CN102445291A - 应用于多层鞋革数控裁割机床裁割皮革所需吸附力的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于多层鞋革数控裁割机床裁割皮革所需吸附力的测量方法，所述多层鞋革高速裁割加工过程中包括片状刀具的高频振动、裁割刀具的平面运动，定义高频振动方向为Z方向，定义平面运动方向为X、Y方向；设定约束条件，当皮革保持静止，附加力矩m_O(F)与力矩m_O(f)相等；为了防止皮革转动，所需吸附力

的计算公式如1-4；为了防止平动，所需吸附力的计算公式1-5；皮革实际所需的吸附力是取

和

的较大值。本发明提供一种可以实时测量数控机床裁割皮革所需吸附力，应用于多层鞋革数控裁割机床真空吸附强度的档位控制及实时控制。

Description

应用于多层鞋革数控裁割机床裁割皮革所需吸附力的测量方法

技术领域

本发明涉及应用于多层鞋革数控裁割机床的控制方法，尤其是一种测量所裁割皮革所需吸附力的方法。

背景技术

世界范围内都提倡节能减排，绿色生产的背景下，企业在设计制造自动裁床时越来越注重降低能耗，而真空吸附模块作为裁床主要耗能部分，自然受到重视。美国格伯科技公司其研制的DCS3600履带式单层裁割系统，采用变频真空调节器能够更好地控制DCS 3600(及其系统)的真空度适合不同面料及革的裁割。美国PGM智能化自动裁剪系统，是针对服装的裁剪系统，可根据材料的厚度多档位调整吸附压力。日本高鸟(Takatori)公司生产的TAC-N型高速自动裁剪机根据排气阀来控制吸引力，吸引力的大小根据面料的种类不同来调节吸附强度。目前国内企业一般采用整体吸附，真空泵高速运转，吸附强度大而恒定，浪费电能严重。国外先进的数控皮革裁割机虽然节能效果好，但是价格昂贵，且对我国采取技术垄断和封闭政策。皮革裁割机是高能耗的设备，平均每年一台普通皮革裁剪机床的耗电量就达120万度电，而真空吸附消耗电能占该机床所耗总能源的80％-90％。现在随着智能变频技术的推广，只要能计算裁割皮革所需吸附力，国内数控裁剪机床真空吸附模块也可以通过变频采用不同的吸附强度满足生产要求，因此研究非常多层鞋革数控裁割机床裁割皮革所需吸附力非常有必要。

发明内容

为了克服现有的多层鞋革数控裁割机床的无法测量吸附力，无法实现多层鞋革数控裁割机床能够按照不同类型、不同形状的皮革在裁割加工时所需吸附力的不同而采取不同的吸附强度的不足，本发明的目的在于提供一种有效测量吸附力、适应多层鞋革数控裁割机床能够按照不同类型、不同形状的皮革在裁割加工时所需吸附力的不同而采取不同的吸附强度的应用于多层鞋革数控裁割机床裁割皮革所需吸附力的测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种应用于多层鞋革数控裁割机床裁割皮革所需吸附力的测量方法，所述多层鞋革高速裁割加工过程中包括片状刀具的高频振动、裁割刀具的平面运动，定义高频振动方向为Z方向，定义平面运动方向为X、Y方向；假设裁刀加工点的坐标为(x，y)，裁刀加工方向与水平方向的夹角为φ，把裁刀对皮革的受力平移到转动中心，根据力线平移原理，附加力矩m_O(F)为：

$m_O\left(F\right)=F\sqrt{x^2+y^2}\sin \mathrm{\φ}---1-1$

式中，F为裁刀切割力；

在裁刀裁切过程中，皮革所受到的静摩擦力对作用点产生力矩m_O(f)为：

$m_O\left(f\right)=r_1\×f_s=\∫\∫\sqrt{x^2+y^2}{\mathrm{\μ}}_s\mathrm{\σdxdy}---1-2$

式中，μ_s为静摩擦系数，f_s为静摩擦力，r₁为静摩擦力到作用点的距离，σ为单位面积上的正压力；

设定约束条件，当皮革保持静止，附加力矩m_O(F)与力矩m_O(f)相等，即：

m_O(F)＝m_O(f)            1-3

为了防止皮革转动，所需吸附力

的计算公式如下：

$F_{\mathrm{xf}}^1=\frac{\mathrm{FS}\sqrt{x^2+y^2}\sin \mathrm{\φ}}{\∫\∫\sqrt{x^2+y^2}{\mathrm{\μ}}_s\mathrm{dxdy}}---1-4$

式中，S为皮革面积；

为了防止平动，所需吸附力的计算公式为

$F_{\mathrm{xf}}^2=\frac{F}{{\mathrm{\μ}}_s}---1-5$

皮革实际所需的吸附力是取

和

的较大值。

作为优选的一种方案：所述的裁刀切割力的数学模型

$F=n{P}_{\mathrm{th}}\tan \left(\frac{\mathrm{\γ}}{2}\right)---1-6$

式中P_th为皮革撕裂强力，n为皮革层数，γ为切割角；

所述裁刀的切割角γ的算式为：

$\mathrm{\γ}=2\arctan \left[\tan \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)\frac{V_n}{\sqrt{V_n^2+V_t^2}}\right]---1-7$

式中，α为裁刀刀刃角，V_n为水平沿皮革进给速度，V_t为上下往复运动速度V_t。

进一步，所述的皮革的质心坐标为(x_c，y_c)，其数学模型：

$x_c=\frac{\∫x(y_{\left(x\right)}-f_{\left(x\right)})\mathrm{dx}}{\∫(y_{\left(x\right)}-f_{\left(x\right)})\mathrm{dx}}---1-8$

式中y_(x)，f_(x)为皮革上下曲线的方程

$y_c=\frac{\∫y(x_{\left(y\right)}-f_{\left(y\right)})\mathrm{dy}}{\∫(x_{\left(y\right)}-f_{\left(y\right)})\mathrm{dy}}---1-9$

式中x_(y)，f_(y)为皮革左右曲线的方程。

本发明的技术构思为：裁剪时皮革是在被抽成真空的负压下紧紧压实，皮革自身重力与裁刀与皮革的滑动摩擦力远远小于皮革受所需真空吸附力F_xf，所以皮革的吸附力相当于皮革所受到的正压力。皮革在工作台平面上的转动(趋势)将会以皮革质心作为旋转中心，所以以质心作为坐标原点，建立坐标系。

本发明的有益效果主要表现在：可以使多层鞋革数控裁割机床裁割皮革时，真空吸附系统可以根据裁刀的结构，皮革的属性，层数等因素，选择合适的吸附强度，而采用一种比较准确计算所裁割皮革所需吸附力的方法，应用于多层鞋革数控裁割机床真空吸附强度的档位控制及实时控制。另外，本方法还可以推广至以同样裁割方式加工布料等服装行业进行推广。

附图说明

图1是切割方式示意图，其中(a)表示正切，(b)表示滑切。

图2是刀刃角、切割角、速度三者示意图。

图3是裁刀运动模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。

参照图1～图3，一种应用于多层鞋革数控裁割机床裁割皮革所需吸附力的测量方法，所述多层鞋革高速裁割加工过程中包括片状刀具的高频振动、裁割刀具的平面运动，定义高频振动方向为Z方向，定义平面运动方向为X、Y方向；其特征在于：假设裁刀加工点的坐标为(x，y)，裁刀加工方向与水平方向的夹角为φ，把裁刀对皮革的受力平移到转动中心，根据力线平移原理，附加力矩m_O(F)为：

$m_O\left(F\right)=F\sqrt{x^2+y^2}\sin \mathrm{\φ}---1-1$

式中，F为裁刀切割力；

在裁刀裁切过程中，皮革所受到的静摩擦力对作用点产生力矩m_O(f)为：

$m_O\left(f\right)=r_1\×f_s=\∫\∫\sqrt{x^2+y^2}{\mathrm{\μ}}_s\mathrm{\σdxdy}---1-2$

式中，μ_s为静摩擦系数，f_s为静摩擦力，r₁为静摩擦力到作用点的距离，σ为单位面积上的正压力；

设定约束条件，当皮革保持静止，附加力矩m_O(F)与力矩m_O(f)相等，即：

m_O(F)＝m_O(f)            1-3

为了防止皮革转动，所需吸附力

的计算公式如下：

$F_{\mathrm{xf}}^1=\frac{\mathrm{FS}\sqrt{x^2+y^2}\sin \mathrm{\φ}}{\∫\∫\sqrt{x^2+y^2}{\mathrm{\μ}}_s\mathrm{dxdy}}---1-4$

式中，S为皮革面积；

为了防止平动，所需吸附力

的计算公式为

$F_{\mathrm{xf}}^2=\frac{F}{{\mathrm{\μ}}_s}---1-5$

皮革实际所需的吸附力是取和

的较大值。

图1为切割方式示意图，皮革切割力指的是切开皮革所必须的力，切割力大小与切割方式有关，切割方式指的是裁刀刀进入皮革时的方向，一般来说主要有正切和滑切两种基本方式，正切指的是刀刃的绝对运动方向垂直于刀刃线的切割方式。滑切指的是刀刃的沿着刃线的垂直偏角方向进入皮革。裁剪皮料时，裁刀必须与皮革垂直，保持上、下各层皮革尺寸一致，看起来好像是正切，可是裁刀在水平方向运动时又上下运动，这种运动实际代替了刀刃的倾斜，实际是滑切。滑切的切割力相对正切来说，要小很多，其省力效果与与其切割角有关。

图2为刀刃角、切割角、速度三者示意图，图2中1为刀刃，2为刀刃角。切割角、刀刃角与两个截面夹角的关系：

$\tan \left(\frac{\mathrm{\γ}}{2}\right)=\tan \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)\cos \mathrm{\β}---1-10$

当倾斜角β越大，刀刃切入皮革的切割角γ就越小，因此刀刃切割皮革所需的切割力越小。假设裁剪刀进给速度为V_n，裁刀竖直方向往复运动速度假设为V_t，裁刀相对于皮革运动的合成V_s

$V_s=\sqrt{V_n^2+V_t^2}---1-11$

速度V_s的方向即为裁剪刀进刀的方向，由于V_n/V_s＝cosβ，所以速度、刀刃角和切割角三者关系为

$\tan \left(\frac{\mathrm{\γ}}{2}\right)=\tan \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)\frac{V_n}{\sqrt{V_n^2+V_t^2}}---1-12$

在一般情况下，裁刀竖直方向往复直线运动速度V_t远大于水平推进速度V_n，所以r＜＜α，切割角越小，刀刃越锋利。刀刃锋利程度主要由往复直线运动速度决定。

图3为裁刀运动模型示意图，裁剪过程中，裁刀做直线往复式运动，是靠对心曲柄滑动结构实现的。裁刀的往复运动是裁刀的主运动，其运动规律是曲柄滑块，图3中r为曲柄半径，L为曲柄半径，w为角速度，S为滑动位移，a为连杆与刀杆之间的夹角。

裁刀的运动规律裁刀的位移

S＝OC-OB＝(L+r)-(l cos a+r cos wt)    1-13

裁刀的竖直往复速度

$V_t=\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{rw}\sin \mathrm{wt}---1-14$

由于裁刀往复速度在周期变化，裁刀的切割角也会跟着周期变化，其切割角为

$\mathrm{\γ}=2\arctan [\tan \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)\frac{V_n}{\sqrt{V_n^2+V_t^2}}---1-15$

裁刀的切割角与裁刀切割力存在如下关系：

$F=n{P}_{\mathrm{th}}\tan \left(\frac{\mathrm{\γ}}{2}\right)---1-6$

式中P_th为皮革撕裂强力，n为皮革层数，裁剪过程中切割力的需求也是随切割角的变化而变化的，但是裁床并不需要时时切割力都满足要求，因为往复直线运动速度V_t远大于水平推进速度V_n，所以只要实际切割力只要大于一个周期内最小切割力，就能顺利切割开皮革。皮革的撕裂强度是由皮革内在组织因素决定，通常可以用3个指标来表征：均匀度、松散度和编制角度^[9]。皮革的横向与纵向内部组织结构不同，所以两个方向上的撕裂强力也不同，皮革撕裂强力取横向与纵向中大的值^[10]。皮革的撕裂力是在规定条件下，测出外力作用于裂口处在被撕开时，所能承受的最大负荷。撕裂力的测定请参照GB529和GB530。裁剪时皮革是在被抽成真空的负压下紧紧压实，皮革自身重力与裁刀与皮革的滑动摩擦力远远小于皮革受所需真空吸附力F_xf，所以皮革的吸附力相当于皮革所受到的正压力。皮革在工作台平面上的转动是以皮革质心作为旋转中心，皮革的质心坐标为(x_c，y_c)，其数学模型

$x_c=\frac{\∫x(y_{\left(x\right)}-f_{\left(x\right)})\mathrm{dx}}{\∫(y_{\left(x\right)}-f_{\left(x\right)})\mathrm{dx}}---1-8$

式中y_(x)，f_(x)为皮革上下曲线的方程

$y_c=\frac{\∫y(x_{\left(y\right)}-f_{\left(y\right)})\mathrm{dy}}{\∫(x_{\left(y\right)}-f_{\left(y\right)})\mathrm{dy}}---1-9$

式中x_(y)，f_(y)为皮革左右曲线的方程。然后以质心为坐标原点，建立新坐标系，假设裁刀加工点新坐标为(x，y)，裁刀加工方向与水平方向的夹角为φ。把裁刀对皮革的受力平移到转动中心，根据力线平移原理，其附加力矩为

$m_O\left(F\right)=F\sqrt{x^2+y^2}\sin \mathrm{\φ}---1-1$

式中F为裁刀切割力，在裁刀裁切过程中，皮革所受到的静摩擦力对作用点产生力矩

$m_O\left(f\right)=r_1\×f_s=\∫\∫\sqrt{x^2+y^2}{\mathrm{\μ}}_s\mathrm{\σdxdy}---1-2$

式中μ_s为静摩擦系数，f_s为静摩擦力，r₁为静摩擦力到作用点的距离，σ为单位面积上的正压力。皮革保持静止，所以这两个力矩应该相等

m_O(F)＝m_O(f)            1-3

防止皮革转动，所需吸附力

$F_{\mathrm{xf}}^1=\frac{\mathrm{FS}\sqrt{x^2+y^2}\sin \mathrm{\φ}}{\∫\∫\sqrt{x^2+y^2}{\mathrm{\μ}}_s\mathrm{dxdy}}---1-4$

式中S-皮革面积。以上皮革的吸附力基于防止皮革转动提出的，但是皮革还具有平动的趋势，其防止平动的所需吸附力为

$F_{\mathrm{xf}}^2=\frac{F}{{\mathrm{\μ}}_s}---1-5$

皮革实际所需的吸附力是取二者的较大值。采用这个方法，可以准确确定所裁割皮革所需吸附力，真空吸附系统就可以选择合适的吸附强度，实现低碳节能生产。

Claims (3)

1.一种应用于多层鞋革数控裁割机床裁割皮革所需吸附力的测量方法，所述多层鞋革高速裁割加工过程中包括片状刀具的高频振动、裁割刀具的平面运动，定义高频振动方向为Z方向，定义平面运动方向为X、Y方向；其特征在于：假设裁刀加工点的坐标为(x，y)，裁刀加工方向与水平方向的夹角为φ，把裁刀对皮革的受力平移到转动中心，根据力线平移原理，附加力矩m_O(F)为：

$m_O\left(F\right)=F\sqrt{x^2+y^2}\sin \mathrm{\φ}---1-1$

式中，F为裁刀切割力；

在裁刀裁切过程中，皮革所受到的静摩擦力对作用点产生力矩m_O(f)为：

$m_O\left(f\right)=r_1\×f_s=\∫\∫\sqrt{x^2+y^2}{\mathrm{\μ}}_s\mathrm{\σdxdy}---1-2$

式中，μ_s为静摩擦系数，f_s为静摩擦力，r₁为静摩擦力到作用点的距离，σ为单位面积上的正压力；

设定约束条件，当皮革保持静止，附加力矩m_O(F)与力矩m_O(f)相等，即：

m_O(F)＝m_O(f)            1-3

为了防止皮革转动，所需吸附力

的计算公式如下：

$F_{\mathrm{xf}}^1=\frac{\mathrm{FS}\sqrt{x^2+y^2}\sin \mathrm{\φ}}{\∫\∫\sqrt{x^2+y^2}{\mathrm{\μ}}_s\mathrm{dxdy}}---1-4$

式中，S为皮革面积；

为了防止平动，所需吸附力

的计算公式为

$F_{\mathrm{xf}}^2=\frac{F}{{\mathrm{\μ}}_s}---1-5$

皮革实际所需的吸附力是取

和

的较大值。

2.如权利要求1所述的应用于多层鞋革数控裁割机床裁割皮革所需吸附力的测量方法，其特征在于：所述的裁刀切割力的数学模型：

$F=n{P}_{\mathrm{th}}\tan \left(\frac{\mathrm{\γ}}{2}\right)---1-6$

式中P_th为皮革撕裂强力，n为皮革层数，γ为切割角；

所述裁刀的切割角γ的算式为：

$\mathrm{\γ}=2\arctan \left[\tan \left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)\frac{V_n}{\sqrt{V_n^2+V_t^2}}\right]---1-7$

式中，α为裁刀刀刃角，V_n为水平沿皮革进给速度，V_t为上下往复运动速度V_t。

3.根据权利要求1或2所述的应用于多层鞋革数控裁割机床裁割皮革所需吸附力的测量方法，其特征在于：所述的皮革的质心坐标为(x_c，y_c)，其数学模型

$x_c=\frac{\∫x(y_{\left(x\right)}-f_{\left(x\right)})\mathrm{dx}}{\∫(y_{\left(x\right)}-f_{\left(x\right)})\mathrm{dx}}---1-8$

式中y_(x)，f_(x)为皮革上下曲线的方程

$y_c=\frac{\∫y(x_{\left(y\right)}-f_{\left(y\right)})\mathrm{dy}}{\∫(x_{\left(y\right)}-f_{\left(y\right)})\mathrm{dy}}---1-9$

式中x_(y)，f_(y)为皮革左右曲线的方程。

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