面向纤维蓬松度的气动参数联合寻优方法及系统与流程

本发明涉及自动化控制，具体涉及面向纤维蓬松度的气动参数联合寻优方法及系统。

背景技术：

1、随着自动化加工工艺的发展，柔性纤维清洁工具的生产设备通常采用气流吹散技术来实现末端纤维的蓬松成型。在实际加工中，设备主控单元主要依赖预先设定的静态控制逻辑，驱动气动执行机构以恒定的风压和固定的出风角度向纤维束持续输送空气流。该技术利用持续输出的流体动能对聚拢状态的高分子纤维施加机械推力，迫使聚集的纤维丝发生离散位移，从而解除纤维丝之间的缠绕状态。此类基于恒定气动参数的吹散方式具备驱动架构简单以及控制指令执行直接的技术特点，被广泛应用于基础纤维制品的后道成型工序中。

2、然而，在实际生产流水线的质检环节中，当设备对粘连的半成品纤维束施加恒定气流吹散时，经常出现纤维束外围表面压实结块的现象。具体而言，在气流连续冲击纤维束的过程中，外层的大部分纤维丝并未向四周均匀发散，而是紧紧贴合并相互交织嵌套在一起，在纤维束外围形成了一层致密且不透风的实体纤维层。这层实体纤维层将内部处于成卷板结状态的核心纤维群完全封闭包裹在内，不论后续气流吹扫时间如何延长，内部纤维始终保持未散开的原始状态。这种外层纤维压实结块的客观现象会导致后续喷吹的气流直接被致密的外表面反弹或者沿表面滑移散失，使得气流失去对内部深层纤维的剥离能力。导致最终产出的纤维清洁工具存在大面积的未蓬松盲区，使得产品在实际清扫作业时无法贴合不规则的物体表面，造成产品的核心纳污功能失效。同时，处于这种内外发散状态不均的半成品在进入后续的自动化装箱工序时，内部未散开纤维残留的机械形变应力会在存放期间发生随机释放，导致产品在包装袋内产生局部的物理膨胀，进而将标准化尺寸的塑料外包装袋顶至形变甚至直接撑破封装封口，造成整条流水线的物料阻塞与大批量成品的包装报废。因此，在纤维吹散成型过程中如何减少外层纤维压实结块的问题，是本领域亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种面向纤维蓬松度的气动参数联合寻优方法，通过获取物理空间数据求解纤维密集度分布，映射至三维空间栅格计算气动阻抗并输出阻挡形态特征，引入成型度计算脉冲控制参数与偏转角度指令，并联合临界动压输出目标控制指令，采用同步触发输出交变气流流场，结合三态收敛判定求解权重灵敏度。本发明旨在有效克服单一恒定气流吹散引发的外层纤维压实结块问题，精准识别物理拓扑演变以恢复气流对深层纤维的剥离能力，在消除加工盲区、预防高分子纤维结构性疲劳损伤的同时，为系统在线修正参数提供演化依据，从而缩短设备调试时间并降低系统能耗。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供面向纤维蓬松度的气动参数联合寻优方法，包括：

4、获取物理空间数据，基于物理空间数据求解纤维密集度分布，将纤维密集度分布映射至预构建的三维空间栅格中计算气动阻抗，基于气动阻抗执行数值对比，得到气动屏蔽参数集合，利用气动屏蔽参数集合执行阈值逻辑判决，输出阻挡形态特征；

5、基于物理空间数据求解成型度，并联合阻挡形态特征计算脉冲控制参数，基于阻挡形态特征求解目标切向矢量，并将目标切向矢量转化为偏转角度指令，联合目标切向矢量与气动阻抗计算临界动压，基于临界动压执行双重约束决策，输出目标控制指令；

6、将目标控制指令并行转化为三路底层物理驱动信号并执行时序同步触发，输出交变气流流场，基于交变气流流场重新获取物理空间数据求解成型速率，基于成型速率执行三态收敛判定，输出收敛判定结果，响应收敛判定结果求解权重灵敏度，基于权重灵敏度重新进行三态收敛判定。

7、进一步地，所述纤维密集度分布的计算方法包括：

8、获取由深度视觉传感器扫描产生的三维点云数据与由微波测距传感器生成的径向距离值，组合构成物理空间数据；

9、基于物理空间数据提取三维轮廓体积与表面纤维的孔隙分布特征，通过孔隙分布特征计算点云密度值；

10、利用点云密度值以及径向距离值执行关联计算，得到纤维密集度分量；

11、将纤维密集度分量进行数组排列，构成纤维密集度分布。

12、进一步地，所述气动屏蔽参数集合的获取方法包括：

13、建立工位坐标系，并基于工位坐标系构建包含多个网格节点的三维空间栅格；

14、根据工位坐标系将纤维密集度分布包含的纤维密集度分量映射至三维空间栅格对应的所述网格节点中；

15、利用映射后的纤维密集度分量结合预设的动力粘度系数，计算网格节点的气动阻抗；

16、将气动阻抗与预设的临界穿透阻抗执行数值对比，提取阻抗数值大于或等于临界穿透阻抗的网格节点构成屏蔽节点集合，基于屏蔽节点集合构建气动阻挡面；

17、计算气动阻挡面的几何外法向量与深度坐标，封装生成气动屏蔽参数集合。

18、进一步地，所述阻挡形态特征的获取方法包括：

19、从气动屏蔽参数集合中提取当前控制周期与上一控制周期的深度坐标，计算当前控制周期与上一控制周期对应的深度坐标的代数差值，得到深度坐标变化率；

20、利用深度坐标变化率与预设的形变判定阈值执行逻辑判决：若深度坐标变化率大于形变判定阈值，则生成消解状态标签，若深度坐标变化率小于负的形变判定阈值，则生成恶化状态标签；若深度坐标变化率的绝对值小于或等于形变判定阈值，则生成稳态状态标签；

21、将所述消解状态标签、恶化状态标签与稳态状态标签进行封装，输出阻挡形态特征。

22、进一步地，所述成型度的计算方法包括：

23、基于所述物理空间数据提取三维轮廓体积及点云密度值，计算点云密度的标准差，得到点云密度标准差；

24、利用点云密度标准差、三维轮廓体积构建公式并进行求解成型度。

25、进一步地，所述脉冲控制参数的计算方法包括：

26、设置目标成型度基准，利用目标成型度基准减去成型度，得到成型度偏差值；

27、提取阻挡形态特征中包含的恶化状态标签，利用所述恶化状态标签以及所述成型度偏差值执行代数计算，得到气流脉冲能量；

28、利用气流脉冲能量解算高频脉冲频率、低频脉冲频率以及高低频交替周期，并将所述高频脉冲频率、低频脉冲频率以及高低频交替周期封装组合生成所述脉冲控制参数。

29、进一步地，所述偏转角度指令的转化方法包括：

30、从阻挡形态特征中提取恶化状态标签与稳态状态标签，并从气动屏蔽参数集合中提取几何外法向量与气动阻抗；

31、以所述气动阻抗为权重对几何外法向量进行加权求和并归一化，得到单位加权法向量；

32、获取喷嘴起始坐标，利用喷嘴起始坐标构建瞄准方向单位向量；

33、利用瞄准方向单位向量和单位加权法向量求解目标切向矢量；

34、提取目标切向矢量在工位坐标系下的轴向坐标分量，基于轴向坐标分量计算水平偏转角指令与俯仰偏转角指令；

35、利用预设的水平限位角与俯仰限位角分别对水平偏转角指令与俯仰偏转角指令执行幅值截断操作，输出偏转角度指令。

36、进一步地，所述双重约束决策包括：

37、沿目标切向矢量方向按预设空间搜索步长遍历三维空间栅格中的网格节点，将提取到的气动阻抗进行连续累加，得到累积透气阻力；

38、利用累积透气阻力计算临界动压；

39、获取纤维安全风压上限；

40、比较临界动压与纤维安全风压上限，当临界动压小于或等于纤维安全风压上限时，则将临界动压的数值确立为目标风压，反之若临界动压大于纤维安全风压上限时，则强制将所述纤维安全风压上限的数值确立为目标风压。

41、进一步地，所述目标控制指令包括：

42、获取最大输出动压极值，将目标风压除以最大输出动压极值转化为开度百分比数值；

43、将开度百分比数值与预设的防回流开度执行数值比对，若该百分比数值大于百分之百，则强制截断至百分之百；若该百分比数值小于防回流开度，则强制截断至防回流开度的数值，将经过截断处理后的百分比数值输出为比例阀开度调节指令；

44、将脉冲控制参数、偏转角度指令以及比例阀开度调节指令执行数组封装，共同构成目标控制指令。

45、进一步地，所述交变气流流场的输出方法包括：

46、主控单元对目标控制指令进行解包，提取出比例阀开度调节指令、脉冲控制参数以及偏转角度指令，并将其并行转化为三路底层物理驱动信号，分别为气压调节信号、阀门开关信号与伺服转动驱动信号；

47、调用硬件定时器同步触发所述三路底层物理驱动信号，控制所述模拟电流信号、逻辑方波信号以及伺服转动驱动信号在同一时间节点并行注入对应的执行机构；

48、驱动所述执行机构依据接收到的三路底层物理驱动信号进行物理动作协同，融合生成交变气流流场

49、进一步地，所述权重灵敏度的求解方法包括：

50、在预设的控制周期时长结束后重新获取物理空间数据并计算当前时刻最新的成型度，定义为第二成型度，并提取在当前控制周期时长起始阶段的成型度，定义为第一成型度；

51、利用第二成型度与第一成型度计算代数差值得到成型度增量，将成型度增量除以控制周期时长得到成型速率；

52、当成型速率的绝对值小于预设的成型停滞阈值，且第二成型度小于预设的目标成型度基准时，输出需修正状态标识作为收敛判定结果；

53、响应于需修正状态标识，向预设的目标控制参数中注入预设的微小扰动步长求解梯度演化差值，将梯度演化差值与微小扰动步长的比值定义为权重灵敏度。

54、第二方面，本发明提供面向纤维蓬松度的气动参数联合寻优系统，其用于实现上述面向纤维蓬松度的气动参数联合寻优方法，所述系统包括：

55、阻抗感知模块：用于获取物理空间数据，基于物理空间数据求解纤维密集度分布，将纤维密集度分布映射至预构建的三维空间栅格中计算气动阻抗，基于气动阻抗执行数值对比，得到气动屏蔽参数集合，利用气动屏蔽参数集合执行阈值逻辑判决，输出阻挡形态特征；

56、流场决策模块：用于基于物理空间数据求解成型度，并联合阻挡形态特征计算脉冲控制参数，基于阻挡形态特征求解目标切向矢量，并将目标切向矢量转化为偏转角度指令，联合目标切向矢量与气动阻抗计算临界动压，基于临界动压执行双重约束决策，输出目标控制指令；

57、驱动演化模块：用于将目标控制指令并行转化为三路底层物理驱动信号并执行时序同步触发，输出交变气流流场，基于交变气流流场重新获取物理空间数据求解成型速率，基于成型速率执行三态收敛判定，输出收敛判定结果，响应收敛判定结果求解权重灵敏度，基于权重灵敏度重新进行三态收敛判定。

58、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

59、本发明通过获取物理空间数据求解纤维密集度分布并结合气动阻抗输出阻挡形态特征，实现纤维束三维形态量化监测与气动阻挡界面的动态追踪，解决传统静态控制逻辑因无法感知流场受阻而导致外层纤维压实结块的痛点；将开环恒定气流转化为包含脉冲控制参数、偏转角度指令与比例阀开度调节指令的多维定量协同输出，利用交变脉冲与空间靶向变轨的侧向渗透代替正面持续高压挤压，预防纤维结构性疲劳损伤并消除内部未蓬松盲区；三态收敛判定结合求解权重灵敏度机制实现了工艺参数在线自主修正，既跳出局部物理死锁，又为参数迭代提供数据支撑，缩短设备调试时间并降低气源能耗。