全自動立體金屬字邊條開槽機控制系統設計

白 瑋，王 曼，高云超

（天津市激光技術研究所，天津 300192）

如今，隨著現代化城市景觀效果和街道時尚店鋪招牌裝飾檔次的提升，對精品金屬字形的工藝效果要求越來越高，廣告裝潢加工制作行業對相關先進制造設備的需求日趨擴大。特別是針對精品金屬字形高檔工藝的制作，迫切需要與激光切割字面數控設備配套且性價比較高的全自動立體金屬字形邊條的開槽機設備。目前，雖然金屬立體字平面部分可用激光等數控設備切割，但立體金屬字框邊條仍然需要人工開槽、折彎、焊接等手工工藝制作。這樣使得制作企業存在成型金屬字的制作人工成本很高，制作工藝和精準效果達不到精品金屬字的高檔次的問題。因此，研發具有創新、實用價值的與激光切割設備配套的全自動立體金屬字形開槽機，自動化控制系統是設備的核心部分。

1 開槽機結構組成及控制功能

全自動立體金屬字邊條開槽機 （下稱開槽機）自動控制主體機構主要由PC計算機系統、單片機控制系統、往復夾送料機構、砂輪片開槽損耗檢測補償裝置和字邊條開槽節點截斷標記裝置等部分組成，如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 全自動立體金屬字邊條開槽機主體機構Fig.1 Main mechanism of automatic vertical metal letter edgings notching machine

圖2 砂輪片損耗檢測補償機構Fig.2 Detection and compensating mechanism for grinding wheels loss

圖3 記號筆標注控制裝置Fig.3 Control mechanism for the marker pen marking

開槽機的主要控制功能是依據激光切割字面曲線矢量文件導入上位機中，經過字形開槽節點編輯軟件系統進行編輯、設置，生成字形開槽節點及加工參數，將相關數據指令傳送到下位機（電氣柜內）。下位機的開槽機控制系統執行動作裝置 （電機、氣動等電氣數控驅動裝置）、砂輪片旋轉損耗檢測補償機構、往復夾送料機構以及開槽截斷處自動標記機構完成字邊條的全自動開槽加工[1]。

2 上位機開槽節點編輯系統軟件設計

上位機開槽節點編輯系統軟件實現的功能是：

第1步將相關專業設計繪圖軟件，例如Corel DRAW、AutoCAD、文泰切割等軟件編輯加工完成的激光切割字面曲線的數控切割的矢量文件導入上位機；

第2步將導入的字形矢量文件生成相應的矢量文件格式（如PLT、DXF等）[2]，由開槽節點編輯系統軟件通過相應數學算法與相關加工設置參數結合，確定開槽節點和間距尺寸以及輪廓排序（A0，B0，C0…）、開槽次數等；

第3步生成相應的控制和運行數據，經數據端口向下位機輸出相關信息和指令信號。為完成上述功能，該開槽編輯軟件使用了C++等編程語言[6]。

上位機軟件主要由以下3部分組成。

2.1 人機操作和節點開槽動態顯示界面設計

通過軟件實現的上位機開槽節點編輯系統人機操作界面，能夠進行字形開槽節點的添加、刪除、定義起始點等修改編輯，顯示生成字形節點間距和輪廓尺寸及設置相關加工參數等。上位機將數據指令傳送到下位機。下位機在執行每個節點開槽時，將結束后的信息反饋到上位機的開槽節點編輯軟件系統的人機操作界面，形成節點開槽動態跟蹤效果的顯示以及開槽加工狀態指示等功能。部分顯示界面如圖4所示。

圖4 人機操作和節點開槽動態顯示界面（部分）Fig.4 Dynamic display interface of human-machine operation and nodes notching（partly）

2.2 輪廓嵌套分析及擴（縮）邊算法

根據加工制作要求，邊條開槽成型后的字形表面積要小于原激光切割字面曲線文件字形表面積，使激光切割字平面覆蓋住開槽邊條豎直立面的輪廓邊緣，保證激光切割字面節點與邊條開槽節點準確配合的同時使金屬立體字外形美觀。如圖5左側所示，深色部分為開槽字形表面積，淺色部分為原激光切割字形表面積。因此，開槽編輯軟件必須對嵌套的原激光切割字形輪廓曲線A1、B1進行擴邊或縮邊的判別，按定值比例分別縮放為曲線A0、B0，如圖5右側所示，A1→A0是縮小的字形開槽輪廓曲線，B1→B0是擴大的字形開槽輪廓曲線。

圖5 激光切割字形輪廓曲線與開槽輪廓曲線比較Fig.5 Compare of laser cutting curve and notching curve for the letter

圖5說明，開槽節點的確定需要處理字形嵌套輪廓曲線的縮放，特別是對于多層字形輪廓曲線嵌套的各曲線縮放處理[3]。例如“回”字形，是由4個嵌套輪廓曲線組成，需要正確判斷出每個輪廓曲線的特征，才能進行擴邊或縮邊處理。曲線輪廓嵌套分析及擴（縮）邊算法編程的要點如下：

（1）定義輪廓嵌套曲線的個數，從最外層開始定義（0，1，2，3…），偶數為擴邊，奇數為縮邊，如圖 6 所示；

圖6 “回”字形輪廓曲線的嵌套示意Fig.6 Nested schematic diagram of curvaceous outline for letter“回”

（2）對需要每個擴（縮）邊的輪廓建立相對坐標系，確定擴（縮）邊的起始點，如圖 5 右側“A1，B1”；

（3）對原曲線進行插補直線圖段處理，建立相應的直線方程：Ax+By=C；

（4）根據原曲線插補直線各直線方程的圖段夾角，找到曲線的各個節點，建立新的Ax+By=C+dC，其中，dC=擴（縮）邊距離 *sqrt（A*A+B*B），如圖 5右側中“A0，B0”，對應原曲線節點建立出新的開槽節點，以此類推。

輪廓嵌套分析及擴（縮）邊處理程序流程如圖7所示。

圖7 輪廓嵌套分析及擴（縮）邊編程處理流程Fig.7 Flow chart for outline nested analysis and enlarging（or lessening）programming

2.3 上位機與下位機系統的動態數據通訊設計

考慮到生產成本控制，上位機開槽節點編輯系統選用市場通用基本配置的臺式或筆記本PC計算機。下位機節點開槽控制系統采用功能上滿足控制需要的經濟型F2812 DSP單片機。由于單片機的內存容量的限制，上位機開槽節點編輯系統與下位機單片機節點開槽控制系統采用了分段傳輸的動態方式。上位機開槽節點編輯系統數據傳輸對串口的操作方式為文件模塊方式，每次傳輸本段加工數據文件到下位機開槽節點控制系統的單片機里，當本段加工結束時由下位機發送請求到上位機，上位機再發送下一段開槽指令到下位機執行，如此循環。通訊程序流程如圖8所示。

圖8 上、下位機動態數據通訊流程Fig.8 Flow chart for dynamic data communication of PC and PLC

3 下位機字形邊條開槽執行控制系統

參照圖1，開槽機下位機的主要控制功能是在有限的機械行程范圍內邊條F的長度不受限制。通過夾送料機構C以“往復夾送料”的步進數控方式傳動送料、開槽加工；邊條經開槽節點處自動暫停，旋轉砂輪片，由氣動裝置D往復移動開槽執行機構B進行n次開槽。開槽節點間距尺寸保證精準穩定；砂輪片損耗檢測機構B1自動補償砂輪片損耗，保證邊條開槽深度的一致性；在輪廓曲線開槽結束節點處自動標注截斷記號，避免了人工測量標注截斷記號的誤操作，有效提高了開槽的準確率和成品率。開槽機控制系統執行字邊條的全自動開槽加工操作的功能通過下位機的軟硬件設計實現。

3.1 下位機控制系統硬件設計

下位機采用TMS320F2812DSP單片機嵌入式系統控制，對各氣動、電氣、電機控制驅動單元進行了電路設計開發[7]。在ADC轉換、I/O接口、RS232串口數據通信、步進驅動、手控操作和抗干擾等關鍵技術環節保證穩定、可靠。開槽機節點開槽控制系統及下位機接口硬件配置及功能如圖9所示。

圖9 下位機硬件控制系統結構Fig.9 Structure diagram for PLC hardware control system

為了保證開槽深度不受砂輪片損耗的影響，設計了砂輪片開槽損耗自動補償系統，電路原理如圖10所示。開槽深度檢測傳感器的信號經放大、模數轉換輸入到TMS320F2812 DSP單片機的下位機控制系統[4]。系統相關部分通過對檢測數據采樣、數字濾波、回差判別等處理，計算出砂輪片實際消耗數據并有效地控制砂輪片位置運動的定量補償。實踐應用證明，補償達到設計功能要求，開槽深度保持一致，精準有效。

3.2 下位機控制系統軟件設計

下位機控制系統軟件設計是通過C++語言編程再由TMS320F2812 DSP專用匯編語言編譯后形成執行程序。上位機通過RS232串口數據總線將開槽節點編輯數據傳輸到TMS320F2812 DSP單片計算機，下位機控制系統的技術關鍵就是軟件對硬件的實時調度與驅動，保證開槽節點間的計算距離和實際執行夾送料距離一致，字面切割曲線切割節點和字面開槽曲線節點精準吻合。通過砂輪片損耗檢測機構與相應電路配合，由下位機相關軟件對采樣反饋信號加以數字濾波、判斷、甄別、處理并正確輸出相應的加工控制指令調整砂輪片位置，實現自動補償砂輪片損耗功能，保證邊條開槽深度的一致性。軟件程序流程如圖11所示。

圖10 砂輪片開槽損耗自動補償電路原理Fig.10 Electric circuit schematics for grinding wheels loss compensating automatically

圖11 下位機控制系統軟件流程Fig.11 Software flow chart for PLC control system

4 結語

目前，為了配套數控激光加工設備切割金屬字面使用，全自動立體金屬字邊條開槽機控制系統已應用于數十臺開槽機產品，達到了設計要求，市場反映良好。自主研發并應用在廣告制作領域的新型全自動立體金屬字邊條開槽機控制系統及產品，力求創新、實用。相關技術成果申請并獲得了國家專利（專利名稱：一種廣告字形邊條全自動數控開槽折彎機及開槽方法；實用新型授權專利號：201520045115.2；發明專利申請號：201510032395.8）。

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[7]蘇奎峰，呂強，耿慶鋒，等.TMS320F2812原理與開發[M].北京：電子工業出版社，2005.