模杯織物空間裁剪控制系統(tǒng)研發(fā)

趙建海 倪俊芳

摘 要：模杯織物作為一款高需求量的女性生活用品，對其裁剪速度的快慢決定了模杯企業(yè)的生產(chǎn)效益。為了克服人工裁剪速度慢、精度低等缺點，本文通過對模杯待裁剪曲線的擬合，采用弦線法的插補(bǔ)算法將模杯待裁剪曲線路徑轉(zhuǎn)換成驅(qū)控一體機(jī)能夠識別的G代碼指令，同時對控制系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行開發(fā)，驅(qū)控一體機(jī)根據(jù)G指令控制多軸機(jī)構(gòu)運(yùn)動，最終實現(xiàn)對模杯織物的自動化裁剪。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定、便于升級維護(hù)，滿足了模杯企業(yè)大批量、高效率的生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞：模杯織物；插補(bǔ)算法；軟硬件開發(fā)；裁剪

中圖分類號：TS941.4；TS103.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2018）04-0093-04

Abstract：Bra cup fabric is one of womens daily necessities with high demand， the cutting speed of the bra cup fabric determines the productivity effect of bra cup companies. In order to overcome the shortcomings such as low speed and low precision of manual cutting， the bras curve was fitted and the curve was converted into G-code which could be identified by drive-control integrated machine by linear interpolation algorithm of chord-line method. At the same time， software and hardware of the cutting control system were developed. The drive-control integrated machine controlled multi-axis machine to move according to the G-code， and completed the automatic cutting of bra at last. The application of the system results show that it is stable and convenient to operate， easy to update and maintenance， and it meets the companies requirements of mass production and high efficiency.

Key words：bra cup fabric； interpolation algorithm； software and hardware development； cutting

傳統(tǒng)的模杯織物裁剪方式為人工裁剪，根據(jù)裁剪工具使用的不同，人工裁剪又分為剪刀裁剪和縫紉機(jī)裁剪。裁剪過程中，工人必須沿著模杯織物上的輪廓線進(jìn)行裁剪，使裁刀的裁剪軌跡與輪廓線保持一致。人工裁剪存在難度大、經(jīng)驗性強(qiáng)、工作量大等缺點，不能滿足企業(yè)大批量高效率的生產(chǎn)要求。在研究自動裁剪設(shè)備方面歐美等發(fā)達(dá)國家起步的時間比較早，裁剪對象主要是皮革、服裝、紙箱等二維平面日常生活用品，經(jīng)過30多年的發(fā)展與積累，目前其技術(shù)相當(dāng)成熟，如美國格伯公司研發(fā)的系列產(chǎn)品TaurusXD已經(jīng)可以達(dá)到1.27 m/s的最大速度，精度可達(dá)0.1 mm，國內(nèi)近年來才開始自動化裁剪裝備方面的研發(fā)工作。由于模杯織物為三維立體模型，質(zhì)地柔軟，裁剪精度要求高，至今國內(nèi)外還沒有性能完備的裁剪產(chǎn)品供應(yīng)，其中鄧惠子等[1]對三維裁剪算法及硬件設(shè)計進(jìn)行了研究，取得了一定成果。本文對模杯織物待裁剪曲線進(jìn)行擬合逼近算法的研究，并設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件電路，采用C#語言進(jìn)行上位機(jī)軟件開發(fā)[2-3]，完成系統(tǒng)集成，證明裁剪系統(tǒng)是可行的。

1 織物待裁剪曲線的擬合與插補(bǔ)

1.1 曲線擬合

圖1為熱模壓后模杯與裁剪品，從圖1可見，模杯待裁剪曲線為一條空間自由曲線，曲線擬合的原理是用微小直線段來逼近圓弧，不斷地縮小誤差，直到滿足精度要求為止。在PRO/E軟件中，采用等比率的方法（兩點之間弧線長度相同）將模杯待裁剪曲線分成若干個點，因為裁剪刀具的寬度為0.5 mm，所以設(shè)置兩點之間弧線長度小于等于0.5 mm，如圖2所示。以拐角點為原點，模杯底部所在平面為XY平面，建立空間直角坐標(biāo)系，將這些點的坐標(biāo)導(dǎo)出成一個*.pts.1格式的文件，文件內(nèi)存儲著各個點的X、Y、Z三維坐標(biāo)。在相鄰兩點之間，用小段直線連接，小段直線代替兩點間的圓弧，如此不斷逼近、縮小誤差，最終可以擬合出整條模杯待裁剪曲線[4]。

1.2 弦線法插補(bǔ)

本織物裁剪控制系統(tǒng)采用弦線法的插補(bǔ)算法對模杯待裁剪曲線進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，驅(qū)控一體機(jī)在控制裁剪軌跡的過程中，逐點計算和判別裁剪偏差以控制坐標(biāo)進(jìn)給方向，從而按規(guī)定的軌跡裁剪出合格的產(chǎn)品。在裁剪過程中，必須要保證兩點之間的直線距離小于等于0.5 mm，以圖3為例，空間曲線上A、B、C、D4點為相鄰的等比率點，弦線法插補(bǔ)流程圖如圖4所示[5-6]。在誤差范圍內(nèi)，與其他插補(bǔ)算法相比，弦線法插補(bǔ)是點與點之間的直接連接，跳過中間的若干點，速度更快、效率更高。

2 軟硬件開發(fā)

2.1 硬件開發(fā)

本織物裁剪控制系統(tǒng)主要由多軸平臺、驅(qū)控一體機(jī)、伺服電機(jī)、裁剪刀具等組成，硬件框圖如圖5所示。為了提高系統(tǒng)的集成性和可操作性，將硬件系統(tǒng)分為3個模塊：多軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)、運(yùn)動控制器以及上位機(jī)軟件模塊[7]，驅(qū)控一體機(jī)與伺服電機(jī)的配線如圖6所示。

a）多軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)：它是系統(tǒng)的控制對象，主要包括伺服電機(jī)、左右行程開關(guān)、原點開關(guān)、傳動裝置及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

b）運(yùn)動控制器：從上位機(jī)軟件中讀取裁剪路徑信息G指令，根據(jù)伺服電機(jī)編碼器的反饋信號進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理運(yùn)算，進(jìn)而控制多軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，以實現(xiàn)模杯待裁剪軌跡目標(biāo)的裝置。

c）上位機(jī)軟件：與驅(qū)控一體機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有圖形顯示、排版、驅(qū)控一體機(jī)參數(shù)修改、裁剪模擬仿真、加工狀態(tài)顯示、警報提醒、控制系統(tǒng)加工等功能，方便用戶快速高效地操作系統(tǒng)。

模杯原料質(zhì)地柔軟且具有很強(qiáng)的透氣性，在裁剪的過程中易受裁剪刀具的影響產(chǎn)生位置偏移，本控制系統(tǒng)采用上下合模壓合的方式將模杯固定起來，上下合模帶有磁性，相互吸合，在磁力的作用下模杯被固定起來，隨著Z軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，完成閉合曲線的裁剪工作。織物夾緊裝置原理如圖7所示，在裁剪的過程中刀具始終垂直于待裁剪模杯表面，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)適用，非常適用于非平面織物的固定。

2.2 軟件開發(fā)

為了實現(xiàn)裁剪自動化、克服現(xiàn)有的裁剪系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力有限、與用戶交互性較差、操作復(fù)雜的不足，以C#為編程語言開發(fā)了基于Windows平臺的裁剪系統(tǒng)上位機(jī)控制軟件。PC機(jī)和驅(qū)控一體機(jī)的通信方式為以太網(wǎng)，以SCD系列驅(qū)控一體機(jī)作為下位機(jī)控制多軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)做精確的移位。上位機(jī)軟件主界面如圖8所示，軟件主界面（form1.cs）共由5個區(qū)域組成，即菜單區(qū)、圖形加工顯示區(qū)、功能區(qū)、統(tǒng)計區(qū)、狀態(tài)區(qū)等[8-10]。

a）菜單區(qū)：包含了文件管理、參數(shù)設(shè)置、聯(lián)機(jī)操作、加工等一系列功能。

b）圖形加工顯示區(qū)：用于顯示模杯待裁剪曲線路徑，當(dāng)裁剪模擬仿真或模杯正在加工時，在路徑上可看到當(dāng)前裁剪的動態(tài)位置。

c）功能區(qū)：實現(xiàn)裁剪模擬仿真及開始加工等快捷功能。

d）統(tǒng)計區(qū)：實現(xiàn)對模杯裁剪個數(shù)及裁剪時間的統(tǒng)計功能。

e）狀態(tài)區(qū)：用于實時顯示當(dāng)前的加工模式及系統(tǒng)運(yùn)行過程中所出現(xiàn)的警報信息。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

驅(qū)控一體機(jī)作為核心部件，在很大程度上決定了控制系統(tǒng)的整體性能。多軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有4個自由度，可實現(xiàn)X、Y、Z方向的直線運(yùn)動以及C方向（繞Z軸）的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。各部分所組成的電氣控制系統(tǒng)連接實物圖如圖9所示，上位機(jī)軟件與硬件集成好之后，經(jīng)過測試，多軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)允許的最大加速度為1 G，裁剪速度控制在0.4 m/s以內(nèi)不會對模杯和刀具產(chǎn)生影響。裁剪過程中若出現(xiàn)警報信息，多軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)立刻停止運(yùn)動，裁剪刀具靜止，待查找原因消除警報后，裁剪工作繼續(xù)進(jìn)行，裁剪誤差在0.4 mm內(nèi)。測試結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期效果，裁剪精度滿足要求，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，易于加工維護(hù)，價格便宜，便于后期的產(chǎn)品推廣，模杯樣片裁剪效果圖如圖10所示。

4 結(jié) 語

模杯待裁剪的軌跡曲線是一條空間自由曲線，本文采用弦線法的插補(bǔ)算法對這條空間自由曲線進(jìn)行擬合、逼近，完成上位機(jī)開發(fā)，主要解決了以下基本問題：

a）對模杯待裁剪曲線的擬合和插補(bǔ)，提高了系統(tǒng)的裁剪速度。

b）開發(fā)控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件，便于用戶操作使用，且能夠?qū)崟r地對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

c）自動化裁剪代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工裁剪，大大提高了模杯裁剪效率，滿足了企業(yè)大批量高效率的生產(chǎn)要求；同時，降低企業(yè)成本，提高企業(yè)市場競爭力。

由于系統(tǒng)在裁剪過程中存在一定的柔性沖擊，尤其在曲線拐角處速度過度不平滑，造成機(jī)器振蕩，所以在速度控制方法方面還有待進(jìn)一步研究。

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