EDA技術在皮革裁斷電子系統中的應用研究

諶濤，劉后文，胡頂勝，周加立，鄭松，劉豪

（興義民族師范學院 物理與工程技術學院，貴州 興義562400）

引言

皮革裁斷機是當前皮革行業制造過程中的必備機器，亦是當前輕工產業中普遍適用于加工各類紡織物、橡膠、石棉等柔性片狀物料的裁斷設備。依據傳動方式來劃分，傳統裁斷機是借助機器運動的作用力加壓于刀模，對柔性片狀物料進行沖型加工；新型智能裁斷機，利用計算機對電路板芯片進行設計，其控制形式與水束裁斷機相似，沖切源為超聲波發生器。

伴隨著EDA技術的普及與發展，高校以各種形式深刻挖掘“校企合作，校產合作，校地模式”，培育了大量的EDA技術人才，強有力地推動了我國EDA技術的發展，進一步改善并彌補了當前皮革機械制造類設備的電子電路智能監控缺陷。憑借著計算機、集成電路、電子系統的自動計算優勢，使復雜數字系統設計自動化成為可能，只要用硬件描述語言將數字系統的行為描述正確，可以在裁斷過程中精準對皮革材料進行自動切割，減少廢料的產生，有效提高生產效率。

1 EDA技術概述

1.1 EDA技術概念

EDA技術泛指電子設計自動化技術，英文全稱為Electronics Design Automation，依托計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）進行工具軟件平臺開發，所采用的是系統邏輯描述方法實施設計工作，進行邏輯編譯命令，經過簡化之后綜合處理并進一步優化[1]，最終由此形成電子系統的自動化工作，被廣泛應用于設計各種電子產品、通信電子設備與機械電子設備的系統之中。

1.2 EDA技術應用

EDA技術可以看作是一種設計工具，其主要的工作平臺是計算機與電子系統設備控制界面，通過邏輯語言的程序編寫，在硬件描述語言（HDL）中對電子設備進行運動控制與實時監測，例如利用EDA技術在射頻電子線路系統設計過程中，可以精準根據射頻信號進行設備的智能監測；再如利用EDA中的異構網絡技術可以對機械設備進行輔助制造自動化，從而設計出最優化的設備運動路徑策略。

1.3 EDA技術特點

EDA技術的特點主要有三點。首先，EDA技術具有操作簡單和使用方便的特點，具有計算機開發基礎和掌握計算機輔助設計能力的相關人員即可進行簡單的開發；其次，EDA技術在電路設計系統中具有功能強大和應用范疇廣泛的特點，且具有非常強的開發性和可用性，可以對各類電子設備、機械設備進行廣泛開發；最后，EDA技術結合計算機輔助工程軟件可以對整個設備的平臺起到一定的數據支撐作用，具有自動優化的特點，在開展工作中工作人員通過計算機平臺進行電路系統操作即可自動分析設備性能，如果電路設計存在漏洞，能夠自行補充，對于所存在的問題可以自行修改，由此起到優化設計電子系統的作用，使其設備性能得以充分發揮[2]。

2 EDA技術在皮革裁斷電子系統中的結構設計

2.1 設計分析

目前，傳統的皮革裁斷設備智能化與網絡化程度較低，無法有效分析裁斷過程中的各類數據，同時傳統的皮革裁斷機對其設備的自動監控存在很大漏洞。

為了能更好地解決目前存在的問題，采用EDA異構網絡技術，技術輔助設計（CAE）、機械電子總線技術、人工智能技術和網絡技術在目前的硬件體系結構的基礎上進行開發，設計一套智能型的皮革裁斷機設備的電子系統，其主要功能為參數狀態監測和智能故障診斷的集成監控系統。

2.2 設計原理

皮革裁床切割設備作為一種相對柔性的切割設備，主要是針對各類皮料進行切割，例如人造皮革、天然皮革等具有柔性特點的材料，與傳統的皮革切割設備相比而言，運用EDA技術融入的電子數控皮革裁床切割系統成本較低、效率高且靈活性更強，可以大大提高企業的生產效率[4]。

針對當前傳統皮革裁斷設備中存在的問題，例如自動化程度低、材料消耗量大、切割準確率低、實時監控能力弱等問題，運用異構網絡EDA技術實現智能皮革裁斷電子系統設計，使設計出的皮革裁斷機械設備功能強大，通過工業攝像機與流水線的實時電子監控過程中，實現多臺皮革裁斷機自動智能裁斷命令，保障其皮革材料裁斷的精準性與高效率，其原理如圖1所示。

圖1 設計原理Fig.1 Design principle

2.3 結構設計

以EDA技術作為皮革裁斷電子系統的主要技術支撐，其具體結構設計如圖2所示，主要包含了CAN總線網絡和Ethernet/IP工業以太網的異構網絡、工業攝像機網絡、CAN-Ethernet專用網關、PC工作站和控制服務器組成。

圖2 皮革裁斷電子系統結構Fig.2 Structure of leather cutting system

在其結構設計的組建過程之中，CAN總線技術負責對皮革裁斷機進行內網組建連接，將皮革裁斷電子系統內部的工作狀態進行實時上傳；利用異構網絡EDA技術進行網關協議轉換；將設備實時信息自動上傳至工業以太網中；由生產車間的PC工作站和控制服務器進行實時讀取。

在設計結構的運行過程之中，該電子系統的每臺皮革數控機床前側部位分別加裝工業攝像機對傳送帶中的皮革材料進行快速抓拍，負責對即將加工裁斷的皮革面料進行智能自動排樣策略，同時分布皮革裁斷的先后順序。

在其結構設計的裁切過程之中，抓拍的圖像通過USB數據線自動上傳至PC工作站和控制服務器進行數據讀取，通過流水線電子監控設備進行監控，利用EDA軟件Open CV對傳送的皮革面料圖像進行自動識別處理，使其快速對皮革面料區域形成排樣工區；利用EDA技術中的FPGA（現場可編程邏輯器件）在PC工作站中對其進行特定的排樣算法預設自動化，使形成的排樣策略針對皮革裁斷機的樣片組進行智能規劃；最終將智能規劃策略通過監控網絡自上而下向三臺皮革裁斷數控設備進行命令傳輸，完成電子系統的自動智能裁斷。

2.4 設計優勢

以EDA技術融合多種智能電子技術，依托CAN-Ethernet專用網關作為整個皮革裁斷電子設備系統中的網絡通信樞紐，通過工業以太網協議轉換快速實現信息數據的異構網絡融合，具有高速、準確、穩定的優勢。

同時，在整個系統中利用USB口可以將工業攝像機中的實時圖像準確上傳至機器設備的PC工作站進行智能分析，保障對皮革面料樣片的區域裁斷策略制定的精準性，對工作狀態、樣片裁斷前后順序進行自動規劃，具有能耗少、協調度高、管理便捷的優勢。

3 EDA技術融合的皮革裁斷電子系統設計應用功能

3.1 優化處理不規則皮革樣片功能

在皮革樣片的實際裁斷生產過程中，絕大多數的皮革制品樣片呈現出不規則形狀，造成了皮革材料成本的進一步浪費。以EDA技術融合的智能型皮革裁斷電子系統，可以利用計算機輔助設計將不規則皮革樣片經過優化算法處理，使皮革材料在樣片裁斷中可以得到充分的利用。

具體方法：首先，將傳送過程中抓拍的皮革樣片圖像數據輸送至PC工作站數據庫之中，將所有樣片的順序調整為順時針次序，方便后續的排樣工作數據排列；其次，針對皮革樣片圖像中的圓弧、直線、異形及橢圓等不同圖形進行離散化操作，例如對弧線進行多邊形線段離散逼近，運用坐標點進行描述弧線，進一步優化整個樣片的裁斷區間，如圖3所示；最后，將整個坐標點進行規劃集合，最終得出精準、正確的整段皮革材料裁斷排樣算法，以此優化處理不規則皮革樣片。

圖3 運用坐標點描述弧線法Fig.3 Using coordinate points to describe the arc method

3.2 智能算法匹配皮革排樣功能

經過EDA技術融合的智能皮革裁斷電子系統，可以利用計算機輔助工程（CAE）工具軟件進行系統邏輯編譯命令，對各類不規則皮革樣片在皮革裁斷設備模板中進行自動排樣，具有智能化與自動化的功能。

首先，工作人員在PC總站平臺之中設計相應的基本邏輯描述語言命令，采用最優匹配方法（Green公式數據排列）進行皮革樣片的尋優運動軌跡排樣；其次，在尋友排樣結果基礎之上再次預設新的碰撞檢測算法命令，施加凸多邊形裁剪-逐邊裁剪法（Southerland-Hodgman Polygon Clipping）將試探性測試放入最終的排樣策略之中，以此確保自動匹配皮革排樣的精準性；最終，依據之前Green公式數據排列的面積進行次序處理，以先大后小的方式進行樣片處理，其目的在于不浪費多余的皮革材料空白區域，將樣片以凸多邊形圖像晉融合，進一步使整體排樣結果更加緊湊，如圖4所示，運用智能算法匹配的皮革母板排樣結果。

圖4 智能算法匹配皮革母板排樣結果Fig.4 Intelligent algorithm matching the layout result of leather mother board

3.3 智慧協調自動裁斷策略功能

在智能皮革電子系統設計之中，以異構網絡EDA技術融合的皮革裁斷自動監測與多機協調自動裁斷是本次系統設計的重點，可以大幅度的提高皮革制造過程的效率，進一步節約人工與時間成本，智慧協調自動裁剪策略具有較強的數據分析與圖像捕捉功能。

首先，在預設的3臺皮革裁斷設備中置入EDA多元智能技術電子系統，對整個裁斷過程的進行數控操作；其次，利用工業攝像機完成皮革材料母版的圖像捕捉，通過工業以太網協議轉換數據進行上傳，利用EDA軟件Open CV進行圖像識別，完成皮革材料工件排樣區的基本選擇；最后，對已經完成預設的便宜進行大、中、小樣片面積分類與排列，如圖5所示，經過智能算法匹配得出協調自動裁斷策略，操作人員也可在電子系統中對裁斷策略進行修改和標記，策略制定完成之后通過CAN-Ethernet通信網絡下傳至底層網絡的三臺裁斷機進行精準裁切。

圖5 自動裁斷大小排列Fig.5 Automatic cutting size arrangement

4 結語

將EDA技術應用在皮革裁斷電子系統設計之中，利用融合異構網絡EDA技術、工業攝像機網絡、CAN-Ethernet專用網關、PC工作站和控制服務器組成的電子監控系統可以對皮革裁斷過程實現精準、高效的模式，采用智慧優化排樣算法可以自動制定排樣策略，從根本上解決不規則樣片排樣中浪費嚴重的現象，通過工業攝像機進一步對皮革裁斷流水線進行自動監控，提高裁斷效率，使皮革企業的生成成本進一步降低，從而實現企業低能耗發展。