裁床裁剪復雜形狀速度控制研究

項賢軍，茹秋生

XIANG Xian-jun，RU Qiu-sheng

(上海工程技術大學 高等職業技術學院，上海 200437)

0 引言

隨著數字控制技術的發展,全自動電腦裁床已經廣泛應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,很多中小服裝企業很難承擔如此高的成本。我國服裝企業的CAD/CAM使用率還不到10%,中小服裝企業基本上仍采用手工裁剪的加工方法。因此，國內對裁床的需求量巨大，但需要性價比高的設備。雖然目前國內也有企業開始研發數控服裝裁剪系統，但由于數控裁剪系統結構復雜、機電集成度高、控制難度大，國內自主研發的裁剪系統在整體性能和精度上都與國外先進水平差距較大。控制系統是數控裁床的主要組成部分，本文針對控制系統在裁剪復雜形狀裁片時速度控制進行研究,并在樣機上進行測試，得出最終的分析結果。

1 裁剪復雜形狀速度限制

速度與精度是一對矛盾，數控裁剪系統一般要求達到的速度是0.5m/s～1m/s左右，在保證精度的前提下要實現高速裁割，就需要控制系統有優良的運動控制方式和運動控制算法。

1.1 數控裁床的工作原理

數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）待壓力達到要求后，開啟振動伺服電機使凸輪做高速偏心旋轉，從而帶動裁刀上、下往復振動準備切割；3）準備工作完畢后，機頭移動到開切點，刀頭由氣缸推動，使裁刀切入裁剪材料。最后由伺服電機驅動機頭在X、Y方向沿直線導軌按預設的裁剪路徑進行運動，同時轉角電機控制裁刀刀口和裁片的軌跡切線方向保持一致，實現裁床的裁剪工作。

圖1 裁床控制系統框圖

裁剪工作臺和裁剪機頭都是在控制系統作用下動作的，控制系統以PLC為核心，由PC/嵌入式平臺、PLC、驅動器、執行元件和傳感器等組成，控制系統框圖如圖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

在實際裁剪過程中，裁剪的速度受很多物理因素的現在，比如電機的扭矩，刀具的材料等等[3]。由于這些因素，對設備的最大允許裁剪速度有限制，在任何情況下，加工的實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，實際裁剪速度會遠低于設定目標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，如果裁剪加速度設置過大，會由于沖擊力過大造成床身抖動，并且對電機的使用壽命也會造成不良的影響。

2 不同運動控制方式的速度分析

本設計的運動控制是以PLC為核心，PLC將各軸的位移大小、位移方向、移動速度等參數通過EtherCAT通過發送到對應的伺服驅動器，由各驅動器驅動伺服電機帶動機頭移動。采用不同運動控制方式，最終能達到的裁剪速度是不一樣的，本次選用的PLC能方便實現的運動控制方式有：直線插補方式、圓弧插補方式和電子凸輪方式。由于上位機給出的裁剪數據都是直線段的坐標值，因此圓弧插補不適用，下文針對直線插補方式和電子凸輪方式進行分析。

2.1 控制系統硬件選型

根據裁片數據量大和運動控制性能高的實際需求，選用Omron新一代NJ系列處理器。它具有強大的運動控制能力，帶有直線插補、圓弧插補和電子凸輪等運動控制方式。內置EtherCAT端口，能夠方便地實現與伺服驅動器的數據通訊。

為了能較好地實現三軸聯動的功能，同時也要配合NJ系列PLC的通訊方式，本設計選用的是歐姆龍G5系列的伺服電機。X軸、Y軸需要的扭矩較大，采用R88M-K20030H-S2-Z伺服電機（200W）、EtherCAT通訊內置型R88D-KN02HECT伺服驅動器。Z軸只需要控制刀頭的轉到，不需要太大的扭矩，則采用R88M-K5030H-S2-Z伺服電機（50W）和EtherCAT通訊內置型R88DKN01H-ECT伺服驅動器。

2.2 采用直線插補方式的速度分析

本設計選用的PLC帶有直線插補的運動控制算法，在PLC編程時只要調用對應的指令，給出坐標值、速度和加速度等參數，即可方便實現直線插補功能。

裁床在連續裁割加工時進給速度主要受以下條件限制：

1）裁床所能允許的最大進給速度Fmax=(Fxmax,Fymax, Vmax)。為裁床機械性能所能達到的最大允許速度，Fxmax，Fymax分別為根據各坐標軸所允許的最大速度計算本段能夠達到的最大進給速度。

2）編程指令中設置的速度。

3）在轉折點處裁床所能允許的最大轉接點速度Vj。轉折點的速度會影響裁片的精度，因此要求轉折點的速度盡量地慢，以實現較好的切割精度。設Amax為加速度，Lj-1為前一段直線段長度，α為連續兩直線的夾角，直線轉接點速度分析如圖3所示。

當直線段長度為Lj-1，以最大加速度在終點處能夠達到的速度為：

4）轉接點的允許最小夾角α，當轉接點角度小于α時達到準停條件，為了保證加工精度，進給速度需降為零。

圖3 直線轉接點速度分析

從以上分析可看出，當裁片形狀復雜，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。為了驗證實際的裁割效果，編寫直線插補控制方式的測試程序，在樣機上進行測試。具體的參數設置以及實際切割速度如表1所示。

表1 直線插補參數設計及實際裁割速度記錄

從表1中可得出，實際的裁割速度遠小于程序設定的插補速度，當插補加速度設置在4m/s2，實際的切割速度只有0.062m/s。此時的加速度值已經較大，很難再增大，否則機械沖擊會太大，而且再增大加速度，對速度的提高也非常有限。因此采用PLC自帶的直線插補控制方式，在裁割復雜形狀時達不到預期目標。

2.3 采用電子凸輪方式的實現及速度分析

要實現復雜形狀的裁割，電子凸輪應該是一個好的選擇。電子凸輪就是實現主軸和從軸的嚙合運動，要實現電子凸輪，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，本設計是采用虛擬軸編碼器實現，這種方法相對簡單準確。

2）設計電子凸輪表(cam table)。所謂電子凸輪表實際上是指主軸和從軸位置的對應關系。電子凸輪表一般有兩種表示方法：一是采用點對點的對應關系表示；二是用兩者的函數關系表示。

3）實現從軸的位置控制。獲得從軸的位置之后就可以對從軸的電機進行控制，實現從軸與主軸的嚙合運動。

本設計采用的PLC帶有電子凸輪功能，有現成的與電子凸輪相關的編程指令。與電子凸輪相關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設計及啟動。MC_SetCamTableProperty指令塊有2個參數輸入和8 個參數輸出，具體參數分布如圖4 所示。其中CamTable是輸入—輸出參數，數據類型是ARRAY[0..N]OF_sMC_CAM_REF，用來將裁床上位機發送的坐標值放入電子凸輪表。MC_CamIn指令塊涉及的參數較多，其具體參數如圖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

本設計的采用虛擬主軸，實際的3個伺服電機作為從軸。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；第三步，設置虛擬主軸的參數包括速度、加減速；第四步，各個從軸的參數設置以及啟動。其流程圖如圖6所示。

圖6 電子功能軟件實現流程圖

編寫完成電子凸輪的程序之后，在樣機上進行測試，對實際裁片進行試裁，速度比原先的直線插補方案明顯有提高，能達到0.5m/s以上，并且機械沖擊小，運行比較平穩，在轉角點精度比直線插補稍差，但在允許我誤差范圍之內。

3 結論

本設計提出PC+PLC的裁床控制系統方案，重點闡述了裁剪復雜形狀時的速度控制，對比了PLC實現的直線插補和電子凸輪功能兩種控制方式速度控制優缺點。最終通過在樣機上測試得出，在保證精度的前提下，采用電子凸輪方式實現的速度能達到設計要求。

[1]李國富,華爾天,葉飛帆,應小剛.數控服裝裁剪機控制系統設計[J].科技通報,2005,21(6):729-731.

[2]趙勇.智能型數控電腦裁床系統的開發與研究[D].電子科技大學.2008

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

[4]柏淑紅.采用伺服電機的電子凸輪控制系統設計[J].機電工程.2012.29(6):689-692.