CN111070746B - 一种用于轮胎成型控制的辊压机滚压轨迹自动生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于轮胎成型控制的辊压机滚压轨迹自动生成方法。本发明方法首先根据滚压轮的设计模型生成滚压轮样条曲线；通过轮廓仪获取胎胚样本的离散轮廓数据，生成轮廓参考样条曲线；将两者转换到世界坐标系；使用空间碰撞检测方法生成初始滚压轨迹；将滚压轨迹输入轮廓仪，获取胎胚的结果轮廓，并生成结果轮廓样条曲线；分析结果轮廓样条曲线与轮廓参考样条曲线的差异，生成误差补偿后的滚压轨迹；重复上两步操作直至结果轮廓样条曲线和轮廓参考样条曲线之间的差异稳定在合理区间内，将最终的滚压轨迹作为生产用滚压轨迹。本发明方法具有精度高、收敛快、适应性广等特点，可以提高轮胎制造的标准化、自动化和智能化程度。

Description

一种用于轮胎成型控制的辊压机滚压轨迹自动生成方法
技术领域
本发明属于智能制造领域，具体涉及轮胎辊压机滚压轨迹自动化生成的方法。本发明通过测量和分析轮胎胎面的轮廓数据，自动生成带有制造误差补充功能的辊压轨迹。
背景技术
子午线轮胎成为世界轮胎发展的主流产品以后，也逐渐成为我国相关产业政策重点扶持的方向。目前我国子午线轮胎属于高速发展阶段，但一些技术含量高、性能好的子午线轮胎所占比例依然较少。为了适应日益激烈的市场竞争，世界上包括我国在内的各大轮胎公司纷纷投入巨资，扶持子午线轮胎生产项目，这给子午线轮胎成型的相关技术发展带来机遇。
子午胎成型工序是指将前工序所生产的半成品部件，例如胎体、带束层、钢丝圈内衬层及各种型胶部件等，在成型机上组合成胚胎的过程。北京贝特里戴瑞科技发展有限公司的李宝奎曾提出一种全钢子午线轮胎成型机新胎面滚压机构，并对应提出了该机构的平移摆转控制技术。该滚压机构，其结构简单，方便调整，但对电器控制也提出了更高的要求。董世春、刘华等人曾深入探讨了半钢子午胎成型工艺对轮胎质量的影响，并认为胎面存在的贴偏和不均匀拉伸，是造成轮胎肩空、肩爆的主要因素之一，也是影响轮胎动平衡和均匀性的重要因素。若胎面贴偏，则使轮胎肩部一侧偏厚，而另一侧偏薄，材料分布不均，造成轮胎肩空、肩爆。超长的胎面在贴合时，局部材料过剩而起鼓，压胎面时，起鼓部位压辊压不实，易存有空气，使用过程中，对应位置生热高，易脱空，致使轮胎肩空、肩爆。而超短的胎面在贴合时，造成局部拉伸严重，使局部材料不足，在使用过程中易爆破。以上操作均能影响轮胎的动平衡和均匀性。胎面压辊是控制胎面质量的最关键环节。
胎面压辊是成型机组合压辊的后压辊，其滚压轨迹决定了轮胎冠部及肩部各层的气泡是否能驱离干净，进而决定了各层之间是否实现紧密贴合。如不能将气泡驱离干净将导致成品胎肩空、层间气泡等疵病发生，严重影响轮胎品质和寿命，造成轮胎不合格。每种规格的轮胎在不同的成型机生产时，需人工不断调试各压辊参数以实现胎面轮廓的一致性。因为轮廓测量不能在位实现，装夹导致的变形往往使操作人员无法做出正确的判断，从而导致轮廓质量的反复。整个过程耗时严重且造成大量的物料浪费。因此，实现压辊机滚压轨迹的智能化、自动化生成，对于提高机台调试效率、降低轮胎疵病发生概率等具有重要价值。
发明内容
针对子午线轮胎胎面压辊工艺难控制、胎面轮廓一致性差的问题，本发明提供一种用于轮胎成型控制的辊压机滚压轨迹自动生成方法。本发明方法精度高、收敛快、适应性广，可以根据在线测量结果对滚压轨迹进行补偿纠正，从而提高轮胎制造的标准化、自动化和智能化程度。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：
一种用于轮胎成型控制的辊压机滚压轨迹自动生成方法，步骤如下：
步骤(1).根据滚压轮的设计模型生成滚压轮样条曲线；
步骤(2).使用轮廓仪获取胎胚样本的离散轮廓数据，生成轮廓参考样条曲线；
步骤(3).将滚压轮样条曲线和轮廓参考样条曲线统一转换到世界坐标系；
步骤(4).对滚压轮样条曲线和轮廓参考样条曲线进行空间碰撞检测，生成初始滚压轨迹；
步骤(5).将初始滚压轨迹输入至压辊机，进行轮胎胎面压辊成型试验，并使用轮廓仪获取胎胚的结果轮廓，生成结果轮廓样条曲线；
步骤(6).分析结果轮廓样条曲线与轮廓参考样条曲线之间的差异，并生成误差补偿后的辊压轨迹；
步骤(7).重复步骤5和步骤6的操作直至结果轮廓样条曲线和轮廓参考样条曲线之间的差异稳定在较小的合理区间内，并将最终的滚压轨迹作为生产用滚压轨迹。
进一步的，步骤(1)所述滚压轮样条曲线是轴对称和中心对称的二维封闭曲线，其几何中心与滚压轮几何中心重合，且其所在平面与滚压轮的回转对称轴平行；滚压轮样条曲线的工作面对称轴与辊压轮的回转对称轴垂直。
步骤(2)所述的轮廓仪为非接触式轮廓仪，优选的轮廓仪类型为激光3D轮廓仪。
进一步的，步骤(3)所述滚压轮样条曲线、轮廓参考样条曲线和结果轮廓样条曲线均为二维曲线，所采用的样条类型为下列之一：自然三次样条(Natural Cubic Spline)、Hermite样条、Cardinal样条、Kochanek-Bartels样条、Bezier样条、B样条。优选的样条类型为Cardinal样条。
进一步的，步骤(4)所述的对滚压轮样条曲线和轮廓参考样条曲线进行空间碰撞检测，具体方法如下：
将滚压轮样条曲线和轮廓参考样条曲线统一转换到x-y二维平面坐标系中；
将滚压轮样条曲线进行空间离散化，两个相邻的离散点Pw[i]和Pw[i+1]之间的距离为ΔL，离散点滚压轮样条曲线的工作面对称轴经过滚压轮样条曲线的几何中心点W，所述离散点顺序组成多边形Upw；
将轮廓参考样条曲线进行空间离散化，两个相邻的离散点Pc[j]和Pc[j+1]之间的距离为ΔL，计算离散点Pc[j]对应的法向量Vc[j]，所述离散点的集合为参考轮廓点集Upc；
调整多边形Upw的角度，使离散点滚压轮样条曲线的工作面对称轴与离散点Pc[j]对应的法向量Vc[j]平行；沿着离散点Pc[j]对应的法向量Vc[j]方向移动多边形Upw的位置，使Upc中仅有一个点包含在多边形Upw中，且保证滚压轮样条曲线的几何中心点W与离散点Pc[j]之间的距离最大，完成碰撞检测；
多边形Upw的位置Pt[j]和法向量Vc[j]作为离散点Pc[j]对应的轨迹信息，逐一计算和记录Upc中每个点对应的轨迹信息，作为初始滚压轨迹。
进一步的，步骤(6)所述的生成误差补偿后的辊压轨迹，具体方法如下：
将所述结果轮廓样条曲线沿x方向空间离散化为序列Sr，将所述轮廓参考样条曲线空间离散化为序列Sc，计算序列Sr和序列Sc的互相关函数CCrc；
求取所述互相关函数CCrc的最大值所对应的x轴位置Pcc-max，将序列Sc在x方向上平移Pcc-max，得到平移后的序列Scs，并将序列Scs的无效区域补零；
计算序列Sr与平移后的序列Scs之间的差值，第k个点对应的差值Src[k]＝Sr[k]-Scs[k]；
当差值Src[k]对应的绝对值Abs(Src[k])大于系统的设定阈值时，则需要对k点对应位置处的辊压轨迹进行补偿；
当Src[k]>0时，调整所述多边形Upw的角度，使多边形Upw与参考轮廓点集Upc的边界重合量Vcoin较多；调整多边形Upw的位置，使滚压轮样条曲线的几何中心点W与k点对应位置间的距离L9wk较小；整体判据为Vcoin与Lwk的比值最大；
当Src[k]<0时，调整所述多边形Upw的角度，使多边形Upw与参考轮廓点集Upc的边界重合量Vcoin较少；调整多边形Upw的位置，使滚压轮样条曲线的几何中心点W与k点对应位置间的距离Lwk较大；整体判据为Vcoin与Lwk的比值最小；
当k点对应位置的角度和距离调整后，需要对k点的临近点进行同趋势调整，调整的方法使用线性差值。
进一步的，步骤(7)中的结果轮廓样条曲线和轮廓参考样条曲线之间的差异稳定在较小的合理区间内，具体判定方法如下：
首先，计算轮廓参考样条曲线对应的Hu距Hu-c；
然后，计算第n次轮胎胎面压辊成型试验得到的结果轮廓样条曲线对应的Hu距Hu-r[n]；
当M(Hu-c,Hu-r[n])<M(Hu-c,Hu-r[n+1])和M(Hu-c,Hu-r[n])<M(Hu-c,Hu-r[n-1])都成立时，则认为结果轮廓样条曲线和轮廓参考样条曲线之间的差异已经稳定在较小的合理区间内。其中，M(Hu[a],Hu[b])是指对两个Hu距Hu[a]和Hu[b]进行匹配运算，具体计算公式为：
Figure BDA0002268753000000051
本发明有益效果如下：
第一，本发明可以根据胎面轮廓测量结果自动生成辊压轨迹，避免了繁琐耗时压辊机参数人工调整；第二，本发明提供的基于碰撞检测的轨迹生成算法比常规解析运算更加具有通用性，也可以简化计算过程具有速度快、效率高等特点，特别适用于工业现场应用。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明实施例滚压轮模型与滚压轮样条曲线示意图；
图3为本发明实施例轮胎胎胚轮廓采集装置及轮廓样条曲线示意图；
图4为本发明实施例滚压轮样条曲线与轮廓样条曲线间的空间姿态示意图；
图5为本发明实施例样条曲线空间离散化与碰撞检测示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做具体说明。
本发明的实施例涉及一种轮胎辊压机滚压轨迹自动化生成的方法，可通过测量和分析轮胎胎面的轮廓数据，自动生成带有制造误差补充功能的辊压轨迹。
如图1所示，本发明方法，步骤如下：
步骤101生成滚压轮样条曲线：根据滚压轮的设计模型生成滚压轮样条曲线，具体包括：
如图2所示，一种可行的滚压轮设计模型201是一个回转对称体，利用201的几何中心与201的回转对称轴组成的平面截取201可以得到滚压轮中心截面202。滚压轮中心截面202在几何上是严格轴对称和中心对称的，202的几何中心点204也是201的几何中心点。对滚压轮中心截面202的外轮廓线进行样条描述得到滚压轮样条曲线203。滚压轮样条曲线203是一条轴对称和中心对称的二维封闭曲线，其几何中心与滚压轮中心截面202的几何中心重合。滚压轮样条曲线203所在平面与滚压轮设计模型201的回转对称轴平行，滚压轮样条曲线203的工作面对称轴与滚压轮设计模型201的回转对称轴垂直。
滚压轮样条曲线203的样条类型为自然三次样条(Natural Cubic Spline)、Hermite样条、Cardinal样条、Kochanek-Bartels样条、Bezier样条、B样条等类型中的一种。本实施例中，采用Cardinal样条和直线方程，并通过控制位点205、控制位点206、控制位点207、控制位点208、控制位点209、控制位点210、控制位点211、控制位点212、控制位点213、控制位点214、控制位点215、控制位点216、控制位点217、控制位点218等实现滚压轮样条曲线203的数学描述。
步骤102生成轮廓参考样条曲线：如图3所示，具体方法是将轮胎胎胚301通过左侧成型鼓304和右侧成型鼓305固定在旋转主轴305上。旋转主轴305末端装有旋转编码器306，旋转主轴305转动时带动轮胎胎胚301和旋转编码器306同步转动。旋转编码器306的角度信息输出到逻辑分析器307，逻辑分析器307根据系统设定的触发条件输出触发信号电平到激光轮廓仪302的外触发端口，从而控制激光轮廓仪302采集轮胎胎胚对应位置的轮廓线。采集到的轮胎胎胚轮廓线是一系列的离散轮廓点，将所述离散轮廓点作为Cardinal样条控制点生成轮廓参考样条曲线308。
步骤103统一坐标系：如图4所示，将滚压轮样条曲线203和轮廓参考样条曲线308统一到世界坐标系中。世界坐标系的中心设在旋转主轴305的轴线上，优选与轮胎的几何中心重合。
步骤104生成初始辊压轨迹，具体步骤如下：
如图4所示，将滚压轮样条曲线203和轮廓参考样条曲线308统一转换到x-y二维平面坐标系中；
将滚压轮样条曲线308进行空间离散化，两个相邻的离散点Pw[i]和Pw[i+1]之间的距离为ΔL，具体如图5所示，离散点506和离散点505之间的距离为ΔL，离散点506和离散点507之间的距离为ΔL；离散点滚压轮样条曲线的工作面对称轴经过滚压轮样条曲线的几何中心点W，所述离散点顺序组成多边形Upw；
将轮廓参考样条曲线308进行空间离散化，两个相邻的离散点Pc[j]和Pc[j+1]之间的距离为ΔL，具体如图5所示，离散点502和离散点501之间的距离为ΔL，离散点502和离散点503之间的距离为ΔL；计算离散点Pc[j]对应位置的法向量Vc[j]，所述离散点的集合为参考轮廓点集Upc；
如图5所示，调整多边形Upw的角度，使离散点滚压轮样条曲线203的工作面对称轴与503离散点Pc[j]对应的法向量Vc[j]平行；沿着离散点Pc[j]对应的法向量Vc[j]方向移动多边形Upw的位置，使Upc中仅有一个点包含在多边形Upw中，且保证滚压轮样条曲线的几何中心点W与离散点Pc[j]之间的距离最大，完成碰撞检测；
多边形Upw的位置Pt[j]和法向量Vc[j]作为离散点Pc[j]对应的轨迹信息，逐一计算和记录Upc中每个点对应的轨迹信息，作为初始滚压轨迹。
步骤105辊压成型，生成结果轮廓样条曲线，具体方法：将滚压轨迹输入到压辊机，进行轮胎胎面压辊成型试验，并使用轮廓仪获取胎胚的结果轮廓，生成结果轮廓样条曲线；
步骤106生成新的辊压轨迹：分析结果轮廓样条曲线与轮廓参考样条曲线之间的差异，并生成误差补偿后的辊压轨迹，具体步骤为：
将所述结果轮廓样条曲线沿x方向空间离散化为序列Sr，将所述轮廓参考样条曲线空间离散化为序列Sc，计算序列Sr和序列Sc的互相关函数CCrc；
求取所述互相关函数CCrc的最大值所对应的x轴位置Pcc-max，将序列Sc在x方向上平移Pcc-max，得到平移后的序列Scs，并将序列Scs的无效区域补零；
计算序列Sr与平移后的序列Scs之间的差值，第k个点对应的差值Src[k]＝Sr[k]-Scs[k]；
当差值Src[k]对应的绝对值Abs(Src[k])大于系统的设定阈值时，则需要对k点对应位置处的辊压轨迹进行补偿；
当Src[k]>0时，调整所述多边形Upw的角度，使多边形Upw与参考轮廓点集Upc的边界重合量Vcoin较多；调整多边形Upw的位置，使滚压轮样条曲线的几何中心点W与k点对应位置间的距离Lwk较小；整体判据为Vcoin与Lwk的比值最大；
当Src[k]<0时，调整所述多边形Upw的角度，使多边形Upw与参考轮廓点集Upc的边界重合量Vcoin较少；调整多边形Upw的位置，使滚压轮样条曲线的几何中心点W与k点对应位置间的距离Lwk较大；整体判据为Vcoin与Lwk的比值最小；
当k点对应位置的角度和距离调整后，需要对k点的临近点进行同趋势调整，调整的方法使用线性差值。
步骤107生成生产用辊压轨迹：重复步骤105和步骤106的操作直至结果轮廓样条曲线和轮廓参考样条曲线之间的差异稳定在较小的合理区间内，并将最终的滚压轨迹作为生产用滚压轨迹。
具体地，上述步骤107中的结果轮廓样条曲线和轮廓参考样条曲线之间的差异稳定在较小的合理区间内，其判定方法为：
首先，计算轮廓参考样条曲线对应的Hu距Hu-c；
然后，计算第n次轮胎胎面压辊成型试验得到的结果轮廓样条曲线对应的Hu距Hu-r[n]；
当M(Hu-c,Hu-r[n])<M(Hu-c,Hu-r[n+1])和M(Hu-c,Hu-r[n])<M(Hu-c,Hu-r[n-1])都成立时，则认为结果轮廓样条曲线和轮廓参考样条曲线之间的差异已经稳定在较小的合理区间内。其中，M(Hu[a],Hu[b])是指对两个Hu距Hu[a]和Hu[b]进行匹配运算，具体计算公式为：
Figure BDA0002268753000000091
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于轮胎成型控制的辊压机滚压轨迹自动生成方法，其特征在于，该方法步骤如下：
步骤(1).根据滚压轮的设计模型生成滚压轮样条曲线；
步骤(2).使用轮廓仪获取胎胚样本的离散轮廓数据，生成轮廓参考样条曲线；
步骤(3).将滚压轮样条曲线和轮廓参考样条曲线统一转换到世界坐标系；
步骤(4).对滚压轮样条曲线和轮廓参考样条曲线进行空间碰撞检测，生成初始滚压轨迹；
步骤(5).将初始滚压轨迹输入至压辊机，进行轮胎胎面压辊成型试验，并使用轮廓仪获取胎胚的结果轮廓，生成结果轮廓样条曲线；
步骤(6).分析结果轮廓样条曲线与轮廓参考样条曲线之间的差异，并生成误差补偿后的辊压轨迹；
步骤(7).重复步骤5和步骤6的操作直至结果轮廓样条曲线和轮廓参考样条曲线之间的差异稳定在较小的合理区间内，并将最终的滚压轨迹作为生产用滚压轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种用于轮胎成型控制的辊压机滚压轨迹自动生成方法，其特征在于，步骤(1)所述滚压轮样条曲线是轴对称和中心对称的二维封闭曲线，其几何中心与滚压轮几何中心重合，且其所在平面与滚压轮的回转对称轴平行；滚压轮样条曲线的工作面对称轴与辊压轮的回转对称轴垂直。
3.根据权利要求2所述的一种用于轮胎成型控制的辊压机滚压轨迹自动生成方法，其特征在于，步骤(2)所述的轮廓仪为非接触式轮廓仪，优选的轮廓仪类型为激光3D轮廓仪。
4.根据权利要求3所述的一种用于轮胎成型控制的辊压机滚压轨迹自动生成方法，其特征在于，步骤(3)所述滚压轮样条曲线、轮廓参考样条曲线和结果轮廓样条曲线均为二维曲线，所采用的样条类型为下列之一：自然三次样条(Natural Cubic Spline)、Hermite样条、Cardinal样条、Kochanek-Bartels样条、Bezier样条、B样条；优选的样条类型为Cardinal样条。
5.根据权利要求4所述的一种用于轮胎成型控制的辊压机滚压轨迹自动生成方法，其特征在于，步骤(4)所述的对滚压轮样条曲线和轮廓参考样条曲线进行空间碰撞检测，具体方法如下：
将滚压轮样条曲线和轮廓参考样条曲线统一转换到x-y二维平面坐标系中；
将滚压轮样条曲线进行空间离散化，两个相邻的离散点Pw[i]和Pw[i+1]之间的距离为ΔL，离散点滚压轮样条曲线的工作面对称轴经过滚压轮样条曲线的几何中心点W，所述离散点顺序组成多边形Upw；
将轮廓参考样条曲线进行空间离散化，两个相邻的离散点Pc[j]和Pc[j+1]之间的距离为ΔL，计算离散点Pc[j]对应的法向量Vc[j]，所述离散点的集合为参考轮廓点集Upc；
调整多边形Upw的角度，使离散点滚压轮样条曲线的工作面对称轴与离散点Pc[j]对应的法向量Vc[j]平行；沿着离散点Pc[j]对应的法向量Vc[j]方向移动多边形Upw的位置，使Upc中仅有一个点包含在多边形Upw中，且保证滚压轮样条曲线的几何中心点W与离散点Pc[j]之间的距离最大，完成碰撞检测；
多边形Upw的位置Pt[j]和法向量Vc[j]作为离散点Pc[j]对应的轨迹信息，逐一计算和记录Upc中每个点对应的轨迹信息，作为初始滚压轨迹。
6.根据权利要求5所述的一种用于轮胎成型控制的辊压机滚压轨迹自动生成方法，其特征在于，步骤(6)所述的生成误差补偿后的辊压轨迹，具体方法如下：
将所述结果轮廓样条曲线沿x方向空间离散化为序列Sr，将所述轮廓参考样条曲线空间离散化为序列Sc，计算序列Sr和序列Sc的互相关函数CCrc；
求取所述互相关函数CCrc的最大值所对应的x轴位置Pcc-max，将序列Sc在x方向上平移Pcc-max，得到平移后的序列Scs，并将序列Scs的无效区域补零；
计算序列Sr与平移后的序列Scs之间的差值，第k个点对应的差值Src[k]＝Sr[k]-Scs[k]；
当差值Src[k]对应的绝对值Abs(Src[k])大于系统的设定阈值时，则需要对k点对应位置处的辊压轨迹进行补偿；
当Src[k]>0时，调整所述多边形Upw的角度，使多边形Upw与参考轮廓点集Upc的边界重合量Vcoin较多；调整多边形Upw的位置，使滚压轮样条曲线的几何中心点W与k点对应位置间的距离L9wk较小；整体判据为Vcoin与Lwk的比值最大；
当Src[k]<0时，调整所述多边形Upw的角度，使多边形Upw与参考轮廓点集Upc的边界重合量Vcoin较少；调整多边形Upw的位置，使滚压轮样条曲线的几何中心点W与k点对应位置间的距离Lwk较大；整体判据为Vcoin与Lwk的比值最小；
当k点对应位置的角度和距离调整后，需要对k点的临近点进行同趋势调整，调整的方法使用线性差值。
7.根据权利要求6所述的一种用于轮胎成型控制的辊压机滚压轨迹自动生成方法，其特征在于，步骤(7)中的结果轮廓样条曲线和轮廓参考样条曲线之间的差异稳定在较小的合理区间内，具体判定方法如下：
首先，计算轮廓参考样条曲线对应的Hu距Hu-c；
然后，计算第n次轮胎胎面压辊成型试验得到的结果轮廓样条曲线对应的Hu距Hu-r[n]；
当M(Hu-c,Hu-r[n])<M(Hu-c,Hu-r[n+1])和M(Hu-c,Hu-r[n])<M(Hu-c,Hu-r[n-1])都成立时，则认为结果轮廓样条曲线和轮廓参考样条曲线之间的差异已经稳定在较小的合理区间内；其中，M(Hu[a],Hu[b])是指对两个Hu距Hu[a]和Hu[b]进行匹配运算，具体计算公式为：
Figure FDA0002268752990000031
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