一种基于图像处理的多线切割机张力控制系统的制作方法

本发明涉及一种多线切割机张力控制系统。

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，所以对于自动控制系统的要求非常严格。多线切割机张力控制系统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。

技术实现要素：

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系统的不足，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系统。

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系统，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：

；

其中，为收线辊绕线间距，为第个采样时刻的收线电机转速，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；

2）计算第个采样时刻的收排线倾斜角偏差；

3）按下式计算第个采样时刻的收排线电机转速补偿量：

；

其中和分别为第和个采样时刻的收排线倾斜角偏差，、和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；

2）计算切割线偏移传播速度，其中为采样间隔，为第采样时刻的收线侧切割线横向偏移最大位置；

3）计算第个采样时刻的切割线收线张力估测值，其中为切割线线密度，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，其中为收线张力设定值；

2）按下式计算收线电机转速补偿量：

；

其中，和分别为第和时刻的收线张力误差，、和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：

；

其中，为收线辊直径，为切割线直径，为第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，转速偏差；

（3）按下式计算收线电机转速控制值：

；

其中，为第时刻的转速偏差，和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：

；

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，转速偏差；

（3）按下式计算主辊电机转速控制值：

；

其中，为第时刻的转速偏差，和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：

；

其中，为放线辊直径，为切割线直径，为第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，计算转速偏差；

（3）按下式计算收线电机转速控制值：

；

其中，为第时刻的转速偏差，和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，其中为放线张力设定值；

2）按下式计算放线电机转速补偿量：

；

其中，和分别为第和时刻的放线张力误差，、和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；

2）计算切割线偏移传播速度，其中为采样间隔，为第采样时刻的放线侧切割线横向偏移最大位置；

3）计算第个采样时刻的切割线放线张力估测值，其中为切割线线密度，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；

2）计算第个采样时刻的放排线倾斜角偏差；

3）按下式计算第个采样时刻的放排线轮转速补偿量：

；

其中和分别为第和个采样时刻的放排线倾斜角偏差，、和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：

；

其中，为放线辊绕线间距，为放线辊转速，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，提高系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例多线切割机张力控制系统的机械结构示意图；

图2为本发明实施例多线切割机张力控制系统的控制结构示意图；

图3为本发明实施例多线切割机张力控制系统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系统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：

；

其中，为收线辊绕线间距，为第个采样时刻的收线电机转速，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；

2）计算第个采样时刻的收排线倾斜角偏差；

3）按下式计算第个采样时刻的收排线电机转速补偿量：

；

其中和分别为第和个采样时刻的收排线倾斜角偏差，、和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；

2）计算切割线偏移传播速度，其中为采样间隔，为第采样时刻的收线侧切割线横向偏移最大位置；

3）计算第个采样时刻的切割线收线张力估测值，其中为切割线线密度，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，其中为收线张力设定值；

2）按下式计算收线电机转速补偿量：

；

其中，和分别为第和时刻的收线张力误差，、和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：

；

其中，为收线辊直径，为切割线直径，为第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，转速偏差；

（3）按下式计算收线电机转速控制值：

；

其中，为第时刻的转速偏差，和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：

；

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，转速偏差；

（3）按下式计算主辊电机转速控制值：

；

其中，为第时刻的转速偏差，和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：

；

其中，为放线辊直径，为切割线直径，为第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，计算转速偏差；

（3）按下式计算收线电机转速控制值：

；

其中，为第时刻的转速偏差，和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，其中为放线张力设定值；

2）按下式计算放线电机转速补偿量：

；

其中，和分别为第和时刻的放线张力误差，、和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；

2）计算切割线偏移传播速度，其中为采样间隔，为第采样时刻的放线侧切割线横向偏移最大位置；

3）计算第个采样时刻的切割线放线张力估测值，其中为切割线线密度，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；

2）计算第个采样时刻的放排线倾斜角偏差；

3）按下式计算第个采样时刻的放排线轮转速补偿量：

；

其中和分别为第和个采样时刻的放排线倾斜角偏差，、和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：

；

其中，为放线辊绕线间距，为放线辊转速，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。