切割机构的控制方法与流程

1.本发明涉及一种适于切割较厚工件的切割机构的控制方法。


背景技术：

2.目前，常见的切割方式包括旋切和飞剪。
3.旋切是指切刀固定在刀辊上，刀辊旋转切割材料。旋切刀由于角速度一致，对应不同直径处有不同的线速度，因此该结构的切刀无法切割较厚的材料。因为在切割较厚的材料时，材料会对刀头产生较大的横向作用力，一方面容易损坏刀头，另一方面也容易使被切割材料的切口发生变形，影响产品品质。
4.飞剪是指切割部件首先加速到与材料相同的线速度后进行切割，切割后切割部件再快速返回起点。由于切割中线速度同步，飞剪可以切割较厚的材料，但是需要增加切刀移动机构，这种切刀移动机构的机械结构复杂庞大，占地面积大。


技术实现要素：

5.针对现有技术的上述问题，本发明提出了一种切割机构的控制方法。该控制方法允许切割机构可以在不需要增加机械结构复杂的切刀移动机构的情况下切割较厚的工件。
6.具体的，本发明提出了一种切割机构的控制方法，所述切割机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆以及切刀，其中所述第一连杆和所述第二连杆彼此平行并由伺服电机驱动，所述第三连杆设置在所述第一连杆和第二连杆之间，所述切刀设置于所述第三连杆上，并在长度方向上与所述第三连杆之间形成一倾角，所述控制方法包括：
7.计算连杆伺服角度与切刀在进料方向上的位移之间的关系；
8.根据切割长度计算同步主轴角度和工件给进长度之间的关系；
9.根据前述两组关系，确定同步主轴角度和连杆伺服角度的关系；
10.输出切刀的凸轮曲线，以及
11.根据所述切刀的凸轮曲线，控制电机的运动，以完成整个切割过程，
12.其中，在所述整个切割过程中，所述切刀的沿所述工件的进料方向的第一速度分量被始终保持与所述工件的进料速度相一致。
13.根据本发明的一个实施例，在上述的控制方法中，在切割过程中，所述第一连杆和第二连杆平行摆动，带动所述第三连杆上的切刀执行往复运动，
14.其中，在所述切刀执行往复运动时，所述切刀处于与被切割的工件的进料方向垂直的状态，且所述切刀具有沿所述工件的进料方向的第一速度分量以及垂直于所述第一速度分量的第二速度分量。
15.根据本发明的一个实施例，在上述的控制方法中，所述计算连杆伺服角度与切刀在进料方向上的位移之间的关系为：
16.17.其中，
△
l是所述切刀在进料方向上的位移，
△
y是所述连杆伺服角度，r是第一和/或第二连杆的长度，α是电机连杆角度，β是刀轴水平偏转角。
18.根据本发明的一个实施例，在上述的控制方法中，在工件给进长度等于切刀在进料方向上的位移的情况下，所述同步主轴角度和工件给进长度之间的关系表示为：
[0019][0020]
其中，
△
l是所述切刀在进料方向上的位移，
△
x是所述同步主轴角度，cl是所述切割长度。
[0021]
根据本发明的一个实施例，在上述的控制方法中，所述同步主轴角度和连杆伺服角度的关系为：
[0022][0023]
根据本发明的一个实施例，在上述的控制方法中，所述输出切刀的凸轮曲线的步骤进一步包括：
[0024]
在所述同步主轴角度和连杆伺服角度的关系的基础上，通过插补方式形成并输出所述切刀的凸轮曲线。
[0025]
根据本发明的一个实施例，在上述的控制方法中，在所述整个切割过程中，所述电机先减速后加速，以确保所述切刀的沿所述工件的进料方向的第一速度分量与所述工件的进料速度彼此一致。
[0026]
应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。
附图说明
[0027]
包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本技术的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。
[0028]
附图中：
[0029]
图1是根据本发明的切割机构的正视图。
[0030]
图2示出了根据本发明的切割机构的俯视结构以及系统架构。
[0031]
图3示出了本发明的切割机构的运动关系。
[0032]
图4示出了根据一个实施例的切刀凸轮曲线运行的位置变化、速度变化和加速度变化。
[0033]
图5示出了切割机构的控制方法的基本流程图。
[0034]
附图标记说明：
[0035]
10
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第一连杆
[0036]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二连杆
[0037]
30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第三连杆
[0038]
40
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
切刀
[0039]
11
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第一转动副
[0040]
12
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第一铰链副
[0041]
21
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第二转动副
[0042]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二铰链副
[0043]wꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
工件
[0044]aꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
进料方向
[0045]
51、52
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电机
[0046]
61、62
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电机驱动器
[0047]
70
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
运动控制器
[0048]
80
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
人机交互系统
具体实施方式
[0049]
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
[0050]
参考附图来更详细地讨论本发明的基本原理和优选实施例。
[0051]
首先参考图1和图2，本发明的切割机构主要包括：第一连杆10、第二连杆20、第三连杆30以及切刀40。
[0052]
第一连杆10的一端连接第一转动副11，另一端连接第一铰链副12。
[0053]
第二连杆20的一端连接第二转动副21，另一端连接第二铰链副22，且上述的第一连杆10和第二连杆20彼此平行。
[0054]
第三连杆30的两端分别连接第一铰链副12和第二铰链副22。
[0055]
切刀40设置于第三连杆30上，并在长度方向上与第三连杆30之间形成一倾角β。
[0056]
根据上述结构，第一连杆10和第二连杆20能够在第一转动副11和第二转动副21的带动下平行摆动，带动第三连杆30上的切刀40执行往复运动，切割工件。本发明尤其适合于切割诸如电缆等的有一定厚度的工件。
[0057]
根据本发明，在切割时，工件w沿着图2中的箭头a所标识的进料方向运动。与此同时，切刀40执行往复运动，切刀40处于与被切割的工件w的进料方向a垂直的状态。在上述的往复运动的过程中，切刀40具有沿工件w的进料方向a的第一速度分量以及垂直于第一速度分量的第二速度分量。基于以下所讨论的控制方法，本发明的切刀40在切割过程中的第一速度分量可以被保持同工件的进料速度一致，即可以使得切割过程中的切刀40和工件w在进料方向a上保持相对固定，因此本发明的上述切割机构可以实现对较厚的工件的切割作业。
[0058]
如图2所示，本发明的切割机构还进一步包括：驱动第一连杆10和第二连杆20的电机51、52；控制电机51、52的电机驱动器61、62、运动控制器70以及人机交互系统80。运动控制器70具备电子凸轮功能，例如支持高级语言编程的simotion运动控制器，以允许借助准确灵活的电子凸轮曲线功能方便地规划运动曲线。该运动控制器70的输出端与电机驱动器61、62的控制端相连接，且运动控制器70的输入端与人机交互系统80对接。其中，运行控制
器70将从人机交互系统80接收到的控制指令流解析成运行信号发送给电机驱动器61、62，从而实现电机51、52的各轴的运动控制。
[0059]
在控制运动器70的动态控制下，切刀40在切割工件w的整个过程中的第一速度分量被始终保持与工件w的进料速度相一致。其中，在切割工件w的整个过程是切刀40从与工件w相接触的切割起点到与工件w脱离接触的切出点的运行过程。
[0060]
以下结合图3、图4和图5来详细讨论上述切割机构的控制方法。
[0061]
在图3所示的切割过程的示例中，l1-1和l2-1分别表示第一连杆10和第二连杆20在切割的起点的位置，l1-2和l2-2分别表示第一连杆10和第二连杆20在切割的中点的位置，l1-3和l2-3分别表示第一连杆10和第二连杆20在切出点的位置。相应的，第三连杆30上的三个点1、2、3依次显示切刀40在上述的切割的起点、中点、切出点的位置。其中，虚线上方显示的是主视角度下的位置，而虚线下方显示的是相应的俯视角度下的位置。
[0062]
从图3可以看出，从切割的起点到切出点，切刀在工件的进料方向上有一个位移，即在工件的进料方向上有一个上述的第一速度分量。该第一速度分量可以保证切刀与工件的线速度相同。
[0063]
转到图5，图5示出了切割机构的控制方法的基本流程图。本发明的切割机构的控制方法主要包括：
[0064]
步骤501：计算连杆伺服角度与切刀在进料方向上的位移之间的关系；
[0065]
步骤502：根据切割长度计算同步主轴角度和工件给进长度之间的关系；
[0066]
步骤503：根据前述两组关系，确定同步主轴角度和连杆伺服角度的关系；
[0067]
步骤504：输出切刀的凸轮曲线，以及
[0068]
步骤505：根据切刀的凸轮曲线，控制电机的运动，以完成整个切割过程，
[0069]
其中，在整个切割过程中，切刀的沿工件的进料方向的第一速度分量被始终保持与工件的进料速度相一致。
[0070]
如以上已讨论的，在整个切割过程中，第一连杆10和第二连杆20平行摆动，带动第三连杆30上的切刀40执行往复运动。在切刀40执行往复运动时，切刀40处于与被切割的工件w的进料方向a垂直的状态，且切刀40具有沿工件w的进料方向a的第一速度分量以及垂直于第一速度分量的第二速度分量。
[0071]
根据一个实施例，上述步骤501中，计算连杆伺服角度
△
y与切刀在进料方向上的位移
△
l之间的关系为：
[0072][0073]
其中，
△
l是切刀在进料方向上的位移，
△
y是连杆伺服角度，r是第一和/或第二连杆的长度(即图3中的两个圆的半径)，α是电机连杆角度(即图3所示的角度α)，β是刀轴水平偏转角(即图3所示的角度β)。
[0074]
在切割机构的运动控制中，通常约定0
°
到360
°
为一个切割周期，因此在上述步骤502中，在工件给进长度等于切刀在进料方向上的位移的情况下，同步主轴角度
△
x和工件给进长度(等同于切刀在进料方向上的位移)
△
l之间的关系为：
[0075]
[0076]
其中，
△
l是工件给进长度(等同于切刀在进料方向上的位移)，
△
x是同步主轴角度，cl是切割长度(即，电机旋转一圈360
°
，工件走过的长度)。在切割过程中，切刀与工件保持线速度一致，因此切刀走过的距离远小于该切割长度。
[0077]
此外，在步骤503中，同步主轴角度
△
x和连杆伺服角度
△
y的关系为：
[0078][0079]
此外，上述的步骤504可以进一步包括：在同步主轴角度
△
x和连杆伺服角度
△
y的关系的基础上，通过插补方式可以形成并输出切刀的凸轮曲线，如图4所示。其中，图4中的曲线a、b、c依次示出了根据一个实施例的切刀凸轮曲线运行的位置变化、速度变化和加速度变化。
[0080]
不同于标准旋切同步区间以固定速度运行，本发明的切割机构在整个切割过程中，电机先减速后加速，以确保切刀的沿工件的进料方向的第一速度分量与工件的进料速度彼此一致。例如，曲线b中的数字1、2、3分别标记了切割的起点、中点、切出点的速度值。如图4中的曲线a～c所示，该控制方法可以在切刀与被切割工件相接触后变速，而无需顾及切割过程之前或之后的速度。此外，切刀调整区间优选采用五次多项式连接，可以保证在整个调整区间内加速度均匀变化，不产生电流扭矩的突变，降低机械振动。
[0081]
综上，通过特殊的结构设计和控制方法设计，与传统的旋切机构相比，本技术的切割机构具有与之类似的简单结构，但可以切割较厚的工件。与传统的飞剪机构相比，本技术的切割机构无需增加切刀移动机构，其成本和可靠性得以提升。此外，本技术的运动控制器支持高级语言编程，准确灵活的电子凸轮曲线功能方便规划运动曲线。因此，本技术的技术方案属于金属剪切领域的一个新技术应用，可以解决现有切割领域的一些技术痛点。
[0082]
本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。

技术特征：
1.一种切割机构的控制方法，其特征在于，所述切割机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆以及切刀，其中所述第一连杆和所述第二连杆彼此平行并由伺服电机驱动，所述第三连杆设置在所述第一连杆和第二连杆之间，所述切刀设置于所述第三连杆上，并在长度方向上与所述第三连杆之间形成一倾角，所述控制方法包括：计算连杆伺服角度与切刀在进料方向上的位移之间的关系；根据切割长度计算同步主轴角度和工件给进长度之间的关系；根据前述两组关系，确定同步主轴角度和连杆伺服角度的关系；输出切刀的凸轮曲线，以及根据所述切刀的凸轮曲线，控制电机的运动，以完成整个切割过程，其中，在所述整个切割过程中，所述切刀的沿所述工件的进料方向的第一速度分量被始终保持与所述工件的进料速度相一致。2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在切割过程中，所述第一连杆和第二连杆平行摆动，带动所述第三连杆上的切刀执行往复运动，其中，在所述切刀执行往复运动时，所述切刀处于与被切割的工件的进料方向垂直的状态，且所述切刀具有沿所述工件的进料方向的第一速度分量以及垂直于所述第一速度分量的第二速度分量。3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述计算连杆伺服角度与切刀在进料方向上的位移之间的关系为：其中，
△
l是所述切刀在进料方向上的位移，
△
y是所述连杆伺服角度，r是第一和/或第二连杆的长度，α是电机连杆角度，β是刀轴水平偏转角。4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在工件给进长度等于切刀在进料方向上的位移的情况下，所述同步主轴角度和工件给进长度之间的关系表示为：其中，
△
l是所述切刀在进料方向上的位移，
△
x是所述同步主轴角度，cl是所述切割长度。5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述同步主轴角度和连杆伺服角度的关系为：6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述输出切刀的凸轮曲线的步骤进一步包括：在所述同步主轴角度和连杆伺服角度的关系的基础上，通过插补方式形成并输出所述切刀的凸轮曲线。7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在所述整个切割过程中，所述电机先减速后加速，以确保所述切刀的沿所述工件的进料方向的第一速度分量与所述工件的进料速
度彼此一致。

技术总结
本申请提供了一种切割机构的控制方法，该控制方法包括：计算连杆伺服角度与切刀在进料方向上的位移之间的关系；根据切割长度计算同步主轴角度和工件给进长度之间的关系；根据前述两组关系，确定同步主轴角度和连杆伺服角度的关系；输出切刀的凸轮曲线，以及根据所述切刀的凸轮曲线，控制电机的运动，以完成整个切割过程，其中，在所述整个切割过程中，所述切刀的沿所述工件的进料方向的第一速度分量被始终保持与所述工件的进料速度相一致。该控制方法适于驱动切割装置切割较厚的工件。法适于驱动切割装置切割较厚的工件。法适于驱动切割装置切割较厚的工件。


技术研发人员：徐剑
受保护的技术使用者：西门子工厂自动化工程有限公司
技术研发日：2023.06.28
技术公布日：2023/9/20