（机械制造及其自动化专业论文）数控服装裁剪机的开发及关键技术的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 裁剪机是服装生产行业的重要设备之一，它对服装生产的质量起着重要的作 用。目前服装生产设备行业的目标之一是从生产传统的手工剪裁设备转向生产机 械化和计算机化的裁剪设备。国外先进的服装裁剪机由于价格过高，难以为更多 国内生产企业接受，立足国内研制一种适合我国国情的高质量服装裁剪机是非 常必要的。 本课题研制了基于p c 机和可编程多轴运动控制卡p m a c 为核心的服装裁剪 机数控系统，研究了数控裁剪机的工作机理和若干关键技术，如刀头运动机构的 平衡技术、刀具偏差模糊控制等。通过p i d 控制和速度加速度前馈控制等方法 的应用，使整个系统的控制性能得到较大的提高。 在w i n d o w s 操作系统和l a b v i e w 平台上，自主开发了控制系统软件。利用 面向对象的编程方法实现了良好的人机操作界面。并按照模块化的原则进行编 程，使软件具有较好的移植性和扩展性。其中图形自动编程模块将c a d 图形自动 转换为p m a c 卡能够识别的指令代码，极大地提高了系统的工作效率和实用价值。 这种新型数控服装裁剪机具有可靠性高、开放性能好、功能强和成本低等显 著特点，试验样机通过浙江省科委组织的鉴定，其主要性能指标达到国际先进水 平，具有广阔的应用前景。 关键词：服装裁剪机开放式数控系统可编程多轴运动控制卡 刀具偏差模糊控制 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t c l o t h 。c u t t i n gm a c h h a ei so d eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n t si na p p a r e li n d u s t r y i t c o n t r i b u t e st ot h e q u a l i t yo ft h ea p p a r e lm a n u f a c t u r i n g n o w a d a y s ，o n eo ft h e o b j e c t i v e si na p p a r e lm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n ti n d u s t r yi st om a n u f a c t u r em e c h a n i c a l a n dc o m p u t e r i z e de q u i p m e m s b e c a u s et h ep r i c eo fa d v a n c e di m p o r t e dc l o t h c u t t i n g m a c h i n ei st oh i 曲t ob ea c c e p t e df o rm a n ye n t e r p f i s ei no u rc o u n t r y ，i ti s v e r y n e c e s s a r yt od e v e l o pah i 咖q u a l i t yc l o t h - c u t t i n gm a c h i n es u i t e dt ot h ec i v i ls i t u a t i o n i n t h i sp r o j e c ta no p e nn u m e r i c a lc o n t r o lc l o t h - c u t t i n gm a c h i n ei sd e v e l o p e d ， w h i c hi sb a s e do np ca n dw h o s ec o r ei sp m a c p r i n c i p l eo ft h en u m e r i c a lc o n t r o l c l o t h - c u t t i n gm a c h i n ei sr e s e a r c h e da n ds e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e sa r ea l s op r e s e n t e d ， s u c ha sb a l a n c et e c h n o l o g yo ft h ec u r e ra s s e m b l ya n dc u t t e rd e v i a t i o nf u z z yc o n t r 0 1 b yt h ea p p l i c a t i o no fp i dc o n t r o la n dt h ev e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nf e e d f o r w a r d c o n t r o l ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h ec o n t r o ls y s t e mi si m p r o v e dg r e a t l y b a s e do nw i n d o w so p e r a t i o ns y s t e ma n dl a b v i e wp l a t f o r m ，t h es o f t w a r ei s d e v e l o p e di n d e p e n d e n t l y b yt h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d ，af r i e n d l yh u m a nm a c h i n e i n t e r f a c ei sr e a l i z e d f u r t h e r m o r et h ea u t h o ra p p l i e st h ep r i n c i p l eo fm o d u l a r i z a t i o ni n s o f t w a r ed e s i g n t h ew o r kg i v e st h ec o n t r o ls y s t e mar e m a r k a b l ep o r t a b i l i t ya n d e x p a n d a b l ec h a r a c t e r e s p e c i a l l y , a u t o m a t i cg r a p h i cp r o g r a m m i n gm o d u l e c a r l c o n v e r td r a w i n gi n t op m a cc o m m a n da u t o m a t i c a l l y i ti m p r o v e st h ew o r k i n g e f f i c i e n c ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nw o r t h i n e s so f t h es y s t e mt oh i g h e re x t e n t t h i sn e wt y p eo fc l o t h - c n t t i n gm a c h i n ei sm o r er e l i a b l e ，m o r eo p e n i n g ，m o r e p o w e r f u l ，a n dm o r ee c o n o m i c a l t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i t t e eo fz h e j i a n g p r o v i n c ec e r t i f i e st h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e i t sm a i np e r f o r m a n c er e a c h e sh i g h i n t e r n a t i o n a ll e v e l s oi tc a nb ew i d e l yu s e di nt h ef u t u r e k e y w o r d ：c l o t h c u t t i n gm a c h i n e ，o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，p m a c ， c u t t e rd e v i a t i o nf u z z yc o n t r 0 1 v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：塑丝日期三塑呈2 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 磐垂吼珥 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题是浙江省科委及宁波市科委立项开发课题。宁波是中国服装生产规模 最大的城市，集中了有代表性的大中型服装制造企业，为了提高整体服装加： 自 动化程度，促进企业的竞争力，浙江省科委及宁波市科委先后立项开发和研制服 装裁剪机，以适应和满足企业发展和生产的需要，并由宁波大学和上海大学合作 完成这个课题。 在这个课题中，上海大学利用现有的条件，主要负责课题的理论研究、系统 开发和试验样机的制作调试。宁波大学则侧重于课题的计划安排，组织生产和加 工。 1 2 课题研究的目的和意义 服装行业在我国国民经济中占有重要位置，它对满足国内人民日益增长的生 活需求，对国家出口创汇、都具有十分重要的作用。众所周知，“工欲善其事， 必先利其器”。在经济全球化的2 l 世纪，科技发展日新月异，市场要求服装生产 者对订货作出越来越快的保质保量的供货反应。因此，在企业核心竞争力的组成 中，设备竞争力显得越来越重要了。但是目前我国服装行业基本上属于劳动密集 型、大多数企业处于手工生产阶段。改革开放以来，服装行业有了迅速发展。一 些大中型企业从国外引进了先进的服装生产线和现代化装备，使企业增添了巨大 的活力、同时也创造了可观的经济效益。服装设计、剪裁自动化及后续工作自动 化，使得服装生产的质量、速度、效益都达到了空前的规模。剪裁是服装生产过 程中的第一个工序，也是实现服装设计师构思的一个重要环节，它对服装生产的 质量、成本和销售都起着重要的作用。目前，服装生产设备行业的目标之一是从 生产传统的手工剪裁设备转向生产机械化和计算机化的裁剪设备。我国已有多家 服装厂引进国外先进的服装生产设备，提升了生产技术。当然进口设备也花费了 大量外汇。因此在借鉴国外的先进技术基础上，立足国内研制适合我国国情、物 美价廉、方便可靠的服装裁剪机是非常必要的。 上海大学硕士学位论文 1 3 国内外研究概况 2 0 0 4 年中国国际缝制设备展览会展示了来自国内外1 0 0 0 多个服装机械、缝 制机械制造厂商的展品，从中不难看出近年来国外机在不断发展，而国内机也在 不断前进、不断超越 3 8 。 1 3 1 国外研究概况 美国格柏科技有限公司是全世界唯一可以全面提供服装全系列自动化系统 ( c a d c a m ) 的制造商。它的电脑自动裁割系统( c a m ) 适用于从单层到多层不同 操作需求的裁割系统。格伯公司近期推出的运输带式剪裁系统是一种自动化剪裁 系统。它可以剪裁7 厘米厚的布层。动态的刀具偏差控制可以保证布层最上与最 下层布料在剪裁时不会出现偏差，即使在高速下剪裁一些精细的织物( 如色丁或 弹性织物) 时，其控制效果也极佳；可适应布层高度、裁片形状及分布状况、织 物种类和刀具锋利程度，自行计算最佳的剪裁速度和刀具运行途径，并可以自行 选定剪裁区的真空抽吸需耗量，以避免无谓的能源消耗，智能化的分区真空控制 和建立在专业知识上的应用经验支持，所有这些都使其可以完成最准确、连贯和 高效的裁割操作。布层在全面真空抽吸下进行移动或剪裁工作，以提高和保证剪 裁的精确度。由于实测推档和批量定制已经成为了行业中盛行的理念，对单层和 低层裁割机的需求在不断地增长。基于越来越灵活的生产方式和格柏的最新技 术，更多的生产商正在向适应小批量定制、快速反应、高度的灵活性和个性化设 置的方向发展。 国际上知名的c a d c a m 系统还包括法国力克( l e c t r a ) 系统、西班牙艾维 ( i n v e s t r o n i c ) 系统、加拿大p a d 系统、瑞士的c u t t e x 系统、瑞士a l e x i s 系 统、日本川上( k a w a k a m i ) 系统、日本东丽( t o r a y ) 系统、日本重机的y u k i c a d 系统、美国保利多( p o l y g o n ) 系统，以及最近进入中国市场的德国艾斯特系统等。 这些公司技术力量雄厚，产品功能完备，当然价格也不菲。 1 3 2 国内研究概况 我国的服装设备生产企业近几年发展十分迅速，目前已可生产常规品种4 0 0 上海大学硕士学位论文 余种，尽管如此，与国内服装生产企业的要求还存在很大距离。国内引进c a d c a m 设计裁剪系统的企业几乎清一色选用了美国格柏的操作系统。当然格柏的价格也 不是一般企业所能接受的，但国内公司在这个领域的技术上还存在着较大差距， 这给了格柏公司一个没有竞争的空间。 我国服装c a d 的研制开发始于“六五”计划，经过近廿年的努力，在消化吸 收创新的基础上，服装c a d 软件在功能与质量上已与国际同步，但缺陷是二维c a d 软件有了，却没有相应高质量的硬件与软件配套，并且非常欠缺效率高、精度高、 自动化程度高的专用机种，以及科技含量高，能帮助企业对市场作出快速反应高 科技产品，如c a d c a m 、电脑人体测量仪等。国内有些公司也提供服装裁剪设备， 但由于这些设备存在的一些问题，如系统结构复杂、价格过高，而有些关键技术 如刀头机构的平衡和刀具偏差控制还要补充研制。这就使整个服装c a d c a m 系统 难于为更多厂家接受，难于打开国内市场 3 7 。 本课题就是要在保证质量的前提下，尽可能的降低成本，提高它的性价比， 开发一种效率高、精度高、自动化程度高的服装剪裁机，以求在更广泛的企业中 推广应用。 1 4 本文的主要研究内容 开发数控服装裁剪机主要要实现以下几个功能要求； 1 、实现合理的性价比 在保证质量的前提下，尽量使控制系统结构紧凑，最大程度地降低成本，实 现质优价廉的特点，为此数控系统采用了开放式的体系结构。 2 、完成裁剪的特殊工艺要求 因为服装裁剪是一种比较特殊的加工形式，具有独特的工艺要求，裁剪系统 必须从机械结构和控制系统角度去满足它的工艺要求。服装面料不同于普通的金 属机加工件，它的质地柔软，不能采用夹持的方式定位，而采用真空吸附的方法 进行定位；加工过程中要控制裁刀始终沿设计图样轮廓的切向方向进行裁割。 3 、自动纠正刀具加工偏差 裁刀在加工过程中由于受外力作用出现不同程度的偏斜，特别是裁剪多层布 料时这种现象更为严重，容易造成裁剪的上、下层衣片形状不一致，影响加工质 上坶大学硕士学位论文 量，所以要对刀具偏差进行控制。 4 具有自动编程功能。 自动编程即由直观的图形格式的衣片图样自动转换为数控加工指令代码，处 理好这一问题，可大大提高控制系统的工作效率。 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在第一章中阐述 了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的概况。第二章对裁剪机的工作 机理及机械结构进行了分析，着重解决了刀头运动机构的平衡问题。第三章采用 开放式体系结构开发了裁剪机的数控系统硬件，研究了它的硬件结构和控制电路 设计，并通过p i d 控制和速度加速度前馈控制等方法的应用，使得整个系统的控 制性能得到较大的提高，并采用模糊控制方法对刀具偏差进行有效地控制，提高 了裁剪的质量。第四章重点研究了控制系统的软件，分析了软件的体系构成和程 序设计方法。在开发软件中编写了手动控制模块、故障诊断模块、图形自动编程 模块和系统管理模块等。其中图形自动编程模块将图形形式的文件自动转换为控 制卡能够识别的指令代码，是提高加工质量和效率的一个重要手段。并研究了实 时控制技术。最后第五章总结全文。 上海大学硕士学位论文 第二章机械系统研究 机电一体化产品的工作精度，在一定程度上要由机械系统来保证。机械系统 设计时特别强调系统的观点，也就是必须考虑整个系统的运行，而不是只关心各 组成部分的工作状态和性能。使设计尽量作到周密、合理，能以尽可能少的投资 获取尽可能大的效益。本章详细地分析了机械系统的结构，定性定量地对刀头的 裁剪机理进行分析，这也是设计刀头的基础。并在对刀头机构进行运动学和动力 学分析的基础上，研究它的平衡技术。 2 1 主体结构分析 机械系统的方案设计是整个设计的关键，是从质的方面保证设计水平的重要 步骤。方案设计时，首先从系统的功能要求出发，通过对工作过程的分析，寻求 解决的途径。即通过分析机械作业过程的工艺原理，确定人在技术过程中参与的 程度( 即机械化和自动化的程度) ，确定工作过程中各作业的顺序，找出实现预定 设计目标的最佳原理方案。这种方法主要是把复杂的设计要求通过功能的分析， 抽象为简单模式，以便寻求能实现设计对象主要功能的方案 3 。 其中系统的功能要求在第一章的第四节中已经作了阐述，下面再来分析一下 裁剪机的主要工作过程： 在停机的情况下，在工作台面上摆好鬃毛垫，由工作人员将叠好的布料拖到 鬃毛垫上，并将塑料薄膜覆盖于布面上。这时启动真空泵，使塑料薄膜将连同布 料一起牢牢地吸附在工作台上。在一切准备工作就绪后，手动控制进行工作前的 零位校准工作，在这之后，便可将系统的控制权交给计算机，由它将所要切割加 工的衣片图样自动转换成数控指令后，控制系统的各部分协同工作，就像打印机 一样，把图样在布料上剪切出来。综合整个系统的运行过程来看，当刀头带动裁 刀工作时，压脚圆盘要压紧工作区内的布料，刀片要透过塑料薄膜扎穿布料直至 鬃毛垫里。刀片一边前进，一边要旋转，同时还要上下振动来切割布料。 根据裁剪机的功能要求，及对其工作过程的分析，开发出裁剪机试验样机如 图2 1 所示。它的机械系统主体结构可分为工作台、裁剪机头、真空定位装置 和气动控制及其它辅助装置等，下面将分别予以介绍： 上海大学硕士学位论文 2 1 1 工作台 工作台主要为裁剪刀头提供了一个可靠工作的平台，如图2 2 所示，通过x 轴和y 轴方向的直线运动复合为刀头在平面内的任意曲线运动。在本系统中选用 两套松下交流伺服驱动器( m s d a 系列) 及其配套的交流伺服电机( 型号为 m s m a 0 4 2 a 1 g ，功率4 0 0 w ) 实现旋转运动，经行星齿轮减速机( 型号n e u g a r t p l e 6 0 ) 减速后，再经过同步齿型带传动，带动与直线运动滚珠轴承( z n t s b r l 6 u u ) n 定联结的刀头托架沿着导轨灵活地滑动，实现x 轴和y 轴方向的直线 运动。 图2 1 裁剪机外观图 由于裁剪机工作负载小，并且不会出现大的负载波动。所以它的机身、横梁、 立柱均可以由硬质铝合金型材直接搭建组成工作台，这样不但工作可靠，而且构 造简单，省去了很多机加工费用。 交流伺服电机转子惯量较直流电机小，使得动态响应好 4 。在同样体积下， 交流电机的输出功率可比直流电机提高1 0 一7 0 。交流伺服电机运转非常平 稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统的加速性能较好，非常适 上海大学硕士学位论文 合要求快速启停的控制场合。并具有较强的过载能力。以本课题选用的松下交流 伺服系统为例，其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间 的惯性力矩。目前交流伺服系统广泛应用于数控机床，机器人等领域。 位置检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移和 速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环控制。数控机床的加工精度主要由检测 系统的精度决定。本系统中交流伺服驱动系统为半闭环控制，其闭环路内不包括 图2 2 裁剪机工作台示意图 机械传动环节。它的位置检测装置采用高分辨率的光电式脉冲编码器，装在电机 的端头。脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器。它把机械转角变成电脉冲，是一 种常见的角位移传感器。脉冲编码器每旋转一定角度，都严格对应着工作台移动 的一定距离。测量了电机的角位移，也就间接测量了工作台的直线位移。检测方 式为增量式检测方式，即只测量位移增量，每移动一个测量单位就发出一个测量 信号。其优点是检测装置比较简单，任何一个对中点都可以作为测量起点。驱动 器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会 出现步进电机的丢步现象，控制性能更为可靠。由于在半闭环伺服系统中，从传 感器所在运动元件到传动链末端工作部件之间所有传动件和惯性较大的工作台 等都在反馈系统之外，使系统的稳定性得到改善，调试容易。角位移检测反馈元 件也较之线位移检测反馈元件简单，成本较低。为此，半闭环伺服系统应用很广 泛。 本系统中交流伺服电机带标准2 5 0 0 线编码器，由于驱动器内部采用了四倍频 技术，编码器的转换系数k = 1 0 0 0 0 脉冲转。其脉冲当量也即系统分辩率为 3 6 0 。1 0 0 0 0 = 0 0 3 6 。= 2 1 6 分。对于带1 7 位编码器的电机而言，驱动器每接收 7 上海大学硕士学位论文 2 1 7 = 1 3 1 0 7 2 个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量) 9 3 6 0 。1 3 1 0 7 2 = 9 8 9 i # 。是步距角 为1 8 。的步进电机的脉冲当量的1 6 5 5 。 2 1 2 裁剪机头的工作机理 裁剪机头是裁剪机的关键部件，它的主要功能是使裁刀上下高速振动切割布 料，这一功能由永磁无刷直流伺服电机与曲柄滑块机构共同完成。同时还要控制 刀片旋转，这一功能由步进电机即可实现。其它配套件还包括磨刀装置、压脚圆 盘、气缸等，裁剪机头结构如图2 3 所示。由于机头相对整个裁剪系统来说， 是最复杂的。其零部件繁多而且复杂，用一般的二维机械设计工具很难把它表达 清楚。所以，在现有的资源下，本课题采用s o l i d w o r k s 三维制图软件进行零部 件设计，并且通过装配，检验是否有干涉，以及设计的合理性。这样裁剪机头的 外观形状一目了然，并且很容易从中看出各个部件之间的关系。 图2 3 裁剪机头结构图 1 曲柄滑块机构2 步进电机3 磨刀装置4 刀片 5 压脚圆盘6 气缸7 永磁无刷直流伺服电机 8 l 海大学硕士学位论文 这里采用接触式裁刀来裁剪布料。在加工时刀片与面料紧密接触，利用锋利 的刃口将面料纤维切断。在裁剪时，刀片除了作推进运动外，还作垂直上下的运 动。要顺利切割衣料，裁剪时必须保持刀刃锋利。由于考虑到刀片本身应具有良 好的强度、耐热和耐磨性能，不可能把刀刃磨得太尖太薄，必须保持一定的刀刃 角大小，并且要采用自动磨刀装置以保持刀刃角a n 的大小不变。所以要使刀刃锋 利，有效的方法就是减小切割角。 切布机构采用曲柄滑块机构来实现。裁剪衣料时刀刃除了沿衣料方向进行， 推进速度为v n 。刀片本身还作竖直方向往复振动。如图2 4 所示，a s 为刀片的切 割角，a n 为刀刃角。对于一定的衣料，切割角a s 愈小，刀刃越锋利，衣料就越容 易切割。从图中可以看到，切割角、刀刃角与两个角的截面倾斜角r 之间关系为： t g ( a s ，2 ) = c o s r $ t g ( a n 2 ) 图2 4 刀片不慈图 当刀片的刀刃角a n 按刀刃达到的锋利程度设计时，该斜角r 越大，切割角a s 就越小，也就越有利于对衣料的切割，把刀刃倾斜裁剪衣料可以减小切割角，但 是这种办法在衣料裁剪时是行不通的，因为裁剪多层衣片刀片必须与衣料垂直， 保持上、下各层衣片尺寸一致。刀片本身作上下振动，这种运动实质上完全代替 了刀刃的倾斜。设裁剪衣片时刀刃的推进速度为v n ，刀在竖直方向的运动速度为 v t ，那么刀刃相对衣料运动的合成速度v s 为： 9 lllll，丫 上海大学硕士学位论文 贻= 4 w 2 + v n 2 速度v s 的方向即为切割衣片进刀的方向。由于v n v s = c o s r ，所以速度、刀刃角 和切割角三者关系为： t g ( a s 2 ) = t 冬+ t g ( a 栊) 、所2 2 + 所2 在一般情况下，刀片上下振动速度远大于推进速度v t v n , 有喀a r sz 百v n 喀鲁 所以a s 3 一 4 ，p 1 为加工起点；若绘制顺序为先p 2 后p l ；则加工方向为顺时针方向，加工顺序为 卜 4 一 3 一 2 ，p 2 为加工起始点。 一e 海大学硕士学位论文 国4 4 加工顺序示意 2 d x f 文件有用信息的提取和排序 ( 1 ) 提取实体几何信息 提取并换算实体几何信息的程序框图如图4 - 5 所示。进行p m a c 编程时需要 的几何信息有：如果是直线段，需已知起点、终点坐标；如果是圆弧，需知起点、 终点坐标、圆心相对于起点的坐标及圆弧方向。 图4 5 提取实体信息框图 从d x f 文件中提取几何信息时，直线的两点坐标可直接得到，而圆弧在d x f 文件中是没有端点信息的，得到的是起始角和终止角信息且圆弧始终是以逆时针 上海大学硕士学位论文 方向计算的，因此需进行换算而得到终点坐标。处理后的文件中包含了可供编程 的几何信息，且有两辅助点，其先后决定加工方向。 ( 2 ) 对几何实体进行优化排序得到实际加工顺序 在前一次处理后的文件中，几何实体的顺序是以d x f 文件中的先后顺序出现 的，这不一定是实际的加工顺序，在一股情况下要对其进行重新排序。采用的方 法是首先根据两辅助点的位置找到与其对应的起始段，然后再根据与起始点在同 一个实体段的另一端点找到与其距离最近的下一个实体的一个端点，然后用下一 个实体的另一端点找到与之距离最近的再下一实体，依次类推，实现几何实体的 优化排序。对选取的几何实体进行优化排序后，形成了一个附有绘图轨迹信息属 性的几何体列表。其中e n d 是该文件结束的标志。 3 p m a c 运动程序的生成 根据p m a c 程序编制规则要求，要对上一步得到的实体几何信息进行后置处 理，自动生成p m a c 运动程序代码，程序框图如图4 6 所示。 图4 - 6p m a c 运动程序的生成 可以看出通过提取d x f 文件中的图形信息，利用该软件模块可以方便地得 到p m a c 的运动程序。该模块是用t u r b oc2 0 设计，它由实体信息提取子模块、 优化排序子模块、运动程序生成子模块所组成，操作简便，具有良好的应用价值。 上海大学硕士学位论文 本系统的数据格式建立在标准图形交换格式d x f 的基础上，利用d x f 作为数 据交换的媒介，使任何与d x f 兼容的数据格式都可以与本系统进行接口。d x f 格 式最大的优点是普及程度非常高，大部分c a d 软件都能与之兼容，这非常有利于 系统的推广。 4 2 4 系统管理模块 系统管理模块是实现开放式数控系统协调工作的主体软件。本模块采用了 前后台型的多线程结构形式。前台程序完成人机界面通讯，后台程序完成运动控 制。前台程序由系统主线程和定时器控制，主要包括初始化子模块、文件管理管 理子模快、状态显示子模块等。如图4 7 所示为前台主程序的流程图。 图4 7 前台主程序的流程图 上海大学硕士学位论文 初始化子程序完成对控制系统的有关接口进行设置，实时曲线显示数据清 零，选择设备，以及对“复位”和“下载文件”全局变量置初值等任务。 初始化后即可以开启设备，调用开启设备函数o p e n p m a c d e v i c e ( d w d e v i c e ) 可轻松完成设备开启，关闭设备函数c l o s e p m a c d e v i c e ( d w d e v i c e ) 经常和开启 设备函数成对使用： 文件管理子程序的用户界面如图4 8 所示，可完成上载文件，编辑文件， 保存文件，下载文件等功能，也可直接选择输入编辑好的运动程序，并选择“下 载文件”。 4 8 文件管理用户界面 开启线程可用如图4 9 所示方式轻松地实现： 图4 9 开启线程 后台程序放在辅助线程中，负责向p m a c 发送命令以及实时数据采集进行 上海大学硕士学位论文 刀头控制。如图4 1 0 为其程序框图。主要程序流程是这样的：判断程序是否结 束，如没有结束，判断是否到分段点，分段点指两段连续曲线的连接点，如到分 段处则立即发命令控制下一段x y 运动程序暂停，并提起刀头，根据采集到的m 变量信息，计算当前转角a l ，并和上一次角度a o 做一个比较，计算出步进电机 应该旋转的方向c w 和步数c p 。当刀头旋转好后，就可以下刀了，这时就可以允 许x y 运动程序继续进行切割布料。如果运动程序在连续曲线段，则要旋转刀头， 刀偏补偿，再旋转刀头，再刀偏补偿，如此反复，直到遇到另一个分段点。 图4 1 0 后台程序 具体实现则主要靠调用动态链接库p m a c d l l ( p c o m m 3 2 中提供) 的相应函数。己 定义的m 变量可以在程序里像使用任何其它变量那样使用。如计算当前角 上海大学硕士学位论文 a 】：m 2 6 3 - m 2 6 1 彳1 6 3 一 彳1 6 1 其中m 2 6 3 代表y 目标位置，m 1 6 3 代表x 目标位置；m 2 6 1 代表y 当前位置 m 1 6 1 代表x 当前位置。 通过读取m 变量可以轻松得出当前角a l 。又比如程序中判断“程序结束? ”， 读的是m 1 5 0 的状态，判断“到分段处? ”读的是m 1 5 1 的状态，它们都可以采用 调用动态链接库中的函数p m a c g e t r e s p o n s e a 轻松地实现。而对步进电机的运动 控制则是通过在l a b v i g w 中调用c 源代码即利用c i n 代码接口实现。 前后台之间通过全局变量“下载文件”和“复位”来联系。在l a b v i e w 环境 中，各个对象之间传递数据的基本途径是通过连线 3 2 。但是需要在几个同时运 行的程序之间传递数据时，显然是不能通过连线的；还有的时候，需要在程序中 多个位置访问同一个前面板对象，甚至有些是对它写入数据，有些是由它读出数 据。在这种情况下，就需要使用全局变量和局部变量。全局变量和局部变量是 l a b v i e w 环境中传递数据的工具。 多线程技术是系统软件设计中的关键技术之一，也是提高应用程序效率和性 能的主要技术途径。每一个w i n d o w s 应用程序都是一个进程，单个进程可以拥 有多个线程，它们在进程的地址空间中“同时地”执行代码。操作系统以一种轮 转的方式为每个独立的线程分配时间片，客观上使所有的线程近乎同时进行。应 用多线程技术，使得操作系统可以同时处理多个任务。在l a b v i e w 中使用多线程 有两大优点 2 5 ：第一个优点是l a b v i e w 把线程完全抽象出来，l a b v i e w 的编程 者不需要对线程进行创建、撤销以及同步等操作；第二个优点是l a b v i e w 使用数 据流模型，它可使编程者很容易理解多任务的概念。一个进程通过创建多线程来 占用更多的c p u 时间片，多线程技术能够克服顺序执行的缺陷，提高执行速度 和数据吞吐量，从而减少系统响应时间，提高整个软件系统的实时性。 这里关键的地方有两个：一、必须规划好各个线程，确保线程在规定的时间 内完成；二、由于c p u 在线程切换时要占用一定的资源和花费一定的时间，所 以线程的数目不能过多。当线程的数目越来越多时，c p u 花费越来越多的时间和 资源来进行线程的调度，从而降低了工作效率，降低了整个系统的实时性。一般 情况下，单处理器的系统中使用多线程时，线程数目不宜超过4 个。 在多线程的基础上，我们可以通过提高进程的优先级和线程的相对优先级进 上海大学硕士学位论文 一步提高软件系统的实时性。进程的优先级和线程的相对优先级共同形成了线程 的优先级。线程所具有的优先级数值越大，表示的等级越高，则该等级的线程就 可能越早被调用，并且被调用的时间也越长。通常，当一个进程的优先级类被提 升为高优先级类或者实时优先级类后，就会抢先任何优先级低于它的进程，并且 会利用几乎所有有效的处理器时间片，只有该进程终止或者所有线程都挂起后， 相对较低优先级进程中的线程才会执行。为了在w i n d o w s 的分时操作系统下得 到比较好的实时性，我们通过提高和平衡进程的优先级和线程的相对优先级来使 用户程序和操作系统内部程序达到一个有利于用户抢占尽可能多的c p u 时间片 的新的平衡点。 由开发软件所承担的任务可知，它必须集中解决实时性问题、多任务并行处 理问题和方便地与用户交互的问题，这些在系统管理模块中得到了充分的体现。 4 3 实时控制技术 实时控制是本章研究的关键技术。w i n d o w s2 0 0 0 是个弱实时操作系统。 如何既能保持w i n d o w s2 0 0 0 的优点，又能在系统中加入实时能力，进一步提高 系统的实时性要求呢? 该系统通过采用多媒体定时器，并通过对刀头运动的合理 规划使裁剪机满足实时性要求。 “实时性”是指系统能够在有限的时间内执行要求的功能，并对外部的异步 事件做出反应的能力，它是一个相对概念。数控系统功能按实时性可以分为强实 时、弱实时和非实时。所谓强实时，即系统必须在给定的时间范围内结束控制任 务的处理，否则后果不堪设想。弱实时是如果系统不能完全保证在允许的时间内 对控制要求给出反应，可以迟一些做出反应。非实时则对系统响应时间无严格要 求。例如，插补运算2 m s 进行一次插补，位置控制i m s 进行一次采样，如果操 作系统的调度管理不能及时对它们响应，则会出现断续加工状态。虽然译码和速 度计算和插补紧密相关，因为在自动加工过程中，它们经常等待插补运算，因此 是弱实时任务。人机界面中的显示更新则一般考虑到人视觉因素，属于非实时任 务。主从计算机间的实时信息交换通讯是实现上下位机间协调工作的关键。本数 控系统如果使用w i n d o w s 中的专用的定时器控件t i m e r 定时器控件，虽然使用 很方便，可以实现一定的定时功能，但最小计时精度仅为5 5 m s ，且定时器消息 上海大学硕士学位论文 在多任务操作系统中的优先级很低，不能得到及时响应，无法满足实时控制环境 下的应用。由于多媒体的需要，w i n d o w s 对系统的定时进行了重新编程，在它的 多媒体扩展库m m s y s t e m d l l 中提供了更高精度的定时服务“。通过这些功能调 用可以挂接定时中断的回调函数来实现最高i m s 精度的定时服务。可以基本满足 数控系统的要求。使用高精度的多媒体定时器，可以实现精度为i m s 的高精度 定时，可以满足本系统的实时性要求。多媒体定时器不依赖于消息机制，而是由 函数t i m e r s e t e v e n t ( ) 产生一个独立的线程，在一定的中断次数到达后，直接 调用预先设置好的回调函数进行处理，而不必等到应用程序的消息队列为空。因 而设置该回调函数来完成周期扫描i o 卡的输入端口，以及向系统定时发送消 息，使其及时更新界面和界面中的数据。为提高系统的可靠性，多媒体定时器在 整个控制程序初始化时开启，并在系统退出时删除定时器以释放系统资源。 为了保证刀头围绕z 轴的角度调整能及时 跟上运动轨迹的变化，在系统管理模块的后台 程序中对刀头控制做两点优化改进，以图4 1 l 的衣片图样为例说明如下： a ( 1 ) 当运动到a 、b 、c 、d 、e 四个不连 续点时，先控制p m a c 的运动程序暂停，待步a 进电机带动刀头偏转到需要的角度时，再控制 运动程序继续。 ( 2 ) 连续运动段基本上是平滑曲线组成。 对连续运动段，可根据其曲率变化，设置不同 f 图4 一1 1 衣片图样 的运动速度。如a 、e 、f 段为直线，可设运动速度为l o o r n m s ，b 段设为5 0m m s ， d 段曲率最大，运动速度要再慢点，可设为5m m s 。这样每个扫描周期步进电 机只需要调整很小的角度就可以满足要求。 经过这样的运动规划后，既保证了较快的裁剪速度，又确保了刀头转角及时 到位，满足了系统的实时性要求。 一r 海大学硕士学位论文 5 1 结论 第五章结论与展望 本课题开发的服装裁剪机试验样机与传统的国外机型相比，有很高的性价 比，它具有功率小，精度高、用途广、设计新等特点，真正实现了服装裁剪机的 本土化，试验样机通过浙江省科委组织的鉴定，其主要性能指标达到国际先进水 平，具有广阔的应用前景。 本文以服装裁剪机为研究对象，对裁剪机的机械系统结构、控制系统硬件和 软件等内容进行了深入的研究，并重点研究了若干关键技术。主要取得了如下成 果： l 、研究了裁剪机的工作机理和刀头机构。采用机械平衡方法和控制中的陷 波技术消除裁剪过程中的振动。实际运行结果表明这种方法是行之有效 的。 2 、采用通用p c 机和p b i a c 运动控制卡来开发控制系统硬件，控制系统简单 紧凑，p c + n c 的开放式结构提高了系统的可靠性、经济性，并为系统进 一步开发、扩展提供了条件，使一种适合我国国情的简单、可靠、低价 的自动剪裁机推向市场成为可能。 3 、应用模糊控制方法对刀具偏差进行了有效的控制，解决了在多层裁剪中， 由于刀具受力弯曲变形，使上层与下层布料出现尺寸偏差的问题。 4 、成功地应用l a b v l e w 在w i n d o w s 环境中设计了控制系统的开发软件。设 计了友好的人机界面，方便了操作者的使用。并将各个功能按照模块化 的原则进行编程，使软件系统具有可移植性和开放性。其中图形自动编 程模块将c a d 图形自动转换为p m a c 运动控制卡能够识别的指令代码，大 大降低了对操作者的专业素质要求，使仅有初中文化的人也能很快操作、 生产，是提高加工质量和效率的一个重要手段。 5 2 展望 通过归纳总结，作者认为在该研究领域还存在以下问题值得进一步扩充和深 上海大学硕士学位论文 入： 1 该控制软件的自动编程模块是由t u r b oc2 0 设计的，将来可采用v c + + 等基于w i n d o w s 系统的软件进行开发，使该软件具有更好的人机交互界面，该模 块目前尚不能实现全自动化，需要手工添加某些配置命令，实现加工过程的优化， 在将来的开发中要进一步提高该软件的自动化程度。并可考虑设计进去仿真子模 块以便于检验轨迹生成的正确性。 2 为了进一步提高控制系统的实时性，可在开发中采用如下方法： ( 1 ) 采用硬件直接编程。这种方法的具体思路是，通过计算机外挂8 2 5 3 定 时器，并将一空闲硬件中断号赋给它，通过编写设备驱动程序来管理定时，响应 中断服务程序。此法编程起来比较复杂，但却能提供小于l m s 的定时精度。 ( 2 ) 使w i n d o w sn t 2 0 0 0 和实时操作系统共存于一个处理器中 1 3 ，也就是 为w i n d o w sn t 2 0 0 0 提供实时扩展，为完成实时任务的线程提供一个核心态的执 行环境 1 4 。有很多厂商提供这类商用软件，例女n v e n t u r c o m 公司的r t x 5 1 、 r a d i s y s 公司的i n t i m e l 2 0 和i m a g i n a t i o ns y s t e m 公司的h y p e r k e r n e l 4 3 。采用 w i n d o w sn t 2 0 0 0 实时扩展技术，既可以充分利用w i n d o w sn t 2 0 0 0 带来的开放 性的好处，又完全满足数控系统的实时胜要求。 这些都是提高系统实时性的一些有效的方法，由于前期开发时间较紧，这些 方法还没有在实践中进一步检验，将来随着生产企业对服装生产精度的要求提 高，进一步提高系统的实时性，可能就是非常需要解决的问题。 我国服装市场上的c a d c a m 系统应用一直是进口产品一统天下，本课题开发 的服装裁剪机也无法打破这种垄断状态，但我们已经向缝制设备国产化目标迈出 了十分可贵的一步。 大学硕士学位论文 参考文献 i 周祖德唐泳洪机电一体化控制技术与系统 m 9 3 2 2 殷际英著机电