裁床裁剪復(fù)雜形狀速度控制研究

項(xiàng)賢軍，茹秋生

XIANG Xian-jun，RU Qiu-sheng

(上海工程技術(shù)大學(xué) 高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200437)

0 引言

隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展,全自動電腦裁床已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軟性材料的裁剪,如服裝、制鞋等[1]。目前性能好的裁床主要還是國外品牌，價格比較高,很多中小服裝企業(yè)很難承擔(dān)如此高的成本。我國服裝企業(yè)的CAD/CAM使用率還不到10%,中小服裝企業(yè)基本上仍采用手工裁剪的加工方法。因此，國內(nèi)對裁床的需求量巨大，但需要性價比高的設(shè)備。雖然目前國內(nèi)也有企業(yè)開始研發(fā)數(shù)控服裝裁剪系統(tǒng)，但由于數(shù)控裁剪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)電集成度高、控制難度大，國內(nèi)自主研發(fā)的裁剪系統(tǒng)在整體性能和精度上都與國外先進(jìn)水平差距較大?？刂葡到y(tǒng)是數(shù)控裁床的主要組成部分，本文針對控制系統(tǒng)在裁剪復(fù)雜形狀裁片時速度控制進(jìn)行研究,并在樣機(jī)上進(jìn)行測試，得出最終的分析結(jié)果。

1 裁剪復(fù)雜形狀速度限制

速度與精度是一對矛盾，數(shù)控裁剪系統(tǒng)一般要求達(dá)到的速度是0.5m/s～1m/s左右，在保證精度的前提下要實(shí)現(xiàn)高速裁割，就需要控制系統(tǒng)有優(yōu)良的運(yùn)動控制方式和運(yùn)動控制算法。

1.1 數(shù)控裁床的工作原理

數(shù)控裁床的裁剪過程主要由以下三部分完成[2]：1）啟動真空泵將軟性裁剪材料穩(wěn)固地吸附在裁剪工作臺上，防止裁剪時材料的滑動；2）待壓力達(dá)到要求后，開啟振動伺服電機(jī)使凸輪做高速偏心旋轉(zhuǎn)，從而帶動裁刀上、下往復(fù)振動準(zhǔn)備切割；3）準(zhǔn)備工作完畢后，機(jī)頭移動到開切點(diǎn)，刀頭由氣缸推動，使裁刀切入裁剪材料。最后由伺服電機(jī)驅(qū)動機(jī)頭在X、Y方向沿直線導(dǎo)軌按預(yù)設(shè)的裁剪路徑進(jìn)行運(yùn)動，同時轉(zhuǎn)角電機(jī)控制裁刀刀口和裁片的軌跡切線方向保持一致，實(shí)現(xiàn)裁床的裁剪工作。

圖1 裁床控制系統(tǒng)框圖

裁剪工作臺和裁剪機(jī)頭都是在控制系統(tǒng)作用下動作的，控制系統(tǒng)以PLC為核心，由PC/嵌入式平臺、PLC、驅(qū)動器、執(zhí)行元件和傳感器等組成，控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 相鄰裁剪線段速度限制

裁床裁剪的是二維平面圖形，在裁剪復(fù)雜形狀裁片時，這些形狀是由很多曲率不同的曲線組成，在實(shí)際裁剪時，會把這些曲線用小線段去擬合。

1.2.1 最大速度限制

在實(shí)際裁剪過程中，裁剪的速度受很多物理因素的現(xiàn)在，比如電機(jī)的扭矩，刀具的材料等等[3]。由于這些因素，對設(shè)備的最大允許裁剪速度有限制，在任何情況下，加工的實(shí)際速度不能超過最大允許裁剪速度Vmax。但在裁剪相鄰小直線時，為了保證裁剪精度，在交界處要降低裁剪精度甚至裁剪速度為零，實(shí)際裁剪速度會遠(yuǎn)低于設(shè)定目標(biāo)速度或最大允許速度。裁剪不同長度直線速度變化圖如圖2所示。

圖2 裁剪不同長度直線速度變化圖

1.2.2 最大加速度限制

在裁剪的過程中，考慮裁床的機(jī)械特性，裁床的最大允許加速度是受到限制的。裁剪過程需要不斷地加速和減速，如果裁剪加速度設(shè)置過大，會由于沖擊力過大造成床身抖動，并且對電機(jī)的使用壽命也會造成不良的影響。

2 不同運(yùn)動控制方式的速度分析

本設(shè)計(jì)的運(yùn)動控制是以PLC為核心，PLC將各軸的位移大小、位移方向、移動速度等參數(shù)通過EtherCAT通過發(fā)送到對應(yīng)的伺服驅(qū)動器，由各驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機(jī)帶動機(jī)頭移動。采用不同運(yùn)動控制方式，最終能達(dá)到的裁剪速度是不一樣的，本次選用的PLC能方便實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動控制方式有：直線插補(bǔ)方式、圓弧插補(bǔ)方式和電子凸輪方式。由于上位機(jī)給出的裁剪數(shù)據(jù)都是直線段的坐標(biāo)值，因此圓弧插補(bǔ)不適用，下文針對直線插補(bǔ)方式和電子凸輪方式進(jìn)行分析。

2.1 控制系統(tǒng)硬件選型

根據(jù)裁片數(shù)據(jù)量大和運(yùn)動控制性能高的實(shí)際需求，選用Omron新一代NJ系列處理器。它具有強(qiáng)大的運(yùn)動控制能力，帶有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)和電子凸輪等運(yùn)動控制方式。內(nèi)置EtherCAT端口，能夠方便地實(shí)現(xiàn)與伺服驅(qū)動器的數(shù)據(jù)通訊。

為了能較好地實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動的功能，同時也要配合NJ系列PLC的通訊方式，本設(shè)計(jì)選用的是歐姆龍G5系列的伺服電機(jī)。X軸、Y軸需要的扭矩較大，采用R88M-K20030H-S2-Z伺服電機(jī)（200W）、EtherCAT通訊內(nèi)置型R88D-KN02HECT伺服驅(qū)動器。Z軸只需要控制刀頭的轉(zhuǎn)到，不需要太大的扭矩，則采用R88M-K5030H-S2-Z伺服電機(jī)（50W）和EtherCAT通訊內(nèi)置型R88DKN01H-ECT伺服驅(qū)動器。

2.2 采用直線插補(bǔ)方式的速度分析

本設(shè)計(jì)選用的PLC帶有直線插補(bǔ)的運(yùn)動控制算法，在PLC編程時只要調(diào)用對應(yīng)的指令，給出坐標(biāo)值、速度和加速度等參數(shù)，即可方便實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)功能。

裁床在連續(xù)裁割加工時進(jìn)給速度主要受以下條件限制：

1）裁床所能允許的最大進(jìn)給速度Fmax=(Fxmax,Fymax, Vmax)。為裁床機(jī)械性能所能達(dá)到的最大允許速度，F(xiàn)xmax，F(xiàn)ymax分別為根據(jù)各坐標(biāo)軸所允許的最大速度計(jì)算本段能夠達(dá)到的最大進(jìn)給速度。

2）編程指令中設(shè)置的速度。

3）在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處裁床所能允許的最大轉(zhuǎn)接點(diǎn)速度Vj。轉(zhuǎn)折點(diǎn)的速度會影響裁片的精度，因此要求轉(zhuǎn)折點(diǎn)的速度盡量地慢，以實(shí)現(xiàn)較好的切割精度。設(shè)Amax為加速度，Lj-1為前一段直線段長度，α為連續(xù)兩直線的夾角，直線轉(zhuǎn)接點(diǎn)速度分析如圖3所示。

當(dāng)直線段長度為Lj-1，以最大加速度在終點(diǎn)處能夠達(dá)到的速度為：

4）轉(zhuǎn)接點(diǎn)的允許最小夾角α，當(dāng)轉(zhuǎn)接點(diǎn)角度小于α?xí)r達(dá)到準(zhǔn)停條件，為了保證加工精度，進(jìn)給速度需降為零。

圖3 直線轉(zhuǎn)接點(diǎn)速度分析

從以上分析可看出，當(dāng)裁片形狀復(fù)雜，裁割路徑由許多短小直線組成時，整個裁割的速度會比較慢。為了驗(yàn)證實(shí)際的裁割效果，編寫直線插補(bǔ)控制方式的測試程序，在樣機(jī)上進(jìn)行測試。具體的參數(shù)設(shè)置以及實(shí)際切割速度如表1所示。

表1 直線插補(bǔ)參數(shù)設(shè)計(jì)及實(shí)際裁割速度記錄

從表1中可得出，實(shí)際的裁割速度遠(yuǎn)小于程序設(shè)定的插補(bǔ)速度，當(dāng)插補(bǔ)加速度設(shè)置在4m/s2，實(shí)際的切割速度只有0.062m/s。此時的加速度值已經(jīng)較大，很難再增大，否則機(jī)械沖擊會太大，而且再增大加速度，對速度的提高也非常有限。因此采用PLC自帶的直線插補(bǔ)控制方式，在裁割復(fù)雜形狀時達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。

2.3 采用電子凸輪方式的實(shí)現(xiàn)及速度分析

要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的裁割，電子凸輪應(yīng)該是一個好的選擇。電子凸輪就是實(shí)現(xiàn)主軸和從軸的嚙合運(yùn)動，要實(shí)現(xiàn)電子凸輪，大致分為以下三個步驟[4]：

1）獲得主軸位置。獲得主軸位置一般有三種方法，本設(shè)計(jì)是采用虛擬軸編碼器實(shí)現(xiàn)，這種方法相對簡單準(zhǔn)確。

2）設(shè)計(jì)電子凸輪表(cam table)。所謂電子凸輪表實(shí)際上是指主軸和從軸位置的對應(yīng)關(guān)系。電子凸輪表一般有兩種表示方法：一是采用點(diǎn)對點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系表示；二是用兩者的函數(shù)關(guān)系表示。

3）實(shí)現(xiàn)從軸的位置控制。獲得從軸的位置之后就可以對從軸的電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)從軸與主軸的嚙合運(yùn)動。

本設(shè)計(jì)采用的PLC帶有電子凸輪功能，有現(xiàn)成的與電子凸輪相關(guān)的編程指令。與電子凸輪相關(guān)的最主要的指令塊有MC_SetCamTableProperty和MC_CamIn，這兩個指令塊的功能是生成電子凸輪表和電子凸輪的參數(shù)設(shè)計(jì)及啟動。MC_SetCamTableProperty指令塊有2個參數(shù)輸入和8 個參數(shù)輸出，具體參數(shù)分布如圖4 所示。其中CamTable是輸入—輸出參數(shù)，數(shù)據(jù)類型是ARRAY[0..N]OF_sMC_CAM_REF，用來將裁床上位機(jī)發(fā)送的坐標(biāo)值放入電子凸輪表。MC_CamIn指令塊涉及的參數(shù)較多，其具體參數(shù)如圖5所示。

圖4 電子凸輪表生成指令塊

圖5 電子凸輪控制指令塊

本設(shè)計(jì)的采用虛擬主軸，實(shí)際的3個伺服電機(jī)作為從軸。電子凸輪部分的編程思路大致如下：第一步，使能主軸和各個從動軸；第二步，各軸初始化回原點(diǎn)；第三步，設(shè)置虛擬主軸的參數(shù)包括速度、加減速；第四步，各個從軸的參數(shù)設(shè)置以及啟動。其流程圖如圖6所示。

圖6 電子功能軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

編寫完成電子凸輪的程序之后，在樣機(jī)上進(jìn)行測試，對實(shí)際裁片進(jìn)行試裁，速度比原先的直線插補(bǔ)方案明顯有提高，能達(dá)到0.5m/s以上，并且機(jī)械沖擊小，運(yùn)行比較平穩(wěn)，在轉(zhuǎn)角點(diǎn)精度比直線插補(bǔ)稍差，但在允許我誤差范圍之內(nèi)。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)提出PC+PLC的裁床控制系統(tǒng)方案，重點(diǎn)闡述了裁剪復(fù)雜形狀時的速度控制，對比了PLC實(shí)現(xiàn)的直線插補(bǔ)和電子凸輪功能兩種控制方式速度控制優(yōu)缺點(diǎn)。最終通過在樣機(jī)上測試得出，在保證精度的前提下，采用電子凸輪方式實(shí)現(xiàn)的速度能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

[1]李國富,華爾天,葉飛帆,應(yīng)小剛.數(shù)控服裝裁剪機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技通報(bào),2005,21(6):729-731.

[2]趙勇.智能型數(shù)控電腦裁床系統(tǒng)的開發(fā)與研究[D].電子科技大學(xué).2008

[3]趙燕偉,盧東,楊帆,儲旭明.面向內(nèi)凹小圓弧數(shù)控裁剪方法研究[J].機(jī)械制造,2010,48(1):16-18

[4]柏淑紅.采用伺服電機(jī)的電子凸輪控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程.2012.29(6):689-692.