CN108748353B - 一种图案膜/纸自适应定长定位切割系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种图案膜/纸自适应定长定位切割系统与方法。该系统包括控制系统、人机界面、图案膜/纸输送机构、传动及切刀机构、交流伺服电机及传动机构、颜色视觉传感器、主轴和同步编码器；其中控制系统包括运动控制器和伺服驱动器；图案膜/纸输送机构包括一对拉膜/纸辊、膜/纸输送装置。方法为：首先进行主轴零位标定，然后设计自适应电子齿轮，进行电子齿轮同步跟随控制，最后进行同步智能位置补偿，在同步区完成图案膜/纸的切割。本发明降低了机械噪声，实现了切割长度、传送位置的自动调整，消除了不同速度下图案膜/纸的长度波动问题，提高了传送速度和定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及高速定长切割与定位技术领域，特别是一种图案膜/纸自适应定长定位切割系统与方法。
背景技术
随着产品包装客制化和不断变化的市场需求，彩印薄膜的盒外包装日渐普及，此包装形式要求将彩印薄膜上的图案与包装盒上对应的图案重合，而现有的方法是通过包装机的送膜辊转过一个固定的圈数，使每次送膜都保持一个固定的长度，这种方法的缺点是每次送膜的累计误差会使图案偏离原来的位置，导致印刷偏差。目前，由于无法精准定位彩膜位置，导致包装后的彩色图案没有位于设定位置，容易发生偏移，致使一批产品包装后薄膜图案不统一，影响产品的外观一致性。
虽然已有设备增加纠偏装置，但采用传统的机械差速补偿方案或者伺服控制电子离合器方案，未能从根本上提高条外透明纸的传送精度，无法有效解决透明纸在输送过程中产生的送纸阻塞、长度变化、机械噪声问题，无法满足图案膜/纸高速输送切割的精度要求。
发明内容
本发明目的在于提供一种传送速度和定位精度高的图案膜/纸自适应定长定位切割系统和方法，能够自适应不同速度下的图案膜/纸的定长定位切割问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种图案膜/纸自适应定长定位切割系统，包括：
图案膜/纸输送机构，用于输送薄膜或者纸张；
主轴和同步编码器连接，同步编码器用于检测主轴的位置和速度，并把检测结果发送给控制系统；
颜色视觉传感器，用于检测标记颜色并作为控制系统的输入信号触发中断；
控制系统，用于根据颜色视觉传感器输入的中断信号，结合同步编码器的检测结果，基于提出的图案膜/纸自适应定长定位切割方法，控制交流伺服电机及传动机构的转动速度和位置，从而提供图案膜/纸输送机构的主动力，进而控制图案膜/纸的输送位置和长度；
传动及切刀机构用于切割图案膜/纸，将切割后的单张图案膜/纸分离输送到供图案膜/纸的位置；
所述人机界面通过通讯口和控制系统连接，用于实现控制参数的设置和运行状态数据显示。
进一步地，所述图案膜/纸输送机构包括一对拉膜/纸辊、膜/纸输送装置，其中拉膜/纸辊与交流伺服电机及传动机构连接，膜/纸输送装置与主轴连接。
进一步地，所述控制系统包括运动控制器和伺服驱动器，所述运动控制器和伺服驱动器放置在控制系统的机柜中，颜色视觉传感器、同步编码器的输出端均接入运动控制器，运动控制器和伺服驱动器连接，伺服驱动器的输出端接入交流伺服电机及传动机构。
进一步地，所述颜色视觉传感器设置于拉膜/纸辊输送前端固定距离，且位于图案膜/纸的标记颜色正上方。
进一步地，所述同步编码器的旋转轴与主轴的一端通过联轴器机械连接。
进一步地，所述的人机界面采用工业触摸屏，控制参数包括图案位置、单张图案膜/纸的长度、同步编码器的零位偏置、交流伺服电机及传动机构中伺服电机与同步编码器的比例系数，运行状态数据包括电机电流、电机速度、图案膜/纸的当前位置。
一种图案膜/纸自适应定长定位切割方法，包括以下步骤：
步骤1、主轴零位标定：根据同步编码器和主轴的基准位置，设置同步编码器的零位偏置，完成主轴零位的标定；
步骤2、设计自适应电子齿轮：首先基于图案膜/纸输送机构中一对拉膜/纸辊和主轴的位置及速度关系，构建基准电子齿轮；然后通过颜色视觉传感器触发中断，在线计算不同运行速度下的图案膜/纸的长度L；最后更新所述基准电子齿轮的位移量P，实现不同速度张力变化下的自适应电子齿轮；
步骤3、电子齿轮同步跟随控制：基于所述自适应电子齿轮，结合同步编码器检测主轴的位置和速度，实现拉膜/纸辊的位置同步和速度同步跟随控制，达到不同速度下的自适应定长输送目的；
步骤4、同步位置补偿：颜色视觉传感器检测到标记颜色时，同步编码器记录主轴的位置，实时计算标记颜色位置和设定位置的偏差E，计算补偿量C，通过P＝L+C更新所述基准电子齿轮的位移量P，完成同步位置补偿，达到图案位置的定位目的；
步骤5、同步切割：图案膜/纸同步输送的同时，主轴通过传动机构带动传动及切刀机构运动，在同步区完成图案膜/纸的切割。
进一步地，步骤2所述计算不同运行速度下的图案膜/纸的长度L，具体为：采用滤波算法得到当前速度下的图案膜/纸的长度L。
进一步地，步骤4所述计算补偿量C，具体为：C＝α*E，其中α为交流伺服电机及传动机构中伺服电机与同步编码器的跟随比。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用伺服控制的独立传送装置，提高了传送速度和定位精度，降低了机械噪声；(2)采用同步智能位置补偿精确伺服控制技术和自适应电子齿轮同步跟随控制技术，实现切割长度、传送位置的自动调整，避免不同速度下图案膜/纸由于不同的张力导致的图案膜/纸的长度波动问题；(3)能够自适应不同速度下的图案膜/纸的定长定位切割问题，提高传送速度和定位精度，减低机械噪声，提升图案膜/纸质量和档次。
附图说明
图1为本发明图案膜/纸自适应定长定位切割系统的组成示意图。
图2为本发明图案膜/纸自适应定长定位切割方法的流程示意图。
图3为本发明中自适应电子齿轮设计方法流程图。
图4为本发明中同步智能位置补偿方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
针对图案膜/纸的定长定位切割问题，目前传统的机械差速补偿方案或者伺服控制电子离合器方案都不能很好满足图案膜/纸的高速、高精度及低噪声的要求，特别是不同速度下图案膜/纸由于不同的张力导致的图案膜/纸的长度波动问题。本发明图案膜/纸自适应定长定位切割系统及方法，能够自适应不同速度下的图案膜/纸的定长定位切割问题，提高传送速度和定位精度，减低机械噪声，提升图案膜/纸质量和档次。
本发明图案膜/纸自适应定长定位切割系统，包括：
图案膜/纸输送机构3，用于输送薄膜或者纸张；
主轴7和同步编码器8连接，同步编码器8用于检测主轴7的位置和速度，并把检测结果发送给控制系统1；
颜色视觉传感器6，用于检测标记颜色并作为控制系统1的输入信号触发中断；
控制系统1，用于根据颜色视觉传感器6输入的中断信号，结合同步编码器8的检测结果，基于提出的图案膜/纸自适应定长定位切割方法，控制交流伺服电机及传动机构5的转动速度和位置，从而提供图案膜/纸输送机构3的主动力，进而控制图案膜/纸的输送位置和长度；
传动及切刀机构4用于切割图案膜/纸，将切割后的单张图案膜/纸分离输送到供图案膜/纸的位置；
所述人机界面2通过通讯口和控制系统1连接，用于实现控制参数的设置和运行状态数据显示。
作为可选的实施例，所述图案膜/纸输送机构3包括一对拉膜/纸辊11、膜/纸输送装置12，其中拉膜/纸辊11与交流伺服电机及传动机构5连接，膜/纸输送装置12与主轴7连接。
作为可选的实施例，所述控制系统1包括运动控制器9和伺服驱动器10，所述运动控制器9和伺服驱动器10放置在控制系统1的机柜中，颜色视觉传感器6、同步编码器8的输出端均接入运动控制器9，运动控制器9和伺服驱动器10连接，伺服驱动器10的输出端接入交流伺服电机及传动机构5。
作为可选的实施例，所述颜色视觉传感器6设置于拉膜/纸辊11输送前端固定距离，且位于图案膜/纸的标记颜色正上方。
作为可选的实施例，所述同步编码器8的旋转轴与主轴7的一端通过联轴器机械连接。
作为可选的实施例，所述的人机界面2采用工业触摸屏，控制参数包括图案位置、单张图案膜/纸的长度、同步编码器8的零位偏置、交流伺服电机及传动机构5中伺服电机与同步编码器8的比例系数，运行状态数据包括电机电流、电机速度、图案膜/纸的当前位置。
一种图案膜/纸自适应定长定位切割方法，包括以下步骤：
步骤1、主轴7零位标定：根据同步编码器8和主轴7的基准位置，设置同步编码器8的零位偏置，完成主轴7零位的标定；
步骤2、设计自适应电子齿轮：首先基于图案膜/纸输送机构3中一对拉膜/纸辊11和主轴7的位置及速度关系，构建基准电子齿轮；然后通过颜色视觉传感器6触发中断，在线计算不同运行速度下的图案膜/纸的长度L；最后更新所述基准电子齿轮的位移量P，实现不同速度张力变化下的自适应电子齿轮；
步骤3、电子齿轮同步跟随控制：基于所述自适应电子齿轮，结合同步编码器8检测主轴7的位置和速度，实现拉膜/纸辊11的位置同步和速度同步跟随控制，达到不同速度下的自适应定长输送目的；
步骤4、同步位置补偿：颜色视觉传感器6检测到标记颜色时，同步编码器8记录主轴7的位置，实时计算标记颜色位置和设定位置的偏差E，计算补偿量C，通过P＝L+C更新所述基准电子齿轮的位移量P，完成同步位置补偿，达到图案位置的定位目的；
步骤5、同步切割：图案膜/纸同步输送的同时，主轴7通过传动机构带动传动及切刀机构4运动，在同步区完成图案膜/纸的切割。
作为可选的实施例，步骤2所述计算不同运行速度下的图案膜/纸的长度L，具体为：滤波算法采用均值滤波，颜色视觉传感器6触发中断时记录交流伺服电机及传动机构5中伺服电机的位置，将相邻两次位置的差值作为当前速度下的图案膜/纸的长度L的计算值，将L的n个计算值L1,L2,...,Ln进行均值滤波得到当前速度下的图案膜/纸的长度L，即
作为可选的实施例，步骤4所述计算补偿量C，具体为：C＝α*E，其中α为交流伺服电机及传动机构5中伺服电机与同步编码器8的跟随比。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
结合图1，本发明图案膜/纸自适应定长定位切割系统，包括控制系统1，人机界面2，图案膜/纸输送机构3，传动及切刀机构4，交流伺服电机及传动机构5，颜色视觉传感器6，主轴7和同步编码器8；其中控制系统1包括运动控制器9和伺服驱动器10；图案膜/纸输送机构3包括一对拉膜/纸辊11、膜/纸输送装置12。
所述运动控制器9和伺服驱动器10放置在控制系统1中，运动控制器9和伺服驱动器10连接，伺服驱动器10和交流伺服电机及传动机构5连接，交流伺服电机及传动机构5和图案膜/纸输送机构3的一对拉膜/纸辊11连接；
所述同步编码器8的旋转轴与主轴7的一端通过联轴器机械连接，同步编码器8的信号输出和控制系统1的运动控制器9连接；
所述颜色视觉传感器6安装在图案膜/纸输送机构3上，位于图案膜/纸的标记颜色的上方；颜色视觉传感器6的信号输出和控制系统1的运动控制器9连接；
所述人机界面2通过通讯口和控制系统1的运动控制器9的通讯口连接。
进一步地，所述的人机界面2，采用工业触摸屏，用于实现控制参数的设置和运行状态数据显示。
进一步地，所述的控制系统1，包括运动控制器9和伺服驱动器10，用于通过交流伺服电机及传动机构5提供图案膜/纸输送机构3的主动力，控制图案膜/纸的输送位置和长度。
进一步地，所述的图案膜/纸输送机构3，包括一对拉膜/纸辊11和膜/纸输送装置12，所述拉膜/纸辊11采用包胶辊，用于输送薄膜和纸张。
进一步地，所述的颜色视觉传感器6，用于检测标记颜色并作为控制系统1的输入信号触发中断。
进一步地，所述的主轴7和同步编码器8，同步编码器8用于检测主轴7的位置和速度，并把检测结果发送给控制系统1。
进一步地，所述的传动及切刀机构4，用于切割图案膜/纸，膜/纸输送装置12将切割后的单张图案膜/纸分离，输送到供图案膜/纸的位置。
结合图2，本发明图案膜/纸自适应定长定位切割方法，包括以下步骤：
步骤1、主轴零位标定：根据同步编码器8和主轴7的基准位置，设置同步编码器8的零位偏置，完成主轴7零位的标定；
步骤2、设计自适应电子齿轮：结合图3，首先基于图案膜/纸输送机构中一对拉膜/纸辊11和主轴7的位置及速度关系，构建基准电子齿轮；然后通过颜色视觉传感器6触发中断，在线计算不同运行速度下的图案膜/纸的长度L；最后更新所述基准电子齿轮的位移量P，实现不同速度张力变化下的自适应电子齿轮；
所述计算不同运行速度下的图案膜/纸的长度L，具体为：滤波算法采用均值滤波，颜色视觉传感器6触发中断时记录交流伺服电机及传动机构5中伺服电机的位置，将相邻两次位置的差值作为当前速度下的图案膜/纸的长度L的计算值，将L的n个计算值L1,L2,...,Ln进行均值滤波得到当前速度下的图案膜/纸的长度L，即
如在速度为100rpm时，连续三次读到的电机位置为17713、37542、57335，则L1＝37542-17713＝19829，L2＝57335-37542＝19793，得到
步骤3、电子齿轮同步跟随控制：基于所述自适应电子齿轮，结合同步编码器8检测主轴7的位置和速度，实现拉膜/纸辊11的位置同步和速度同步跟随控制，达到不同速度下的自适应定长输送目的；
步骤4、同步智能位置补偿：结合图4，颜色视觉传感器6检测到标记颜色时，同步编码器8记录主轴7的位置，实时计算标记颜色位置和设定位置的偏差E，计算补偿量C，通过P＝L+C更新所述基准电子齿轮的位移量P，完成同步位置补偿，达到图案位置的定位目的；
所述计算补偿量C，具体为：C＝α*E，其中α为交流伺服电机及传动机构5中伺服电机与同步编码器8的跟随比。
如在速度为100rpm时，L＝19811，跟随比α为15，计算的偏差E为27，则补偿量C＝α*E＝405，最后更新P＝L+C＝20216。
步骤5、同步切割：图案膜/纸同步输送的同时，主轴7通过传动机构带动切刀机构4运动，在同步区完成图案膜/纸的切割。
综上所述，本发明图案膜/纸自适应定长定位切割系统及方法，采用伺服控制的独立传送装置，提高了传送速度和定位精度，降低了机械噪声；采用同步智能位置补偿精确伺服控制技术和自适应电子齿轮同步跟随控制技术，实现切割长度、传送位置的自动调整，解决了不同速度下图案膜/纸由于不同的张力导致的图案膜/纸的长度波动问题。
Claims (9)
1.一种图案膜/纸自适应定长定位切割系统，其特征在于，包括：
图案膜/纸输送机构(3)，用于输送薄膜或者纸张；
主轴(7)和同步编码器(8)连接，同步编码器(8)用于检测主轴(7)的位置和速度，并把检测结果发送给控制系统(1)；
颜色视觉传感器(6)，用于检测标记颜色并作为控制系统(1)的输入信号触发中断；
控制系统(1)，用于根据颜色视觉传感器(6)输入的中断信号，结合同步编码器(8)的检测结果，基于提出的图案膜/纸自适应定长定位切割方法，控制交流伺服电机及传动机构(5)的转动速度和位置，从而提供图案膜/纸输送机构(3)的主动力，进而控制图案膜/纸的输送位置和长度；
传动及切刀机构(4)用于切割图案膜/纸，将切割后的单张图案膜/纸分离输送到供图案膜/纸的位置；
人机界面(2)通过通讯口和控制系统(1)连接，用于实现控制参数的设置和运行状态数据显示；
所述图案膜/纸自适应定长定位切割系统的工作过程如下：
主轴(7)零位标定：根据同步编码器(8)和主轴(7)的基准位置，设置同步编码器(8)的零位偏置，完成主轴(7)零位的标定；
设计自适应电子齿轮：首先基于图案膜/纸输送机构(3)中一对拉膜/纸辊(11)和主轴(7)的位置及速度关系，构建基准电子齿轮；然后通过颜色视觉传感器(6)触发中断，在线计算不同运行速度下的图案膜/纸的长度L；最后更新所述基准电子齿轮的位移量P，实现不同速度张力变化下的自适应电子齿轮；
电子齿轮同步跟随控制：基于所述自适应电子齿轮，结合同步编码器(8)检测主轴(7)的位置和速度，实现拉膜/纸辊(11)的位置同步和速度同步跟随控制，达到不同速度下的自适应定长输送目的；
同步位置补偿：颜色视觉传感器(6)检测到标记颜色时，同步编码器(8)记录主轴(7)的位置，实时计算标记颜色位置和设定位置的偏差E，计算补偿量C，通过P＝L+C更新所述基准电子齿轮的位移量P，完成同步位置补偿，达到图案位置的定位目的；
同步切割：图案膜/纸同步输送的同时，主轴(7)通过传动机构带动传动及切刀机构(4)运动，在同步区完成图案膜/纸的切割。
2.根据权利要求1所述的图案膜/纸自适应定长定位切割系统，其特征在于，所述图案膜/纸输送机构(3)包括一对拉膜/纸辊(11)、膜/纸输送装置(12)，其中拉膜/纸辊(11)与交流伺服电机及传动机构(5)连接，膜/纸输送装置(12)与主轴(7)连接。
3.根据权利要求1或2所述的图案膜/纸自适应定长定位切割系统，其特征在于，所述控制系统(1)包括运动控制器(9)和伺服驱动器(10)，所述运动控制器(9)和伺服驱动器(10)放置在控制系统(1)的机柜中，颜色视觉传感器(6)、同步编码器(8)的输出端均接入运动控制器(9)，运动控制器(9)和伺服驱动器(10)连接，伺服驱动器(10)的输出端接入交流伺服电机及传动机构(5)。
4.根据权利要求2所述的图案膜/纸自适应定长定位切割系统，其特征在于，所述颜色视觉传感器(6)设置于拉膜/纸辊(11)输送前端固定距离，且位于图案膜/纸的标记颜色正上方。
5.根据权利要求2所述的图案膜/纸自适应定长定位切割系统，其特征在于，所述同步编码器(8)的旋转轴与主轴(7)的一端通过联轴器机械连接。
6.根据权利要求2所述的图案膜/纸自适应定长定位切割系统，其特征在于，所述的人机界面(2)采用工业触摸屏，控制参数包括图案位置、单张图案膜/纸的长度、同步编码器(8)的零位偏置、交流伺服电机及传动机构(5)中伺服电机与同步编码器(8)的比例系数，运行状态数据包括电机电流、电机速度、图案膜/纸的当前位置。
7.一种图案膜/纸自适应定长定位切割方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、主轴(7)零位标定：根据同步编码器(8)和主轴(7)的基准位置，设置同步编码器(8)的零位偏置，完成主轴(7)零位的标定；
步骤2、设计自适应电子齿轮：首先基于图案膜/纸输送机构(3)中一对拉膜/纸辊(11)和主轴(7)的位置及速度关系，构建基准电子齿轮；然后通过颜色视觉传感器(6)触发中断，在线计算不同运行速度下的图案膜/纸的长度L；最后更新所述基准电子齿轮的位移量P，实现不同速度张力变化下的自适应电子齿轮；
步骤3、电子齿轮同步跟随控制：基于所述自适应电子齿轮，结合同步编码器(8)检测主轴(7)的位置和速度，实现拉膜/纸辊(11)的位置同步和速度同步跟随控制，达到不同速度下的自适应定长输送目的；
步骤4、同步位置补偿：颜色视觉传感器(6)检测到标记颜色时，同步编码器(8)记录主轴(7)的位置，实时计算标记颜色位置和设定位置的偏差E，计算补偿量C，通过P＝L+C更新所述基准电子齿轮的位移量P，完成同步位置补偿，达到图案位置的定位目的；
步骤5、同步切割：图案膜/纸同步输送的同时，主轴(7)通过传动机构带动传动及切刀机构(4)运动，在同步区完成图案膜/纸的切割。
8.根据权利要求7所述的图案膜/纸自适应定长定位切割方法，其特征在于，步骤2所述计算不同运行速度下的图案膜/纸的长度L，具体为：采用滤波算法得到当前速度下的图案膜/纸的长度L。
9.根据权利要求7所述的图案膜/纸自适应定长定位切割方法，其特征在于，步骤4所述计算补偿量C，具体为：C＝α*E，其中α为交流伺服电机及传动机构(5)中伺服电机与同步编码器(8)的跟随比。
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