模杯織物空間裁剪控制系統研發

2018-09-10 14:47:35趙建海倪俊芳

現代紡織技術 2018年4期

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的生產效益。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，采用弦線法的插補算法將模杯待裁剪曲線路徑轉換成驅控一體機能夠識別的G代碼指令，同時對控制系統的軟硬件進行開發，驅控一體機根據G指令控制多軸機構運動，最終實現對模杯織物的自動化裁剪。應用結果表明，該系統操作方便、運行穩定、便于升級維護，滿足了模杯企業大批量、高效率的生產需求。

關鍵詞：模杯織物；插補算法；軟硬件開發；裁剪

中圖分類號：TS941.4；TS103.7

文獻標志碼：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

傳統的模杯織物裁剪方式為人工裁剪，根據裁剪工具使用的不同，人工裁剪又分為剪刀裁剪和縫紉機裁剪。裁剪過程中，工人必須沿著模杯織物上的輪廓線進行裁剪，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、經驗性強、工作量大等缺點，不能滿足企業大批量高效率的生產要求。在研究自動裁剪設備方面歐美等發達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，經過30多年的發展與積累，目前其技術相當成熟，如美國格伯公司研發的系列產品TaurusXD已經可以達到1.27 m/s的最大速度，精度可達0.1 mm，國內近年來才開始自動化裁剪裝備方面的研發工作。由于模杯織物為三維立體模型，質地柔軟，裁剪精度要求高，至今國內外還沒有性能完備的裁剪產品供應，其中鄧惠子等[1]對三維裁剪算法及硬件設計進行了研究，取得了一定成果。本文對模杯織物待裁剪曲線進行擬合逼近算法的研究，并設計控制系統的硬件電路，采用C#語言進行上位機軟件開發[2-3]，完成系統集成，證明裁剪系統是可行的。

1 織物待裁剪曲線的擬合與插補

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，建立空間直角坐標系，將這些點的坐標導出成一個*.pts.1格式的文件，文件內存儲著各個點的X、Y、Z三維坐標。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

本織物裁剪控制系統采用弦線法的插補算法對模杯待裁剪曲線進行插補運算，驅控一體機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進給方向，從而按規定的軌跡裁剪出合格的產品。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，弦線法插補流程圖如圖4所示[5-6]。在誤差范圍內，與其他插補算法相比，弦線法插補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

2.1 硬件開發

本織物裁剪控制系統主要由多軸平臺、驅控一體機、伺服電機、裁剪刀具等組成，硬件框圖如圖5所示。為了提高系統的集成性和可操作性，將硬件系統分為3個模塊：多軸運動機構、運動控制器以及上位機軟件模塊[7]，驅控一體機與伺服電機的配線如圖6所示。

a）多軸運動機構：它是系統的控制對象，主要包括伺服電機、左右行程開關、原點開關、傳動裝置及末端執行機構。

b）運動控制器：從上位機軟件中讀取裁剪路徑信息G指令，根據伺服電機編碼器的反饋信號進行數據的處理運算，進而控制多軸運動機構的運動，以實現模杯待裁剪軌跡目標的裝置。

c）上位機軟件：與驅控一體機進行數據傳輸，具有圖形顯示、排版、驅控一體機參數修改、裁剪模擬仿真、加工狀態顯示、警報提醒、控制系統加工等功能，方便用戶快速高效地操作系統。

模杯原料質地柔軟且具有很強的透氣性，在裁剪的過程中易受裁剪刀具的影響產生位置偏移，本控制系統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軸做旋轉運動，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，該裝置結構簡單，經濟適用，非常適用于非平面織物的固定。

2.2 軟件開發

為了實現裁剪自動化、克服現有的裁剪系統數據處理能力有限、與用戶交互性較差、操作復雜的不足，以C#為編程語言開發了基于Windows平臺的裁剪系統上位機控制軟件。PC機和驅控一體機的通信方式為以太網，以SCD系列驅控一體機作為下位機控制多軸運動機構做精確的移位。上位機軟件主界面如圖8所示，軟件主界面（form1.cs）共由5個區域組成，即菜單區、圖形加工顯示區、功能區、統計區、狀態區等[8-10]。

a）菜單區：包含了文件管理、參數設置、聯機操作、加工等一系列功能。

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

c）功能區：實現裁剪模擬仿真及開始加工等快捷功能。

d）統計區：實現對模杯裁剪個數及裁剪時間的統計功能。

e）狀態區：用于實時顯示當前的加工模式及系統運行過程中所出現的警報信息。

3 系統實現

驅控一體機作為核心部件，在很大程度上決定了控制系統的整體性能。多軸運動機構作為執行機構，具有4個自由度，可實現X、Y、Z方向的直線運動以及C方向（繞Z軸）的旋轉運動。各部分所組成的電氣控制系統連接實物圖如圖9所示，上位機軟件與硬件集成好之后，經過測試，多軸運動機構允許的最大加速度為1 G，裁剪速度控制在0.4 m/s以內不會對模杯和刀具產生影響。裁剪過程中若出現警報信息，多軸運動機構立刻停止運動，裁剪刀具靜止，待查找原因消除警報后，裁剪工作繼續進行，裁剪誤差在0.4 mm內。測試結果基本達到了預期效果，裁剪精度滿足要求，該系統性能穩定，結構簡單，易于加工維護，價格便宜，便于后期的產品推廣，模杯樣片裁剪效果圖如圖10所示。

4 結語

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算法對這條空間自由曲線進行擬合、逼近，完成上位機開發，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，提高了系統的裁剪速度。

b）開發控制系統上位機軟件，便于用戶操作使用，且能夠實時地對系統的運行狀態進行監測。

c）自動化裁剪代替傳統的人工裁剪，大大提高了模杯裁剪效率，滿足了企業大批量高效率的生產要求；同時，降低企業成本，提高企業市場競爭力。

由于系統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，造成機器振蕩，所以在速度控制方法方面還有待進一步研究。

參考文獻：

[1] 鄧惠子，韓俊剛.改進的三維裁剪算法及其硬件設計[J].電子科技，2013，27（7）：1-3.

[2] 張文君，李思益.數控技術在皮革裁剪機上的應用[J].機械設計與制造，2005（10）：138-139.

[3] 林示麟，俞立.智能服裝裁割機中運動控制系統的研究與開發[D].杭州：浙江工業大學，2008.

[4] 石振東，劉國慶.實驗數據處理與曲線擬合技術[M].哈爾濱：哈爾濱船舶工程學院出版社，1991.

[5] 倪俊芳，宋昌才，何高清.機床數控技術[M].北京：科學出版社，2016.