATH_IMAGE081
和
Figure 594310DEST_PATH_IMAGE082
分别为第
Figure 45757DEST_PATH_IMAGE083
和
Figure 373970DEST_PATH_IMAGE084
时刻的放线张力误差，
Figure 513965DEST_PATH_IMAGE085
、
Figure 218616DEST_PATH_IMAGE086
和
Figure 760455DEST_PATH_IMAGE087
分别为放线张力控制的比例系数、积分系数和微分系数。
所述放线张力估测器的作用是对放线张力进行实时测量，包含如下步骤：
1）在第
Figure 259570DEST_PATH_IMAGE088
个采样时刻，对所采集的放线侧图像数据，通过边缘提取、边缘锐化计算出切割线在图像中的轨迹，找出切割线横向偏移最大的位置
Figure 653904DEST_PATH_IMAGE089
；
2）计算切割线偏移传播速度
Figure 896667DEST_PATH_IMAGE090
，其中
Figure 824171DEST_PATH_IMAGE091
为采样间隔，
Figure 494187DEST_PATH_IMAGE092
为第
Figure 343195DEST_PATH_IMAGE093
采样时刻的放线侧切割线横向偏移最大位置；
3）计算第
Figure 655227DEST_PATH_IMAGE088
个采样时刻的切割线放线张力估测值
Figure 171659DEST_PATH_IMAGE094
，其中
Figure 770831DEST_PATH_IMAGE095
为切割线线密度，
Figure 107135DEST_PATH_IMAGE096
为切割线的线速度。
所述放排线偏移补偿器的作用是根据放排线倾斜角的测量值，对放排线轮移动速度进行补偿，形成闭环控制，包含如下步骤：
1）在第
Figure 691700DEST_PATH_IMAGE097
个采样时刻，对所采集的放线图像数据，通过边缘提取、边缘锐化计算出切割线在图像中的轨迹，用最小二乘法将切割线轨迹拟合为直线，并计算拟合直线的倾斜角
Figure 62638DEST_PATH_IMAGE098
；
2）计算第
Figure 74457DEST_PATH_IMAGE097
个采样时刻的放排线倾斜角偏差
Figure 429215DEST_PATH_IMAGE099
；
3）按下式计算第
Figure 551891DEST_PATH_IMAGE097
个采样时刻的放排线轮转速补偿量
Figure 544380DEST_PATH_IMAGE100
：
Figure 992679DEST_PATH_IMAGE101
；
其中
Figure 303575DEST_PATH_IMAGE102
和
Figure 229943DEST_PATH_IMAGE103
分别为第
Figure 841052DEST_PATH_IMAGE104
和
Figure 194673DEST_PATH_IMAGE105
个采样时刻的放排线倾斜角偏差，
Figure 992865DEST_PATH_IMAGE106
、
Figure 221459DEST_PATH_IMAGE107
和
Figure 687075DEST_PATH_IMAGE108
分别为放排线偏移补偿比例系数、积分系数和微分系数。
所述放排线控制器的作用是对放线电机的转速进行控制，按下式计算放排线电机转速
Figure 211598DEST_PATH_IMAGE109
：
Figure 497085DEST_PATH_IMAGE114
；
其中，
Figure 30835DEST_PATH_IMAGE111
为放线辊绕线间距，
Figure 350958DEST_PATH_IMAGE112
为放线辊转速，
Figure 46381DEST_PATH_IMAGE113
为放线电机转速位移比。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于图像处理的多线切割机张力控制***，其特征在于：包括切割线、主辊、放线辊、收线辊、放排线轮、导线轮Ⅰ、导线轮Ⅱ、收排线轮、上位机、人机交互模块、图像采集卡、数据采集卡、主辊电机、放线电机、收线电机、放排线电机、收排线电机以及对应的编码器；所述切割线从放线辊出发，经过放排线轮、导线轮Ⅰ、主辊、导线轮Ⅱ、收排线轮，到达收线辊；所述放排线轮和收排线轮下方各安装一个图像传感器对切割线进行拍摄，所述图像采集卡采集收线图像传感器和放线图像传感器的图像传输给上位机；所述数据采集卡采集主辊编码器、收线辊编码器和放线辊编码器的数据传输给上位机；所述人机交互模块完成收线张力、放线张力、走线速度以及设备参数的输入，并将重要数据进行显示；所述上位机包括收排线控制器、收排线偏移补偿器、收线张力估测器、收线张力控制器、收线控制器、主辊控制器、放线控制器、放线张力控制器、放线张力估测器、放排线偏移补偿器和放排线控制器，通过调节主辊电机、放线电机和收线电机的转速来控制线网张力；
所述上位机中的收线控制器的作用是根据走线速度的设定值，对收线电机的转速进行控制，包含如下步骤：
（1）按下式计算收线电机的期望转速
Figure DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 254825DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为收线辊直径，
Figure 178788DEST_PATH_IMAGE004
为切割线直径，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为第
Figure 639856DEST_PATH_IMAGE006
个采样时刻切割线在收线辊上缠绕的层数；
（2）根据收线电机编码器计算出收线电机的实际转速
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，转速偏差
Figure 256651DEST_PATH_IMAGE008
；
（3）按下式计算收线电机转速控制值
Figure DEST_PATH_IMAGE009
：
Figure 498277DEST_PATH_IMAGE010
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为第
Figure 711083DEST_PATH_IMAGE012
时刻的转速偏差，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 541505DEST_PATH_IMAGE014
分别为收线控制的比例系数和积分系数。
2.根据权利要求1所述的基于图像处理的多线切割机张力控制***，其特征在于，所述上位机中的收排线控制器的作用是控制收排线轮移动速度，使得切割线在收线轮上均匀分布，按下式计算收排线电机转速
Figure DEST_PATH_IMAGE015
：
Figure 814355DEST_PATH_IMAGE016
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为收线辊绕线间距，
Figure 543276DEST_PATH_IMAGE018
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE019
个采样时刻的收线电机转速，
Figure 811971DEST_PATH_IMAGE020
为收线电机转速位移比，所述收线电机转速位移比是指收线电机转速与收线辊绕线绕一圈的横向位移之比。
3.根据权利要求1所述的基于图像处理的多线切割机张力控制***，其特征在于，所述上位机中的收排线偏移补偿器的作用是根据收排线倾斜角的测量值，对收排线轮移动速度进行补偿，形成闭环控制，提高切割线在收线轮上分布的均匀性，包含如下步骤：
1）在第
Figure DEST_PATH_IMAGE021
个采样时刻，对所采集的放线图像数据，通过边缘提取、边缘锐化计算出切割线在图像中的轨迹，用最小二乘法将切割线轨迹拟合为直线，并计算拟合直线的倾斜角
Figure 247631DEST_PATH_IMAGE022
；
2）计算第
Figure 206229DEST_PATH_IMAGE021
个采样时刻的收排线倾斜角偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE023
；
3）按下式计算第
Figure 156868DEST_PATH_IMAGE021
个采样时刻的收排线电机转速补偿量
Figure 977056DEST_PATH_IMAGE024
：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
；
其中
Figure 329540DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure DEST_PATH_IMAGE027
分别为第
Figure 459039DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure DEST_PATH_IMAGE029
个采样时刻的收排线倾斜角偏差，
Figure 834657DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 442224DEST_PATH_IMAGE032
分别为收排线偏移补偿的比例系数、积分系数和微分系数。
4.根据权利要求1所述的基于图像处理的多线切割机张力控制***，其特征在于，所述上位机中的收线张力估测器的作用是对收线张力进行实时测量，包含如下步骤：
1）在第
Figure 914794DEST_PATH_IMAGE021
个采样时刻，对所采集的收线侧图像数据，通过边缘提取、边缘锐化计算出切割线在图像中的轨迹，找出切割线横向偏移最大的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE033
；
2）计算切割线偏移传播速度
Figure 965927DEST_PATH_IMAGE034
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为采样间隔，
Figure 75178DEST_PATH_IMAGE036
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE037
采样时刻的收线侧切割线横向偏移最大位置；
3）计算第
Figure 299486DEST_PATH_IMAGE021
个采样时刻的切割线收线张力估测值
Figure 298666DEST_PATH_IMAGE038
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为切割线线密度，
Figure 769968DEST_PATH_IMAGE040
为切割线的线速度。
5.根据权利要求4所述的基于图像处理的多线切割机张力控制***，其特征在于，所述上位机中的收线张力控制器的作用是根据收线张力设定值和估测值，对收线电机转速进行补偿，形成收线张力的闭环控制，包含如下步骤：
1）计算收线张力误差
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，其中
Figure 182494DEST_PATH_IMAGE042
为收线张力设定值；
2）按下式计算收线电机转速补偿量
Figure DEST_PATH_IMAGE043
：
Figure 148176DEST_PATH_IMAGE044
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure 516710DEST_PATH_IMAGE046
分别为第
Figure DEST_PATH_IMAGE047
和
Figure 644066DEST_PATH_IMAGE048
时刻的收线张力误差，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
、
Figure 543889DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure DEST_PATH_IMAGE051
分别为收线电机补偿的比例系数、积分系数和微分系数。
6.根据权利要求1所述的基于图像处理的多线切割机张力控制***，其特征在于，所述上位机中的主辊控制器的作用是根据走线速度的设定值，对主辊电机的转速进行控制，包含如下步骤：
（1）按下式计算主辊电机的期望转速
Figure 296950DEST_PATH_IMAGE052
：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
；
其中，D为主辊直径；
（2）根据主辊电机编码器计算出主辊电机的实际转速
Figure 536301DEST_PATH_IMAGE054
，转速偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE055
；
（3）按下式计算主辊电机转速控制值
Figure 86756DEST_PATH_IMAGE056
：
Figure DEST_PATH_IMAGE057
；
其中，
Figure 473875DEST_PATH_IMAGE058
为第
Figure 781359DEST_PATH_IMAGE060
时刻的转速偏差，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
和
Figure 858906DEST_PATH_IMAGE062
分别为收线控制的比例系数和积分系数。
7.根据权利要求1所述的基于图像处理的多线切割机张力控制***，其特征在于，所述上位机中的放线控制器的作用是根据走线速度的设定值，对放线电机的转速进行控制，包含如下步骤：
（1）按下式计算放线电机的期望转速
Figure DEST_PATH_IMAGE063
：
Figure 655960DEST_PATH_IMAGE064
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE065
为放线辊直径，
Figure 202479DEST_PATH_IMAGE066
为切割线直径，
Figure DEST_PATH_IMAGE067
为第
Figure 562922DEST_PATH_IMAGE068
个采样时刻切割线在放线辊上缠绕的层数；
（2）根据放线电机编码器计算出放线电机的实际转速
Figure DEST_PATH_IMAGE069
，计算转速偏差
Figure 511287DEST_PATH_IMAGE070
；
（3）按下式计算收线电机转速控制值
Figure DEST_PATH_IMAGE071
：
Figure 666194DEST_PATH_IMAGE072
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE073
为第
Figure 762326DEST_PATH_IMAGE060
时刻的转速偏差，
Figure 411613DEST_PATH_IMAGE074
和
Figure DEST_PATH_IMAGE075
分别为放线控制的比例系数和积分系数。
8.根据权利要求1所述的基于图像处理的多线切割机张力控制***，其特征在于，所述上位机中的放线张力控制器的作用是根据放线张力设定值和放线张力估测值，对放线电机的转速进行补偿，形成放线张力的闭环控制，包含如下步骤：
1）计算放线张力误差
Figure 276801DEST_PATH_IMAGE076
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE077
为放线张力设定值；
2）按下式计算放线电机转速补偿量
Figure 623116DEST_PATH_IMAGE078
：
Figure DEST_PATH_IMAGE079
；
其中，
Figure 144228DEST_PATH_IMAGE080
和
Figure DEST_PATH_IMAGE081
分别为第
Figure 580894DEST_PATH_IMAGE082
和
Figure DEST_PATH_IMAGE083
时刻的放线张力误差，
Figure 566168DEST_PATH_IMAGE084
、
Figure DEST_PATH_IMAGE085
和
Figure 813609DEST_PATH_IMAGE086
分别为放线张力控制的比例系数、积分系数和微分系数。
9.根据权利要求1所述的基于图像处理的多线切割机张力控制***，其特征在于，所述的放线张力估测器的作用是对放线张力进行实时测量，包含如下步骤：
1）在第
Figure DEST_PATH_IMAGE087
个采样时刻，对所采集的放线侧图像数据，通过边缘提取、边缘锐化计算出切割线在图像中的轨迹，找出切割线横向偏移最大的位置
Figure 71284DEST_PATH_IMAGE088
；
2）计算切割线偏移传播速度
Figure DEST_PATH_IMAGE089
，其中
Figure 62374DEST_PATH_IMAGE090
为采样间隔，
Figure DEST_PATH_IMAGE091
为第
Figure 902154DEST_PATH_IMAGE082
采样时刻的放线侧切割线横向偏移最大位置；
3）计算第
Figure 569764DEST_PATH_IMAGE087
个采样时刻的切割线放线张力估测值
Figure 862206DEST_PATH_IMAGE092
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE093
为切割线线密度，
Figure 656986DEST_PATH_IMAGE094
为切割线的线速度；
所述上位机中的放排线偏移补偿器的作用是根据放排线倾斜角的测量值，对放排线轮移动速度进行补偿，形成闭环控制，包含如下步骤：
1）在第
Figure DEST_PATH_IMAGE095
个采样时刻，对所采集的放线图像数据，通过边缘提取、边缘锐化计算出切割线在图像中的轨迹，用最小二乘法将切割线轨迹拟合为直线，并计算拟合直线的倾斜角
Figure 541153DEST_PATH_IMAGE096
；
2）计算第
Figure 192714DEST_PATH_IMAGE095
个采样时刻的放排线倾斜角偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE097
；
3）按下式计算第
Figure 175714DEST_PATH_IMAGE095
个采样时刻的放排线轮转速补偿量
Figure 570923DEST_PATH_IMAGE098
：
Figure DEST_PATH_IMAGE099
；
其中
Figure 41088DEST_PATH_IMAGE100
和
Figure DEST_PATH_IMAGE101
分别为第
Figure 332392DEST_PATH_IMAGE102
和
Figure 599425DEST_PATH_IMAGE083
个采样时刻的放排线倾斜角偏差，
Figure DEST_PATH_IMAGE103
、
Figure 985276DEST_PATH_IMAGE104
和
Figure DEST_PATH_IMAGE105
分别为放排线偏移补偿比例系数、积分系数和微分系数；
所述上位机中的放排线控制器的作用是对放线电机的转速进行控制，按下式计算放排线电机转速
Figure 388575DEST_PATH_IMAGE106
：
Figure DEST_PATH_IMAGE107
；
其中，
Figure 585201DEST_PATH_IMAGE108
为放线辊绕线间距，
Figure DEST_PATH_IMAGE109
为放线辊转速，
Figure 526481DEST_PATH_IMAGE110
为放线电机转速位移比，所述放线电机转速位移比是指放线电机转速与放线辊绕线放一圈的横向位移之比。
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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
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Application publication date: 20190614

Assignee: Hunan Yiyuan New Material Technology Co.,Ltd.

Assignor: HUNAN YUJING MACHINE INDUSTRIAL Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023980050763

Denomination of invention: A tension control system for multi wire cutting machines based on image processing

Granted publication date: 20210226

License type: Common License

Record date: 20231213