车刀对刀期间实时监测加工工 件状态，按下列不同情况其模块主控输出不同pwm波给电机功率控制模块:1.单片机最终判 定工件加工状态为"对刀状态"，即车刀远离工件，输出低占空比pwm波通过电机控制模块控 制电机转速为低转速。2.单片机最终判定工件加工状态为"即将加工"，即车刀靠近工件，输 出高占空比pwm波通过电机控制模块控制电机转速为正常转速。以此达到节能效果。
[0053]电机功率模块，采用一种单管双向斩波调压电路，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。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，从而减低电机在对刀期间功率消耗;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，从而保证不影响电机正常工作。
[0054] 控制模块中使用的mcu型号为MK60DN512Z，是NXP(原飞思卡尔）公司生产的高性能 单片机，具有硬件乘法器、除法器，最高可达到180MHZ主频，信号处理性能优良。
[0055] 控制原理为，将CMOS图像传感器采集的数据通过处理后通过判断工作状态，将判 断结果作为依据输出占空比不同的PWM方波，从而控制功率部分IGBT的开与关，进而达到控 制IGBT输出电压有效值的目的。
[0056] 在本发明的另一个具体实施例中，控制流程为：
[0057] 1.通过安装于机床侧面刀架上的cmos图像传感器，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。
[0058] 2.通过算法提取YUV格式图像的灰度值得到灰度图，并将灰度图二值化为黑白图 像，二值化阈值通过特定区域图像自适应调整以适应不同光照情况。
[0059] 3.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。
[0060] 4.计算上述A B C三点之间白斑凹凸性，计算A B间白斑凹凸性方法如下，像素从 第一行左起编号，A编号为1，通过编号给定每点坐标A点为（1，1)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AB长度，通过计算弧AB与弦AB长度差与和的比值可得图形 的凹度。B C点间白斑凹度求法同上。
[0061] 5.将步骤3、4得到的数据输入单片机，运用单片机处理能力综合判断出机床处于 对刀状态或是即将工作状态。
[0062] 6.单片机根据判断情况调整P丽控制后续电机功率电路。
[0063] 在本发明实施例的硬件部分中，对接触器进行了重新设计。接触器是一种应用广 泛的低压控制电器，要用于控制电动机等用电负荷的运行和停止，也可用于控制其他电力 负载，如电热器、照明、电焊机、电容器组等。
[0064] 交流接触器的线圈功耗主要集中在保持功耗上，虽然线圈起动瞬间功耗较大但时 间很短，仅为几十毫秒，其余时间接触器一直处于保持状态，此时接触器能量损耗主要集中 在吸合状态的铁损上，因而降低交流接触器的吸持功耗是节能的一大方向。
[0065] 在接触器启动瞬间，需较大吸合电压、吸合电流，从而保证接触器的可靠启动。在 接触器吸合的时间段内，较小的维持电流降低吸持损耗。我们利用斩波技术，通过TL494与 IR2110达到控制接触器输入电流，电路工作原理如下。
[0066]如图4所示，利用三极管延时电路。在上电时，由于三极管基极电压较低，三极管关 断，R3上午电流通过，FB处电压为0;经过延时时间t，其中：
[0068]由于C5的充电，导致三极管基极电压较高，三极管开通，此时：
[0070] 其中R3为可调电阻，故FB处电压可调。
[0071 ]如图5所示，为TL494控制电路。其两误差放大器均屏蔽掉，3脚为反馈脚，通过延时 电路控制反馈电压。上电启动时，反馈电压较低，TL494输出PTOI波占空比较高，从而保证了 接触器的正常吸合。延时之后，反馈脚电压上升，输出PWM波占空比下降，从而降低输出电 压。
[0072] 驱动电路采用IR2110芯片，这是大功率M0SFET和IGBT专用栅极驱动集成电路，具 有以下优点：体积小、集成度高、响应快、偏值电压高、驱动能力强、内设欠压封锁、成本低、 易于调试、设有外部保护封锁端口。
[0073]如图6所示，为驱动电路。根据交流接触器"强电吸合、弱电吸持"的工作原理设计 出的一款交流接触器节能芯片，可实现交流接触器的高效节能。
[0074]电磁式交流接触器的主要工作原理如下：当线圈通过控制回路接额定电压时，电 磁力克服弹簧的反作用力将衔铁吸向静铁芯，接通电路，此时交流接触器处于吸持状态;断 电时，交流接触器断开。吸持状态下，线圈中的交变电流产生交变磁通，从而在铁芯中产生 涡流。这个涡流使交流接触器产生了极大的能量浪费。交流接触器作为一种大规模使用在 工农业生产中的低压电器，在全国的使用量数以亿计，耗电总量巨大。
[0075]该芯片使交流接触器能够在很小导通角的直流方式下运行，并且可以根据外电压 的变化智能调整导通角宽度，不仅能够节约电能，还能显著的降低噪声与温升。
[0076]芯片上电之后，先输出一段周期为20ms，脉宽为10ms的工频方波信号。此时交流接 触器线圈上的直流电流也很大，交流接触器电磁系统产生强磁，从而接触器很快吸合。当接 触器吸合之后，芯片OUT改为输出周期为20ms，脉冲宽度约为1.2ms的工频方波信号，此时晶 闸管的导通时间变得很短。接触器线圈上的电压减小。线圈电流也相应减少并且维持在一 个较小的值，保证接触器触头能够处于吸持状态。可见，在交流接触器吸合之后，节能器不 仅能够减小接触器的功耗。同时也能降低接触器线圈的噪声和温升，增加交流接触器的使 用寿命。
[0077]应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种具有检测功能的机床传动节能控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 51、 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； 52、 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； 53、 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； 54、 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； 55、 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。2. 根据权利要求1所述的具有检测功能的机床传动节能控制方法，其特征在于，步骤S1 中处理得到黑白图像的具体方法为： 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。3. 根据权利要求1所述的具有检测功能的机床传动节能控制方法，其特征在于，步骤S3 中判断图像凹凸性的具体方法为： 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。4. 根据权利要求1所述的具有检测功能的机床传动节能控制方法，其特征在于，步骤S5 中控制输出电压的具体方法为： 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。5. -种具有检测功能的机床传动节能控制装置，其特征在于，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： 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； 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； 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； 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。6. 根据权利要求5所述的具有检测功能的机床传动节能控制装置，其特征在于，所述图 像传感器使用的CMOS摄像头芯片为0V7725。7. 根据权利要求5所述的具有检测功能的机床传动节能控制装置，其特征在于，所述接 触器模块随机床主轴电机开关共同打开与关闭。8.根据权利要求5所述的具有检测功能的机床传动节能控制装置，其特征在于，所述电 机功率模块采用单管双向斩波调压电路。
【专利摘要】本发明公开了一种具有检测功能的机床传动节能控制方法及装置，该方法包括以下步骤：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；S2、对黑白图像进行图形面积标志位检测；S3、对黑白图像进行凹凸性标志位检测；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；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。本发明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；节省了人工，同时也避免了人工判断造成的误操作。
【IPC分类】G05B19/4062
【公开号】CN105717865
【申请号】CN201610148990
【发明人】徐华中, 潘俊涛, 王金, 林功恒, 赵迪, 施季辰
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2016年6月29日
【申请日】2016年3月16日