CN112068488A - 点胶机防堆胶的运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的点胶机防堆胶的运动控制方法涉及一种解决点胶机堆胶问题的运动控制方法，目的是为了克服现有点胶方法在衔接点处最大允许速度很小，在相邻线段过渡位置出现低速，导致堆胶的问题，方法具体包括：步骤一、判断第i段插补线段的过渡点的类型；步骤二、计算得到第i段插补线段的过渡点的正向速度上限；步骤三、计算得到第i段插补线段的前瞻区间段数；步骤四、通过第i段插补线段的前瞻区间段数，计算得到第i段插补线段的过渡点的反向速度上限；步骤五、确定第i段插补线段的过渡点的速度，该过渡点的速度取过渡点的夹角速度上限、过渡点的正向速度上限和过渡点的反向速度上限中的最小值；依次完成各插补线段的过渡点的速度规划。

Description

点胶机防堆胶的运动控制方法

技术领域

本发明涉及自动化生产线装备领域，具体涉及一种解决点胶机堆胶问题的运动控制方法。

背景技术

在表面贴装、手机塑壳加工、PCB板制作和集成电路封装等领域，流体点胶是一道很重要的工序，它是以一种受控的方式对流体或胶体进行精确分配。在一些对点胶质量要求高的精细化加工领域，点胶需要保质保量，不仅要求高速度高精度，还要保证点胶的质量。目前，对点胶流量控制的相关技术研究已较为成熟，因此点胶速度的快速稳定成为点胶质量保证的关键。当复杂工件有较多连续密集线段时，点胶机在拐点处需要频繁启停，以保证加工的精度，这会导致堆胶出现。

并且，现有方法在利用速度前瞻解决该问题时，根据衔接点夹角约束速度公式：夹角约束速度与最大加速度和插补周期的乘积成正比，与0.5倍当前夹角的正弦值成反比。该计算公式使夹角约束速度随夹角增大而下降过快，线段衔接点处夹角较大时，夹角约束速度太小，使衔接点的最大允许速度很小；以及存在当最大加速度和插补周期的乘积、最大运行速度的取值因设备参数不同，导致夹角约束速度过小的缺陷。衔接点的最大允许速度很小，在相邻线段过渡位置就会出现低速现象，不仅使整个运行时间延长，而且造成点胶效率相对较低，在低速处会有堆胶现象。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有点胶方法在衔接点处最大允许速度很小，在相邻线段过渡位置出现低速，导致堆胶的问题，提供了一种点胶机防堆胶的运动控制方法。

本发明的点胶机防堆胶的运动控制方法，方法具体包括如下步骤：

步骤一、判断第i段插补线段的过渡点的类型，i的初始值为0；第i段插补线段的过渡点为第i段插补线段向第i+1段插补线段过渡的点，该过渡点的类型包括拐点和衔接点；

当过渡点为拐点时，则过渡点的夹角速度上限V_eer为：

V_eer＝V_safe

其中，V_safe为点胶机单轴的最大突变速度；

当过渡点为衔接点时，则过渡点的夹角速度上限由下式计算：

其中，V_max为点胶机最大运行速度；θ为第i段插补线段的速度矢量与第i+1段插补线段的速度矢量的夹角，且

ρ为夹角为

时设备允许的运行速度与最大运行速度V_max的比值；

步骤二、计算得到第i段插补线段的过渡点的正向速度上限；

步骤三、计算得到第i段插补线段的前瞻区间段数；

步骤四、通过第i段插补线段的前瞻区间段数，计算得到第i段插补线段的过渡点的反向速度上限；

步骤五、确定第i段插补线段的过渡点的速度，该过渡点的速度取过渡点的夹角速度上限、过渡点的正向速度上限和过渡点的反向速度上限中的最小值；

步骤六、i的值加1，读取下一段插补线段，转入步骤一，直至计算完所有插补线段过渡点的速度，完成各插补线段的过渡点的速度规划。

进一步地，判断过渡点的类型的具体步骤如下：

步骤一一、设第i段插补线段的速度矢量为

第i+1段插补线段的速度矢量为

则

和

投影在X、Y、Z坐标轴上的方向矢量(I_i,x,I_i,y,I_i,z)和(I_i+1,x,I_i+1,y,I_i+1,z)的计算公式分别如下：

步骤一二、判断步骤一一的两个公式中位于同一轴的两个方向矢量的符号是否相反；

若相反则认为过渡点为拐点；

若不相反则认为过渡点为衔接点。

进一步地，步骤二中计算得到第i段插补线段的过渡点的正向速度上限的具体步骤如下：

步骤二一、计算第i段插补线段的起点速度到最大运行速度在S型加减速控制下必要的加速路径长度：

其中，J_max为最大加加速度，V_s为起点速度；

步骤二二、判断第i段插补线段的长度是否大于步骤一得到的加速路径长度，求得过渡点的正向速度上限；

当L_i>S_ac，过渡点的正向速度上限V_pre＝V_max；

当L_i<S_ac，过渡点的正向速度上限通过下式求得：

其中，L_i为第i段插补线段的长度。

进一步地，步骤三中计算得到第i段插补线段的前瞻区间段数的具体步骤如下：

步骤三一、令第i段插补线段的过渡点速度取过渡点的夹角速度上限和过渡点的正向速度上限中最小的一个，

V_e′_m＝min{V_eer,V_pre}

其中，V’_em为计算前瞻区间段数所采取的临时的过渡点速度；

步骤三二、以过渡点速度开始按照S型速度曲线减速至0，计算减速路径长度：

步骤三三、从第i+1段插补线段开始，依次累加后续插补线段的长度得到累加长度，则：

若累加至第i+n段插补线段时，累加长度大于减速路径长度，则前瞻区间段数为n-1段；

若累加所有剩余段数，累加长度小于减速路径长度，则前瞻区间段数为剩余段数。

进一步地，步骤四中计算得到第i段插补线段的过渡点的反向速度上限的具体步骤如下：·

步骤四一、设定初速度为0，从第i+n-1段插补线段开始，按照步骤一和步骤二反向加速计算出该插补线段的起点速度，并把该起点速度作为前一段线段的反向约束速度；

V_s′＝min{V_eer,V_pre}

步骤四二、依次反向推算，直至计算出第i段插补线段的反向约束速度，并将该反向约束速度作为第i段插补线段的过渡点的反向速度上限V_next。

本发明的有益效果是：

主要解决现有市面点胶机在面对复杂工件的点胶任务，尤其是含有大量连续密集的线段的工件的点胶任务时，容易出现的堆胶现象，改善点胶过程中路线较曲折时前瞻效果较差的问题。

本发明的方法改进连续线段衔接点处夹角约束速度的计算公式，建立夹角约束速度与最大运行速度、0.5倍当前夹角的正弦值占比0.5倍最大夹角正弦值的函数关系，解决了原有夹角约束速度计算公式随夹角增大而下降过快的问题，以及当最大加速度和插补周期的乘积、最大运行速度的取值因设备参数不同而导致的夹角约束速度过小的问题。使点胶机在采用速度前瞻算法点胶时，不会出现衔接点夹角较小时约束速度降低到很小的情况，改善点胶过程中路线较曲折时前瞻效果较差的问题，避免了因衔接点速度太小而发生的堆胶现象。本发明使点胶机对复杂工件始终保持较快速度点胶，节省了点胶时间，提高了点胶速度和质量。

本发明根据过渡点的最大允许速度实时调整前瞻区间的大小，而且边计算边执行，保证点胶过程的实时性。

附图说明

图1为本发明的点胶机防堆胶的运动控制方法原理示意图；

图2为为点胶机点胶路径图；

图3为点胶机在过渡点处减速为零的过渡点速度曲线图；

图4为点胶机在过渡点处没有改进夹角约束速度的过渡点速度曲线图；

图5为点胶机在过渡点处采用本发明的方法改进夹角约束速度的过渡点速度曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一，本实施方式的点胶机防堆胶的运动控制方法，本实施方式的方法致力于提高精细化加工时的点胶质量；改善点胶过程中过渡位置出现的因夹角约束速度V_eer随夹角增大而下降过快，线段衔接点处夹角较大时，夹角约束速度太小，使衔接点的最大允许速度很小的现象；改善当最大加速度和插补周期的乘积A_max·T_c、最大运行速度V_max的取值因设备参数不同，导致夹角约束速度过小的低速点胶现象，解决堆胶问题。从而提出一种改进衔接点夹角约束速度公式，建立夹角约束速度V_eer随0.5倍当前夹角的正弦值

均匀变化，且以最大运行速度V_max为上限的函数关系，使点胶机在点胶全过程保持较快速度点胶的解决方案。此方案适用于含有速度前瞻功能的运动控制卡程序的设计以及自动化生产线上点胶机运动控制的算法设计。主要包括以下步骤：

步骤一、读取点胶机的点胶路线。

用户输入点胶路线上的各线段的参数，主要包括起点、终点、目标速度、最大加速度、平滑时间等，点胶机把整条点胶路线上的线段参数依次读取并存入数据缓存区的同时进行前瞻规划。

步骤二、确定第i段插补线段的过渡点的类型(i的初始值为0)。

过渡点分为拐点和衔接点。设L_i线段的速度矢量为

线段L_i+1的速度矢量为

两个速度矢量投影在X、Y、Z坐标轴上的方向矢量的计算公式如下：

如果有一轴的两个方向矢量符号相反，则认为过渡点为拐点，否则为衔接点。

步骤三、确定第i段插补线段的夹角速度上限(i的初始值为0)。

若相邻线段间为拐点，拐点速度上限为单轴可以允许的最大突变速度：V_eer＝V_safe。

若相邻线段间为衔接点，该衔接点处由于速度方向突变，存在一个突变速度，设L_i线段的速度矢量为

线段L_i+1的速度矢量为

线段间速度矢量增量为

由于同一点速度的大小不会突变，因此有

V_eer为衔接点速度上限。由几何关系，可以确定出两速度矢量间的变化为

令

代入式(1)可得最大夹角速度上限

式中，A_max是最大进给加速度，T_c插补周期，θ为两线段速度矢量的夹角。

假设线段L_i的端点坐标为P_i-1＝(x_i-1,y_i-1,z_i-1)、P_i＝(x_i,y_i,z_i)，线段L_i+1的端点坐标为P_i＝(x_i,y_i,z_i)、P_i+1＝(x_i+1,y_i+1,z_i+1)，则0.5倍夹角的正弦值的计算公式：

步骤四、改进第i段插补线段的夹角速度上限(i的初始值为0)。

步骤三中为当前现有技术确定夹角速度上限的方法，由公式(2)可知，分母

的取值范围是固定的，夹角θ在区间

内时，取值范围为

而分子A_max·T_c、最大运行速度V_max的取值却因设备参数的不同而变化。当

很小，且衔接点夹角较小时，夹角约束速度V_eer会很小，设备在衔接点处会减速到很小的值，即夹角约束速度的在较小的角度范围内便减速到很小的值，对速度的限制效果过强，降低了整体运行速度，前瞻效果较差。例如：V_max＝100mm/s，A_max＝1000mm/s²，T_c＝1ms，θ＝30°，此时衔接点约束速度

所以V_eer＜＜V_max，夹角范围仅变化

时，约束速度就降低了98％，在夹角为30°时，约束速度只有1.93mm/s，这是很不合理的。

因此，对V_eer的公式做如下改进：

其中，

ρ为夹角为

时设备允许的运行速度与最大运行速度V_max的比值。

步骤五、确定第i段插补线段的正向速度上限(i的初始值为0)。

过渡点前一线段长度为L_i，其起点速度V_s(即上一过渡允许速度上限)到最大速度V_max在S型加减速控制下必要的加速路径长度：

其中J_max为最大加加速度。

当L_i>S_ac，正向速度上限V_pre＝V_max；当L_i<S_ac，正向速度上限通过解方程

求出。

步骤六、确定第i段插补线段的前瞻区间段数(i的初始值为0)。

令线段L_i的过渡点速度为V_e′_m＝min{V_eer,V_pre}，以此速度开始按照S型速度曲线减速至0，计算其减速路径长度：

从线段L_i+1开始，依次累加后续线段的长度，直到该长度大于S_de，设此时累加至L_i+n，前瞻段数就为n-1段。

若剩余段数长度之和小于S_de，则剩余段数就是前瞻段数，此种情况下，若点胶机未运行到该过渡点，又新添加了插补线段，这时从该过渡点以后要重新计算前瞻区间。

步骤七、确定第i段插补线段的反向速度上限(i的初始值为0)。

设定初速度为0，从线段L_i+n-1开始，按照前面步骤计算各线段V_eer，V_pre的方法，反向加速计算出该线段的起点速度V_s′＝min{V_eer,V_pre}，并把该速度作为前一段线段的反向约束速度。依此反推，最终计算出线段L_i的过渡点的反向速度上限V_next。

步骤八、确定第i段插补线段的过渡点速度(i的初始值为0)。

过渡点的最大允许过渡速度：V_em＝min{V_eer,V_pre,V_next}。

步骤九、读取下一条线段L_i+1，重复步骤二至八，依次计算后续线段过渡点的速度，得到所有加工线段的最大允许过渡速度；

步骤十、边计算边运行，依据过渡速度，按S形加减速完成各插补线段的速度规划。

本发明的目的是根据过渡点的最大允许速度实时调整前瞻区间的大小，而且边计算边执行，保证点胶过程的实时性；对线段衔接点夹角速度进行改进，使夹角较大的衔接点的夹角约束速度也不至于太小，保证点胶始终以较快速度运行，很好地解决了点胶机的堆胶问题。

通过仿真实验来验证本发明通过改进连续线段衔接点处夹角约束速度的计算公式，建立夹角约束速度V_eer与最大运行速度V_max、0.5倍当前夹角的正弦值

占比0.5倍最大夹角正弦值

的函数关系，并用于点胶机点胶过程中前瞻的速度规划，所得到的效果明显优越于原有方法。表1为点胶机的点胶系统参数表，我们设置最大速度：500mm/s，最大加速度：8000mm/s²，插补周期1ms。

分别采用未使用速度前瞻、使用普通速度前瞻、使用改进夹角约束速度的前瞻三种方法对点胶机点胶的运动过程进行仿真。三种方法均按照图2所示的相同路径运行，分别得到图3、图4和图5的仿真曲线，图3、图4和图5对比可以直观地看出，使用速度前瞻方法可以使点胶机一直以非零速度连续运动，对堆胶现象有一定改善，但过渡点速度过小，改善效果较差；使用改进夹角约束速度的前瞻可以明显提高过渡点的夹角约束速度，使点胶机一直以较高速度运行，可有效改善堆胶现象，减小了运行时间，提高了点胶效率和质量，与普通前瞻算法相比有很大的优越性。

表2是改进夹角约束速度前后衔接点速度对比，即普通前瞻算法点胶和改进夹角约束速度后的前瞻点胶时衔接点夹角约束速度对比，改进后夹角约束速度明显增大；

表3是改进夹角约束速度前后点胶时间对比，即普通前瞻算法点胶和改进夹角约束速度后的前瞻点胶的点胶时间对比，改进后点胶时间明显减少，表2和表3都以量化的数据有力地证明了以上结论。

表1点胶机的点胶系统参数表

表2改进夹角约束速度前后衔接点速度对比

表3改进夹角约束速度前后点胶时间对比

改进前运行时间(ms)	改进后运行时间(ms)
		3326	2166

Claims (5)

1.点胶机防堆胶的运动控制方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

步骤一、判断第i段插补线段的过渡点的类型，i的初始值为0；所述第i段插补线段的过渡点为第i段插补线段向第i+1段插补线段过渡的点，该过渡点的类型包括拐点和衔接点；

当过渡点为拐点时，则过渡点的夹角速度上限V_eer为：

V_eer＝V_safe

其中，V_safe为点胶机单轴的最大突变速度；

当过渡点为衔接点时，则过渡点的夹角速度上限V_eer为：

其中，V_max为点胶机最大运行速度；θ为第i段插补线段的速度矢量与第i+1段插补线段的速度矢量的夹角，且

ρ为所述夹角为

时设备允许的运行速度与最大运行速度V_max的比值；

步骤二、计算得到第i段插补线段的过渡点的正向速度上限；

步骤三、计算得到第i段插补线段的前瞻区间段数；

步骤四、通过第i段插补线段的前瞻区间段数，计算得到第i段插补线段的过渡点的反向速度上限；

步骤五、确定第i段插补线段的过渡点的速度，该过渡点的速度取过渡点的夹角速度上限、过渡点的正向速度上限和过渡点的反向速度上限中的最小值；

步骤六、i的值加1，读取下一段插补线段，转入步骤一，直至计算完所有插补线段过渡点的速度，完成各插补线段的过渡点的速度规划。

2.根据权利要求1所述的点胶机防堆胶的运动控制方法，其特征在于，判断过渡点的类型的具体步骤如下：

步骤一一、设第i段插补线段的速度矢量为

第i+1段插补线段的速度矢量为

则

和

投影在X、Y、Z坐标轴上的方向矢量(I_i,x,I_i,y,I_i,z)和(I_i+1,x,I_i+1,y,I_i+1,z)的计算公式分别如下：

步骤一二、判断步骤一一的两个公式中位于同一轴的两个方向矢量的符号是否相反；

若相反则认为过渡点为拐点；

若不相反则认为过渡点为衔接点。

3.根据权利要求2所述的点胶机防堆胶的运动控制方法，其特征在于，步骤二中计算得到第i段插补线段的过渡点的正向速度上限的具体步骤如下：

步骤二一、计算第i段插补线段的起点速度到最大运行速度在S型加减速控制下必要的加速路径长度：

其中，J_max为最大加加速度，V_s为起点速度；

步骤二二、判断第i段插补线段的长度是否大于步骤一得到的加速路径长度，求得过渡点的正向速度上限；

当L_i>S_ac，过渡点的正向速度上限V_pre＝V_max；

当L_i<S_ac，过渡点的正向速度上限通过下式求得：

其中，L_i为第i段插补线段的长度。

4.根据权利要求3所述的点胶机防堆胶的运动控制方法，其特征在于，步骤三中计算得到第i段插补线段的前瞻区间段数的具体步骤如下：

步骤三一、令第i段插补线段的过渡点速度取过渡点的夹角速度上限和过渡点的正向速度上限中最小的一个，

V′_em＝min{V_eer,V_pre}

其中，V’_em为计算前瞻区间段数所采取的临时的过渡点速度；

步骤三二、以所述过渡点速度开始按照S型速度曲线减速至0，计算减速路径长度：

步骤三三、从第i+1段插补线段开始，依次累加后续插补线段的长度得到累加长度，则：

若累加至第i+n段插补线段时，所述累加长度大于减速路径长度，则前瞻区间段数为n-1段；

若累加所有剩余段数，所述累加长度小于减速路径长度，则前瞻区间段数为剩余段数。

5.根据权利要求4所述的点胶机防堆胶的运动控制方法，其特征在于，步骤四中计算得到第i段插补线段的过渡点的反向速度上限的具体步骤如下：

步骤四一、设定初速度为0，从第i+n-1段插补线段开始，按照步骤一和步骤二反向加速计算出该插补线段的起点速度，并把该起点速度作为前一段线段的反向约束速度；

V′_s＝min{V_eer,V_pre}

步骤四二、依次反向推算，直至计算出第i段插补线段的反向约束速度，并将该反向约束速度作为第i段插补线段的过渡点的反向速度上限V_next。

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