基于電子凸輪飛剪和追剪仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)

黃文彬 廣東工業(yè)大學(xué) 周學(xué)才 賈琪 深圳市雷賽智能控制股份有限公司 張永俊 廣東工業(yè)大學(xué)

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，中國(guó)制造2025、碳中和等國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃如火如荼地進(jìn)行著，裝備制造的自動(dòng)化和智能化不可或缺。在機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域中，飛剪和追剪技術(shù)廣泛地應(yīng)用于整個(gè)包裝、印刷、雕刻等行業(yè)，其中飛剪和追剪絕涉及的核心技術(shù)主要就是電子凸輪技術(shù)。近幾年，隨著國(guó)內(nèi)工控領(lǐng)域的快速發(fā)展，電子凸輪技術(shù)慢慢地得到普及。目前國(guó)內(nèi)比較穩(wěn)定的電子凸輪廠家主要有匯川、維控等企業(yè)，主要是在中小型plc控制器上面實(shí)現(xiàn)，在驅(qū)動(dòng)器上還未實(shí)現(xiàn)，由于起步比較晚，目前在功能、精度和穩(wěn)定性等方面和倍福、歐姆龍以及臺(tái)達(dá)等老牌工控企業(yè)相比還是存在著挺大的差距[1]。

電子凸輪的主要就是主軸和各個(gè)從軸的一種同步運(yùn)動(dòng)關(guān)系，主從軸之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系由凸輪表提供，達(dá)到替代現(xiàn)實(shí)中機(jī)械凸輪的目的。目前最流行的主要有兩種電子凸輪使用方式，一種是采用虛擬主軸的方式，各個(gè)軸都根據(jù)它們對(duì)應(yīng)虛擬主軸之間軌跡規(guī)劃進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，第二種方式采用跟隨的方式，從軸跟著帶有編碼器的主軸實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)。前者的優(yōu)勢(shì)是極大的減少了編程難度，后者則是在精度和穩(wěn)定性上面有著更大的提高。若需要獲得較高的精度和較好的穩(wěn)定性，還需要進(jìn)行一系列的干擾抑制[2]、主軸修正以及相位補(bǔ)償。

飛剪和追剪都是對(duì)運(yùn)動(dòng)中的材料進(jìn)行垂直切割的工藝，差異是飛剪的刀具是旋轉(zhuǎn)切割，飛剪的刀具則是跟著刀具一起往返式切割，具有回退功能。傳統(tǒng)的飛剪追剪設(shè)計(jì)可能會(huì)因?yàn)樾薷哪骋粎?shù)導(dǎo)致整個(gè)過程都需要重新進(jìn)行，為了避免這一問題，提高效率，本文設(shè)計(jì)了飛剪和追剪的仿真平臺(tái)，直接在上面修改各種參數(shù)可以直接生成飛剪和追剪控制方案。

一、飛剪和追剪的曲線規(guī)劃

電子凸輪的包含主從軸之間的嚙合、凸輪表的選擇、主從軸縮放和偏移。其中凸輪表是電子凸輪的核心，通過凸輪表的參數(shù)擬合出主從軸所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)曲線，實(shí)現(xiàn)機(jī)械凸輪的運(yùn)動(dòng)軌跡。

電子凸輪中凸輪表有關(guān)曲線類型的選擇對(duì)于電子凸輪系統(tǒng)的柔性和效率影響特別大，需要慎重考慮，最常用的是運(yùn)用多項(xiàng)式曲線，三次曲線速度平滑，五次曲線速度和加速度平滑，七次曲線速度、加速度和加加速度平滑，如表1所示，五次多項(xiàng)式柔性和七次多項(xiàng)式差距不大，計(jì)算量也比七次多項(xiàng)式、貝塞爾曲線和B樣條等曲線小很多，因此大多數(shù)采用五次多項(xiàng)式進(jìn)行電子凸輪曲線的規(guī)劃。

表1 多項(xiàng)式曲線柔性對(duì)比

飛剪的曲線規(guī)劃分為了三種情況，主要分為長(zhǎng)料剪切、等料剪切和短料剪切[3]。等料切割為等速切割，長(zhǎng)料切割和短料切割則分為兩個(gè)調(diào)整區(qū)和一個(gè)同步區(qū)。飛剪和追剪的凸輪曲線要滿足兩大基本條件：第一，保證在剪切的過程中，刀輥與材料進(jìn)給保持同步；第二，在規(guī)格調(diào)整區(qū)內(nèi)根據(jù)剪切單元的長(zhǎng)度進(jìn)行適當(dāng)?shù)募铀倩驕p速，從而保證下一次剪切的正確進(jìn)行。長(zhǎng)料切割主要包括減速區(qū)、加速區(qū)和同步區(qū)，如圖1所示。長(zhǎng)料、等料和短料的定義是根據(jù)剪切材料長(zhǎng)度與刀輥的周長(zhǎng)的大小關(guān)系決定的，若剪切材料長(zhǎng)度大于刀輥的周長(zhǎng)，則為長(zhǎng)料；若相等，則為等料，不若則為短料。

圖1 長(zhǎng)料曲線規(guī)劃

若切割材料長(zhǎng)度過長(zhǎng)，則需要根據(jù)切割材料長(zhǎng)度自動(dòng)計(jì)算當(dāng)長(zhǎng)度很長(zhǎng)時(shí)自動(dòng)計(jì)算等待長(zhǎng)度，如圖2分為五個(gè)部分，以避免出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖2 長(zhǎng)料曲線規(guī)劃（過長(zhǎng)時(shí)）

短料切割調(diào)整區(qū)是先加速，后減速，如圖3所示。

圖3 短料曲線規(guī)劃

追剪的凸輪曲線主要分為加速區(qū)、同步區(qū)以及返回區(qū)。和飛剪一樣，在同步區(qū)對(duì)材料進(jìn)行剪切，不同的是，飛剪是刀具在旋轉(zhuǎn)軸上面，跟著旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行切割，而追剪是刀具安裝在追蹤裝置上面，在同步區(qū)觸發(fā)下刀指令后，刀具進(jìn)行下移切割。這里對(duì)應(yīng)的加速區(qū)、同步區(qū)和返回區(qū)是追蹤裝置相對(duì)傳送帶而言的，追蹤裝置先加速到傳送帶的速度，然后進(jìn)行同步，切割完成后再返回到初始位置，進(jìn)行周期性循環(huán)切割[4]。由于追剪是垂直切割，追剪通常應(yīng)用于剪切平整度和精度比飛剪更高的場(chǎng)合。

二、仿真平臺(tái)的搭建與實(shí)現(xiàn)

仿真平臺(tái)是利用Microsoft Visual Studio 2010里的MFC實(shí)現(xiàn)的，其原理主要是采用兩種方式對(duì)不同參數(shù)的飛剪和追剪運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)，第一種是常用的編輯凸輪表的形式實(shí)現(xiàn)飛剪和追剪運(yùn)動(dòng)軌跡，另一種是通過輸入飛剪和追剪對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)直接通過平臺(tái)生成凸輪表，最終實(shí)現(xiàn)飛剪和追剪運(yùn)動(dòng)軌跡。這里經(jīng)過凸輪表實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡主要是采用上文提到的五次多項(xiàng)式的擬合方法。本仿真平臺(tái)還對(duì)飛剪和追剪的進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真功能的設(shè)計(jì)，以及添加了對(duì)飛剪和追剪主從軸的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線、速度曲線以及加速度曲線的實(shí)時(shí)顯示功能。除此之外，為了提高平臺(tái)的穩(wěn)定性和容錯(cuò)性，還添加了報(bào)警功能。

整個(gè)仿真平臺(tái)界面如圖4所示，包含了菜單欄、運(yùn)動(dòng)仿真顯示、飛剪參數(shù)設(shè)置、追剪參數(shù)設(shè)置、軌跡控制、速度演示以及報(bào)警等欄目。運(yùn)動(dòng)仿真是利用OpenGL實(shí)現(xiàn)的，通過OpenGL在三維空間繪制出飛剪和追剪的三維圖，然后再根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)時(shí)修改三維圖的位姿以及坐標(biāo)變換，從而實(shí)現(xiàn)飛剪或剪整個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真過程。

圖4 仿真平臺(tái)界面

操作界面是采用傳統(tǒng)的MFC設(shè)計(jì)，主要包含了多個(gè)對(duì)話框、編輯框、按鍵、靜態(tài)文本以及菜單欄。主要設(shè)計(jì)了一個(gè)主對(duì)話框、一個(gè)凸輪表對(duì)話框和曲線實(shí)時(shí)顯示對(duì)話框，都是采用非模態(tài)的形式。菜單欄用來選擇飛剪平臺(tái)函數(shù)追剪平臺(tái)，編輯框主要用來對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行輸入以及輸出一些可用信息，靜態(tài)文本則是一些文字提示以及顯示飛剪和追剪的運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫，按鍵則用來實(shí)現(xiàn)各種功能的打開，如打開凸輪表對(duì)話框、打開曲線實(shí)時(shí)顯示對(duì)話框和對(duì)速度控制等等。

飛剪和追剪的運(yùn)動(dòng)仿真主要引用OpenGL（開放圖形庫），搭建出飛剪和追剪裝置的三維平臺(tái)，設(shè)置有地板，光源基本的書外，就實(shí)現(xiàn)飛剪和追剪平臺(tái)。飛剪平臺(tái)主要包括了輸送帶、滾筒（主軸）、剪切軸和剪切材料。追剪平臺(tái)主要包括輸送帶、滾筒（主軸）、追蹤裝置和刀具。上述的三維平臺(tái)都是通過調(diào)用OpenGL函數(shù)庫來實(shí)現(xiàn)的，其中光源設(shè)置的調(diào)用函數(shù)為glLightfv（），auxSolidBox（）為長(zhǎng)方體的調(diào)用函數(shù)，drawSolidCylinder（）是圓柱的調(diào)用函數(shù)，setMatirial（）是材料的調(diào)用函數(shù)。通過改變仿真平臺(tái)里的各個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)飛剪或追剪的運(yùn)動(dòng)主要是通過OpenGL中的一些運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫實(shí)現(xiàn)的，其中坐標(biāo)變換的調(diào)用函數(shù)是glTranslatef（），旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的調(diào)用函數(shù)為glRotatef（），glTranslatef（）在這里主要是實(shí)現(xiàn)三維圖形的平移功能。通過編程的方式實(shí)時(shí)傳遞所調(diào)用OpenGL函數(shù)對(duì)應(yīng)的形參，以達(dá)到實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的功能。

圖5為整個(gè)仿真平臺(tái)的簡(jiǎn)單的操作使用流程圖。飛剪設(shè)置的參數(shù)主要包括預(yù)定包裝數(shù)目、剪切材料長(zhǎng)度、剪切軸直徑、同步區(qū)長(zhǎng)度、主軸速度以及刀頭數(shù)目。追剪參數(shù)主要為預(yù)定包裝數(shù)目、剪切材料長(zhǎng)度、同步區(qū)長(zhǎng)度和主軸速度。狀態(tài)參數(shù)顯示主要包括了主從軸的位置參數(shù)和生產(chǎn)件數(shù)，軌跡的實(shí)時(shí)顯示是利用坐標(biāo)圖顯示飛剪和追剪運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)曲線圖，主要實(shí)時(shí)顯示從軸相對(duì)于主軸的位置曲線、速度曲線和加速度曲線。通過實(shí)時(shí)曲線的顯示，可以很清晰的看到從軸運(yùn)動(dòng)軌跡，分析速度和加速度曲線是否連續(xù)，可判斷出運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程是否具有柔性。報(bào)警顯示主要針對(duì)兩種情況：一是剪切料長(zhǎng)度設(shè)置的過小或者過大；另一種則是剪切軸的位置、速度或者加速度超出了額定值。

圖5 仿真平臺(tái)操作流程圖

三、結(jié)論語

本文主要依托電子凸輪技術(shù)實(shí)現(xiàn)了飛剪和追剪仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)。本仿真平臺(tái)對(duì)飛剪和追剪功能的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化，根據(jù)現(xiàn)實(shí)中具體的相關(guān)參數(shù)可以簡(jiǎn)單快速地設(shè)計(jì)相應(yīng)的飛剪和追剪解決方案，大大提高人們的開發(fā)效率。采用OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛剪和追剪模運(yùn)動(dòng)仿真，真實(shí)模擬了運(yùn)動(dòng)軌跡在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的可行性。本仿真平臺(tái)同時(shí)為此類的開發(fā)人員提供了一個(gè)很好的實(shí)踐學(xué)習(xí)平臺(tái)。