CN110355804B - 一种切割不同宽度水松纸的切割参数调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切割不同宽度水松纸的切割参数调整方法。本发明对切纸轮机构和刀辊机构进行模拟仿真并且调整切割参数至能够完成水松纸切割工作的方法，大大降低了对切纸轮机构和刀辊机构模拟的计算量，可以快速确定能够完成水松纸切割工作的切割参数，从而在保证切割完整度的情况下，降低刀片的变形量，保证切割过程中装置的稳定性及使用寿命。

Description

一种切割不同宽度水松纸的切割参数调整方法

技术领域

本发明属于机械领域，尤其涉及一种切割不同宽度水松纸的切割参数调整方法。

背景技术

水松纸切割装置是ZJ119型卷接机组接装机的重要组成部分，主要由切纸轮机构、刀辊机构以及传动部分等组成。水松纸切割时，切纸轮机构与刀辊机构相向同速转动，镶块和刀片相互啮合将水松纸带连续地切割成符合长度要求的水松纸片，并将其分开一段距离后粘贴到“烟组”相应位置。切纸轮机构、刀辊机构的结构如图1所示，其中1—端盖；2—刀片；3—刀辊架；4—箱体；5—墙板；6—伺服电机；7—镶块；8—轮体；9—手轮。

水松纸切割装置将间歇式送纸机构输送的水松纸带切割成符合规定长度的水松纸片。间歇式送纸机构的水松纸辊随切纸轮机构同速转动进行水松纸输送。切割水松纸时，切纸轮机构轮体8的配气机构将水松纸吸附于镶块7并随切纸轮同步旋转。刀辊机构的刀辊架3安装12把刀片2(硬质合金刀)，并与刀辊架等速旋转。刀刃伸入切纸轮机构切割槽中，与切纸轮机构的镶块接触。刀辊为锥形，切纸轮机构与刀辊机构相向同步转动时，刀刃与镶块啮合，形成切割原理，将水松纸切断。由于切纸轮机构的线速度比间歇式供纸机构的速度稍快，因此，切割后的水松纸片吸附于镶块并以切纸轮机构线速度运动，与水松纸带形成一段滑差。

水松纸切割装置基于“剪刀”原理进行旋转切割，具有滚切式和剪切式两种切割方式。滚切式水松纸切割装置采用线接触式切割，其工作噪声和振动大，刀刃磨损严重，切割质量不稳定。新型剪切式水松纸切割装置采用点接触式切割，镶块与刀片的切割初始点由内向外运动，切割初始点运动轨迹为圆柱面与单叶双曲面相交的复杂空间曲线。载荷小，刀刃变形小，具有良好的高速稳定性。

实际应用过程中，镶块与刀片啮合时，变形过大，刀片和切纸轮磨损加剧且易断裂；没有变形会导致水松纸不易切断。因此，研究水松纸切割装置切割参数对于提高水松纸切割稳定性具有重要意义。而在实际切纸的过程中，不同的烟对于纸张的宽度要求不同，例如74mm或80mm宽等，而为了延长刀片的使用寿命，通常会使得镶块与刀片啮合滑动的长度完成切割任务的同时，尽可能的小，从而保证可以切断纸张的同时，降低刀片与镶块的摩擦时间，减少摩擦产生的热量和刀片切割时的变形区域。

因此现有的需要根据需要的纸宽调节的方式，通常是调整其进纸速度，刀辊架和轮体的旋转速度以及规格和形状等，而且需要经过多次的人工调试，对装置进行的改动大，不仅容易导致整个装置配合的精确度出现问题，要对整体装置进行重新调试，而且工作量非常大，且调试的不够精确，且很容易造成镶块与刀片啮合滑动大于纸张宽度或镶块与刀片啮合时变形过大，损坏刀具，因此需要一种更精确的刀片安装确定方法确定刀片的安装位置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种切割不同宽度水松纸的切割参数调整方法。本发明公开对水松纸切割装置的切纸轮机构的镶块与刀辊机构的刀片进行等效模拟仿真并且调整刀辊架形状参数以及刀片的移动量，求解水松纸切割装置切割参数的方法，可以快速确定切割不同宽度水松纸的水松纸切割装置的切割参数，从而在保证切割质量的前提下，选取刀片变形量较小的切割参数，保证切割过程中装置的稳定性及使用寿命，同时大大降低了对切纸轮机构与刀辊机构模拟的计算量，降低了对切水松纸切割装置整体的改动，大大节省了时间和精力。

为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：

一种切割不同宽度水松纸的切割参数调整方法，包括如下步骤：

步骤一、得到镶块的刀刃旋转产生的圆柱面状的刀刃包络面和刀片的刀刃旋转产生的单叶双曲面状的刀刃包络面，得到切割轨迹；

步骤二、根据圆柱面状的刀刃包络面和单叶双曲面状的刀刃包络面的重合点计算得到镶块与刀片的切割初始点由切割初始点运动至切割终点刀片转动的角度θ；

步骤三、输入所需要切割的水松纸的初始宽度h，即得到镶块与刀片啮合的点由切割初始点运动至切割终点的长度为h时刀片转动的角度θ₁；

步骤四、输入所需要切割的水松纸的宽度2w；调整刀辊架小端高度、大端高度和刀片在刀辊架安装面沿刀辊架安装面的相对面即C面的垂直向的移动量；其中设刀辊架小端高度调整量a、大端高度调整量b、刀片刃口沿C面垂直方向向外侧的延伸移动量为d；根据步骤一和步骤二计算得到调整刀辊架小端高度、大端高度和刀片移动量后镶块与刀片切割水松纸宽度＝2w时，切割初始点由切割初始点运动至切割终点刀片转动的角度θ₂；

步骤五、若θ₁＜θ₂则重新调整a、b、d，否则进行下一步；

步骤六、设镶块与刀片啮合的切割初始点时，刀片的初始角度为T，则计算刀片的转动角度为T+g时，镶块与刀片是否处于啮合状态且干涉量小于设定值i，否则重复新调整a、b、d，是则计算T+2g时镶块与刀片是否处于啮合状态；否则重复新调整a、b、d；是则计算T+3g镶块与刀片是否处于啮合状态且干涉量小于i；重复上述步骤至T+n*g；n*g≥θ₂；若T+n*g时镶块与刀片处于啮合状态且干涉量小于i则进行下一步，否者否则重复新调整a、b、d；n为自然数；

步骤七、输出a、b、d的值。

进一步的改进，所述g＝0.003；n*g＝θ₂；h＝74mm，i＝0.01mm。

进一步的改进，所述步骤一的步骤如下：以切纸轮轮体几何中心点为原点O,切纸轮轮体旋转中心线为X轴，水平方向为Y轴，竖直方向为Z轴建立空间直角坐标系OXYZ；剪切式水松纸切割装置镶块刀刃随切纸轮轮体中心线旋转产生圆柱面状的刀刃包络面，设x、y、z为变量，镶块刀刃包络面的曲面方程见式(1.1)，其中w为设定水松纸宽度值的一半；

其中，z表示镶块刀刃包络面的曲面在Z轴向的坐标；y表示镶块刀刃包络面的曲面在Y轴向的坐标；x表示镶块刀刃包络面的曲面在X轴向的坐标；

刀片安装于具有锥度的刀辊架上且具有高度差，绕刀辊轮体中心向旋转产生单叶双曲面状的刀刃包络面，设刀片刀刃两端的坐标分别为A2(x₁,y₁,z₁)、B2(x₂,y₂,z₂)：

联立方程(1.1)、(1.10)即为切割轨迹，见式(1.11)；

进一步的改进，所述步骤二的步骤如下：根据切割轨迹得到切割初始点和切割终点s₁(x₃,y₃,z₃)、s₂(x₄,y₄,z₄)，采用空间投影法，将切割初始点与切割终点投影至YOZ平面可得投影点s₁′(0,y₃,z₃)、s₂′(0,y₄,z₄)，角s₁′O s₂′即水松纸切割时长即为切纸轮系统由切割初始点运动至切割终点所需角度θ。

进一步的改进，所述步骤四的步骤如下：

以刀辊架小端高度、大端高度以及刀片移动量为变量，刀辊架小端高度调整量a、大端高度调整量b、移动量为刀片沿垂直于C面向左的移动量d；设刀片端点初始坐标分别为A0(x₀₁,y₀₁,z₀₁)、B0(x₀₂,y₀₂,z₀₂)、A01(x₀₃,y₀₃,z₀₃)；其中A0(x₀₁,y₀₁,z₀₁)、B0(x₀₂,y₀₂,z₀₂)分别为刀片刃口两端的坐标；

刀片刃口两端端点A0、B0通过a、b两个调整量调整后，刀片刃口的端点坐标分别为A1(x₀₁,y₀₁,z₀₁+a)、B1(x₀₂,y₀₂,z₀₂+b)，刀片另一端点的坐标为A01(x₀₃,y₀₃,z₀₃+a)；

A01点坐标不变，A1、B1沿垂直C面垂直向移动d后的坐标分别为A2(x₁,y₁,z₁)、B2(x₂,y₂,z₂)；点A1移动d距离后得到点A2，并根据空间投影法可得其各分量值，C面即刀片安装面的相对面；

得到角度值α₁、α₂：α₁为线段A1A2在XOY平面的投影线与Y轴的夹角；α₂为线段A1A2在YOZ平面的投影线与Z轴的夹角；

由式(1.2)、(1.3)、(1.4)、(1.5)可得：

因此，经过移动量a、b、d调整量调整后，坐标点A2、B2的坐标分量分别为：

；将坐标点A2、B2输入式(1.10)。

进一步的改进，所述步骤六中，判断镶块与刀片是否处于啮合状态的方法如下：为完成切割工作，切割过程中，镶块与刀片始终处于啮合状态并且变形量处于0至i范围：

采用空间投影法，将水松纸切割装置投影至YOZ平面，刀片等效为其刀刃曲线AB，镶块等效为三角形k₁、k₂、k₃；k₁、k₂、k₃分别为镶块的；

镶块k₁k₂k₃绕镶块的旋转中心O₁顺时针旋转，刀片AB绕刀片的旋转中心O₂逆时针旋转，进行切割运动；设三角形顶点坐标为k₁(x₅,y₅,z₅)、k₂(x₆,y₆,z₆)、k₃(x₇,y₇,z₇)；

将镶块顶点k₂投影至刀刃AB，相交于点k₄(x₈,y₈,z₈)；若k₄点z值小于k₂点z值，即z₈<z₆，则镶块与刀片处于干涉状态且干涉量小于0.01mm，即镶块与刀片处于啮合状态；否则不处于啮合状态；根据投影原理，辊架小端高度调整量a、大端高度调整量b、移动量d为变量，基于MATLAB对水松纸切割系统的镶块与刀片进行干涉分析。

进一步的改进，所述步骤七中输出a、b、d的值，并按照其中一组a、b、d的值调整辊架的小端高度、大端高度和刀片的安装位置。

附图说明

图1为切纸轮机构、刀辊机构的结构

图2为刀片端点位置示意图；

图3为刀辊架示意图；

图4为移动量d投影原理图；

图5为切割轨迹图；

图6为切割轨迹得到切割初始点的图；

图7切割初始点与切割终点投影至YOZ平面的图；

图8干涉原理图；

图9基于MATLAB对水松纸切割系统调节的流程示意图。

具体实施方式

本发明的步骤如下：

步骤一、水松纸切割装置镶块与切刀的切割包络面建模。

剪切式水松纸切割装置通过镶块与刀片的刀刃包络曲面构成啮合曲线，将水松纸带连续地切割成规定长度的水松纸片。基于“剪切”原理，建立水松纸切割装置的数值模型，分析不同宽度水松纸切割装置的切割参数。

以切纸轮轮体几何中心点为原点O,切纸轮轮体旋转中心线为X轴，水平方向为Y轴，竖直方向为Z轴建立空间直角坐标系OXYZ。剪切式水松纸切割装置镶块刀刃随切纸轮轮体中心线旋转产生圆柱面状的刀刃包络面，其曲面方程见式1.1，其中w为水松纸宽度值的一半。

设刀片刃口端点初始坐标分别为A0(x₀₁,y₀₁,z₀₁)、B0(x₀₂,y₀₂,z₀₂)、A01(x₀₃,y₀₃,z₀₃)，见图2。

以刀辊架小端高度、大端高度以及移动量为变量，刀辊架小端高度调整量a、大端高度调整量b、移动量为刀片沿垂直于C面向左的移动量d，见图3。

刀片刃口端点A0、B0通过a、b两个调整量调整后，刀片刃口端点坐标分别为A1(x₀₁,y₀₁,z₀₁+a)、B1(x₀₂,y₀₂,z₀₂+b)、A01(x₀₃,y₀₃,z₀₃+a)。

A01点坐标不变，A1、B1沿垂直C面移动d后的坐标分别为A2(x₁,y₁,z₁)、B2(x₂,y₂,z₂)。点A1移动d距离后得到点A2，并根据空间投影法可得其各分量值，见图4。

其中角度值α₁、α₂、α₃、α₄为：

由式(1.2)、(1.3)、(1.4)、(1.5)可得：

因此，经过移动量a、b、c调整量调整后，坐标点A2、B2的坐标分量分别为：

刀片安装于具有一定锥度的刀辊架且具有一定的高度差，绕刀辊轮体中心向旋转产生单叶双曲面状的刀刃包络面。其单叶双曲面方程，见式(1.10)。

步骤二、计算水松纸切割轨迹

水松纸切割装置切割轨迹为镶块刀刃包络面与切刀刀刃包络面相交的复杂空间曲线，见图5，联立方程(1.1)、(1.10)即为切割轨迹，见式(1.11)。

步骤三、计算切割时长

切割不同宽度水松纸时，需对切割装置进行切割参数调整。为减少ZJ119接装机水松纸供纸系统的调整量，需对修改后的水松纸切割装置与水松纸供纸系统进行参数匹配，即切割不同宽度水松纸所需时长需小于切割74mm宽水松纸所需时长。

水松纸切割时长为切割一片水松纸片所需时间，即切割初始点由切割初始点s₁运动至切割终点s₂所需时间，由切割轨迹可得切割初始点s₁(x₃,y₃,z₃)、s₂(x₄,y₄,z₄)，见图6。

因此，采用空间投影法，将切割初始点与切割终点投影至YOZ平面可得投影点s₁′(0,y₃,z₃)、s₂′(0,y₄,z₄)，见图7。水松纸切割时长即为切纸轮系统由切割初始点运动至切割终点所需角度θ，见式(1.12)。

步骤四、运动干涉分析

刀辊相对切纸轮的正确调整保证了水松纸分切的可靠性，又提高了刀片和切纸轮的使用寿命。镶块与刀片啮合时，变形过大，刀片和切纸轮磨损加剧且易断裂；没有变形或者变形过小，水松纸不易切断。因此，为完成切割工作，切割过程中，镶块与刀片始终处于啮合状态并且变形量处于0至0.01mm范围。

切纸轮机构镶块的刀刃包络面为圆柱面，刀辊机构刀片的刀刃包络面为单叶双曲面。因此，镶块的运动轨迹可视为其截面绕中心轴线的旋转运动，故采用空间投影法，将水松纸切割装置投影至YOZ平面，见图8，刀片等效为其刀刃曲线AB，镶块等效为三角形k₁、k₂、k₃。

如图8，镶块k₁k₂k₃绕旋转中心O₁顺时针旋转，刀片AB绕旋转中心O₂逆时针旋转，进行切割运动。设三角形顶点坐标为k₁(x₅,y₅,z₅)、k₂(x₆,y₆,z₆)、k₃(x₇,y₇,z₇)。

将镶块顶点k₂投影至刀刃AB，相交于点k₄(x₈,y₈,z₈)。若k₄点z值小于k₂点z值，即z₈<z₆，则镶块与刀片处于干涉状态，即镶块与刀片处于啮合状态。

根据投影原理，辊架小端高度调整量a、大端高度调整量b、移动量d为变量，基于MATLAB对水松纸切割系统的镶块与刀片进行干涉分析，如图9所示。

具体当初始切割宽度为74mm，调整后的切割宽度为80mm时，a、b和d的值分别为：

从上述数据中选择一组进行调整即可。

上述实施例仅仅为本发明的一个具体实施方式，对其进行的任何简单替换均在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种切割不同宽度水松纸的切割参数调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、得到镶块的刀刃旋转产生的圆柱面状的刀刃包络面和刀片的刀刃旋转产生的单叶双曲面状的刀刃包络面，得到切割轨迹：

以切纸轮轮体几何中心点为原点O,切纸轮轮体旋转中心线为X轴，水平方向为Y轴，竖直方向为Z轴建立空间直角坐标系OXYZ；剪切式水松纸切割装置镶块刀刃随切纸轮轮体中心线旋转产生圆柱面状的刀刃包络面，设x、y、z为变量，镶块刀刃包络面的曲面方程见式(1.1)，其中w为设定水松纸宽度值的一半；

其中，z表示镶块刀刃包络面的曲面在Z轴向的坐标；y表示镶块刀刃包络面的曲面在Y轴向的坐标；x表示镶块刀刃包络面的曲面在X轴向的坐标；

刀片安装于具有锥度的刀辊架上且具有高度差，绕刀辊轮体中心向旋转产生单叶双曲面状的刀刃包络面，设刀片刀刃两端的坐标分别为A2(x₁,y₁,z₁)、B2(x₂,y₂,z₂)：

联立方程(1.1)、(1.10)即为切割轨迹，见式(1.11)；

步骤二、根据圆柱面状的刀刃包络面和单叶双曲面状的刀刃包络面的重合点计算得到镶块与刀片由切割初始点运动至切割终点时刀片转动的角度θ：

根据切割轨迹得到切割初始点和切割终点s₁(x₃,y₃,z₃)、s₂(x₄,y₄,z₄)，采用空间投影法，将切割初始点与切割终点投影至YOZ平面可得投影点s₁′(0,y₃,z₃)、s₂′(0,y₄,z₄)，角s₁′Os₂′即水松纸切割时长即为切纸轮系统由切割初始点运动至切割终点所需角度θ；

步骤三、输入所需要切割的水松纸的初始宽度h，即得到镶块与刀片啮合的点由切割初始点运动至切割终点的长度为h时刀片转动的角度θ₁；

步骤四、输入所需要切割的水松纸的宽度2w；调整刀辊架小端高度、大端高度和刀片在刀辊架安装面沿刀辊架安装面的相对面即C面的垂直向的移动量；其中设刀辊架小端高度调整量a、大端高度调整量b、刀片刃口沿C面垂直方向向外侧的延伸移动量为d；根据步骤一和步骤二计算得到调整刀辊架小端高度、大端高度和刀片移动量后镶块与刀片切割水松纸宽度等于2w时，切割初始点由切割初始点运动至切割终点刀片转动的角度θ₂：

以刀辊架小端高度、大端高度以及刀片移动量为变量，刀辊架小端高度调整量a、大端高度调整量b、移动量为刀片沿垂直于C面向左的移动量d；设刀片端点初始坐标分别为A0(x₀₁,y₀₁,z₀₁)、B0(x₀₂,y₀₂,z₀₂)、A01(x₀₃,y₀₃,z₀₃)；其中A0(x₀₁,y₀₁,z₀₁)、B0(x₀₂,y₀₂,z₀₂)分别为刀片刃口两端的坐标；

刀片刃口两端端点A0、B0通过a、b两个调整量调整后，刀片刃口的端点坐标分别为A1(x₀₁,y₀₁,z₀₁+a)、B1(x₀₂,y₀₂,z₀₂+b)，刀片另一端点的坐标为A01(x₀₃,y₀₃,z₀₃+a)；

A01点坐标不变，A1、B1沿垂直C面垂直向左移动d后的坐标分别为A2(x₁,y₁,z₁)、B2(x₂,y₂,z₂)；点A1移动d距离后得到点A2，并根据空间投影法可得其各分量值，C面即刀片安装面的相对面；

得到角度值α₁、α₂：α₁为线段A1A2在XOY平面的投影线与Y轴的夹角；α₂为线段A1A2在YOZ平面的投影线与Z轴的夹角；

由式(1.2)、(1.3)、(1.4)、(1.5)可得：

因此，经过移动量a、b、d调整量调整后，坐标点A2、B2的坐标分量分别为：

将坐标点A2、B2输入式(1.10)；

步骤五、若θ₁<θ₂则重新调整a、b、d，否则进行下一步；

步骤六、设镶块与刀片处于啮合的切割初始点时，刀片的初始角度为T，则计算刀片的转动角度为T+g时，判断是否镶块与刀片处于啮合状态且干涉量小于设定值i，否则重复新调整a、b、d，是则计算T+2g时镶块与刀片是否处于啮合状态；否则重复新调整a、b、d；是则计算T+3g镶块与刀片是否处于啮合状态且干涉量小于i；重复上述步骤至T+n*g；n*g≥θ₂；若T+n*g时镶块与刀片处于啮合状态且干涉量小于i则进行下一步，否者否则重复新调整a、b、d；n为自然数；g＝0.003：

判断镶块与刀片是否处于啮合状态的方法如下：为完成切割工作，切割过程中，镶块与刀片始终处于啮合状态并且变形量处于0至i范围：

采用空间投影法，将水松纸切割装置投影至YOZ平面，刀片等效为其刀刃曲线AB，镶块等效为三角形k₁、k₂、k₃；k₁、k₂、k₃分别为镶块的等效边界点；

镶块k₁k₂k₃绕镶块的旋转中心O₁顺时针旋转，刀片AB绕刀片的旋转中心O₂逆时针旋转，进行切割运动；设三角形顶点坐标为k₁(x₅,y₅,z₅)、k₂(x₆,y₆,z₆)、k₃(x₇,y₇,z₇)；

将镶块顶点k₂投影至刀刃AB，相交于点k₄(x₈,y₈,z₈)；若k₄点z值小于k₂点z值，即z₈<z₆，则镶块与刀片处于干涉状态且干涉量小于0.01mm，即镶块与刀片处于啮合状态；否则不处于啮合状态；根据投影原理，辊架小端高度调整量a、大端高度调整量b、移动量d为变量，基于MATLAB对水松纸切割系统的镶块与刀片进行干涉分析；

步骤七、输出a、b、d的值，并按照其中一组a、b、d的值调整辊架的小端高度、大端高度和刀片的安装位置。

2.如权利要求1所述的切割不同宽度水松纸的切割参数调整方法，其特征在于，所述n*g＝θ₂；h＝74mm，i＝0.01mm。

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