一种基于单板机控制的螺旋包芯制品加工装置的制作方法

[0001]本实用新型涉及智能制造技术领域，特别涉及一种基于单板机控制的螺旋包芯制品加工装置。背景技术：[0002]随着科技不断进步，自动化和智能化程度越来越高，各个领域面临着技术升级换代的挑战，制造设备的升级是减少生产成本和提高产品竞争力的核心因素之一。因此，本实用新型提出一种制造螺旋包芯结构制品的加工装置及其方法，相比传统的包芯加工设备，在解决产品一致性问题上，无需停机观察再做出参数调整策略这种低效的办法，本实用新型将单板机控制技术与图像识别技术相结合可同时实现对产品形态实时观察和自动参数调节，有效的解决了产品一致性问题，保障了产品的质量和生产效率。技术实现要素：[0003]为了克服现有技术中的不足，本实用新型提供一种基于单板机控制的螺旋包芯制品加工装置，通过解开各个机构之间的机械耦合，并在各个环节加入传感器以及生产关键环节加入高速摄像机共同构成闭环控制系统，单板机上微型计算机中通过软件编程的方式控制机构与机构之间的配合并进行实时控制，进而可以进行精确稳定加工各种不同工艺参数要求的螺旋包芯结构制品。[0004]为了达到上述实用新型目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：[0005]一种基于单板机控制的螺旋包芯制品加工装置，包括：[0006]用于芯层原料输送的芯层送料机构(1)；[0007]用于包芯层原料输送及螺旋包芯结构加工成型的包芯层送料及成型机构(2)；[0008]用于接收螺旋包芯结构制品的卷绕机构(3)；[0009]以及以单板机为核心用于对整个加工装置进行实时监控和自动联动控制的智能控制机构(4)；[0010]所述芯层送料机构(1)、包芯层送料及成型机构(2)和卷绕机构(3)自下而上依次设置，所述智能控制机构(4)安装于远离所述芯层送料机构(1)、包芯层送料及成型机构(2)和卷绕机构(3)的动力机构一侧。[0011]进一步的，所述芯层送料机构(1)包括第一送料滚筒(101)、第二送料滚筒(102)、芯层原料(103)、第一驱动电机(104)、第一传动皮带(105)、第一转速编码器(106)、第一从动齿轮(107)、第一支架(108)、第一转轴(109)和第一主动齿轮(110)，其中：[0012]所述芯层原料(103)置于所述第一送料滚筒(101)和第二送料滚筒(102)上方，所述第一送料滚筒(101)在所述第一驱动电机(104)和第一传动皮带(105)的传动下转动，且所述第一送料滚筒(101)和第二送料滚筒(102)通过第一转轴(109)固定在第一支架(108)上，所述第一送料滚筒(101)的转速由所述第一主动齿轮(110)和第一从动齿轮(107)的齿数比决定，运行过程中实时转速可通过所述第一转速编码器(106)测量并传送至所述智能控制机构(4)进行闭环控制。[0013]进一步的，所述包芯层送料及成型机构(2)包括包芯层原料(201)、第二驱动电机(202)、减速齿轮箱(203)、第二转速编码器(204)、导料管(207)、二级减速齿轮(208)、导料管固定销(209)、一级减速齿轮(210)和动力齿轮(211)，其中：[0014]安装于所述导料管固定销(209)上的导料管(207)将弯曲带有弧度的所述芯层原料(103)进行直线塑形，所述第二驱动电机(202)的动力通过所述减速齿轮箱(203)传送到所述包芯层原料(201)使其按照预设的转速旋转并完成对芯层的包缠，实时的包缠速度通过所述第二转速编码器(204)采集传送至所述智能控制机构(4)进行闭环控制，所述减速齿轮箱(203)由一级减速齿轮(210)、二级减速齿轮(208)、动力齿轮(211)构成。[0015]进一步的，所述包芯层送料及成型机构(2)还包括线缆(205)和高速摄像机(206)，所述高速摄像机(206)设置于所述导料管(207)出口，并通过所述线缆(205)将实时采集的视频信号传输至智能控制机构(4)。[0016]进一步的，所述卷绕机构(3)包括卷绕滚筒(301)、第三驱动电机(302)、第二传动皮带(303)、第三转速编码器(304)、直线电机(305)、产品卷装筒(306)、第二支架(307)、弹簧连接肋(308)、第二转轴(309)、导料滑块(310)、第二主动齿轮(311)和第二从动齿轮(312)，其中：[0017]在所述第三驱动电机(302)的转动下，动力通过所述第二传动皮带(303)所连接的所述第二主动齿轮(311)和第二从动齿轮(312)传送至所述卷绕滚筒(301)；所述弹簧连接肋(308)夹持的所述产品卷装筒(306)在弹力和重力的双重作用下紧贴所述卷绕滚筒(301)并跟随其转动完成成品的卷绕，所述产品卷装筒(306)通过所述第二转轴(309)固定在第二支架(307)上，所述直线电机(305)在控制信号的作用下驱动所述导料滑块(310)往复运动使成品均匀卷绕在所述产品卷装筒(306)上，运行过程中卷绕转速可通过所述第三转速编码器(304)采集并传送至所述智能控制机构(4)进行闭环控制。[0018]进一步的，所述弹簧连接肋(308)以所述第二转轴(309)为圆心进行转动。[0019]进一步的，所述智能控制机构(4)包括单板机系统(401)、触摸屏幕(402)、急停按钮(403)、运行指示灯(404)、报警指示灯(405)和开关(406)，其中：[0020]所述单板机系统(401)用于接收所述高速摄像机(206)中的视频信号并按照视频帧率截取为图片后进行成品的图像识别进而计算出实时产品工艺参数并由单板机系统中编程所设定的控制算法将实时工艺参数与预设参数对比得出实时调整指令来调整所述第一驱动电机(104)、第二驱动电机(202)和第三驱动电机(302)的实时转速；[0021]所述触摸屏幕(402)用于操作人员完成加工工艺参数的设定以及观察实时生产状态；[0022]所述急停按钮(403)用于在发生紧急意外事故或者故障时可强行停机；[0023]所述运行指示灯(404)和报警指示灯(405)分别用于指示系统的运行状态和报警状态；[0024]所述开关(406)用于接通或关断所述第一驱动电机(104)、第二驱动电机(202)和第三驱动电机(302)的电源。[0025]本实用新型由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：[0026]1、本实用新型的关键在于将制作过程的各个环节进行结构解耦，极大的提高了设备的可维护性，降低了制作和维护成本，并在每个环节加入自动控制以及使得设备可以精确稳定的运行。在生产的产品末端加入图像识别，保证了产品质量。[0027]2、本实用新型所设计的螺旋包芯结构制品加工装置的机械结构各个环节以功能单元为模块，具有很低的机械耦合度，可调节性和可维护性高，制作难度低，普适性强。[0028]3、本实用新型加入单板机系统，采用自动控制和图像识别等前沿技术，其中摄像头和编码器相结合采用串级pid的控制算法，极大的提高了所生产产品的一致性和产品质量。[0029]4、本实用新型螺旋包芯结构制品加工设备操作流程简单，对操作员的技术要求低，极大节省了人力成本；同时，设备可加工的原料范围广，灵活性高，适用于包芯纺织制品和电缆包覆等应用场合，应用范围广。[0030]5、本实用新型加工装置的关键技术在于采用单板机为核心，结合自动控制和图像识别手段，赋予了设备高自动化智能化、高灵活性的优势，运行安全稳定，可以生产出一致性好的高质量包芯结构产品，实施方便且成本较低，适于连续化生产及推广应用。[0031]6、本实用新型加工装置可实现具有螺旋包芯结构制品的快速、高质量、低成本加工，尤其是利用单板机作为控制系统实现包缠密度和产品形态的实时监测调控。附图说明[0032]为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：[0033]图1为本实用新型一种基于单板机控制的螺旋包芯制品加工装置的主视图；[0034]图2为本实用新型一种基于单板机控制的螺旋包芯制品加工装置的芯层送料机构；[0035]图3为本实用新型一种基于单板机控制的螺旋包芯制品加工装置的包芯层送料及成型机构；[0036]图4为本实用新型一种基于单板机控制的螺旋包芯制品加工装置的包芯层送料及成型机构a-a面剖视图；[0037]图5为本实用新型一种基于单板机控制的螺旋包芯制品加工装置的卷绕机构；[0038]图6为本实用新型一种基于单板机控制的螺旋包芯制品加工装置的智能控制机构；[0039]图7为本实用新型一种基于单板机控制的螺旋包芯制品加工装置的智能控制机构结构框图；[0040]图8为本实用新型一种基于单板机控制的螺旋包芯制品加工装置的自动控制原理图；[0041]图9为本实用新型一种基于单板机控制的螺旋包芯制品加工装置的人机交互界面。[0042]【主要符号说明】[0043]1-芯层送料机构，101-第一送料滚筒，102-第二送料滚筒，103-芯层原料，104-第一驱动电机，105-第一传动皮带，106-第一转速编码器，107-第一从动齿轮，108-第一支架，109-第一转轴，110-第一主动齿轮；[0044]2-包芯层送料及成型机构，201-包芯层原料，202-第二驱动电机，203-减速齿轮箱，204-第二转速编码器，205-线缆，206-高速摄像机，207-导料管，208-二级减速齿轮，209-导料管固定销，210—一级减速齿轮，211-动力齿轮；[0045]3-卷绕机构，301-卷绕滚筒，302-第三驱动电机，303-第二传动皮带，304-第三转速编码器，305-直线电机，306-产品卷装筒，307-第二支架，308-弹簧连接肋，309-第二转轴，310-导料滑块，311-第二主动齿轮，312-第二从动齿轮；[0046]4-智能控制机构，401-单板机系统，402-触摸屏幕，403-急停按钮，404-运行指示灯，405-报警指示灯，406-开关。具体实施方式[0047]以下将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本实用新型的一部分实例，并不是全部的实例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。[0048]如图1-6所示，本实用新型公开了一种基于单板机控制的螺旋包芯制品加工装置，包括：[0049]用于芯层原料103输送的芯层送料机构1，所述芯层送料机构1包括第一送料滚筒101、第二送料滚筒102、芯层原料103、第一驱动电机104、第一传动皮带105、第一转速编码器106、第一从动齿轮107、第一支架108、第一转轴109和第一主动齿轮110，其中：所述芯层原料103置于所述第一送料滚筒101和第二送料滚筒102上方，所述第一送料滚筒101在所述第一驱动电机104和第一传动皮带105的传动下转动，且所述第一送料滚筒101和第二送料滚筒102通过第一转轴109固定在第一支架108上，所述第一送料滚筒101的转速由所述第一主动齿轮110和第一从动齿轮107的齿数比决定，运行过程中实时转速可通过所述第一转速编码器106测量并传送至所述智能控制机构4进行闭环控制；本实施例中，所述芯层送料机构1通过两个滚筒将芯层原料103进行支撑，同时，在第一驱动电机104的转动下，通过第一传动皮带105将转动传送至第一送料滚筒101和第二送料滚筒102，在芯层原料103与两个滚筒的摩擦力的作用下带动芯层原料103旋转吐料，由于两者之间是以摩擦接触的方式传动，所以在恒定的转速下所吐料的速度不会随着芯层原料103卷装半径的变小而受到影响，为了尽可能严格保证工艺参数的准确稳定，实时的送料速度通过第一转速编码器106测量并传送至微型计算机进行闭环控制。[0050]用于包芯层原料201输送及螺旋包芯结构加工成型的包芯层送料及成型机构2，所述包芯层送料及成型机构2包括包芯层原料201、第二驱动电机202、减速齿轮箱203、第二转速编码器204、线缆205、高速摄像机206、导料管207、二级减速齿轮208、导料管固定销209、一级减速齿轮210和动力齿轮211，其中：安装于所述导料管固定销209上的导料管207将弯曲带有弧度的所述芯层原料103进行直线塑形，所述第二驱动电机202的动力通过所述减速齿轮箱203传送到所述包芯层原料201使其按照预设的转速旋转并完成对芯层的包缠，实时的包缠速度通过所述第二转速编码器204采集传送至所述智能控制机构4进行闭环控制，所述减速齿轮箱203由一级减速齿轮210、二级减速齿轮208、动力齿轮211构成；本实施例中，所述包芯层送料及成型机构2完成包芯的关键是：所述第二驱动电机202高速旋转带动包芯层原料201卷装旋转运动，所述包芯层原料201在惯性的作用下旋转缠绕在芯层上。所述高速摄像机206设置于所述导料管207出口，并通过所述线缆205将实时采集的视频信号传输至智能控制机构4。[0051]用于接收螺旋包芯结构制品的卷绕机构3，对成品完成最后的收集卷绕。所述卷绕机构3包括卷绕滚筒301、第三驱动电机302、第二传动皮带303、第三转速编码器304、直线电机305、产品卷装筒306、第二支架307、弹簧连接肋308、第二转轴309、导料滑块310、第二主动齿轮311和第二从动齿轮312，其中：在所述第三驱动电机302的转动下，动力通过所述第二传动皮带303所连接的所述第二主动齿轮311和第二从动齿轮312传送至所述卷绕滚筒301；所述弹簧连接肋308夹持的所述产品卷装筒306在弹力和重力的双重作用下紧贴所述卷绕滚筒301并跟随其转动完成成品的卷绕，所述产品卷装筒306通过所述第二转轴309固定在第二支架307上，所述直线电机305在控制信号的作用下驱动所述导料滑块310往复运动使成品均匀卷绕在所述产品卷装筒306上，以满足均匀缠绕。运行过程中卷绕转速可通过所述第三转速编码器304采集并传送至所述智能控制机构4进行闭环控制；高速摄像机206将产品实时形态以视频流的形式传送至智能控制机构4进行图像识别和用于参数调节控制。本实施例中，所述弹簧连接肋308以所述第二转轴309为圆心进行转动，随着收集的成品的卷装直径逐渐变大，卷绕装置会在弹簧连接肋308的连接下围绕转轴旋转上浮以免发生挤压损坏产品。[0052]以及以单板机为核心用于对整个加工装置进行实时监控和自动联动控制的智能控制机构4，所述智能控制机构4包括单板机系统401、触摸屏幕402、急停按钮403、运行指示灯404、报警指示灯405和开关406，其中：所述单板机系统401用于接收所述高速摄像机206中的视频信号并按照视频帧率截取为图片后进行成品的图像识别进而计算出实时产品工艺参数(包缠隔距，包缠角度等)并由单板机系统401中编程所设定的控制算法将实时工艺参数与预设参数对比得出实时调整指令来调整所述第一驱动电机104、第二驱动电机202和第三驱动电机302的实时转速，使得产品工艺满足需求提高产品质量；所述触摸屏幕402用于操作人员完成加工工艺参数的设定以及观察实时生产状态；所述急停按钮403用于在发生紧急意外事故或者故障时可强行停机；所述运行指示灯404和报警指示灯405分别用于指示系统的运行状态和报警状态；所述开关406用于接通或关断所述第一驱动电机104、第二驱动电机202和第三驱动电机302的电源；具体的，所述第一转速编码器106、第二转速编码器204和第三转速编码器304分别对所述第一驱动电机104、第二驱动电机202和第三驱动电机302的转速实时进行反馈使得电机在有干扰的情况下仍能按照预设转速转动，所述高速摄像机206将成品的实时形态反馈至所述单板机系统401以监控实时工艺参数以及断料坏料等意外情况，进而使得系统能及时做出相应的动作。本实施例中，所述智能控制机构4的参数设定(包括工艺参数设定、系统设定等)是通过触摸屏幕402的人机交互界面来实现的。人机交互界面包括成品预览图、产品工艺参数设定、产品实时形态、系统设置和设备校正等。此外，加工参数也可通过编程设定的方式进行单一参数加工，变参数加工。[0053]如图7所示，智能控制机构4是以单板机为核心的一个微型计算机系统，用于管理控制整个系统的运行；人机交互界面是操作员与设备进行交互的重要方式，如图9所示，在触摸屏上可以看到实时的运行时间等基本生产情况，此外也可以对生产工艺进行设顶，对设备进行设置，例如参数调整设备校正等。同时，也可以实时观测到高速摄像机206实时采集的图像信息和被图像识别程序处理过的图像信息；设备所述所有电机统一通过电机驱动器进行强电弱电的隔离，所有电机转动的地方均安装编码器来采集电机实时转速；电机的控制信号高速摄像机206的信号和编码器的采集值统一通过硬件驱动程序与系统进行信息交互，硬件驱动程序为自动控制程序提供了基本的编码传感器数据读取接口和电机输出接口，为图像识别程序提供了高速摄像机206数据读取接口，图像识别程序为自动控制程序提供了实时工艺参数值。智能控制机构4中的单板机系统401是搭载linux操作系统，利用linux系统提供的相关接口完与硬件驱动程序的对接。由于在开机运行过程中原料的高速输送运行，为了能捕捉高速运转下的状态，摄像头需采用工业级的高速摄像机206。[0054]所述芯层送料机构1、包芯层送料及成型机构2和卷绕机构3自下而上依次设置，所述智能控制机构4安装于远离所述芯层送料机构1、包芯层送料及成型机构2和卷绕机构3的动力机构一侧的支架上。[0055]具体工作原理：[0056]将包芯层原料201安装在包芯层送料及成型机构2的减速齿轮箱203上对应位置处；确认芯层送料机构1的送料滚筒101上无任何异物后将芯层原料103置于上方，并将芯层原料103的料头牵引穿过包芯层送料及成型机构2的导料管207并缠绕在卷绕机构3的产品卷装筒306上，便于后续成品顺利接收；在智能控制机构4的触摸屏幕402上对生产工艺参数进行设置，确认无误后打开开关406开机生产；开机生产后，在智能控制机构4的控制下芯层送料机构1和卷绕机构3对应的第一驱动电机104和第三驱动电机302，首先开始运作调整芯层原料103的张力，芯层原料103张力稳定达到预设值时，包芯层送料及成型机构2的第二驱动电机202按照预设参数运转开始生产；在制造过程中，高速摄像机206采集的成品实时形态和各个机构编码器的采集值传输至智能控制机构4进行自动化调节控制，以便当发生外部干扰或者内部故障时保障产品的质量及人员设备的安全；若在加工过程中，发生机械故障或者其他人为事故可通过按下急停按钮403紧急停机。[0057]其中，所述芯层送料机构1的送料方式是依靠芯层原料103本身与所述第一送料滚筒101和第二送料滚筒102的直接接触产生的摩擦力来驱动完成送料，三者直接接触，旋转线速度相同，避免了因随着不断进料，芯层原料103卷装半径变小而带来的送料速度影响，通过机械的方式提高了精度。[0058]此外，所述智能控制机构4的控制算法是采用串级pid控制器实现的，工艺参数作为外环的输入值，图像识别算法得出的实时工艺参数作为外环的反馈值，外环pid控制器的输出值作为内环pid控制器的输入值，编码器返回的电机实时转速作为反馈值，最终通过实时控制电机转速来完成预定工艺参数的加工。具体的，如图8所示，采用串级pid控制的方法来提高产品加工的稳定性和精度。操作人员通过触摸屏幕402设定加工的工艺参数开机启动后，预设工艺参数作为外环pid控制器的输入值，高速摄像机206实时获取产品形态，将视频传输到单板机系统401，内置自动控制程序将视频图像按照视频帧率提取为图片后，通过边缘识别的方法分析获取到产品的实际工艺参数作为反馈值，经过pid控制器器后的输出值作为内环pid控制器的输入值，各个机构编码器的采集值作为内环pid的反馈值经过内环pid控制器后输出电机实时转速值，最终实现产品工艺参数的稳定精确控制。以上pid控制器的具体参数需根据具体设备来调试校正。此外，pid控制器的参数也可由调试人员通过人机交互界面来小范围改动调试来使设备达到最佳状态。[0059]再有，所述高速摄像机206中采集的成品实时形态按照视频帧率截取为图片后进行成品的图像识别进而计算出实时产品工艺参数并由单板机系统401中编程所设定的控制算法将实时工艺参数与预设参数对比得出实时调整指令来调整所述第一驱动电机104、第二驱动电机202和第三驱动电机302的实时转速，所述的图像识别主要通过以下三步实现：首先对截取的图片先进行二值化处理，再对二值化后的图像滤波以去除噪点，最终采用边缘识别的方式获取包芯成品的各个工艺参数并输出控制算法单元进行控制。[0060]以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。