一种基于电子凸轮控制的牙刷植毛系统及方法与流程

1.本发明涉及伺服电机控制领域，更具体的说，本发明涉及一种电子凸轮的控制装置及方法。


背景技术：

2.随着国家经济水平的不断发展，人们越来越注重维护口腔健康。拥有坚固、洁白的牙齿是健康生活的保障，因此牙刷产品的需求量也与日俱增。全自动植毛机是一种给牙刷柄植毛的机电一体化设备，是牙刷生产过程中重要的工具。在传统的植毛机中，主轴和xy工作平台的配合采用机械凸轮方式，这需要传感器来触发信号，一方面会提高设备的制造成本，另一方面也可能发生由于传感器损坏或者机械凸轮位置偏移导致控制系统发生故障。
3.在控制方面，传统的植毛机为实现植毛的功能，其工作台及换毛机构都配有一个启动信号，当检测到启动信号上升沿时，控制系统会通过解析版型文件确定工作台及换毛机构移动的距离，然后根据速度规划的关键参数，规划相关机构的运动曲线，最后根据速度曲线驱动执行机构移动。该方法虽然能够实现任意移动距离的速度规划，但是不能保障速度曲线的执行时间。因此需要用户根据主轴转速和加工板型最大移动距离设置和力的速度规划参数，但实际上主轴转速与最大移动距离往往是变动的，这样就有可能出现相关机构的速度曲线与实际工况不匹配的情况。
4.除此之外，使用传统机械凸轮的植毛机的运行机构的移动速度是有级划分的，且在工作中速度是恒定的，同时为保证加工的效率，也需要较大的运行速度，所以在植毛这种高速、频繁启停的机构中，采用机械凸轮会产生较大的工作噪声和机械振动，降低植毛的品质。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于，针对传统植毛机在植毛过程中因主轴转速和移动距离的改变而需要频繁调整植毛机速度规划相关参数，提出一种更简洁、跟随性更好的电子凸轮控制装置及方法。
6.本发明提供一种基于电子凸轮控制的牙刷植毛系统，其包括xy工作平台、主轴、信号采集模块和控制器。xy工作平台用于调整牙刷的位置，主轴用于带动需要植入牙刷的刷毛进行移动。所述的信号采集模块采集xy工作平台和主轴的位置。控制器用于xy工作平台和主轴运动。
7.该牙刷植毛系统的一个运动周期中具有两个控制区间，分别位于同步控制区间和非同步控制区间。主轴在运动周期中进行一次升降往复运动；在主轴从同步控制区间起点移动到同步控制区间终点的过程中，xy工作平台从动于主轴运动，其余时间中，xy工作平台保持静止。
8.主轴处于同步控制区间时，通过电子凸轮算法控制xy工作平台在x轴方向上的目标速度x
speed
如下：
9.z
route
＝z
stop-z
start
ꢀꢀꢀ
(1)
10.z
movie
＝z
now-z
start
ꢀꢀꢀ
(2)
[0011][0012]
x
err
＝x
target-x
now
ꢀꢀꢀ
(4)
[0013][0014]
其中，z
route
为主轴在同步控制区间的运动总行程；z
start
为主轴在同步控制区间的起始位置；z
stop
为主轴在同步控制区间的结束位置；z
movie
为主轴当前相对于同步控制区间起始位置的偏置距离；z
now
为主轴当前绝对位置；x
start
为xy工作平台在x轴方向运动的起始位置；x
stop
为xy工作平台在x轴方向运动的结束位置；x
target
为xy工作平台当前时刻下在x轴方向上的目标位置；x
now
为xy工作平台在x轴方向上的当前位置；x
err
为xy工作平台当前在x轴方向上目标位置和当前位置的偏差；t1为电子凸轮算法的执行周期。
[0015]
作为优选，设定主轴在非同步控制区间的运动速度为vo，在同步控制区间的的运动速度为v
t
，加减速阶段时长t1。vo＜v
t
。主轴在非同步控制区间中运动速度v随时间t的变化函数如下：
[0016][0017]
其中，jerk为加减速阶段的急动度数值；t2为匀速运动时长，其表达式为t2＝t-2*t1；t为主轴通过同步控制区间的时长；
[0018]
加减速阶段的急动度数值jerk的表达式如下：
[0019][0020]
其中，vm为加减速的中间速度，其表达式为
[0021]
主轴通过同步控制区间的时长t的表达式如下：
[0022][0023]
其中，s1为加速度增大过程中主轴的行程，其表达式为s2为加速度减小过程中主轴的行程，其表达式为
[0024]
作为优选，该牙刷植毛系统还包括触摸屏。触摸屏用于输入牙刷版型和伺服电机组中各电机的速度和位置信息，并展示系统各部分的工作状态。
[0025]
作为优选，所述的xy工作平台和主轴由伺服电机组驱动。伺服电机组包括x轴电
机、y轴电机和主轴电机。xy工作平台由x轴电机和y轴电机驱动进行二自由度水平移动；主轴由z轴电机驱动进行竖直移动。
[0026]
作为优选，所述的信号采集模块通过伺服电机编码器获取x轴电机、y轴电机和主轴电机的位置信息，确定xy工作平台和主轴的位置。
[0027]
基于电子凸轮控制的牙刷植毛系统的控制方法，具有如包括以下步骤：
[0028]
步骤一：获取牙刷上各植毛孔坐标。
[0029]
步骤二：将各植毛孔坐标导入到控制器中，确定xy工作平台的工作区域，并设定xy工作平台的工作路径；从相邻的前一个植毛孔坐标移动到后一个植毛孔坐标为一个植毛周期。
[0030]
步骤三：主轴开始运动，信号采集模块实时采集主轴和xy工作平台的位置信息并反馈给控制器。
[0031]
步骤四：当主轴处于非同步控制区间时，xy工作平台保持静止；当主轴处于同步控制区间时，控制器根据主轴的位置通过电子凸轮算法得到xy工作平台在x方向上的目标速度信息。主轴到达同步控制区间终点时，xy工作平台到达目标位置，使得主轴上的刷毛与工作台上牙刷的一个植毛孔对齐，xy工作平台停止移动，主轴上的植毛机构完成植毛动作，完成一个植毛周期。
[0032]
步骤五：重复步骤三和四，直到牙刷上的一排植毛孔均完成植毛。
[0033]
本发明的有益效果为：
[0034]
1、本发明提供的电子凸轮算法与主轴的运动控制方式相关程度极大，即xy工作平台的速度曲线和主轴的速度曲线相似；在此基础上，本发明提供了主轴进出同步控制区间时的合理速度变化曲线，使得主轴速度在同步控制区间和非同步控制区间之间平稳过渡，配合电子凸轮算法使xy工作平台的移动速度在孔与孔之间平稳过渡，抑制了xy工作平台停止时产生的振动，使得植毛过程更加精准，产品品质更高。
[0035]
2、本发明使用电子凸轮代替机械凸轮，降低了机械凸轮和接近开关的成本，也避免了因机械凸轮偏置带来的故障，提高了整个系统的工作稳定性。
[0036]
3、传统控制方案需要根据不同的牙刷版型设置相应的速度规划参数，而本发明提供的控制算法在每个执行周期读取各电机的位置信息，根据主轴的旋转速度和孔与孔之间的距离自动调整运行机构的移动速度，无需设置速度规划参数，不仅保证了机构的速度曲线与实际工况相匹配，使运行机构能够平稳快速的地到达目标位置，而且能够胜任更多版型的牙刷的加工工作。
附图说明
[0037]
图1是本发明电子凸轮控制系统的实施示意图。
[0038]
图2是本发明实施例的工作流程图。
[0039]
图3是本发明电子凸轮算法的步骤示意图。
具体实施方式
[0040]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下将结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细阐述。
[0041]
如图1所示，一种基于电子凸轮控制的牙刷植毛系统，其在空间直角坐标系三轴运动平台下虚拟第四轴电子凸轮运动；该牙刷植毛系统包括xy工作平台、主轴、触摸屏11、信号采集模块12、控制器13、伺服驱动模块14和伺服电机组15。控制器采用arm处理器。在伺服电机组15的驱动下，xy工作平台进行二自由度水平移动，主轴进行竖直移动。伺服电机组15包括x轴电机16、y轴电机17和主轴电机18。xy工作平台由x轴电机16和y轴电机17驱动；主轴由z轴电机18驱动。
[0042]
触摸屏11用于输入牙刷版型和伺服电机组15中各电机的速度和位置信息，并展示系统各部分的工作状态。信号采集模块12用于通过伺服电机编码器获取x轴电机16、y轴电机17和主轴电机18的位置信息，进而确定xy工作平台上的牙刷位置，以及主轴上的刷毛的高度。控制器11用于通过采集的信息计算x轴电机16和y轴电机17须达到的速度并向伺服驱动模块14发送控制信号，驱动模块14用于驱动x轴电机16、y轴电机17达到参考速度和参考位置。控制器用于计算实时速度和发送控制信号，形成xy工作平台随主轴运动的电子凸轮系统。
[0043]
该牙刷植毛系统的一个运动周期中具有两个控制区间，分别位于同步控制区间和非同步控制区间。主轴运行中，上一运行周期的非同步控制区间结束位置即为下一运行周期的同步控制区间的起始位置。xy工作平台作为受控对象具有从动于主轴运动的同步控制区间和不从动于主轴运动的非同步控制区间。其中，同步控制区间须得到主轴参考位置，当主轴到达同步控制区间起点时，xy轴运动平台开始移动，当主轴到达同步控制区间终点时，xy工作平台结束移动。非同步控制区间用于供主轴从同步控制区间终点移动到下一个同步控制区间起点。
[0044]
基于电子凸轮控制的牙刷植毛系统的控制方法，具有如包括以下步骤：
[0045]
步骤s1：获取牙刷上各植毛孔坐标。
[0046]
步骤s2：将各植毛孔坐标导入到控制器11中，确定xy工作平台的工作区域，并设定xy工作平台的工作路径；从相邻的前一个植毛孔坐标移动到后一个植毛孔坐标为一个植毛周期，从而得到系统的植毛周期。
[0047]
步骤s3：设定主轴电机18的速度，驱动主轴开始运动。通过x轴电机、y轴电机和主轴电机上的编码器分别读取各电机的位置信息，并将这些位置信息反馈给控制器11。
[0048]
步骤s4：当主轴处于非同步控制区间时，x轴电机16保持静止；当主轴处于同步控制区间时，控制器11根据主轴电机的位置通过电子凸轮算法得到x轴电机16、y轴电机17的目标速度信息，并将目标速度信息发送给伺服驱动模块14。伺服驱动模块14根据速度信息生成相应的脉冲驱动x轴电机16、y轴电机17。主轴到达同步控制区间终点时，xy工作平台到达目标位置，使得主轴上的刷毛与工作台上牙刷的一个植毛孔对齐，xy工作平台停止移动，主轴上的植毛机构完成植毛动作，完成一个植毛周期。
[0049]
步骤s5：重复步骤s3～s4，直到牙刷上的一排植毛孔均完成植毛。之后，xy工作平台沿y轴方向移动，使得主轴与下一排植毛孔对齐，继续进行植毛操作。
[0050]
步骤s4中所述的电子凸轮算法，具体过程如下：
[0051]
在每个电子凸轮算法的执行周期t1中，控制器均通过z轴位置参数的变化情况更新xy工作平台在x轴方向上的目标速度x
speed
，具体如下：
[0052]zroute
＝z
stop-z
start
ꢀꢀꢀ
(1)
[0053]zmovie
＝z
now-z
start
ꢀꢀꢀ
(2)
[0054][0055]
x
err
＝x
target-x
now
ꢀꢀꢀ
(4)
[0056][0057]
其中，z
start
为主轴的同步控制区间的起始位置；z
stop
为主轴的同步控制区间的结束位置；z
movie
为主轴当前相对于同步控制区间起始位置的偏置距离；z
now
为主轴当前绝对位置；z
route
为主轴在同步控制区间的运动总行程；x
start
为当前的植毛周期中xy工作平台在x轴方向运动的起始位置；x
stop
为xy工作平台在x轴方向运动的结束位置；x
target
为xy工作平台当前时刻下在x轴方向上的目标位置；x
now
为xy工作平台在x轴方向上的当前位置；x
err
为xy工作平台当前在x轴方向上目标位置和当前位置的偏差；t1为电子凸轮算法的执行周期。
[0058]
如图3所示，是本发明电子凸轮算法的步骤示意图。算法首先获取主轴编码器的角度信息，然后判断主轴是否在同步控制区间中；同时，根据主轴位置与主轴位置的变化趋势判断主轴是否经过同步控制区间起始位置或者同步控制区间结束位置以及通过时的方向。根据分析结果的不同需要采用不同的处理方式。
[0059]
第一种情况：主轴当前运行在同步控制区间中，运行方向为同步控制区间的起始位置向结束为止，且与同步控制区间结束位置的距离大于预设值；首先更新x轴电机的位置，接着根据式(1)和式(2)计算xy工作平台与目标位置在x轴方向上的距离以及xy工作平台在x轴方向上的目标速度x
speed
；然后，控制器向x轴电机发送与目标速度x
speed
对应个数及频率的pwm波；最后，将主轴电机对应的编码器检测值作为下一执行周期的主轴当前绝对位置z
now
[0060]
第二种情况：主轴当前运行在同步控制区间中，运行方向为同步控制区间的结束位置向起始位置，且与同步控制区间结束位置的距离小于或等于预设值，此时认为主轴即将正向穿过同步控制区间结束位置。首先更新x轴移动速度，接着根据式(1)和式(2)计算x轴与目标位置的距离及x轴移动速度，然后控制mcu发送指定个数及频率的pwm波。最后将主轴前一采样周期的位置更新为编码器当前的值以及将当前孔及目标孔的值加一。
[0061]
第三种情况：主轴当前运行在非同步控制区间中，运行方向为同步控制区间的起始位置向结束位置，且与同步控制区间结束位置的距离小于或等于预设值，此时认为主轴即将反向穿过同步控制区间结束位置(仅有手动调试时可能出现该种情况)。首先将当前孔及目标孔的孔号减一，更新工作台x轴当前位置，接着根据式(1)和式(2)计算x轴与目标位置的距离及x轴移动速度，然后控制mcu发送指定个数及频率的pwm波。最后将主轴前一采样周期的位置的值更新为编码器当前的值。
[0062]
第四种情况：主轴当前运行在非同步控制区间，且未穿越同步控制区间结束位置。将主轴前一采样周期的位置更新为编码器当前的值。任务处理完成后退出中断程序。
[0063]
接下来通过实施例二来阐述如何规划主轴的速度曲线，使得主轴速度在同步控制区间和非同步控制区间之间平稳过渡。
[0064]
在植毛机的实际工作中，能够确定主轴通过同步控制区域起始位置和结束位置时的速度，同时也要确定主轴从同步控制区域起始位置到同步控制区域结束位置的总时间。计算主轴的速度曲线需要涉及以下参数：主轴通过同步控制区域起始位置和结束位置的速
度vo，主轴的匀速运行最大速度v
t
，vo和v
t
的中间速度vm，急动度jerk，总行程z
route
；急动度为正时(主轴加速度增大的过程)走的行程s1，急动度为负时(主轴加速度减小的过程)走的行程s2，从vo加速到v
t
的时间t1，匀速运动时间t2，同步控制时长t。
[0065]
其中主轴通过同步控制区域起始位置和结束位置的速度vo，主轴的匀速运行最大速度v
t
，总行程z
route
，从vo加速到v
t
的时间t1为已知参数，其余为计算参数。
[0066][0067][0068][0069][0070][0071]
t2＝t-2*t1ꢀꢀꢀ
(11)
[0072]
通过上述公式确定s型加速启动过程中的急动度jerk和各阶段应移动的行程。速度曲线通过函数确定。
[0073][0074]
以上是对本发明的实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。