一种具有检测功能的机床传动节能控制方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及机床控制领域，尤其涉及一种具有检测功能的机床传动节能控制方法 及装置。
【背景技术】
[0002] 制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。十八世纪中叶开启 工业文明以来，世界强国的兴衰史和中华民族的奋斗史一再证明，没有强大的制造业，就没 有国家和民族的强盛。打造具有国际竞争力的制造业，是我国提升综合国力、保障国家安 全、建设世界强国的必由之路。
[0003] 2015的两会上，李克强总理在政府工作报告中首次提出要实施《中国制造2025》， 并表示"坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，加快从制造大国转向制造强国"。在 国务院发布的《中国制造2025》中，明确提出了"绿色发展"的基本要求，绿色发展的其中一 项重要指标为"规模以上单位工业增加值能耗下降幅度"在2020年对比2015年下降18%，在 2025年下降34%。
[0004] 机床作为机械制造业中重要的大型加工设备，在我国一直具备较大的保有量，据 调行业调查显示，截止2015年，国内机床保有量约750万台，由车削占所有工种的比重，车床 占机床总量约40%~60%，若以50%计，则车床总量约为375万台。截止2015年，预估普通车 床约占车床总量70%。综上所述，目前国内机床保有量约750万台；其中车床以50%计，约 375万台；普通车床占车床总量以70%计，约262万台。机床作为高性能的大型制造设备，能 耗较高，若每台机床额定功率按平均10千瓦计算，则总功率约7500万千瓦，普通车床总功率 约为2620万千瓦；且机床平均能量利用率低下，平均低于30%。根据理论分析，现役普通车 床在加工工件时对刀、退刀等空载的期间机床主轴电机存在能源消耗问题，空载期间主轴 电机的功率消耗仍然较大。经过对加工工厂实地调研后发现，在实际加工流程中，车床空载 时间较长，在整个开机工作时间中所占比例较高，因此空载时的主轴电机能量消耗不可忽 视。另外，机床内部每个继电器所加电压较高，对应的功率消耗较大，在保证安全与设备正 常运行的前提下可以对其进行控制。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术机床空载时间较长，消耗能量大，造 成电量浪费的缺陷，提供一种控制机床空载时减小能量消耗的具有检测功能的机床传动节 能控制方法及装置。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] 本发明提供一种具有检测功能的机床传动节能控制方法，包括以下步骤：
[0008] S1、通过图像传感器采集刀具与工件的图像数据，对获取到的图像数据进行处理 得到黑白图像，其中车刀与工件作为识别对象在黑白图像中为白点，其余为黑点；
[0009] S2、对黑白图像进行图形面积标志位检测：通过判断白点个数可以得出车刀和工 件进入视场的面积大小，若面积到达阈值时触发标志位；
[0010] S3、对黑白图像进行凹凸性标志位检测：通过判断车刀和工件构成的两块白点图 像的凹凸性，若两个凹凸性均超过阈值时触发标志位；
[0011] S4、将步骤S2和S3得到的结果进行综合判断，若两个标志位均被触发，判定车刀接 近工件，机床即将开始加工，反之判定机床处于空载或对刀退刀状态；
[0012] S5、若判定机床为空载或对刀退刀状态，输出低占空比pwm波，控制电机输出电压 在维持电机转速的最低电压值，控制电机转速为低转速。
[0013] 进一步地，本发明的步骤S1中处理得到黑白图像的具体方法为：
[0014] 采集到图像数据后，图像数据以YUV格式存储，通过提取YUV格式图片中的灰度信 息，得到当前时刻的灰度图，再将灰度图二值化形成黑白图像。
[0015] 进一步地，本发明的步骤S3中判断图像凹凸性的具体方法为：
[0016]通过计算每列从上至下第一个白点与最后一个白点分别与第二列第一个白点与 最后一个白点的距离，直至某列不存在白点，将这些距离求和可得弧长，通过计算弧长与弦 长差与和的比值，得到图形的凹凸性。
[0017] 进一步地，本发明的步骤S5中控制输出电压的具体方法为：
[0018] 通过控制IGBT的通断时间比，来改变电源的输出电压大小;在输入PWM为低占空比 情况下，电机功率控制输出电压为低电压，其输出电压值将电机转速维持在保持电机转动 的最低电压值;在输入PWM波为高占空比情况下，电机控制输出电压为正常电压。
[0019] 本发明提供一种具有检测功能的机床传动节能控制装置，包括与主轴电机相连的 接触器模块、传感器检测模块和电机功率模块，传感器检测模块还连接有图像传感器，其 中：
[0020] 图像传感器，安装在机床侧面刀架上，用于拍摄机床工作时侧面刀件正向观察到 的的画面，以YUV格式图像存储于单片机内存中；
[0021] 接触器模块，用于对输入电压进行交流斩波，降低电流至维持电流，从而降低交流 接触器的吸持功耗；
[0022] 传感器检测模块，用于在本装置进行车削加工工作时，在车刀对刀期间实时监测 加工工件状态，按不同工作状态输出不同pwm波给电机功率模块；
[0023]电机功率模块，用于通过控制IGBT的通断时间比，来改变电源的输出电压大小， IGBT的通断时间比由传感检测模块输入的PWM波决定。
[0024]进一步地，本发明的所述图像传感器使用的CMOS摄像头芯片为0V7725。
[0025] 进一步地，本发明的所述接触器模块随机床主轴电机开关共同打开与关闭。
[0026] 进一步地，本发明的所述电机功率模块采用单管双向斩波调压电路。
[0027] 本发明产生的有益效果是:本发明的具有检测功能的机床传动节能控制方法，通 过对采集到的车刀和工件的图像进行处理，得到机床的工作状态，进而调节机床的输出电 压和功率;能够有效的减少机床空载时的能量消耗，并且不会影响机床的工作状态转换速 度;相比传统继电器模块，大幅提高了节能效率，提高了机床的使用效率;结合图像处理和 程序控制，节省了人工，同时也避免了人工判断造成的误操作。
【附图说明】
[0028] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0029] 图1是本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制方法的流程图；
[0030]图2是本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制方法的黑白图像；
[0031]图3是本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制装置的结构框图；
[0032]图4是本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制装置的延时电路；
[0033]图5是本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制装置的TL494控制电路； [0034]图6是本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制装置的驱动电路。
【具体实施方式】
[0035]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0036]如图1所示，本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制方法，包括以下步 骤：
[0037] S1、通过图像传感器采集刀具与工件的图像数据，对获取到的图像数据进行处理 得到黑白图像，其中车刀与工件作为识别对象在黑白图像中为白点，其余为黑点；
[0038] S2、对黑白图像进行图形面积标志位检测：通过判断白点个数可以得出车刀和工 件进入视场的面积大小，若面积到达阈值时触发标志位；
[0039] S3、对黑白图像进行凹凸性标志位检测：通过判断车刀和工件构成的两块白点图 像的凹凸性，若两个凹凸性均超过阈值时触发标志位；
[0040] S4、将步骤S2和S3得到的结果进行综合判断，若两个标志位均被触发，判定车刀接 近工件，机床即将开始加工，反之判定机床处于空载或对刀退刀状态；
[0041 ] S5、若判定机床处于空载或对刀退刀状态，输出低占空比pwm波，控制电机输出电 压在维持电机转速的最低电压值，控制电机转速为低转速。
[0042] 通过0V7670传感器采集到图像后，图形数据以YUV格式存储，通过提取YUV格式图 片中的灰度信息，可以得到当前时刻的灰度图，再将灰度图二值化形成黑白图像。该传感器 体积小，工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制，可 以输入整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。该产品VGA图像最高达到30 帧/秒。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽 玛曲线、白平衡、饱和度、色度等都可以通过SCCB接口编程。OmmiVision图像传感器应用独 有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尼、浮散等，提高图 像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。
[0043] 如图2所示，图像处理中，主要用到两种判断依据：
[0044] (1)图形面积：
[0045] 由于经过上述处理后得到黑白图像，而车刀与工件作为识别对象在图像中为白 色，其余为黑色，通过判断白点个数可以得出车刀和工件进入视场的面积大小，在面积到达 阈值时将触发标志位。
[0046] (2)凹凸性：
[0047]如图2所示，车刀和工件是从视场的两个互相垂直的边界进入视场，图中区域1为 工件进入视场时产生的白斑，区域2为车刀进入视场时产生的白斑。
[0048] A、B、C三点为视场定点，通过计算A和B两点间白斑和B、C两点间白斑的凹凸性，当 两块白斑凹凸性均超过阈值时，触发标志位。
[0049] 当图形面积标志位和凹凸性标志位同时被触发时判定车刀接近工件，反之判定车 刀远离工件，然后根据工作状态对调速电路进行相应操作。
[0050] 如图3所示，本发明实施例的具有检测功能的机床传动节能控制装置，包括与主轴 电机相连的接触器模块、传感器检测模块和电机功率模块，传感器检测模块还连接有图像 传感器，其中：
[0051 ]接触器模块，接触器模块随机床主轴电机开关共同打开与关闭，对输入电压进行 交流斩波，降低电流至维持电流，从而降低交流接触器的吸持功耗达到节能效果。
[0052]传感检测模块，在本装置进行车削加工工作时，在