一种基于时间分割法裁刀切向跟随控制的纸箱切割方法
【专利摘要】一种基于时间分割法裁刀切向跟随控制的纸箱切割方法，包括以下步骤：第一步，由上位机将PLT文件下发给控制器；第二步，控制器读取PLT文件图形信息，所述PLT文件图形信息由若干直线和圆弧曲线组成；第三步，判断当前切割是直线还是圆弧曲线，3.1)如果当切割为直线，按照现有方式执行；3.2)当切割圆弧曲线时，首先将裁刀旋转到与圆弧起始点向切的位置，确定裁刀的起始角度，确定了圆弧曲线切向跟随的运动模型，采用圆弧时间分割法确定出每个插补周期中X轴Y轴刀具旋转轴的进给量，实现裁刀的切向跟随。本发明提供过一种提升控制精度、稳定性良好的基于时间分割法裁刀切向跟随控制的纸箱切割方法。
【专利说明】
一种基于时间分割法裁刀切向跟随控制的纸箱切割方法
技术领域
[0001] 本发明专利属于运动控制技术领域，尤其是对裁刀切向跟随的多轴控制切割设 备。
【背景技术】
[0002] 随着科技的发展，数控设备已经广泛的应用于纸箱，服装，皮革，等领域，一般的数 控系统同具有直线和圆弧的插补功能，可以实现轮廓的插补功能。纸箱切割机是用于将纸 板切割成特定的图形，将裁割后的纸板折叠成所需的纸箱类型，纸箱切割机属于裁床领域。 [0003]在纸箱生产过程中，首先根据产品的技术要求，在CAD等绘图软件上设计出所需的 裁割图形，生成PLT文件，由上位机下发该图形文件到控制器，控制器根据切割图形控制电 机运动。刀具采用高速振动的方式，实现对纸板的裁割。由于裁刀具有一定的宽度，且刀具 在X轴、Y轴沿着图形轮廓运动时，刀具上的刀片平面要跟图形相切。当刀片方向和裁刀运动 方向不一致时，会导致裁割纸板的边缘的不平滑，造成裁刀的严重磨损甚至断裂，所以在图 形加工过程中，要对刀具的旋转轴进行控制，以保证刀片的方向和刀具裁割过程中的运动 方向一致。刀具运动的控制精度和稳定性直接影响到裁割纸板的质量和效率。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有的纸箱切割方法的控制精度较低、稳定性较差的不足，本发明提供 过一种提升控制精度、稳定性良好的基于时间分割法裁刀切向跟随控制的纸箱切割方法。
[0005] 为了解决上述技术问题采用的技术方案为：
[0006] -种基于时间分割法裁刀切向跟随控制的纸箱切割方法，包括以下步骤：
[0007] 第一步，由上位机将PLT文件下发给控制器；
[0008] 第二步，控制器读取PLT文件图形信息，所述PLT文件图形信息由若干直线和圆弧 曲线组成；
[0009] 第三步，判断当前切割是直线还是圆弧曲线：
[0010] 3.1)如果当切割为直线，将裁刀刀刃与刀具行进方向一致，此时X轴和Y轴联动，裁 刀刀刃运动方向一致，不需要进行旋转；当裁刀运动到两直线的连接点时，判断当前两条直 线的夹角的9，当9角大于设定的角度时，将裁刀抬起，转过9，将刀具落下，继续切割；当9角 小于设定的角度时，不需要将裁刀抬起，直接转过相应的角度继续切割；
[0011] 3.2)当切割圆弧曲线时，首先将裁刀旋转到与圆弧起始点向切的位置，确定裁刀 的起始角度;设圆弧&/\的起点为PA(x a，ya，ca)终点为PB(Xb，y b，cb)，纸箱切割机由点Pa运动 到点Pb，其X轴、Y轴、裁刀的旋转轴C三轴联动，保证裁刀与圆弧相切，根据基于时间分割法 的圆弧裁刀切向运动模型，确定每个插补周期内X轴、Y轴、C轴的进给量，根据当前插补周期 和电机的步距角确定每个轴的脉冲周期和脉冲数：
⑴
[0013]其中，nxl是X轴发送的脉冲数，nyl是Y轴发送的脉冲数，A X，A y分别为一个周期内 X轴和Y轴的移动量，St印为电机的步距角。
[0014] 裁刀的旋转角度转过的脉冲个数
，a为裁刀转过的角度，K为切转刀一 圈所需的脉冲数，则A轴所需发送的脉冲个数为nu;
[0015] 各个脉冲轴的周期根据插补周期Ts和发送的脉个数确定，即：
[0016] X轴的脉冲周期为
[0017] Y轴的脉冲周期为
[0018] A轴的脉冲周期为 [0019]实现裁刀的切向跟随。
[0020]进一步，所述步骤3.2)中，首先确定当前裁刀与X轴的起始角度，方式如下：
[0021] 设圆弧巧馬的起点为PA(xa，ya，ca)终点为? 6(处^，(^)，圆心坐标为?()(如，7())圆弧 为逆圆弧，其中，起始角c为圆弧切线与X轴正向的夹角，圆弧曲线的参数方程为 = RcosO
[0022] ^ V = /?sin 6 KZ) c ^ /
[0023] 其中，0是当前点和圆心连接与X轴所成的夹角，R为圆弧的半径；
[0024]起始角c度的计算公式如下：
[0025] 当圆弧为逆圆弧时：
[0027] 当圆弧为顺圆弧时： (4)。：
[0029]再进一步，所述步骤3.2)中，计算出一个插补周期内X轴Y轴和裁刀旋转轴C轴一个 插补周期内的增量，过程如下：
[0030] 在切割圆弧时，在一个插补周期内，裁刀跟随X轴Y轴进行旋转运动，根据时间分割 法采用等步距角切向跟随算法，设插补周期为T s进给的速度为Vs，则步长为L = VS ? Ts;旋转 轴转过的角度A0 = a，圆弧半径和每个插补周期的步长确定每个插补周期内所走的步距角 a，计算出每个插补周期中各个轴的进给量；
[0031] 当圆弧为逆圆弧时，设当前插补点为，经过一个插补周期后到达点 Pi+i(xi+i ,yi+i, Ci+i)： x. , - /? cos(^;. +a) - -v, cos? - vv sin a
[0032] , = Rs\n(0; +a) - v; cost/ -f .v. sin a (5) =Ct. +?
[0033] 当圆弧为逆圆弧时，设当前插补点为，经过一个插补周期后到达点 Pi+i(xi+i ,yi+i, Ci+i)： ,二尺 cos(0 - cos a + 少',.sin <2
[0034] - v', , - A'sinlf/ -a) = \) cose/ -x sin a C6 )
[0035] 在一个插补周期加工过程中，步长对应的步距角是一定的，根据步长L和圆弧半径 R得到步距角的正弦值、余弦值和步距角的大小，计算公式如下：
[0038] 本发明的技术构思为:基于时间分割法裁刀切向跟随控制的纸箱切割设备，所述 设备包括用于裁割纸板的机械控制平台，用于控制裁割纸板的控制器和人机交互单元，用 于下发图形的上位机，用于驱动电机的驱动装置;所述机械控制平台包括X轴、Y轴、刀具的 旋转轴C轴、刀具的上下轴D轴的控制电机，用于裁割纸板的刀具，用于位置反馈的位置传感 器;所述控制器分别于上位机、人机交互单元、驱动装置、位置传感器相连接，所述驱动装置 分别与控制器的机械控制平台的电机相连接，所述控制平台的电机控制X、Y、C、D四个轴的 运动。
[0039] 确定了圆弧曲线切向跟随的运动模型，采用圆弧时间分割法确定出每个插补周期 中X轴Y轴刀具旋转轴的进给量，从而保证在切割过程中裁刀的刀刃和裁刀前进的方向一致 性，保证了图形的切割精度和切割效率，同时减小裁刀的磨损。
[0040] 本发明的有效效果为:提升控制精度、稳定性良好，有效保证裁割纸板的质量和加 工效率。
【附图说明】
[0041] 图1是纸箱切割设备架构框图。
[0042] 图2是纸箱切割机控制器的结构图。
[0043]图3是刀具旋转控制示意图。
[0044] 图4是直线和直线转接图。
[0045] 图5是直线和圆弧转接图。
[0046] 图6是圆弧裁刀切向跟随插补不意图。
[0047] 图7是圆弧插补流程图。
[0048]图8是纸箱切割设备控制流程图。
【具体实施方式】
[0049]下面结合附图对本发明做进一步说明：
[0050] 参照图1~图8,一种基于时间分割法裁刀切向跟随控制的纸箱切割方法，实现该 方法的设备包括用于承载纸板的机械控制平台，用于控制切割纸板并执行切割命令的控制 器和人机交互单元，用于下发图形的上位机，用于驱动电机的驱动装置，所述机械控制平台 包括各个轴的控制电机、用于切割纸板的裁刀、用于位置反馈的位置传感器，所述上位机和 人机交互单元与控制器相连接，所述驱动装置分别与控制器的机械控制平台的电机相连 接，所述控制平台的电机控制各个轴的运动。有图1为整个纸箱切割设备的系统架构，图2为 运动控制器的架构。图8为整个设备总控制流程图。
[0051] 所述基于时间分割法裁刀切向跟随控制的纸箱切割方法，包括以下步骤：
[0052]第一步，由上位机下发PLT文件到控制器；
[0053]第二步，读取PLT文件图形信息，得到由若干条直线和圆弧曲线的坐标信息。由图3 可以看出裁刀各个轴的控制方向和方式。
[0054]第三步，判断当前图形解析的内容，即判断当前切割是直线还是圆弧曲线
[0055] 3.1)当解析图形为直线是，裁刀刀刃方向与裁刀运动方式向一致，在切割直线是， 裁刀的旋转轴C轴不旋转，由X轴和Y轴控制裁刀在平面内的运动，当裁刀运用到两条直线的 连接点时，如图4,判断当前直线两条直线的夹角A 0，当A 0大于预设定的角度时，要将刀 具抬起转过A 0角度，然后将刀具落下；当A 0小于预设定的角度时，将刀具直接转过A 0角 度继续切割，不需要将刀具抬起。
[0056] 3.2)当解析的图形为圆弧时，首先要判断当前的裁刀的起始角。如图5,假设裁刀 由切割直线PzPa然后切向圆弧户义，其中A为连切点，当裁刀运动到点Pa时，要将裁刀转刀与 圆弧向切的方向，如图5中点Pa处箭头所示。
[0057] 计算圆弧的切向的起始角即前裁刀与X轴的角度，方式如下：
[0058] 设圆弧的起点为?4(13,73，(33)终点为?[3^，71 )，(^)，圆心坐标为?()(1()，7())圆弧 为逆圆弧。其中起始角c为圆弧切线与X轴正向的夹角。圆弧曲线的参数方程为 .V - R cos 6
[0059] - 1' -- Rs\n0 (2)： c = 9 +wj2
[0060] 其中，9是当前点和圆心连接与X轴所成的夹角，R为圆弧的半径；
[0061 ]在圆弧切割过程中，C轴要和X轴Y轴联动，使得刀刃的方向和圆弧切线的方向相 同，计算顺时针圆弧和逆时针圆弧的刀具的起始角c度。
[0062]计算出一个插补周期内X轴Y轴和裁刀旋转轴C轴一个插补周期内的增量。如图6所 示，点PiS圆弧上当前的插补点，点p1+1是下一个插补点，根据时间分割法采用等步距角切 向跟随算法，设插补周期为Ts进给的速度为Vs，步长为L = Vs ? Ts即图中PiPw的距离。由几何 关系可知，在一个插补周期内PiPi+1，裁刀转过的角度与PiPi +1对应的圆心角相等A 0 = a。
[0063] 以逆圆弧为例，设当前插补点为？1(11，71，(31)，经过一个插补周期后到达点？ 1+1 (xi+i ,yi+i, Ci+i) .V； ,t= R cos(0; + a) = x. cos a - v； sin a
[0064] ^ v, | = /? sin(6^. + a) = v;. cos a + .v, sin a C5 ) ci：^ =Ci+a
[0065] 同理当为顺圆弧时 .v.,, = /? c〇s(0. - a) = x, cos a + v,. sin a
[0066] v; , ~ /? s i n (0. - a) - \) cos a - .v,. s i n a (6) cfH =ct-a
[0067] 在一个插补周期加工过程中，步长对应的步距角是一定的，根据步长L和圆弧半径 R得到步距角的正弦值、余弦值和步距角的大小。计算公式如下：
[0070] 则根据上式可以求出，然后可计算出一个插补周期内A x，Ay的值： Ar = x;+1 - ,r;.
[0071] < Av = - v； Ac = a
[0072] 求出圆弧的一个插补周期内各个脉冲轴发送的脉冲个数和周期：
[0073] X轴的脉冲个数为
[0074] Y轴的脉冲个数为
[0075] A轴的脉冲个数为
[0076]其中Step是电机的步距角，a是裁刀转过的角度，K为切转刀一圈所需的脉冲数，A 轴所需发送的脉冲个数为riu;
[0077] 各个脉冲轴的周期可以根据插补周期Ts和发送的脉个数确定即：
[0078] X轴的脉冲周期为
[0079] Y轴的脉冲周期为
[0080] A轴的脉冲周期为
[0081] 由此可计算得出切割圆弧时，每个插补周期裁刀旋转控制轴发送的脉冲数。其流 程图如图7所不。
[0082]第四步:重复第三步，直至所有的图形切割点完成切割。
【主权项】
1. 一种基于时间分割法裁刀切向跟随控制的纸箱切割方法，其特征在于:包括以下步 骤： 第一步，由上位机将PLT文件下发给控制器； 第二步，控制器读取PLT文件图形信息，所述PLT文件图形信息由若干直线和圆弧曲线 组成； 第三步，判断当前切割是直线还是圆弧曲线： 3.1) 如果当切割为直线，将裁刀刀刃与刀具行进方向一致，此时X轴和Y轴联动，裁刀刀 刃运动方向一致，不需要进行旋转；当裁刀运动到两直线的连接点时，判断当前两条直线的 夹角的Θ，当Θ角大于设定的角度时，将裁刀抬起，转过Θ，将刀具落下，继续切割；当Θ角小于 设定的角度时，不需要将裁刀抬起，直接转过相应的角度继续切割； 3.2) 当切割圆弧曲线时，首先将裁刀旋转到与圆弧起始点向切的位置，确定裁刀的起 始角度;设圆弧恩^的起点为PA(x a，ya，ca)终点为PB(Xb，y b，cb)，纸箱切割机由点PA运动到点 Pb，其X轴、Y轴、裁刀的旋转轴C三轴联动，保证裁刀与圆弧相切，根据基于时间分割法的圆 弧裁刀切向运动模型，确定每个插补周期内X轴、Y轴、C轴的进给量，根据当前插补周期和电 机的步距角确定每个轴的脉冲周期和脉冲数：其中，nxl是X轴发送的脉冲数，nyl是Y轴发送的脉冲数，Δχ，Ay分别为一个周期内X轴和 Y轴的移动量，St印为电机的步距角。 裁刀的旋转角度转过的脉冲个数 ％为裁刀转过的角度，K为切转刀一圈所 需的脉冲数，则A轴所需发送的脉冲个数为nu; 各个脉冲轴的周期根据插补周期Ts和发送的脉个数确定，即：实现裁刀的切向跟随。2. 如权利要求1所述的一种基于时间分割法裁刀切向跟随控制的纸箱切割方法，其特 征在于:所述步骤3.2)中，首先确定当前裁刀与X轴的起始角度，方式如下： 设圆弧戶i:恩的起点为Pa(xa，ya，ca)终点为Pb(xb，yb，cb)，圆心坐标为Po(xq，y〇)圆弧为逆 圆弧，其中，起始角c为圆弧切线与X轴正向的夹角，圆弧曲线的参数方程为其中，Θ是当前点和圆心连接与X轴所成的夹角，R为圆弧的半径； 起始角c度的计算公式如下： 当圆弧为逆圆弧时：当圆弧为顺圆弧时：3.如权利要求1或2所述的一种基于时间分割法裁刀切向跟随控制的纸箱切割方法，其 特征在于:所述步骤3.2)中，计算出一个插补周期内X轴Y轴和裁刀旋转轴C轴一个插补周期 内的增量，过程如下： 在切割圆弧时，在一个插补周期内，裁刀跟随X轴Y轴进行旋转运动，根据时间分割法采 用等步距角切向跟随算法，设插补周期为Ts进给的速度为Vs，则步长为L = VS · Ts;旋转轴转 过的角度Δβ = α，圆弧半径和每个插补周期的步长确定每个插补周期内所走的步距角α，计 算出每个插补周期中各个轴的进给量； 当圆弧为逆圆弧时，设当前插补点为？1(^，71，(：1)，经过一个插补周期后到达点？ 1+1 (xi+i ,yi+i, Ci+i)：当圆弧为逆圆弧时，设当前插补点为？1(^，71，(31)，经过一个插补周期后到达点？ 1 + 1 (xi+i ,yi+i, Ci+i)：在一个插补周期加工过程中，步长对应的步距角是一定的，根据步长L和圆弧半径R得 到步距角的正弦值、余弦值和步距角的大小，计算公式如下：
【文档编号】G05B19/414GK105929795SQ201610257772
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】董辉, 李颖, 崔玉启, 宋文超, 江丽林
【申请人】浙江工业大学义乌科学技术研究院有限公司