玻璃切割轨迹最优规划方法及其控制实时性研究

玻璃切割轨迹最优规划方法及其控制实时性研究

智明，郭亚超，李连杰，杨尚文

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河北南玻玻璃有限公司

065600

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摘要：玻璃切割是玻璃产品生产中的重要环节，利用控制设备和控制网络实现玻璃自动化切割已经成为玻璃加工工厂的现实状态。寻找最优的切割轨迹，提升玻璃切割控制的实时性，能够在当下玻璃自动化切割加工的基础上进一步提升加工质量和效率，提升企业经济效益，充分利用玻璃原材料。本文主要围绕玻璃切割轨迹最优规划方法和最优轨迹控制实时性两方面进行讨论，探讨可用的算法、研究策略，为玻璃切割加工行业的发展提供方法上的支持。

关键词：玻璃切割；轨迹规划；规划方法；控制

引言：玻璃的需求在现代生产生活中不断扩大，建筑施工、日用百货、艺术、医疗、电子等领域都对玻璃有巨大的需求。不同的行业对玻璃的切割精度有不同的要求，有的仅能接受误差在0.2mm的切割成果，有的则能放宽误差到0.5mm，这对当下我国玻璃加工行业的切割技术水平提出了更高的要求。为了提升我国玻璃加工产品在国际市场上的竞争力，优化玻璃切割工序的质量和效率非常有价值。

1 玻璃切割轨迹优化的价值

现代产业的发展向玻璃行业提出了更高的技术要求，节能减排国家政策向玻璃行业的生产设备、工序提出了优化要求，玻璃行业技术革新是大势所趋。玻璃切割属于玻璃生产中的一道重要工序，关系到玻璃最终生产成品的质量和生产效率，关系到玻璃生产企业的经济效益。玻璃切割轨迹关系到玻璃的加工精度和加工效率，选择当前技术水平、设备水平下的最优轨迹是企业的必然选择[1]。目前，玻璃切割轨迹规划、切割轨迹控制实时性是两个影响玻璃加工的主要问题，也是改良产品性能的主要突破口。

2 玻璃切割轨迹最优规划方法

在工业生产领域中，从事玻璃切割等相关作业的企业追求生产效率的提升，在众多玻璃切割轨迹中切割质量不低于要求、切割时间最小的轨迹被选定的可能性最高。所以，最小时间法是玻璃切割轨迹最优规划的常用方法。①通过理论推导的方式将玻璃切割控制顶点位置起的各种轨迹运动时间、运动路径之间建立关系式，建立相应的数学模型。②利用计算机以及遗传算法对数学模型进行优化计算，使其达到玻璃切割的工业设计、数据交换标准，使这种通过最小时间法规划得到的轨迹能够被玻璃切割生产线所应用。③利用计算机对得到的玻璃切割轨迹规划路径进行仿真模拟切割应用。计算机优化得到的最优轨迹规划结果需与原玻璃切割所需时间、切割质量进行对比，确定其切割效果高于原切割路径；与其他轨迹的运动时间进行对比，确定且切割所需时间低于其他轨迹的运动时间，从而确定所选定的切割轨迹属于最优选。

3 玻璃切割轨迹控制实时性

通过数学模型优化和仿真模拟切割的玻璃切割轨迹，想要在工厂生产线上切实发挥其作用，需要智能生产设备、计算机等提供相应的细节控制，保证玻璃切割轨迹能够被实时控制，降低因为网络延误等因素导致切割失败率上升、单一玻璃切割耗时上升的可能性。即便在现代化工厂的自动生产车间当中，仍然存在着不可忽视的网络延时现象，这种现象的存在与网络传输性能有关，与控制系统负载装置设备数量有关。微小的网络延时可能对追求细节的玻璃切割加工造成严重的负面影响，必须提升控制实时性，才能保证玻璃切割的实际轨迹贴近仿真模拟切割时的理论最优轨迹。

3.1 总线负载率

在玻璃切割生产车间当中，数据传输速率固定的情况下，玻璃切割轨迹指挥命令的传输所控制的总线负载率应低于30%。比如，玻璃切割数据传输速率250KB/s，根据整条信息发送所需时间Cm、数据字节长度sm、信息帧发送周期Tm、总线平均负载Us等数据，可得到总线负载率，计算公式如下：

Cm=tbit{[67+8sm+(54+8sm)/5]}

Um=Cm/Tm

Us=Σnm-1Um

最终得到的总线负载率约为16.64%，理论上低于30%的限值，但并不意味着真实工厂车间运转中能够达到这一参数标准，需要进入工厂车间实际运行才能获取真实参数，确定其符合实时性要求。

3.2 信息帧最长延迟时间和极限

信息帧最长延迟时间和极限是保证实时控制系统信息传输实时性的重要参数，以玻璃切割控制设备的实时操作为例，每一个信息帧能够忍受的最长传输延迟时间为Rm、最长延迟极限为Dm，工厂车间玻璃切割中最坏的情况是七个设备应当接收到的信息超出了Rm，导致信号没能及时传输到切割刀头控制设备，导致玻璃切割所需的时间超出规划时间，或玻璃切割错误影响玻璃质量。假设节点控制器发送信息的抖动时间为Jm，则Rm≦Dm-Jm；而在实际运行环境中，Rm与总线使用权竞争耗费时间Wm、整条信息发送所需时间Cm有关，Rm=Wm+Cm。当Cm固定时，Rm随着Wm的增大而增大。也就是说，优先级比玻璃切割信号更高的信号在争夺总线使用权，玻璃切割信号被迫排在较靠后的位置。在工厂实际运行中，各种信息帧在总线上的优先级、发送时间都需要考虑进来，在这样的情况下才能够正确得出玻璃切割控制的实时性水平，从而判断玻璃切割实时性能否满足控制要求。

3.3 实验台架测试

为了验证玻璃切割控制的实时性，在正式进入工厂车间尝试应用前，还需进行一道实验室的仿真实验，将虚拟的玻璃切割设备、控制设备与真实的网络相结合，进行半实物、半仿真的测试，在纯理论与纯实践之间进行一次功能测试，提升玻璃切割轨迹规划和控制实时性效果。通过半实物、半仿真的测试，能够实现对系统控制、实时性的监测和分析，提前发现自动化控制中存在的问题，提高轨迹优化的效率[2]。

结束语：综上所述，在现有技术设备基础上确定玻璃切割最优轨迹需要借助最小时间法、遗传算法，进行关系式推导、模型建立和仿真模拟；提升切割轨迹控制实时性需要加强对总线负载率、信息帧延长时限的研究和分析，通过台架测试来监测优化后的控制系统，确定最终优化成果。理论上对玻璃切割设备、控制网络的优化，最终要落实在具体的生产实践当中，才能够获得真实的结果。

参考文献：

[1]张思坦,杨科技,丁锐,王国强.玻璃切割精度的控制及改善方法[J].玻璃,2021,48(07):44-46+51.

[2]王蔚,王晓凯,刘慧锋.基于光切法的光学玻璃智能定重切割系统[J].中国测试,2020,46(11):83-89.