自動裁床裁刀軌跡控制算法

劉必標(biāo)+祝本明+楊奕昕

摘 要： 為了提高自動裁床的生產(chǎn)效率和節(jié)約布料，結(jié)合布料本身特性和裁床裁刀的結(jié)構(gòu)特性，研究了裁刀轉(zhuǎn)角切割的特點(diǎn)，提出一種改進(jìn)自動裁床轉(zhuǎn)角切割控制和裁刀刀具補(bǔ)償算法。該方法利用裁刀自身的剛度自動推擠布料，旋轉(zhuǎn)切割過程中始終保持裁刀刀尖在切割軌跡上，刀尾在切割前的軌跡上。該算法解決了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)切割方式存在工作不連續(xù)，切割布料浪費(fèi)嚴(yán)重，保持了傳統(tǒng)方式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了他們存在的缺點(diǎn)。實(shí)踐結(jié)果表明，該算法提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)布料。

關(guān)鍵詞： 自動裁床； 旋轉(zhuǎn)切割； 軌跡控制； CAD

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）20?0004?03

Trajectory control algorithm of automatic cutter knife

LIU Bi?biao， ZHU Ben?ming， YANG Yi?xin

（Department of CNC Products， No.58 Research Institute of China Ordnance Industry， Mianyang 621000， China）

Abstract： In order to improve the production efficiency of automatic cutter and save fabric， the corner cutting characteristics of the cutting knife are studied， and an improved automatic cutter corner?cutting control and compensation algorithm is proposed in combination with the characteristics of the fabric and the cutting knife structure. In the algorithm， the stiffness of the cutting knife is utilized to automatically pushed fabrics， In the whole rotary cutting process， the knife tip is kept on the cutting trajectory and knife tail at the cutted track. The algorithm has solved the discontinuousness and serious waste of the cutted fabric of the traditional corner?cutting mode while keeping the advantages of the traditional mode. The experiment results show that the algorithm improves production efficiency and saves material .

Keywords： automatic cutter； rotary?cutting； trajectory control； CAD

0 概 述

服裝CAM設(shè)備主要功能是利用服裝CAD系統(tǒng)的衣片設(shè)計(jì)與排料的數(shù)字化信息直接與自動生產(chǎn)制造系統(tǒng)聯(lián)機(jī)作業(yè)，制成NC（數(shù)字控制）加工指令，控制自動生產(chǎn)制造系統(tǒng)[1]。自動裁床（自動裁布機(jī)，Automatic Cutter）是服裝業(yè)裁剪技術(shù)的一大革新，它利用CAD數(shù)據(jù)來控制刀的轉(zhuǎn)動方向而生產(chǎn)所需要的裁片。作為服裝CAM的最高端產(chǎn)品，自動裁床帶來的主要優(yōu)點(diǎn)是：服裝生產(chǎn)自動化程度高；產(chǎn)品質(zhì)量好而且穩(wěn)定，不會受人為因素影響，提升企業(yè)形象；布料利用率高，節(jié)約成本；裁剪速度快，生產(chǎn)周期短；節(jié)約勞動力，降低勞動強(qiáng)度等[2]。

傳統(tǒng)裁床系統(tǒng)中存在裁刀拐角時(shí)，有兩種切割方式：第一種方式是刀尖保持不變，刀身旋轉(zhuǎn)；第二種方法是裁刀抬起，然后旋轉(zhuǎn)再切割。第一種方式工作連續(xù)，但是轉(zhuǎn)角時(shí)角料浪費(fèi)嚴(yán)重的問題。第二種方式直觀簡單，方便實(shí)現(xiàn)，但是裁刀經(jīng)常抬起，工作過程不連貫，效率低，旋轉(zhuǎn)后再次切割容易損壞刀身部位的布料[3]。

由于布料本身具有較強(qiáng)的柔性，在切割過程中具有較大的可推擠空間。提出采用轉(zhuǎn)角時(shí)向內(nèi)推擠布料的方法，在切割過程中，裁刀刀尖始終保持在旋轉(zhuǎn)后的軌跡上，刀尾始終保持在旋轉(zhuǎn)前的軌跡上，邊旋轉(zhuǎn)切割邊推擠布料，下面給出改進(jìn)的轉(zhuǎn)角切割控制算法[4]。

1 軌跡控制算法

裁刀切割軌跡可以看作是由許多較短直線段構(gòu)成，軌跡直線分解直線段越多，切割結(jié)果越逼近理想切割軌跡。相鄰兩段直線切割軌跡，如圖1所示，要求裁刀刀尖Hx沿指定軌跡D→E→F運(yùn)動?，F(xiàn)僅截取裁刀刀尖工作過程中的一微小軌跡段（從點(diǎn)E運(yùn)動F段）的情況進(jìn)行分析，如圖1所示（圖中不考慮旋轉(zhuǎn)方向，[0<θ0，0<π，0<θ1<π，0<θ2<π）]。

裁刀切割軌跡有兩部分組成，裁刀旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)[Cx]的水平位置由x，y兩個(gè)方向控制，切割方向由裁刀旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制。當(dāng)裁刀旋轉(zhuǎn)中心C從點(diǎn)C1沿直線勻速運(yùn)行到點(diǎn)C2，裁刀從[T1H1]運(yùn)動到[T2H2]，由于裁刀運(yùn)動非常小，可將[H1H2]直線作為實(shí)際軌跡，以H2為原點(diǎn)，[H2H1]為x軸建立直角坐標(biāo)系[5?6]，為便于計(jì)算，只保留裁刀刀尖Hx、刀心Cx，如圖2所示。

圖2 簡化裁刀軌跡運(yùn)動示意圖

由于裁刀勻速旋轉(zhuǎn)，對刀心軌跡上任意一點(diǎn)C對應(yīng)的角度θ，有：

[θ-θ1yC-Rsin θ1=θ2-θ1Rsinθ2-Rsinθ1] （1）

取[k=θ2-θ1Rxsinθ2-sinθ1，b=θ1-sinθ1×θ2-θ1sinθ2-sinθ1]，則：式（1）可以化簡為：

[θ=kYC+b] （2）

對應(yīng)該刀心點(diǎn)C，相應(yīng)的刀尖點(diǎn)H（x，y）有：

[y=yC-Rsinθ] （3）

將式（2）代入式（3），得：

[y=yC-RsinkyC+b] （4）

式（4）中y取值即法向誤差ε，最大法向誤差εmax為：

[εmax=maxRsinθ2≤yCsRsinθ1y] （5）

對式（4）求一階導(dǎo)數(shù)，得：

[dydyC=1-kRcoskyC+b] （6）

即最大法向誤差εmax對應(yīng)的[yC]滿足：

[1-kRcoskyC+b=0] （7）

即：

[YC=cos-11kR-bk] （8）

式中：[cos-11kR]取值范圍0～π，將式（8）代入式（4），得到實(shí)際軌跡的法向誤差ε。

[ε=cos-11kR-bk-Rsincos-11kR] （9）

如式（9）小于誤差設(shè)定值，則運(yùn)動軌跡滿足要求。

2 加工結(jié)果分析

本算法硬件平臺以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A和ACTEL公司的A3P400 FPGA芯片為核心。DSP芯片作為控制處理器，主要完成各種運(yùn)動控制算法、交流伺服控制算法、步進(jìn)驅(qū)動控制算法。FPGA協(xié)助DSP工作，完成各種運(yùn)動控制接口、系統(tǒng)開關(guān)量以及系統(tǒng)內(nèi)部各種邏輯控制；DSP和FPGA協(xié)同工作，共同構(gòu)建智能化縫制設(shè)備控制系統(tǒng)的核心單元，既充分利用DSP數(shù)據(jù)信號處理能力，進(jìn)行復(fù)雜算法運(yùn)算；又充分發(fā)揮FPGA運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，使其資源互補(bǔ)[7?8]。利用改進(jìn)切割算法在終端用戶現(xiàn)場切割效果如圖3～圖5所示。圖3表明旋轉(zhuǎn)角外圍布料得到完整保護(hù)，旋轉(zhuǎn)角具有清晰可見的邊角；圖4，圖5表明，對于多層布料來說，上下切割基本一致，不存在明顯的切割軌跡偏差。圖3 切割布料效果

圖6是統(tǒng)計(jì)結(jié)果，橫軸表示轉(zhuǎn)角個(gè)數(shù)，縱軸表示加工時(shí)間。圖6表明，若切割過程中，轉(zhuǎn)角越多本算法比傳統(tǒng)算法節(jié)約時(shí)間越多，平均本算法比傳統(tǒng)方式一節(jié)約10%的時(shí)間，比傳統(tǒng)方式二節(jié)約20%的時(shí)間。同時(shí)大量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，平均本算法比傳統(tǒng)方式一節(jié)約布料15%，比傳統(tǒng)方式二節(jié)約布料5%。

圖4 切割角料

圖5 剩余角料

3 結(jié) 語

針對目前自動裁床裁刀抬刀旋轉(zhuǎn)切割及刀尖保持不變旋轉(zhuǎn)切割存在的問題，提出了一種全新的解決方案。大量實(shí)踐表明，本文提出的算法不僅保持了目前兩種自動裁床裁刀旋轉(zhuǎn)切割方式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了他們存在的缺點(diǎn)；不僅節(jié)約了生產(chǎn)材料，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。

圖6 時(shí)間統(tǒng)計(jì)

參考文獻(xiàn)

[1] 趙勇.智能型數(shù)控電腦裁床系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].成都：電子科技大學(xué)，2005.

[2] 黃建江.智能數(shù)控裁床的研究與開發(fā)[D].無錫：江南大學(xué)，2007.

[3] 鄭榮.排料CAD技術(shù)對比分析與小衣片自動插入技術(shù)研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2010.

[4] 王強(qiáng).服裝自動裁剪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2007.

[5] 同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[6] 王體泮.裁刀切向跟隨與切向刀補(bǔ)算法研究[J].兵工自動化，2013（2）：91?93.

[7] 王曉明，王玲.電動機(jī)的DSP控制：TI公司DSP應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[8] 潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

取[k=θ2-θ1Rxsinθ2-sinθ1，b=θ1-sinθ1×θ2-θ1sinθ2-sinθ1]，則：式（1）可以化簡為：

[θ=kYC+b] （2）

對應(yīng)該刀心點(diǎn)C，相應(yīng)的刀尖點(diǎn)H（x，y）有：

[y=yC-Rsinθ] （3）

將式（2）代入式（3），得：

[y=yC-RsinkyC+b] （4）

式（4）中y取值即法向誤差ε，最大法向誤差εmax為：

[εmax=maxRsinθ2≤yCsRsinθ1y] （5）

對式（4）求一階導(dǎo)數(shù)，得：

[dydyC=1-kRcoskyC+b] （6）

即最大法向誤差εmax對應(yīng)的[yC]滿足：

[1-kRcoskyC+b=0] （7）

即：

[YC=cos-11kR-bk] （8）

式中：[cos-11kR]取值范圍0～π，將式（8）代入式（4），得到實(shí)際軌跡的法向誤差ε。

[ε=cos-11kR-bk-Rsincos-11kR] （9）

如式（9）小于誤差設(shè)定值，則運(yùn)動軌跡滿足要求。

2 加工結(jié)果分析

本算法硬件平臺以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A和ACTEL公司的A3P400 FPGA芯片為核心。DSP芯片作為控制處理器，主要完成各種運(yùn)動控制算法、交流伺服控制算法、步進(jìn)驅(qū)動控制算法。FPGA協(xié)助DSP工作，完成各種運(yùn)動控制接口、系統(tǒng)開關(guān)量以及系統(tǒng)內(nèi)部各種邏輯控制；DSP和FPGA協(xié)同工作，共同構(gòu)建智能化縫制設(shè)備控制系統(tǒng)的核心單元，既充分利用DSP數(shù)據(jù)信號處理能力，進(jìn)行復(fù)雜算法運(yùn)算；又充分發(fā)揮FPGA運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，使其資源互補(bǔ)[7?8]。利用改進(jìn)切割算法在終端用戶現(xiàn)場切割效果如圖3～圖5所示。圖3表明旋轉(zhuǎn)角外圍布料得到完整保護(hù)，旋轉(zhuǎn)角具有清晰可見的邊角；圖4，圖5表明，對于多層布料來說，上下切割基本一致，不存在明顯的切割軌跡偏差。圖3 切割布料效果

圖6是統(tǒng)計(jì)結(jié)果，橫軸表示轉(zhuǎn)角個(gè)數(shù)，縱軸表示加工時(shí)間。圖6表明，若切割過程中，轉(zhuǎn)角越多本算法比傳統(tǒng)算法節(jié)約時(shí)間越多，平均本算法比傳統(tǒng)方式一節(jié)約10%的時(shí)間，比傳統(tǒng)方式二節(jié)約20%的時(shí)間。同時(shí)大量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，平均本算法比傳統(tǒng)方式一節(jié)約布料15%，比傳統(tǒng)方式二節(jié)約布料5%。

圖4 切割角料

圖5 剩余角料

3 結(jié) 語

針對目前自動裁床裁刀抬刀旋轉(zhuǎn)切割及刀尖保持不變旋轉(zhuǎn)切割存在的問題，提出了一種全新的解決方案。大量實(shí)踐表明，本文提出的算法不僅保持了目前兩種自動裁床裁刀旋轉(zhuǎn)切割方式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了他們存在的缺點(diǎn)；不僅節(jié)約了生產(chǎn)材料，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。

圖6 時(shí)間統(tǒng)計(jì)

參考文獻(xiàn)

[1] 趙勇.智能型數(shù)控電腦裁床系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].成都：電子科技大學(xué)，2005.

[2] 黃建江.智能數(shù)控裁床的研究與開發(fā)[D].無錫：江南大學(xué)，2007.

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[6] 王體泮.裁刀切向跟隨與切向刀補(bǔ)算法研究[J].兵工自動化，2013（2）：91?93.

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[8] 潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

取[k=θ2-θ1Rxsinθ2-sinθ1，b=θ1-sinθ1×θ2-θ1sinθ2-sinθ1]，則：式（1）可以化簡為：

[θ=kYC+b] （2）

對應(yīng)該刀心點(diǎn)C，相應(yīng)的刀尖點(diǎn)H（x，y）有：

[y=yC-Rsinθ] （3）

將式（2）代入式（3），得：

[y=yC-RsinkyC+b] （4）

式（4）中y取值即法向誤差ε，最大法向誤差εmax為：

[εmax=maxRsinθ2≤yCsRsinθ1y] （5）

對式（4）求一階導(dǎo)數(shù)，得：

[dydyC=1-kRcoskyC+b] （6）

即最大法向誤差εmax對應(yīng)的[yC]滿足：

[1-kRcoskyC+b=0] （7）

即：

[YC=cos-11kR-bk] （8）

式中：[cos-11kR]取值范圍0～π，將式（8）代入式（4），得到實(shí)際軌跡的法向誤差ε。

[ε=cos-11kR-bk-Rsincos-11kR] （9）

如式（9）小于誤差設(shè)定值，則運(yùn)動軌跡滿足要求。

2 加工結(jié)果分析

本算法硬件平臺以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A和ACTEL公司的A3P400 FPGA芯片為核心。DSP芯片作為控制處理器，主要完成各種運(yùn)動控制算法、交流伺服控制算法、步進(jìn)驅(qū)動控制算法。FPGA協(xié)助DSP工作，完成各種運(yùn)動控制接口、系統(tǒng)開關(guān)量以及系統(tǒng)內(nèi)部各種邏輯控制；DSP和FPGA協(xié)同工作，共同構(gòu)建智能化縫制設(shè)備控制系統(tǒng)的核心單元，既充分利用DSP數(shù)據(jù)信號處理能力，進(jìn)行復(fù)雜算法運(yùn)算；又充分發(fā)揮FPGA運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，使其資源互補(bǔ)[7?8]。利用改進(jìn)切割算法在終端用戶現(xiàn)場切割效果如圖3～圖5所示。圖3表明旋轉(zhuǎn)角外圍布料得到完整保護(hù)，旋轉(zhuǎn)角具有清晰可見的邊角；圖4，圖5表明，對于多層布料來說，上下切割基本一致，不存在明顯的切割軌跡偏差。圖3 切割布料效果

圖6是統(tǒng)計(jì)結(jié)果，橫軸表示轉(zhuǎn)角個(gè)數(shù)，縱軸表示加工時(shí)間。圖6表明，若切割過程中，轉(zhuǎn)角越多本算法比傳統(tǒng)算法節(jié)約時(shí)間越多，平均本算法比傳統(tǒng)方式一節(jié)約10%的時(shí)間，比傳統(tǒng)方式二節(jié)約20%的時(shí)間。同時(shí)大量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，平均本算法比傳統(tǒng)方式一節(jié)約布料15%，比傳統(tǒng)方式二節(jié)約布料5%。

圖4 切割角料

圖5 剩余角料

3 結(jié) 語

針對目前自動裁床裁刀抬刀旋轉(zhuǎn)切割及刀尖保持不變旋轉(zhuǎn)切割存在的問題，提出了一種全新的解決方案。大量實(shí)踐表明，本文提出的算法不僅保持了目前兩種自動裁床裁刀旋轉(zhuǎn)切割方式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了他們存在的缺點(diǎn)；不僅節(jié)約了生產(chǎn)材料，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。

圖6 時(shí)間統(tǒng)計(jì)

參考文獻(xiàn)

[1] 趙勇.智能型數(shù)控電腦裁床系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].成都：電子科技大學(xué)，2005.

[2] 黃建江.智能數(shù)控裁床的研究與開發(fā)[D].無錫：江南大學(xué)，2007.

[3] 鄭榮.排料CAD技術(shù)對比分析與小衣片自動插入技術(shù)研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2010.

[4] 王強(qiáng).服裝自動裁剪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2007.

[5] 同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007.

[6] 王體泮.裁刀切向跟隨與切向刀補(bǔ)算法研究[J].兵工自動化，2013（2）：91?93.

[7] 王曉明，王玲.電動機(jī)的DSP控制：TI公司DSP應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[8] 潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：科學(xué)出版社，2006.