[发明专利]一种绕带过程的运动学模型的建模方法

说明书

技术领域

本发明属于工业自动化领域，涉及针对目前广泛存在的绕带、缠带、包胶等工艺，具体涉及到一种绕带过程的运动学模型的建模方法。

背景技术

随着社会的进步和人类生活水平的提高，交通业、家电制造业等在我们的生活中扮演者越来越重要的角色。我们的出行，早已离不开飞机、高铁、动车、火车、汽车、轮船基本的交通工具，空调、电视、冰箱、洗衣机等也是我们家庭必备的家用电器。飞机、火车、汽车的线束需要包胶带作业从而在线束的防灰、防尘、防水、放老化等方面做出保护，空调的安装过程中，需要对连接主机和外机的管道进行缠绕保护带防止线束的老化等，家电行业的制作过程中也需要对内部连接线进行绕带固定，因此，绕带、缠带、包胶等工艺存在于交通、家电等多个领域，已和我们的工业应用和日常生活息息相关。

由于被绕带的线束、波纹管、柱体等存在一定的塑变性，且胶带、丝带、塑料袋等带状物体等存在一定的黏性、柔性等因素，目前大多数的绕带、缠带、包胶等工艺多采用人工操作。

不同的场合会对绕带工艺提出不同的要求，比如在交通领域，会存在密绕(新绕一层的胶带压合在上一层胶带上)、花绕(又称间隔绕，即新绕一层的胶带没有压合到上一层的胶带上，中间存在间隔)、点绕(又称点缠，即在固定的位置，新绕一层的胶带完全压合在上一层的胶带上)等不同工艺。针对不同的绕带工艺要求，人工绕带可能会存在因人个体的差异、熟练程度、带体的材质、宽度、粘度不同而产生的种种差异，无法保证绕带的质量。而随着科学的发展，动强度大、质量无法保证的人工绕带过程必然会被自动化所取代。通过对绕带工艺的深入了解观察及对绕带动作运动学、几何学方面的分析，在此，公布一种绕带过程的运动学模型的建模方法。从而对后续的绕带工艺的自动化改造提供了理论依据。

发明内容

本发明针对现有的绕带过程缺乏理论公式的指导，无法实现自动化改造的现状，采用运动学定律对绕带工艺过程进行分析，提出了一种通用的绕带过程的运动学模型及使用方法，从而为绕带过程的自动化奠定了理论依据。

绕带为利用一种扁长的柔性带状体对一种刚性、弹性或者塑形的物体进行缠绕包扎的行为。表现在医学领域如对人体手臂、头部的绷带缠绕，表现在家电领域如对空调连接管的塑料带缠绕，表现在工业领域如对汽车、飞机、船舶线束的包胶带等。

一种绕带过程的运动学模型的建模方法，包括如下步骤：

步骤1.对绕带过程中各变量进行定义，其中w(t)为绕带的带宽、s(t)为需要绕带的线束或者管道的周长、v(t)为绕带过程中水平的线性移动速度、ω(t)为绕带过程旋转的角速度、h(t)为绕带过程中绕带一圈的进给量、θ(t)为绕带过程中带体和竖直方向的夹角、g(t)为绕带过程中两胶带的间隔的垂直长度；

步骤2.对绕带过程中的重合率进行定义，重合率为绕带过程中两带体间的间隔的垂直长度与绕带的带体宽度之间的比值,重合率用符号ξ(t)表示,则重合率的公式表示如下:

所述的根据绕带工艺的不同能够将绕带工艺分为点缠绕、间隔绕和密绕，具体的当重合率为0时为点缠绕，即胶带在同一个位置连续缠绕，绕带过程水平线性移动的速度；当重合率大于0时为间隔绕，即绕带过程中两胶带间的间隔的垂直长度g(t)为正值，胶带与胶带直接有间隙，未重叠；当重合率小于0时为密绕，即绕带过程中两胶带间的间隔的垂直长度g(t)为负值，胶带与胶带之间存在重叠部分；

步骤3.依据运动学规律与参数的几何关系，描述绕带过程运动学与参数关系，推导出绕带过程的运动学数学表达式，具体如下：

绕带一圈，带子的进给量h(t)与绕带的带子宽度w(t)、绕带过程中两胶带间的间隔的垂直长度g(t)、以及角度θ(t)之间存在几何关系如下:

绕带一圈,绕带过程的进给量h(t)与需要缠绕胶带的线束或者波纹管的周长s(t)之间存在几何关系如下：

h(t)＝s(t)tanθ(t) (3)

绕带一圈,进给量h(t)是绕带过程水平线性移动的速度v(t)与绕带过程缠绕一圈所需要的时间T的乘积如下：

h(t)＝v(t)·T (4)

缠绕一圈,所需要的时间T与绕带过程中旋转的角速度ω(t)存在如下关系：

公式(2)-(5)为绕带过程基于运动学、几何学而得出的基本公式，根据基本公式(2)-(5)，推导出两个基本的衍生公式，根据公式(1)-(5)，得衍生公式(6)如下：