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浙江工业大学硕士学位论文 面向数控皮革裁剪的切向跟随控制研究 摘要 目前国内皮革裁切方式大多采用冲裁，这种方式对工人的熟练程度要求高且工作环境 恶劣。国外先进的数控皮革裁剪机采用剪裁方式进行加工，但价格昂贵且技术保密。为了 研究具有自主知识产权的数控皮革裁剪机，本文主要研究其核心技术切向跟随技术。 在分析数控皮革裁剪机的工作原理、工艺流程及其运动特点的基础上，提出了切向跟 随运动的概念，并对控制系统的总体方案进行了设计。 研究了直线、圆弧以及椭圆的切向跟随插补算法，并对算法仿真。试验结果表明：算 法能够有效实现切向跟随运动要求并且插补误差满足加工皮革精度要求。基于等步距角的 圆弧切向跟随插补算法和基于等离心步距角的椭圆切向跟随插补算法能实现圆弧和椭圆 的自动过象限裁剪。 提出了n u r b s 曲线自适应切向跟随插补算法，通过控制c 轴转角增量和法向加速度 实现对步长的自适应控制。对该算法进行了仿真，结果表明，采用了该算法能够实现n u r b s 曲线的切向跟随运动，并且能有效控制c 轴转角及法向加速度，减小了裁剪中裁刀的变形。 根据裁刀的特殊形状，研究了裁刀裁切中的刀具半径补偿方法。针对内凹大曲率曲线 处的裁剪过切问题，提出基于过切误差限制的内凹曲线裁剪策略，并给出了算法流程。 本文还对裁剪控制系统软件进行了研究。设计了d x f 文件接口模块，使得裁剪软件能 识别直线、圆弧、椭圆和n u r b s 曲线等d x f 文件中常用的曲线，并在v c + + 平台上编程 实现。 关键词：数控皮革裁剪机，切向跟随，运动控制，n u r b s 曲线，d x f 文件 r e s e a r c ho ft a n g e n ti n t e r p o l a t i o n i nc n c l e a t h e i _ c u t t i n g a b s t r a c t l e a t h e ri sc u tb yi m p u l s eo fp u n c h a tp r e s e n t , w h i c hd e m a n d st h ew o r k e r sp r o f i c i e n c y 明d h 舔a d v e r s cw o r k i n ge n v r o n m e n t l e a t h e r - c u t t i n gm a c h i n ea b r o a d i sa d v a n c e d ，b u ti t i s n t a c c e p t e db ym o s tc o r p o r a t i o n si nc h i n ab e c a u s eo f h i g hp r i c ea n dt c c h n i c a lp r i v a c yp r o t e c t l o n i no r d e rt 0 心s e a r c hc n cl e a t h e r - c u t t i n gm a c h i n eo w n i n gi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yn 龇伽g c n t i n t e r p o l a t i o na si t sc o r et e c h n o l o g y i sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s w o d ( p r i n c i p l eo fl e a t h e r - c u t t i n gm a c h i n e ，t e c h n i c sf l o wo fl e a t h e r - c u t t i n g a r ei n t r o d u c e d a n di t sm o t i o ni sa n a l y s e d ，t h e nt a n g e n tm o t i o ni s a d v a n c e d o v e r a l ls c h e m eo ft h ec o n t r o l s y s t e ma r ed e s i g n e d t 加g e n ti n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m so nl i n e ，a r ca n de l l i p s e a r er e s e a r c h e da n ds i m u l a t e d y h e r e s u l ts h o w st h a tt h e s ea l g o r i t h m sm e e td e m a n d o fm n g e n tm o t i o n ，a n di n t e r p o l a t i o ne 咖rm e e t s d e m a n do fl e a t h e r - c u t t i n g t a n g e n ti n t e r p o l a t i o n o na r cb a s e d0 1 1e q u a ls t e p 觚g i e 柚do n e i l l p s eb a s e do ne q u a lc e n t r i f u g a ls t e pa n g l e c a n u s et h es a m ef o r m u l af o rd i f f e r e n tq u a d r a n t s s e l f - a d a p t i v et a n g e n ti n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mo nn u r b s c u r v ei sp r o p o s e da n dr e s e a r c h e d i ti sr e a l i z e db yc o n t r o l i i n gi n c r e m e n to f ca x i sa n dn o r m a la c c e l e r a t i o n t h es i m u l a t l o nr e s u i t s h o w si n c r e m e n to fc a x i sc a nb ec o n t r o l l e da n d d i s t o r t i o no ft h ec u t t e r1 sd e c 。e a s e d a st h ec 删| e ri sm i ps h a p e ，c u t t e ro f f s e t t i n gi sr e s e a r c h e di nt h et h e s i s i no r d e r t 0s o l v e h e o v e r c u tp r o b l e mw h e nc u t t i n gi n n e rc o n c a v ec u r v e ，c u t t i n g s t r a t e g yb a s e d0 no v e r c u te r r o r c o n t r o li sa d v a n c e da n dr e s e a r c h e d ，a n dt h ef l o wo f t h i sa l g o r i t h ml s9 1 v e n c u t t i n gc o n t r 0 1s o f t w a r ei sr e s e a r c h e di nt h et h e s i s i no r d e r t oi d e n t i f yc o m m o nc u em d x ff i l es u c ha sl i n e ，a r c ，e l l i p s ea n dn u r b s c u r v e ，d x ff i l ei n t e r f a c em o d u i e 1 sd e s l g n e d ， w h i c hi 3l e a l i z e db yp r o g r a m m i n g w i t hv c + + k e yw o r d s ： c n cl e a t h e rc u t t e rm a c h i n e ，t a n g e n tf o i l 。w i n g ，m 。t i 。nc o n t r 。l ，n u r b s c h i v e ，d x ff i l e 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：习勿三玄 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保割。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名 导师签名 日期：沙叩年 期：刎年 ，月 f 月 洳曰 动日 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 我国不但是鞋生产大国，而且是鞋消费大国，特别是改革开放以来，中国制鞋业迅猛 发展，产量和出口量一路飚升。目前中国拥有制鞋企业2 万多家，从业人员2 2 万多人， 每年生产消费鞋都在6 0 7 0 亿双，占全球鞋类生产总量的7 0 以上。制鞋业已成为促进 我国国民经济快速发展和出口创汇的一大重要支柱产业，为进一步繁荣市场，提高人民生 活质量做出了巨大的贡献。 中国制鞋业基本定位在制造中档和低档的鞋子上，所有工序都靠一个人完成( 如上楦、 做包、批皮、绷面、复底、刷胶、拉中帮、拔钉、钉后跟、打砂轮等) ，属于典型的劳动 密集型的产业。随着九十年代制鞋机器的使用，部分制鞋工序实现了半自动化，制鞋业的 效率得到明显提高。 制鞋下料是制鞋过程中的一个关键步骤。目前中国制鞋企业基本都是采用刀模加工方 式，即按照鞋样轮廓制作相应形状的成型裁刀，人工将要裁剪的鞋革排在工作台上，成型 刀具在一定的冲床压力作用下直接裁切材料。这种裁剪方式需要花费很长的时间制作刀 模，费用高，但是完成刀模制造后，可以实现快速、大批量的生产，因此目前中国大多数 企业都采用这样的裁剪方式。 随着国际市场竞争的加剧，以及国内外市场逐渐向多品种、小批量发展，目前的刀模 裁剪方式已不能满足多品种、小批量的市场需求，逐渐体现出刀模制造周期长，制造成本 高、使用过的刀模需占用大量的储存空间，裁剪过程用工量大，不安全等缺点。拒调查， 每个中等规模鞋厂每年用在刀模上的费用至少达5 0 , - - 一8 0 万元，企业需要l 2 间库房来保 存大量使用过的刀模，另外操作人员手指断伤的事故时有发生。 随着数控技术的进步，大型多层皮革高速数控剪裁系统正成为制鞋业的需求。用于裁 剪服装的多层布料裁剪系统已经很多，但是用于制鞋行业中裁剪皮革的多层皮革裁剪系统 并不多见。因此，研究开发大型多层皮革高速数控裁剪系统可以扭转我国一直沿用多年的 制鞋工艺生产设备的落后状况，迅速占领世界鞋机技术发展制高点，促进我国制鞋业的技 术升级和产业的进一步向前发展，提高制鞋生产的自动化程度，减轻工人的劳动强度，保 t i f 人身安全，提高劳动生产效率，提高产品( 鞋) 的质量和产量，提高应用企业的经济效 浙江工业大学硕士学位论文 益。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1 各种皮革裁剪机分析 数控裁剪技术作为一种典型的机电控制技术，其包含有先进的机械技术、计算机与信 息处理技术、系统技术、自动控制技术、传感与检测技术、伺服传动技术等。随着数控技 术的发展，数控裁剪技术出现了开放式、智能化、高速化的发展方向，具体特征表现为： ( 1 ) 基于p c 的开放式数控系统；( 2 ) 高效、高速、高精度和高可靠性的特点；( 3 ) 模 块化、集成化、智能化、人性化的特点。近年来，数控裁剪技术广泛应用于服装和单层真 皮的高速裁剪上。 早在2 0 世纪6 0 年代，国外研究人员就开始了对皮革数控裁剪技术的研究。研究的裁剪 方式包括水射流裁剪、激光裁剪、等离子弧裁剪、超声波裁剪和机械刀具裁剪等【l - 6 1 。表1 1 为各种裁剪方式特点的比较。由表可知，激光切割、水射流切割和等离子弧切割成本高， 并且对环境都有污染，其中等离子弧切割对环境污染程度较高。特别重要的一点是，以上 几种加工方式不适合切割多层皮革，或者随着加工皮革厚度的增加，其加工成本也相应的 以指数增加，所以比较适合单层皮革的加工，多层皮革加工多选用机械裁刀进行裁剪。当 需要在皮革表面进行镂花、雕刻装饰文字或图案时，采用机械式加工方法在裁剪精度上不 能满足要求，对此，水射流裁剪、激光裁剪、超声波裁剪等裁剪方法具有较大的优势。因 此，在鞋类皮革裁剪中大多采用机械式数控裁剪方式。 表1 1 各种皮革裁剪方式特点比较 技术参数切口宽度切割面粗对未加工部 适用于几 对环境的 成本 裁剪方法( m m )糙度分的影响层皮革 污染程度 冲裁 o 2 0 3 一般较小较低多层无 剪裁 0 5 1 0一般较大低多层无 激光切割 0 2 0 8 很低 小 高单层很低 等离子弧切割 2 5 5 0较低中高单层较高 水射流切割o 1 5 o 5很低 中 较高单层很低 超声波加工 0 1 o 2 较低小中单层很低 浙江工业大学硕士学位论文 i2 2 国外发展现状 国外皮革裁剪系统已经发展成集成化和智能化的数控集成系统t m 。美国格伯科技公司 研制的t a u r u s x d 皮革裁剪系统如图1 - l 所示，它是最具有代表性的数控皮革裁剪机产 品，是该公司推出的第四代产品，主要加工单张真皮，可以将产量提高1 5 左右，实现每 小时裁剪1 3 1 5 张皮，可以减少4 l o 的皮革浪费。该裁剪系统采用了智能分区真空系统， 降低了功耗，该公司生产的g t 系列裁剪系统主要裁剪布料。采用裁割路径智能化，根据布 层厚度和材质自动调整裁割速度：裁床信息数据库( c i d b ) 可自动跟踪和收集输出资料： 连续裁割，允许无间断传送布料；采用条形码阅读器输入裁割文件资料及设备文件名的设 备。 图1 1 格柏t a u r u s x d 皮革裁剪系统 德国艾斯特有限公司生产的用于中层裁割的裁床”，如图l - 2 所示，其特点是在裁头前 安装冷钻和热钻装置：而且真空压力可以参数化调节，节能环保；其最高裁剪速度可以达 n 1 0 0 米，分钟加速度高达i3 9 。 倒i - 2 艾斯特弃马高层戡崃 碉黏曩 浙江工业大学硕士学位论文 美国的p ( 3 m 智能化自动裁剪系统 埘，如图1 0 所示，是针对服装的裁剪系统，采用多档 位真空吸附的吸附方式，可根据材科的厚度调整吸附压力，最大化节省能耗；其磨刀装置 的磨刀器由双层钻石磨刀轮组成，o 上秒就可以磨完整个刀片，磨刀效率高，节省生产时间。 智能化自动裁床自动监测程序；可以建立1 0 0 个马克文件的队列，加快裁割速度；可以根 据顾客的需要提供多个不同的刀型。 薯翠! 圈1 - 3 美国p ( 3 m t c ? 5 智能化自动裁剪系统 日本高乌的t a c m 、t a c n 系列裁剪系统l l ”如图1 4 所示，采用分段吸附和分段裁 剪方式，可同时分段进行裁剪、捡料、铺料作业。磨刀时间间隔可以根据面料自由调节、 设定。这两款系统也是以服装为对象的裁剪系统。 图1 4 商乌t a c ，n 系列裁床 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 3 国内研究现状 国内也有一些针对裁剪技术的研究，并开发出一些具有c a m 功能的服装裁剪系统， 比较典型的有时高c a d 系统【1 2 1 、爱科c a d 系统【1 3 】等。上海大学张建宏利用机电一体化 集成方法完成对数控服装裁剪机的系统设计小1 ；宁波大学李国富等研究了数控服装裁剪机 的控制系统设计嗍。西安交通大学的丁文捷探讨了基于格柏裁床的数字程序控制技术二次 开发【1 6 1 。2 0 0 3 年福州大学吴盛边在他的硕士论文中研究了以激光为切割方式的服装 c a d c a m 系统，阐述了整机结构设计、激光光学装置、硬件控制等【l 刀。长春理工大学的 周洪宇研究了激光服装自动裁剪系统的整体设计、电机拖动系统设计和光学系统设计，其 研制的激光裁剪系统在整机调试时得到的裁剪速度仅为3 3 e m s 嘲。浙江大学的沈俊佳采 用了基于自适应m m a s 蚁群算法的裁刀下刀点优化方法对下刀点进行了优化、采用了基 于贝塞尔曲线的轮廓拐角平滑过渡裁剪技术对曲线的过度拐角进行了处理【1 9 1 。浙江大学的 朱年军探讨了用于皮革的裁剪机控制系统设计 2 0 i 。上海大学的赵懿峰分析了裁剪机工作时 裁刀的实际复杂受力情况，对裁刀纠偏问题进行了详细的讨论，并采用模糊控制的方法， 处理刀具在不同受力情况下裁刀偏转角度的问题1 2 1 1 。浙江大学的陈子辰和王文结合浙江省 重大招标项目“皮革制品准柔性制造技术开发( 2 0 0 3 c 1 1 0 2 3 ) ，开发了一套的皮革裁剪加工自 动化系统瞄】，包括皮革的自动识别、边界提取和瑕疵识别、智能排版、自动切割和信息数 据管理等功能，其研究对象是单层皮革的裁剪，裁剪方式为裁刀的直接切割，不具备多层 裁剪功能。皮革冲裁机是通过将刀模固定在冲头上，皮革固定在砧板上，工作时冲头下冲， 与之相连的刀模就可以裁断皮革，通过冲头的移动和转动，来实现在皮革上不同部位的裁 料【2 3 】。由于刀模是从一定的高度往下冲，所以对于刃口的破坏很大。而且数控皮革冲裁机 采用直条裁刀或者圆弧裁刀通过裁刀的底刃进行冲裁，冲裁完一次提刀移动到下一位置继 续冲裁，对于多层皮革的加工而言，这种方式由于冲力较大且频繁，容易导致断刀，增加 了生产时间甚至影响加工质量。 综上所述，国外先进的数控皮革裁剪机功能强大，但是价格昂贵，使得国内大多数企 业无法承受。而国内在这方面大多处于研究阶段，且没有对裁刀刀向控制的研究，使得研 发出来的机床加工速度偏低。因此，对裁刀刀向控制的研究是一个亟待解决的问题。对此， 本文提出了裁刀的切向跟随插补方法，以解决裁刀刀向控制问题。 1 3 本文主要研究内容 在以上研究的基础上，本文将研究直线、圆弧、椭圆和n u r b s 曲线的切向跟随插补算 浙江工业大学硕士学位论文 法，使刀具旋转运动与其切削过程的进给运动保持动态关联，实现三轴联动。本论文的研 究内容有： ( 1 ) 常用曲线的切向跟随插补算法，包括直线、圆弧、椭圆和n u r b s 曲线的裁剪切向 跟随控制算法研究，对其插补精度进行分析。 ( 2 ) 各种常用曲线的切向跟随裁剪的刀具半径补偿方法及内凹曲线的裁剪策略研究。 ( 3 ) 数控裁剪软件系统的研究。研究了控制系统软件数据处理流程，分析了d x f 文件格 式，设计了d x f 文件的读取方法及流程。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章数控皮革裁剪控制系统方案设计 2 1 数控皮革裁剪机机床结构及切割原理 2l1 数控皮革裁剪机结构及切割原理 如图2 - i 所示，数控皮革裁剪机主要由裁剪工作台、裁剪头及相应的伺服控制系统组 成。其裁剪流程如图2 - 2 所示：将多层皮革放在裁剪工作台上的p p 塑料毛刷上，在裁片之 间打上工艺孔以提高多层皮革的透气性。真空泵吸气产生负压，使皮革具有一定的刚性， 防止裁剪时皮革滑动。刀头移动到裁剪起始点后，刀盘压下开始裁剪。皮革的切割通过电 机带动裁剪刀片高速上、下运动来实现。系统控制气动机构动作使得裁剪刀切入皮革料后， 裁刀一边振动，一边沿曲线在x y 二维平面上运动，同时通过控制刀具旋转，使得裁刀刃 口始终沿着裁片轮廓的切线方向，取得良好的加工效果，因此数控皮革裁剪机是四轴三联 动的运动控制系统其三个联动轴分别为x 、y 和刀具旋转轴c 轴z 轴为刀具振动轴。 工作台2 横粱3 月头4 导轨 咧2 - 1 数控戟床结构示意目 浙江工业大学硕士学位论文 ，靳；卜w 弋箩_ l y 压盘升起j 厂- 厂l 酊南田 | 振动i 獭；慷艨 关：；空l | 关：；却 ，t 一，t 沿路径移动 “一 1 一 = 二匕 盈 i 坐矍型里重j赢 图2 - 2 多层皮革裁剪工艺流程图 在皮革裁剪加工中，数控裁剪机工作时要完成的动作包括： ( t ) 轮廓轨迹运动；裁剪的轨迹取决于皮革载片的形状，由二维面上的x 、y 向伺服电 机通过同步带驱动裁剪头完成。 ( 2 ) 刀片的切割运动：刀片的切剖运动是由直流电动机带动相应运动机构完成往复式高 速振动产生切割动力，用于皮革的切割。 ( 3 ) 刀片的旋转运动：裁剪的路径一般以曲线为主，因裁剪刀片有一定的宽度，所以在 对皮革进行曲线切割作业时，就需要有相应的转角机构不断地对刀片的姿态进行调整，使 刀刃与裁片外轮廓曲线始终保持相切。 ( 4 ) 抬刀和落刀动作：在铺放皮革时，裁剪刀的刀尖需离开刀盘一定距离，或当裁剪刀 从机器原点向裁剪起始点运动和从裁剪终点返回机器原点时，都需要裁剪刀抬起：而在裁 剪过程中裁剪刀要落至刀盘以下切入皮革。 浙江工业大学硕士学位论文 圈2 - 3 裁刀 图2 4 数控裁剪机裁刀月头结构 2 l2 切向跟随插补的提出 裁刀是有具有一定宽度，如上图2 3 和2 - 4 所示。加工中要保证刃r n 和刀具藏割的运 动方向保持一致，也就是曲线轮廓的切线方向，这种运动彤式称为刀具切向跟随运动。这 一点和同样是平面加工的激光和铣削加工控制方式不同，也是裁床类控制系统独特性的一 个方面。切向跟随运动是数控皮革裁剪机实现裁剪工作的主要运动形式，由轮廓轨迹运动 与刀片的旋转运动相互配合构成的。在运动控制过程中，实现裁剪头在沿x ，y 平面曲线 轮廓进行插补的同时，转角电机需控制裁剪刀的角度，使刀片与裁片外轮廓曲线始终保持 相切，需要控制x 、y 、c 三个坐标轴联动，实现这类运动的三轴联动插补算法称为切向 跟随运动控制算法。 2 2 裁剪机切向跟随控制方案设计 2 2 1 硬件总体设计 目前数控系统已经发展到开放式数控阶段。已有的开放式数控系统的类型有很多， 其组成也是各不相同，不过总体上都是向基于p c 的开放式数控方向发展。开放式数控系统 的概念是美国在八十年代末提出的，它具有开放柔性高、成本低、升级扩展容易、投资风 险性小和可以引入最新的p c 软硬件技术等优点，是二十一世纪数控技术的发展方向。基于 p c 的开放式数控系统( o p e nc n c ) 是当前数控技术的研究热点和发展方向。所谓开放式 数拧系统就是数控系统的开发可以在统一的运行、r f fh 瑚向机床厂家和最终用，1 ，姐过 改变、增加或剪裁结构对象( 数控功能) ，形成系，4 化并可方便地将刚j 1 的特殊应用和 技术诀窍集成到摔制系统- 快速实现小乩吊种、小 = l i 次的，r 放式数控系统，形成且有 十 浙江工业大学硕士学位论文 鲜明个性的名牌产品。 开放式系统根据i e e e 的定义是“一个开放式系统提供了能合理实现的应用程序运行于 来自多个控制供应商的不同平台上及与其他系统应用互操作的能力，并且具有一个用来与 用户交互的持续的风格”。对于开放式数控系统强调五个方面的系统特性：系统互换性、可 伸缩性、可移植性、互操作性和可扩展性。 基于p c 的开放式数控系统主要有三种结构类型【2 慨】： ( 1 ) 专用c n c + p c 型。即在传统的专用数控中简单地嵌入p c 技术，计算机主要起到辅 助编程、分析、监控、指挥生产、编排工艺等工作。这种数控系统开放性只在p c 部分，其 专业的数控部分仍处于瓶颈结构； ( 2 ) 运动控制器+ p c 型。即采用以p c 为硬件平台的数控系统，其最主要的部件是计算机 和控制运动的控制器。目前在国外如美国d e l t at a u 公司采用p m a c 多轴运动控制卡构造的 p m a c - n c 数控系统、日本m a s k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c 6 4 构造的 m a z a t r o l 6 4 0 c n c 等； ( 3 ) 纯p c 型。即完全采用p c 的全软件形式的数控系统。它的c n c 软件全部装在计算机 中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动器和外部i o 之间的标准化通用接口。由于存在着操 作系统的实时性、标准统一性及系统稳定性等问题，这种系统目前正处于探索阶段，尚未 大规模投入实际应用。其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0 n t 等。 本控制系统是基于工业计算机+ 运动控制卡硬件结构形式的控制系统，其控制系统框 图如图2 5 所示。系统的硬件组成包括p c 机、运动控制卡和外部的接口模板。其中，计 算机是控制系统的核心，完成控制系统的数学运算，控制过程监测，人机交互，程序管理 等实时性不强的基本功能；运动控制卡实现插补、伺服和机床运动相关逻辑，完成对运动 电机的平稳控制，使各轴的电机按照实际运动的速度和位置要求运动，这些是与机床的运 动直接相关的，也就是与设备相关的，要求实时性很强；端子板完成各种机器输入输出信 号和各轴控制信号的管理，使的机器的检测信号正确地传输给系统，同时也实时地将系统 要实施的命令传输到外面的执行单元响应。而外部的接口模板则起到信号电平转换和干扰 隔离作用。 浙江工业大学硕士学位论文 打印显示 键盘鼠标 机 器 三土土彳丁彳了 1 1 | | 。薹。 o t 、，、“ 毫，囊。，警i i i 一| p c 耄j 1 , p i _ | jd s p ，i i ； | 介彳亍介_ 彳亍 _ 气7j 太夕。u 一薯 ，( ，；：丰弋夕 、一只 译码 i o 编码 精 d k 插 r p c i 接 器接 f p g 叠 接口 补 a ，一 模块、r 叫 总线 口 口m 接口 器 ，ou 口00。：。 s r a m 光耦差分d 久 差分 夕制廷刎 隔离接收转换驱动 控制卡 王 端子板 一上上l l丁r儿 伺伺伺 伺 限位 。鳜 ，? 誉 服服服 服 气 原点 篆 打抬+报 鬻 驱驱驱驱 压 等专 编 黧荔 动动动动 传 用输 码鬟 孔刀警 番 器器器器 感 入信 器 ? 鬈 装装装 翟 上土上j 【， 器 ，! 囊j 置置置 雾 毒 亍 。誊 凌 ，。 ： x 轴y 轴 c 轴刀具 电电电振动 机机机 电机 图2 5 切向跟随控制方案硬件总体结构 数控皮革裁剪控制系统硬件结构可划分为以下几部分： ( 1 ) p c 机 p c 机作为信息处理平台，主要完成文件读取、位置指令发送，参数设置、状态查询、 图形显示等功能。 ( 2 ) 运动控制器 运动控制器为运动控制系统的核心部分，完成运动轨迹的控制，即完成数字滤波算法、 轨迹规划算法、输入输出信号的预处理( j i i d a 、a d 转换等) 等功能。 ( 3 ) 伺服驱动器及电机 伺服驱动器可以为直流伺服驱动器或交流伺服驱动器，把来自运动控制器的控制信号 经电功率转换后驱动伺服电机运动，它本身具有电流反馈和速度反馈的功能。一般来说， 伺服驱动器应有快速响应性能以及能灵敏而准确地跟踪指令的功能。电机包括直流伺服电 机、交流伺服电机和步进电机。在先进的运动控制系统中，电机主要用作执行机构。它的 一11 浙扛工业大学硕士学位论文 作用是将控制作用转换成被控负载的位移信号，通过电机带动传动装置实现对机械设备的 运动控制。 ( 4 ) 输入输出装置 皮革裁剪中需要打工艺孔、磨刀等操作，这些可作为控制系统的通用输出来控制。为 了构成系统的闭环控制，需要传感器等实时检测工作台的位置等，可采用通用或专用输入 点传输这些输入信号。 2 22 运动控制卡 运动控制器是通过对阻电机驱动的执行机构等设备进行运动控制实现预定运动轨迹 目标的装置。运动控制器是在以数字信号处理器d s p 为代表的高性能高速微处理器及大 规模可编程逻辑器件f p g a 的基础上发展而来的，它是广义的数控装置。目前国外开放 式运动控制器主要美国的d e l t a t a u 公司生产的p m a c 系列运动控制器、美国g a l i l 公司的 d n i c 系列运动控制器。国内有乐创科技有限公司的m p c 系列运动控制器，深圳市雷泰 控制技术有限公司的d m c 系列运动控制器，众为兴数控有限公司的a d t 系列运动控制 器和香港圃高科技有限公司的g t 系列运动控制器等。 g t 运动控制卡是周高科技有限公司开发的，其核心由a d s p 2 i g l 数字信号处理器和 f p g a 组成，可以实现高性能的控制计算的开放式运动控制器。闭环控制方式下。d s p 在每 一个伺服周期中根据反馈的正交编码信号获取实时位置和速度，计算出理论插补位置与 实际位置的偏差，进行p i d 运算，输出控制信号州q 。 图2 6g t 运动控制卡 2 23 伺服系统方案设计 由于裁剪系统精度要求小是很高，谢对述度要求较高，因此，本史验系统中选用了半 1 2 一 浙江工业大学硕士学位论文 闭环伺服控制系统如图2 7 所示，采用交流伺服电机作为驱动装置，使用编码器反馈信号， 构成速度模式的半闭环伺服控制系统。由于交流伺服电机比直流伺服电机有更优越的控制 性能、得到越来越广泛的应用。本实验系统选用的是松下m s m d 0 4 2 p 1 u 伺服电机以及松 下m i n a s a 4 系列a c 伺服驱动器。 图2 7 速度模式的半闭环伺服控制系统 2 3 裁剪机切向跟随控制系统软件方案 2 3 1 裁剪机切向跟随控制系统软件要求 在数控系统中，作为直接驱动系统硬件的数控软件，从软件工程的角度分析，实际上 是一个计算机实时控制系统，它必须具有以下功能和特点： ( 1 ) 计算机资源管理。包括处理机管理、存储管理、设备管理和信息文件管理等功能。 ( 2 ) 进程管理。c n c 系统运行时，经常是两个或多个程序在运行，这就需要系统对多个 程序进行动态管理。进程是指并发程序的执行。 ( 3 ) 提供良好的用户接口。使用户能清晰的得到系统的运行状态并能可靠灵活的操作系 统的运行。 ( 4 ) 具有较快的实时分析和处理速度。数控软件是一个实时计算机控制系统软件，其基 本功能是由各个功能的子程序来实现的。它应满足工业领域对控制系统实时性的要求。 2 3 2 软件开发平台及开发工具 目前常用c n c 平台的操作系统有d o s 和w i n d o w s 系列操作系统等。传统基于p c 的 c n c 系统大多是在d o s 平台上开发的，这些系统都充分利用了d o s 各方面的性能，甚至 进行了必要的扩展。但是由于d o s 系统本身的缺憾：d o s 本质是一利- 单任务操作系统多 任务，只有通过中断技术来实现，对网络的支持比较有限，人机交互开发复杂特别是对图 形界面开发不方便。数控系统各软件功能模块不能同时执行，因此需要解决各模块的调度 问题，这导致基于d o s 的数控系统的开发和维护都比较困难。w i n d o w s 系统因为其人机 一1 3 浙江工业大学硕士学位论文 界面友好，操作简单易学而深受用户欢迎，已成为个人计算机主流操作系统。同样，在 w i n d o w s 环境下的数控软件因为形象直观，操作简便而在市场竞争中占有优势。采用运行 w i n d o w s 系统的微型计算机作为数控系统开发平台，是目前数控技术和产业发展的方向和 趋势1 2 9 1 。 为了提高系统软件的开发效率，本文选用w i n d o w s x p 操作系统为上位机操作系统，以 v i s u a lc + + 6 0 为开发工具开发数控皮革裁剪机上位机软件。v i s u a lc + + 是一个功能强大的 面向对象的可视化软件开发工具，对图形界面设计较方便【3 0 】f 3 l 】。尤其是v i s u a lc + + 中封装的 m i c r o s o f i 瑾本类库m f c ，它位于w i n d o w s a p i 之上，可减少编写w i n d o w s 程序时必须编写的 大量模版代码，使程序员编程工作更容易，效率更高。自1 9 9 3 年m i c r o s o f t 公司推出v i s u a l c + + 1 0 后，随着其新版本的不断问世，v i s u a lc + + 已成为专业程序员进行软件开发的首选 工具。所以论文选用v i s u a lc + + 6 0 作为皮革数控裁剪控制软件的开发工具。 2 3 3 控制软件功能模块 为了满足裁剪加工要求，需要设计裁剪控制系统软件以实现读取d x f 文件的裁片信 息，实现切向跟随裁剪的功能。软件的功能框图如图2 8 所示。 软件 主机通信ll 驱动程序 接口 1li + d x f 读取接口参数设置图形界面 通信模块 v t d x f 文d x f 图形 件读入信息读取 图形显示轨迹显示按键消息位置信号 哟信号 丁t 译码程序 ， j 旧霁斟叫指鑫译h 刀嚣薏差h 速度处理h 插补计算h 纂墓h 伺服控制 图2 8 裁剪机切向跟随控制软件功能框图 2 4 本章小结 本章主要介绍了皮革数控裁剪的控制系统设计方案，分析了皮革裁剪机的切割原理及 流程，对裁剪皮革涉及到的四种运动进行了分析，提出切向跟随运动的概念。对裁剪机的 一1 4 一 浙江工业大学硕士学位论文 切向跟随控制方案进行了设计，使用的是“p c + 运动控制卡”的控制系统方案，介绍了所选 用的运动控制卡及伺服系统方案、电机及驱动器。最后，设计了切向跟随控制系统的软件 方案，给出了裁剪机切向跟随控制软件功能框图。 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章裁刀切向跟随插补算法研究 二维直线、圆弧、椭圆以及n u r b s 曲线的插补方法已经比较成熟，但是对于应用于 皮革裁剪机的三轴联动裁剪算法的研究不多。本章研究直线、圆弧、椭圆以及n u r b s 曲 线的切向跟随插补方法以实现x 、y 和c 轴的三轴联动裁剪加工。 尘 r ) 3 1 2 直线段切向跟随插补计算 在切割直线的过程中，由于刀具刀刃方向保持不变，c 轴是独立轴而与x y 轴不联动。 c 轴只需在走直线之前旋转到直线矢量方向就可以了。因此，直线段切向跟随插补的关键 是求出刀具起点的转角。己知直线的起始点坐标为见( t ，儿) ，终点坐标为以( t ，儿) ，则 根据图3 2 所示，直线段的起始角度值可表示为( 单位为o ) ： 一1 6 一 浙江工业大学硕士学位论文 r 溉 p e fn l 。jji 殆 p s 一 雳。 x p s 二 p “ 固 声 只= 图3 2 切向跟随直线插补示意图 1 8 0 a r c t a n 攀) t x | 一x i 1 8 0 x ( 1 + a r c t a l l 学) 力) t y l 一9 0 t = t 且以 毛 x i x o 3 n 2 + a r c 咖( 必) y o 0 x l = x o 助s 屯 y o x s = x o 勘。 x d ( 3 1 9 ) x y o x = x o f l y 艺 毛 虼 x = x o 上t y o ，其 余嘭0 ，且规定顺序七个权因子不同时为零，以防止分母出现零，保留凸包性质及曲线 不致因权因子而退化为一点。m 。( “) 是由节点矢量u = 【，m 。】按德布尔考克斯公 式决定的七次规范b 样条基函数。表示形式如下式所示： 叫l ，霎1 刖2 嚣j 一- ( 材) + 篙，( 甜) ( 3 - 3 0 ) 规定扣 与圆弧曲线的切向跟随运动模型同理，增加一个刀具旋转c 轴，可建立n u r b s 曲线 的切向跟随运动模型为： 锡m ，。( “) x ( “) = 号一 哆m ，。( “) l = o 哆只m ，。( ”) y ( u ) = 号一 锡m ，。( “) t = 0 t a n ( c ( “”：掣 其中c ( u ) 的具体计算方法见3 4 2 。 3 4 2n u r b s 曲线切向跟随插补预处理 ( 3 - 3 1 ) i 、节点矢量的规范化 n u r b s 曲线包含的数据信息有：次数、控制顶点、权因子、节点矢量。c a d c a m q - - 给出的通常是三次曲线，n u r b s 曲线节点序列采用的是累加弦长法眇l ，其三次曲线对应不 浙江工业大学硕士学位论文 同控制顶点的累加弦长可以取为： f 0 如 l i f ；o ，1 ，2 ，3 i = 4 ，5 ，撑 ( 3 3 2 ) 将参数化区间规范化到【0 ，l 】上。则m 瓜b s 曲线的节点序列为： 1 0 i = 0 ，l ，2 ，3 坼= 吐：吒 f = 4 ，5 ，刀( 3 - 3 3 ) 【l ，= n + l ，n + 2 ，n + 3 , n + 4 设有段n u r b s 曲线的节点值分别为：0 ，0 ，0 ，0 ，3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 ，5 5 3 3 4 2 5 2 5 6 5 ， 7 3 3 4 5 2 3 4 4 2 ，7 3 3 4 5 2 3 4 4 2 ，7 3 3 - 4 5 2 3 4 4 2 和7 3 3 4 5 2 3 4 4 2 ，则根据以上计算可知其节点向量 为： 0 ，0 ，0 ，0 ，0 4 6 6 7 5 4 7 ，0 7 5 4 4 3 5 6 ，l ，l ，l ，l 。 2 、导矢的计算 根据b 样条曲线的性质可知：k 次b 样条曲线的，i 阶导矢是七一，次b 样条曲线【4 们。求b 样 条曲线上某点处的导矢也就是求新的k 一，次b 样条曲线上点。根据d eb o o r 算法，n u r b s 曲线上一点处的，阶导矢求取方法为：将n u r b s 曲线定义式的分子分母部分分别看成是b 样条曲线，分别计算它们相应的点值和导矢值后再求解即可【4 l l 。其具体计算如下： 对七次n u l s 曲线尸似) ，令：厂 ) = 哆珥，。( 材) ，g ( “) = c o , n , k ( 甜) ，根据等式： i = oi = o q 4 i 。( 甜) p ( 甜) = 号一 q m 。( 材) i = o 厂( “) g 似) ( 3 - 3 4 ) 可得其一阶导矢计算公式为： 尸( 旷志( 咖( 矿似) g ( 训= 赤 以) 一g 如( 训 ( 3 _ 3 5 ) m = 她学一坐幽锩巡蚴 ( 3 - 3 6 ) g ( 砧)g 。( “) 其中：厂o ) = q z m 。( “) ，厂 ) = c o , d , n , , u ) ，g 。( 甜) = q m ，。( 甜) ，g ( “) = i = ot = 0忙0 q m 。( “) 。囚此可得： = 0 浙江工业大学硕士学位论文 一nn 够m ，。 ) m 。铷) 嘭五一锡m 。) m 。 ) 皑而 工t ( ”) = 羔l 旦鲤丝l 业 、7 开 ( 哆m ，。 ) ) 2 厅一一 锡m ，。似) m ，。_ ( 材) 嘭而一q 川，。取) m 。 ) 锡薯 工) = 型j 生1 上l 上l 一一 ( q m ，。( “) ) 2 j 掌o ( 3 - 3 7 ) 2 窆i 。协) ( 杰哆l 。( “) 杰m ，。) 钐薯一窆q m ，。铷) 窆m ，。( ”) q 五) l 盟生，上l 上l 一( 3 3 8 ) h、一一一， ( q m ，。( “) ) 3 i 主i d eb o o 始出的b 样条基函数m 。( 甜) 的，阶导数的计算通式为【4 2 】： 删= 后 裂一鬻 特别的，当，= 1 时可得m ，。( “) 的一阶导数为： ( 3 3 9 ) 绷ff-uuu , , ( u ) = k 篙一拦 其中，规定罟= o ，可计算节点区间【甜，“+ l 】上b 样条基的导数。上式表明，七次b 样条“) 对参数“求一阶导数，相当于将德布尔一考克斯递推公式右端两个低一次的b 样条的系数对 甜求一阶导数，然后乘以次数k 。根据公式( 3 3 7 ) 可求得x 对“的导数x u ) ，同理也可以求 出y ) 。 在n u r b s 切向跟随插补计算过程中要利用曲线上y 对x 坐标的导数及曲率半径，因此， 要求出点的宰及磐的值，根据微分几何的知识，可以得出： d xd x 。 垃d x 蒜 ( 3 _ 4 1 ) = i 一4 il x 。( “) ”。 d2y：_y：迎粤掣(3-42)dx 2 一( “) ) 3 式中x r “、l ，f 1 、x 。f “、及v 亿、+ 司雨i 用式r 3 3 3 ) 疋r 3 3 4 ) 牢耳鞫i 浙江工业大学硕士学位论文 3 、c 轴转角坐标计算 m 瓜b s 曲线的起始角度的求取方法为：根据式( 3 - 4 1 ) 可求出曲线的斜率，再令参数材增 加微量，求出增加后的点的坐标，将起始点看做原点，判断u 增加后的点所在的象限，以 此计算起