智能服装裁割机中运动控制系统的研究与开发硕士学位论文

硕士学位论文论文题目智能服装裁割机中运动控制系统的研究与开发DISSERTATIONSUBMITTEDTOZHEJIANGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYFORTHEDEGREEOFMASTERRESEARCHANDDEVELOPMENTOFMOTIONCONTROLSYSTEMSININTELLIGENTCLOTHCUTTINGMACHINECANDIDATELINSHILINADVISORPROFESSORYULICOLLEGEOFINFORMATIONENGINEERINGZHEJIANGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYNOV2008学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名日期年月日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。涉密论文按学校规定处理。作者签名日期年月日导师签名日期年月日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。作者签名日期年月日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1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名日期年月日导师签名日期年月日智能服装裁割机中运动控制系统的研究与开发摘要经济全球化及企业的自动化生产管理，让自动化技术得到越来越广泛的应用。服装产业有着巨大的市场，面对快速变化的客户需求，服装企业的生产效率和生产成本的高低决定了企业的竞争力。服装裁割机作为服装加工的重要工具，其性能决定了生产效率，服装裁割机的智能化将推动服装产业的快速发展。为提高服装裁割机的加工速度和加工精度，缩短加工时间，本文在查阅较多国内外相关文献的基础上，对服装裁割机运动控制系统进行了研究，其中的关键点是1、如何对服装裁割机的刀具空行程路径进行优化，以缩短刀具空行程路径；2、采用何种合适的控制方法对切割多条连续线段时的速度进行控制，以提高加工速度。本文的研究内容和取得的结果如下1、介绍了DSP处理器TMS320F2812的结构及其可利用资源、步进电机驱动器M542的主要引脚及功能，并构建了以DSP为主芯片的运动控制器硬件平台，其中包括电源模块、串口通信模块、位置检测模块。2、设计刀具空行程路径的优化算法。路径优化时考虑切割轮廓顺序受限，轮廓数多且各个轮廓的点数不同的情况，将遗传算法和启发式搜索方法相结合，设计了特殊的染色体、交叉和变异因子，并且能够自适应的改变交叉和变异概率。3、采用5段S曲线预处理方法对多段线段的加工速度进行控制，考虑了拐角处对速度的限制，使得在加工过程中尽可能地保持高速，并让速度过渡平滑，避免机床的柔性冲击。4、在上位机上编写了一个应用软件，包括了PLT文件读写模块、路径优化算法模块、串口通信模块和数据显示与编辑模块；在DSP上实现了速度控制算法及插补算法。5、最后，对本文进行总结，并提出了一些进一步研究的问题。关键词运动控制，路径优化，速度控制，插补算法RESEARCHANDDEVELOPMENTOFMOTIONCONTROLSYSTEMSININTELLIGENTCLOTHCUTTINGMACHINEABSTRACTAUTOMATICTECHNOLOGIESAREUSEDMOREANDMOREBECAUSEOFGLOBALIZATIONOFECONOMYANDAUTOMATICMANAGEMENTOFENTERPRISESTHEMARKETOFCOSTUMEINDUSTRYISHUGEBUTTHECOMPETITIONISFIERCEITISVERYIMPORTANTTOENHANCEPRODUCINGEFFICIENCYANDREDUCECOSTSOFPRODUCTINFRONTOFFASTDEMANDSOFCUSTOMERSCLOTHCUTTINGMACHINEWHICHPERFORMANCEDECIDESTHEEFFICIENCYOFANENTERPRISEISAMAINKINDOFFACILITIESINCLOTHINGMANUFACTURING,ANDITSINTELLIGENCEWILLFORCETHEDEVELOPMENTOFTHECOSTUMEINDUSTRYFORENHANCINGTHESPEEDANDPRECISIONOFTHECLOTHCUTTINGMACHINE,THISTHESISSTUDYITSMOTIONCONTROLSYSTEMSBASEDONREVIEWINGTHECORRESPONDINGRESULTSINEXISTINGLITERATURESTHEKEYOFTHESTUDYISHOWTOOPTIMIZETHEPATHFORSHORTENINGTHETRACEOFTHECUTTERANDHOWTOCONTROLTHESPEEDOFTHECUTTERFORREDUCINGTHETIMESPENTTHEMAINWORKANDCONTRIBUTIONOFTHETHESISAREASFOLLOWSFIRSTLY,THESTRUCTUREANDTHERESOURCEOFDSPPROCESSORNAMEDTMS320F2812AREINTRODUCEDMAINPINSANDITSFUNCTIONOFSTEPMOTORDRIVERNAMEDM542AREREFERREDASWELLTHENTHEHARDWAREPLATFORMOFTHEMOTIONCONTROLLERISBUILTINCLUDINGTHEPOWER,SERIALCOMMUNICATIONANDPOSITIONMEASUREMENTSECONDLY,ANOPTIMIZATIONALGORITHMISPROPOSEDUNDERCONDITIONTHATPROFILESSHOULDBECUTFROMINNERTOOUTERLAYERUNCERTAINNESSOFTHENUMBEROFPROFILESANDHOWMANYPOINTSONPROFILESMAKESTHEPROBLEMMORECOMPLEXSOTHEGENETICALGORITHMGACOMBINEDWITHEFFECTIVEHEURISTICISDESIGNEDTOFINDAMINIMUMCOSTTOURPASSINGTHROUGHONENODEFROMEACHCLUSTERTHESPECIALCHROMOSOME,CROSSOVEROPERATION,MUTATIONOPERATIONANDTHESELFADAPTIVESTRATEGYAREPRESENTEDINTHEPROPOSEDALGORITHMTHIRDLY,THESPEEDLIMITATIONWHENTHECUTTERPASSTHROUGHTHECORNERBETWEENTWOLINESISCONSIDERED,ANDINORDERTOMAKESURETHATTHESPEEDCHANGESSMOOTHLYANDMAINTAINAHIGHVALUEWHENPROCESSINGTHESTUFF,APREPROCESSMETHODWITH“S”CURVEDIVIDEDINTOFIVESEGMENTSISUSEDINTHESPEEDCONTROLTHEMETHODWILLAVOIDTHEFLEXIBLECLASHOFTHECLOTHCUTTINGMACHINEFOURTHLY,ANAPPLICATIONISCOMPLETEDINCLUDINGTHEFUNCTIONOFREADINGPLTFILES,TOOLPATHOPTIMIZATION,SERIALCOMMUNICATION,DATASHOWANDEDITANDTHESPEEDCONTROLALGORITHMANDINTERPOLATIONMETHODARECARRIEDOUTONTHEDSPPROCESSORFINALLY,THEWORKACCOMPLISHEDINTHISTHESISISBRIEFLYSUMMARIZEDANDSOMEREMARKSONFURTHERIMPROVEMENTOFTHEMOTIONCONTROLSYSTEMSAREALSOPRESENTEDKEYWORDSMOTIONCONTROL,TOOLPATHOPTIMIZATION,SPEEDCONTROL,INTERPOLATION目录摘要I第1章绪论111引言112背景及意义113国内外研究现状314本文的工作7第2章服装裁割机运动控制系统硬件结构设计与实现921服装裁割机整体系统结构922DSP处理器TMS320F28121023步进电机驱动器M5421124运动控制模块的硬件设计与实现13241电源模块设计14242串口通信模块设计14243位置信号检测模块15244TMS320F2812信号16245系统电路板及实物图16第3章裁割机运动路径优化1831路径优化问题的提出1832遗传算法20321遗传算法原理20322遗传算法的特点2133路径优化算法设计22331确定轮廓包含关系表22332路径模型24333染色体编码与解码25334选择因子设计27335变异因子设计28336交叉因子设计28337自适应机制30338启发式搜索30第4章裁割机运动速度控制3241速度控制问题的提出3242S曲线速度控制3443多段线段的速度控制3944速度控制仿真4345插补算法46第5章服装裁割机运动控制系统的软件设计与实现4951上位机软件设计与实现49511PLT文件读写模块49512路径优化算法模块51513串口通信模块55514数据显示与编辑模块56515软件界面与应用示例5752速度控制与插补算法软件设计与实现61521速度控制的软件设计与实现61522插补算法的软件设计与实现64第6章总结与展望6761研究工作总结6762展望68参考文献69致谢72攻读学位期间参加的科研项目和成果73第1章绪论11引言工业化进程的加速和自动化技术的越来越广泛应用将促成企业生产设备的更新及生产效率的大幅提高。我国的服装行业有巨大的市场，要适应客户需求的快速变化，就需要有快速的生产流程。服装裁割机作为服装加工的重要工具，其性能决定了生产效率。对服装裁割机运动控制系统的研究有利于改善裁割机的工作效能，从而提高企业的竞争力。12背景及意义随着经济全球化进程的加速推进，中国服装产业的发展既面临着难得的历史机遇，也面临着来自国内外的双重竞争和挑战。自上世纪80年代以来，我国服装产业发展出现了突飞猛进的势头；但与此同时也出现了许多问题，其中一个就是服装产业的自动化水平不高，结构质量比较低下，没有形成集研发、设计、制造、销售等于一体的纵向产业链，也没有形成区域间联动发展的横向产业链。纵观我国的服装市场，国际顶级服装大牌纷纷进驻中国，并牢牢地垄断着高端市场，国内的品牌无法与他们抗衡；而在市场潜力更大的中档市场上，更多的国际中低档品牌，甚至在国外不值一提的小品牌也纷沓而至，抢滩中国，在国内合作伙伴的帮助下，迅速地扩大着他们的市场份额。而中国的品牌服装企业则在价格战、宣传战、广告战中消耗着实力，但却得不到消费者的青睐。究其原因，除了我们的企业在设计创意、市场运作、品牌管理等诸多方面的差距外，最重要的原因就是企业生产过程的自动化水平不高，集中表现在裁割工艺落后，服装CAD/CAM计算机辅助设计和制造自动化裁割系统普及水平低，因此出现技术附加值低，低档次类似产品的恶性竞争1。我国服装制造业虽名列世界前茅，但企业规模太小，制造过程自动化水平不高，难以产生规模效益，在与跨国大公司的竞争中，难以取得市场优势。制造业自动化设备的落后，特别是没有配备必要的自动化成套系统，导致生产效率低下。我国制造业的人均劳动生产率远远落后于发达国家，仅为美国的1/25、日本的1/26、德国的1/20。产业主体技术依靠国外，有自主知识产权的产品少，依附于国外企业的组装业比重大。按不完全统计，目前全国有10多万家服装类企业，3万多家制鞋企业，5万多家皮衣企业，2万家箱包企业，沙发和工艺品玩具类企业也有3万家，从业人员将近2000多万，每年创造产值将近8000亿人民币。仅仅浙江省服装企业就有2万多家，2005年浙江服装制造业完成产值达1000多亿人民币，占浙江GDP比重的8。加上鞋业、沙发、箱包、工艺品等估计超过2000亿人民币，但目前大多数都是手工制作的劳动密集型企业，工作效率低，缺少科技含量。在欧美、日本等发达国家的服装、鞋、箱包等加工企业中，自动化裁割系统CAD/CAM的使用率已经高达7080以上，哪怕是只有四、五十人的小工厂也有CAM自动裁割机在使用；而在中国，目前服装、鞋、箱包等CAD/CAM的普及率尚不足6，而自动裁割机CAM的普及率更不到03目前性能优良、功能较为完备的服装CAD/CAM系统几乎全部依赖进口。国外较为著名的品牌如美国格柏GERBER，法国力克LECTRA和加拿大派特PAD等已经占据了大部分的市场份额2。就自动化裁割设备来说，由于设备成本和维护成本较高，目前国内只有少数资金雄厚的大型服装企业引进了这类自动化程度较高的先进服装裁割设备。绝大多数企业基本上仍采用手工裁割的加工方法。虽然也有一些企业及研究单位开发了一些服装计算机辅助设计系统。但主要都局限在服装CAD软件的开发上。服装裁割系统是一个由多项高技术集成的、复杂的机电一体化系统对提高服装面料利用率和裁割效率具有明显作用，由于其结构复杂、机电集成度高、控制难度大，在国内至今还没有性能完备的产品供应。国内涉足自动化裁割领域的企业大都以代理国外产品为主，目前都还没有研发出大型的智能裁割机系统包括刀具和激光。目前越来越多企业已经开始关注服装制造业的自动化装备领域，并且越来越重视拥有自主知识产权的产品的开发，主要有戈力远、柯瑞、经纬、奥科等。但普遍规模较小、研发力量落后。其中戈力远和柯瑞推出了自主研发的样版裁割系统，这种产品只能对服装、鞋、箱包等过程中用到的样板纸板进行样板裁割，实现版房自动化，但不能对布料、皮革及其他一些原材料进行裁割，严重限制了产品的推广，不能满足企业批量生产的要求，对企业生产效率的提高也有限。随着劳动力资源的日益短缺，外商对款式的更新越来越快，对质量的要求也越来越高如何提高生产效率、提高产品的质量、降低劳动力和生产的成本包括原料、管理费用迫在眉睫智能裁割系统是服装料板裁割领域的发展趋势，具有需求弹性大、产业关联程度高、对经济增长带动作用强、科技含量高、技术难度大等特点，是当代发展最迅速、应用最广泛、效益最显著、最引人注目的关键技术之一，也是是信息电子技术的综合集成技术之一。智能化的裁割系统与目前被广泛应用的手工裁割电裁刀相比，能够显著提高生产效率和提升裁割质量，提高企业的资源运作效率和降低企业的生产成本，为企业的发展增加一份竞争筹码。智能化的裁割系统对手工制造业服装、鞋、箱包、沙发、工艺品等的发展具有举足轻重的作用。而对服装裁割机的运动控制系统进行研究与设计相比于使用现成的控制卡更具有针对性，更能降低生产成本。本课题以浙江省科技重大专项“大型智能激光裁割系统的研究与开发”为背景，对激光裁割系统中的运动控制系统进行了研究与开发，其中包括刀具空行程路径优化和运动速度控制两块重要内容。13国内外研究现状运动控制系统是以电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变换装置为执行机构，在控制理论指导下组成的电气传动控制系统3。它处理机械系统中一般称作为轴的一个或多个坐标上的运动以及这些运动之间的协调，涉及各轴上运动速度的调节，以一定的加减速曲线来进行，以及形成准确的定位或遵循特定的轨迹等诸如此类的问题。这些精确的位置、速度、加减速乃至力矩的控制主要通过电动机、驱动器、反馈装置、运动控制器、主控制器如计算机和可编程控制器来实现。一个完整的以电力为动力，以位置控制为目的的运动控制系统如图11所示。PCPLC图11运动控制系统框图目前，运动控制器从结构上主要分为如下3大类1、基于计算机标准总线的运动控制器基于总线的运动控制器是利用计算机硬件和操作系统，并结合用户开发的运动控制应用程序来实现的，具有高速的数据处理能力。它具有开放式体系结构，运动控制器可完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制和PLC等功能，开放的函数库可供用户根据不同的需求。在DOS或WINDOWS等平台下可自行开发应用软件，组成各种控制系统。这种类型的优点是能充分保证系统的性能，软件的通用性强而且编程处理灵活。由于现在的运动控制器一般都是PCI总线的，因此运动控制器与主机的通信速度较快。缺点是运动控制器很难独立运行，难以做到小型化，系统的可靠性也是一个有待进一步研究的问题。2、SOFT型开放式运动控制器SOFT型开放式运动控制器即全软件型运动控制器，它提供给用户最大的灵活性，运动控制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和外部I/O之间的标准化通用接口。用户可以在WINDOWS平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核，开发所需的各种类型的高性能运动控制系统，从而提供给用户更多的选择和灵活性。全软件型运动控制器的特点是开发、制造成本相对较低，能够给予系统集成商和开发商更加个性化的发展。缺点是在通用PC上进行实时处理较困难，较难保证系统的性能，其可靠性的确保也有待进一步提高4。如果这些问题都得到解决，全软件型运动控制器无疑是一种最合适的开放式结构。3、嵌入式结构的运动控制器这类运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线的计算机模块，这种产品采用了更加可靠的总线连接方式，更加适合工业应用5。在使用中，采用如工业以太网、RS485等现场网络通信接口连接上级计算机或控制面板。嵌入式结构的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过INTERNET进行远程诊断。缺点是运动控制内核部分不能实现完全开放化，当与PC机协同工作时，系统的通信速度慢，甚至会影响系统的响应速度。目前国外己有很多著名的大公司开发出了功能多样的开放式运动控制卡，国内针对运动控制器的研究起步较晚，主要是高校或科研院所为自己设计的基于PC的数控系统的运动控制卡。但是近年来，随着运动控制技术的发展迅速，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且它己经达到一个引人瞩目的市场规模1、美国PMAC2APC/104高档运动控制卡。每个卡可对4轴到8轴进行高精度的同步运动控制；有ISA，VME，PC104，PCI等总线接口方式；可控制的电机类型有交流伺服电机、直流电机有刷、无刷、直线、交流异步电机、步进电机；采用PID及前馈伺服运动算法，可基于PC机工作，也可独立工作。2、英国BALDOR运动控制卡。该控制卡采用DSP处理器，可控制2轴伺服和4轴步进、数字伺服或6轴步进、数值伺服、支持CAN、RS232、RS485和USB接口。以其简单易用、功能强大深受用户好评，己广泛应用于激光雕刻、数控机床、包装机械、半导体制造等相关领域。3、日本NOVA电子有限公司研制的DSP运动控制专用芯片MCX314，是一个用于实现4轴运动控制的集成电路。通过这个集成电路可以控制由步进电机驱动器或由脉冲型伺服电机驱动的4轴的位置、速度和插补。4、固高科技有限公司的GM400通用型运动控制器，可控制伺服、步进电机。GH800高性能运动控制器，可控制8个伺服轴或4个步进轴,并可实现伺服轴与步进轴的任意组合。高速高精运动控制是数控技术的关键技术之一，纵观这些年来我国数控技术的发展历程，尽管我们取得了不少成绩，但与国外发展的速度和水平相比，差距还是很大。对于运动控制系统，实现高速高精度最关键还是插补算法和速度控制。插补算法是整个数控系统控制软件的核心。插补的任务就是根据起点、终点、轨迹轮廓、进给速度，按数控系统的当量，对轮廓轨迹进行细化。插补精度和插补速度是插补算法的两项重要指标，直接决定了数控系统的控制精度。目前最常用的是插补算法分为脉冲增量插补和数字增量插补两类。脉冲增量插补每次插补结束只产生一个行程增量，以一个脉冲的形式输出给进给电机。实现简单，但精度不高。而数字增量插补把插补运算分为粗插补和精插补两部分，粗插补在给定起点和终点的曲线之间插入若干个点，用若干条微小直线来逼近给定曲线，得到微小直线之后还要再做数据点的密化，也就相当于对直线的脉冲增量插补6。董为民等在文献7中给出了一种计算插补算法的误差及实时性的方法。传统的逐点比较插补法属于脉冲增量插补这一类，但由于该算法没有X、Y两轴同时进给，使得其逼近误差比较大，为一个脉冲增量。李文斌等在文献8中提出了一种改进的逐点比较法，通过对下一个进给点的位置进行假设，把X轴进给点与Y轴进给点的连线分为三等分，判断连线与插补直线的交点位置属于那个等分区域来确定进给路线，使得最大的误差降为2/3个脉冲当量，此种方法虽然降低了误差，但计算复杂，不适合实时运用。而巫德彬在文献9给出的新直线逐点比较法，该方法通过计算在只有X轴或Y轴进给及X轴和Y轴同时进给三种情况下的下一个进给点坐标偏离插补直线的情况来确定进给方法，该方法简单有效，但没有和速度结合起来，实际应用起来存在进给速度慢的问题。对于改进的数字积分插补法DDA可以在累加器中预置05，使得最大误差小于05个脉冲当量，但存在着速度不稳定的问题。为了保证机床在启动或停止时不产生冲击、失步、超程或振荡，必须对送到进给电机的进给脉冲频率进行加减速控制。在机床加速时，保证加在伺服电机上的进给脉冲频率是逐渐增大，而当机床减速停止时，保证进给脉冲频率逐渐减少。文献10中给出了直线加减速速度控制方法，这种速度控制方法简单，机床响应快，效率高，但是在存在加速度突变，机床运动存在柔性冲击，速度的过度不够平滑，运动精度低。许良元等在文献11中列举了三角函数加减速、指数加减速、直线加抛物线加减速及S曲线加减速。这些方法中有些简单有效，但存在速度过度不平滑。有些速度的平滑性好，但实现起来却复杂。李晓辉等在文献12中提到的5段S曲线方法比起7段来简单，但文中的方法只适用于起始速度与末速度一样的情况。对于每个路径段，为了避免在加工中系统频繁启停，速度缓慢、效率低下，不能让每段的起始和末尾速度都为零。许海峰、王宇晗等在文献1314中将直线加减速算法引入前瞻速度处理之中，建立了速度衔接数学模型，由于采用直线加减速策略，插补过程不可避免地存在加减速突变，速度曲线不平滑，而且在建立模型的时候没有考虑到上下段切割线段的转角问题，故不适合高速加工。TOUNSIN等在文献15中给出了用来识别加减速区域的轨迹预测法，这种基于连续时间模型的方法确定了实际进给速度和期望进给速度的关系。曹宇男等在文献16采用了S曲线策略来处理前瞻速度，但由于固定了加速区的加加速、减加速和减速区的加减速、减减速时间，导致了速度的提升受到限制。杨开明等在文献17采用了在牺牲转角点附近的切割精度来提高切割速度的方法，产生的精度误差和所用的伺服系统有关。为了提高服装裁割机的切割效率，除了提高运动速度和精度之外，还需要对服装切割时的刀具在各个轮廓间移动但不切割布料的轨迹进行优化，此即刀具空行程路径优化问题。对于刀具空行程路径优化问题，有些文献直接把问题简化为旅行商问题TSP，文献1819使用的是时间复杂度为的TSP最近邻算法计算，文献2022采用的是遗传2ON算法或模拟退火算法来求解。但由于轮廓的原始起点与真正的加工起点没有邻近关系，而且轮廓原始起点之间的距离也不能充分表示轮廓间的距离关系，所以不改变加工起点的优化是不充分的。而文献23中虽然考虑了原始加工起点的变化问题，但是没有考虑到加工轮廓的包含问题，导致了处理的数据量过度庞大。文献24先对轮廓起点集合进行排序，使用的算法时间复杂度为然后从轮廓原始起点集合中寻找一条回路作为初步的2ON加工路径,但是轮廓的加工顺序被确定下来之后将不会再改变，这样也达不到充分优化的目的。文献25采用将模糊聚类分析与遗传算法相结合，给出了一种分级搜索最短路径的方法。该方法把待切割区域按位置分为若干个小区域分别求得各个区域内部的最短路径,然后计算各个区域间节点间的最短路径。此种方法忽略了区域内部轮廓起点对区域间最短路径的影响，优化效果不是最优。刀具空行程路径优化问题亦属于广义旅行商问题GTSP范畴。与一般的TSP不同的是GTSP的节点是可变的，要求至少要走过每个区域中一个点，如果每个区域只有一点那么GTSP问题也就退化为TSP问题。可见TSP是GTSP的一个特例。BEHZADA在文献26中就是把终点数为N的GTSP变成TSP问题来处理，这种方法虽然没有扩大问题的规模，但是由于在转化中没有形成一一对应的关系，因此在TSP中的可行解相应在GTSP中有可能是非法解，在求解过程中可能会消耗大量的时间。PETRICAC在文献27中采用直接用数学规划直接求取，这只适合于小规模的GTSP问题，如果问题规模很大，那么这种解法消耗的时间将是无法接受的。LAWRENCEVS在文献28中采用了基于随机值的遗传算法对GTSP问题求解。刀具空行程路径的优化还需要考虑到轮廓的包含顺序，用普通的GTSP解决方法获得的解在实际切割中可能就不行。这样的问题具有很强的实际意义，目前还没有很好的能够在有限时间内对刀具空行程路径进行充分优化的方法。14本文的工作如何在轮廓访问顺序受到限制的情况下优化刀具空行程路径及如何控制速度以保证速度过渡平滑并能够在多路径段加工时能够保持高速是本文要解决的重点问题。对于裁割机运动控制系统的研究，本文将从以下四个方面进行运动控制系统的设计、裁割路径优化算法的研究、裁割速度的控制算法、整体软件结构的设计和实现。本文共分六章，每章的内容安排如下第一章主要介绍课题的研究背景及意义，国内外的研究现状以及本文的主要工作和研究内容。第二章给出了运动控制系统的硬件结构的设计与实现。采用了DSP处理器TMS320F2812作为控制器芯片并且利用了步进电机驱动器M542构建了裁割机运动控制系统的硬件平台。第三章提出一种刀具空行程路径优化算法。在切割轮廓顺序受限的情况下，以遍历所有待切割轮廓且刀头在轮廓间移动的空行程距离最短为优化目标，把约束条件转化到遗传算法编码问题中，并结合启发式搜索技术加快遗传算法的爬山速度。所设计算法在计算过程中自适应调整交叉和变异概率。第四章给出裁割机运动速度控制算法的设计与实现。利用5段S曲线，在速度受到拐角处夹角大小的限制情况下，尽可能地保持加工过程具有较高的速度值，并且使速度过渡平滑。第五章介绍了运动控制系统的软件设计与实现。包括PC机上的应用软件及DSP中的速度控制算法和插补算法。第六章对本文研究工作进行了总结，并提出了所设计的运动控制系统中的不足之处和改进方向。第2章服装裁割机运动控制系统硬件结构设计与实现21服装裁割机整体系统结构图21所示的是服装裁割机的系统框图，虚框包含区域为本文工作重点所在。在PC上的切割平台软件中有如下几方面功能1图形编辑，修改；2布匹边缘及瑕疵检测；3自动布料；4刀具空行程路径优化。ARMDSPXYCO2图21服装裁割机系统框图通过摄像机拍得布匹样片大小可直接录入PC机，免去了手工输入数据的麻烦。布匹瑕疵检测将会提高成品的合格率，避免对不合格的布匹进行加工，从而浪费资源。当获得各个布匹样片的轮廓大小之后，利用自动布料系统在空间上合理安排各块样片的位置，从而减少原材料在加工过程中的浪费。刀具空行程路径的优化是运动控制系统的一个主要组成部份，因为PC机速度快、内存大，相同的算法在PC机执行的速度将比在嵌入式处理器上执行的速度快得多，所以在PC机上实现刀具空行程路径的优化算法，这对于加工过程中效率的提高有重大作用。ARM处理器主要用来实现人机交互功能，通过键盘或触摸屏实现用户输入指令的获取并控制水冷系统和吸烟排尘系统的开启与关闭，ARM处理器与DSP处理器的通信采用SPI，与PC机通信采用串口或USB。DSP处理器是运动控制系统的核心，它需要控制X轴、Y轴两轴电机进行协调工作，并检测位置信号。速度控制和插补算法在DSP上实现，DSP输出X、Y两轴的速度和方向指令给步进电机驱动器，从而控制刀具的行进距离和行进方向。运动控制系统设计指标如下1、有效裁割宽度1650MM或2450MM；有效裁割长度3200MM或6400MM；2、裁割速度042000MM/MIN；3、定位精度005MM；4、利用刀具行程路径优化算法将空行程路径缩短20以上。22DSP处理器TMS320F2812TMS320F2812数字信号处理器作为TI公司推出的32位定点DSP控制器，其频率可高达150MHZ，可大大提高控制系统的控制精度和芯片处理能力29。TMS320F2812芯片基于C/C高效32位TMS320C28XDSP内核，并提供浮点数学函数库，从而可以在定点处理器上实现浮点运算。图22为TMS320F281X系列的DSP功能图。归纳起来TMS320F281X有如下特点301、主频可达150MHZ，采用低功耗设计。2、高性能32位CPU1616位和3232位的乘法累加操作；1616位的双乘法累加器；快速中断响应和处理能力；4MB的程序/数据寻址空间。3、F2812上有128K16位的FLASH存储器。4、三个32位CPU定时器。5、外设中断扩展模块PIE支持45个外设中断。6、电机控制外设，两个与F24XA兼容的事件管理器模块，每个模块包括两个16位的通用目的定时器；8通道16位的PWM；不对称、对称或空间矢量PWM波形发生器；外部可屏蔽功能或驱动保护中断；三个完全比较单元；三个捕捉单元、捕捉外部事件。7、串口通信外设串行外设接口SPI；两个UART接口模块SCI；增强的ECAN20B接口模块；多通道缓冲串口MCBSP。8、高达56个可配置通用目的I/O引脚。9、40。C85。C或40。C125。C工作温度。图22TMS320F281X系列DSP功能框图如此丰富的资源和强大的电机控制功能使得TMS320F2812成为运动控制处理器的首选。23步进电机驱动器M542对于驱动X轴、Y轴行进的电机采用步进电机，而步进电机驱动器采用雷赛公司的M542步进电机驱动器。该驱动器的外观如图23所示。图23步进电机驱动器该驱动器的主要引脚及功能如表21所示。表21M542的主要引脚及功能引脚功能PUL5VPULPUL脉冲信号脉冲控制信号，此时脉冲上升沿有效，当电压为355V为高电平，005V为低电平DIR5VDIRDIR方向信号高/低电平信号，对应电机正反向，为保证电机可靠响应。方向信号应先于脉冲信号至少5建立，电机的初始方向与电机的接线有关，当电压为455V为高S电平，005V为低电平ENA5VENAENA使能信号此输入信号用于使能/禁止，高电平使能，低电平时驱动器不能工作。一般情况下可不接，使之悬空而自动使能GND直流电源地V直流电源正极，20V50V间任何值均可A电机A相，A、A互调，可更换一次电机运转方向B电机B相，B、B互调，可更换一次电机运转方向图24所示的为输入电路的共阴极接法31。图24输入电路的共阴极接法为了避免一些误动作和偏差，PUL、DIR和ENA应满足图25所示的时序要求PULDIRENAT3T2T2T4T135V05V图25信号时序图上图中ENA信号应提前DIR至少，即。设计时将EVA和EVA悬空让5S15TS驱动器自动使能。DIR信号应至少提前PUL下降沿确定其状态为高还是低，即。脉冲的高电平宽度不小于，即。脉冲的低电平宽度不小于25TSS3S，即。141S除了上面介绍的输入信号外，M542还可通过设置其拨码开关设定其细分。在系统实现过程中，设定其细分数为20细分。24运动控制模块的硬件设计与实现运动控制模块主要是以DSP处理器为主，包括了电源模块、串口通信模块、位置信号检测模块。DSP输出的控制信号将传给步进电机驱动器M542。241电源模块设计考虑到信号检测需要用12V的电压。而TMS320F2812的工作电压为33V和18V，且JTAG的工作电压为5V，故需要将12V转换为5V输出，而又将5V输出通过LM111733和LM111718芯片转化为33V和18V输出。具体电路原理图见图26和27所示。VIN1OUT2GND3FEBACK4O/5ULM6PR08IH9图2612V转5V电路原理图T图275V转33V和18V原理图242串口通信模块设计考虑到整个系统实现的进度问题，需要先实现上位机与DSP的串口通信以方便速度控制算法实现与调试，故在运动控制模块中加入串口通信模块。串口通信模块的原理图如图28所示。162738495JDBENFORCIVAL0GUMXUSP_THK图28串口通信原理图243位置信号检测模块因为运动区域有限，故需要对X轴和Y轴的运动范围进行限制，用限位开关返回的信号确定刀具是否达到边界。Z位图29位置信号检测原理图当产生限位信号时，采用中断来处理该信号，用74LS21与门产生的信号产生中2INT断，在中断程序中检测是哪个方向产生限位信号的，其原理图如图210所示。图210采用中断查询方式检测限位信号244TMS320F2812信号TMS320F2812的输出/输入信号及其功能如表22所示。表22DSP输出/输入信号表2812上的信号别名功能输入/输出T1PWMT1CMP/IOA6CTRY输出Y轴脉冲输出T2PWMT2CMP/IOA7CTRX输出X轴脉冲输出PWM1/IOA0DIRY输出Y轴方向输出PWM2/IOA1DIRX输出X轴方向输出PWM3/IOA2LASERZ控制激光功率输出PWM4/IOA3DY_RESET检测Y轴限位信号输入PWM5/IOA4DX_RESET检测X轴限位信号输入PWM6/IOA5DZ_RESET检测Z轴限位信号输入XINT2_ADCSOC/IOE12INT外部中断输入245系统电路板及实物图图211是依据原理图设计的运动控制系统的PCB图。图211运动控制系统PCB图图212为实物图。图212实物图第3章裁割机运动路径优化31路径优化问题的提出在服装布匹、样片切割时，通常有多个轮廓需要切割，而每个轮廓通常由多条线段组成，即一个轮廓少则由3、4个点组成，多则由几百个点组成。当刀具要切割一个轮廓时，先要选择轮廓中的某一个点作为切割起点，接着按照一定的顺序走遍轮廓上的所有点，最后回到切割起点从而完成一个轮廓的切割。正是由于存在多个轮廓而一个轮廓又存在多个点，如果要切割完所有轮廓，那么必将需要在每个轮廓上选择一个切割起点组成一条裁割机空刀行程的路径。以图31为例，需要切割四个轮廓，包含3个点，14V1V包含4个点，包含4个点，包含5个点。每个轮廓的点坐标在源PLT文件中的出2V3V4V现顺序如其下标所示，如表示第1个轮廓的第1个点，第1个点是轮廓的原始切割起1P点。刀具的起始点在原点，那么需要在每个轮廓中选取一个点作为切割起点，使得遍历每个轮廓一次的路径最短，在这过程中就有可能要改变轮廓的原始切割起点。图31中的从原点出发的路径为一条可行路径。如果存在轮廓的包含现象即一个轮廓在另外一个轮廓之内，那么为了保证切割质量，需要先切割完内部轮廓才能切割外部轮廓。如何找到一条路径让空刀行程最短，也就是裁割机路径优化问题需要解决的，而轮廓切割顺序的限制也就成了优化问题的约束条件。1P12P13P21P31P24P2P41P34P32P45P4P4243PXY1V2V3V4V23P3O图31路径加工图把多轮廓加工路径优化问题描述为给定个点集，把中的点数N12,IMVIV记为。从每个点集中任取一点构成完全图，把的一条HAMILTON路径记为，则INIVGJL刀具的最短加工路径应满足L31MINJJDL式31中分别表示路径的长度。,JD,J优化的约束条件存在点集包含关系时，必先取内部后取外部。对于裁割机的路径优化问题如果每个点集只包含一个点，那么就退化为一个旅行商问题TSP。针对旅行商问题，已出现了很多种方法。如LINKERNIGHAN方法32、模拟退法3334和进化算法3537。后者常需要更多的计算时间而求得的解常不如前者求得的好，为了提高后者的效率，可将局部优化方法与该方法结合。局部优化方法可提高进化算法的搜索能力，有助于更快的找到全局最优解。求解TSP问题的方法虽然可以用来求解对于裁割机的路径优化问题38，但是这些方法毕竟把问题给简化了，使得路径不能得到比较充分的优化。其实裁割机的路径优化问题属于广义旅行商问题GTSP范畴。上世纪60年代，HENRYLABORDERE,SAKSENA,SRIVASTAVA几乎同时提出了GTSP。图论上GTSP可定义如下设是一个赋权图，其中为顶点集，,PGVEW12,NV为弧集。是定义在弧集E上的费用矩阵，其中,IJEVIJIJNW为弧的费用，费用在实际问题中可解释为权重或距离等。先把定点集V分为PIJWIJ个点群。GTSP问题就是要找一条不要求遍历所有点，但是要遍历P个点群的费用最小的HAMILTON回路。GTSP问题可分为两类第一类要求回路只访问每个点群中的一个点，如图32所示，第二类为至少访问每个点群一次，如图33所示。图32第一类GTSP问题图33第二类GTSP问题目前针对GTSP问题的解决方法很少，因为TSP问题是GTSP问题的一个特例，因此把GTSP转化为TSP问题来处理39是种常见的处理方法。而把智能算法和局部搜索技术结合用来求解GTSP问题也得到重视40。本文考虑的裁割机的加工路径优化问题就是点群访问顺序受到限制的第一类GTSP问题，而目前很少有文献考虑到此种情况4144。本文采用的是遗传算法和启发式局部搜索技术的结合来解决裁割机的加工路径优化问题。采用的方法把约束条件转移到遗传算法的编码问题中，设计特殊的交叉和变异因子，并结合启发式搜索技术来加快遗传算法的“爬山”速度，算法在执行过程中可自动调整交叉和变异概率。32遗传算法遗传算法是基于进化论的原理发展起来的一种应用广泛、高效的随机搜索优化方法4546，其具有鲁棒性强、使用方便等特点，在近年来的组合优化问题上得到了广泛的应用。遗传算法的发展起于70年代，是模拟达尔文提出的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型。它是由美国MICHIGAN大学的JHOLLAND教授于1975年首先提出的，经过多年发展，遗传算法的应用无论是用来解决实际问题还是建模，其范围不断扩展。针对不同的问题可能有不同的遗传基因表达方式、不同的交叉和变异算子、不同的选择和复制方法，人们用进化计算来包容这样的遗传算法簇。它被基本划分为四个分支遗传算法GA、进化规划EP、进化策略ES和遗传程序设计GP。遗传算法作为人工智能的重要实现方法，在今后的应用中将会越来越广泛。321遗传算法原理遗传算法中每个个体根据自身的适应度被决定是否继续生存下去，适应度低性能差的个体被淘汰，适应度高性能好的个体被保存，经过交叉和变异操作生成新的个体。由于新群体的成员是在上一代优秀群体的基础上产生的，保留了上一代的优秀性能，使得群体朝着更优解的方向进化47。遗传算法一般的操作步骤如下步骤1、随机产生初始种群，个体数目一定，每个个体表示为染色体的基因编码；步骤2、按照适应度函数计算每个个体的适应度，并判断是否符合优化标准，若符合，输出最佳个体及其代表的最优解，并结束计算。否则转向第3步；步骤3、依据适应度选择再生个体，适应度高的个体被选中的概率高，适应度低的个体可能被淘汰；步骤4、按照一定的交叉概率和交叉方法，生成新的个体；步骤5、按照一定的变异概率和变异方法，生成新的个体；步骤6、由交叉和变异产生新一代的种群，返回到步骤2。遗传算法的优化准则在不同的问题下有不同的确定方式。例如可以采用如下准则之一作为判断条件1、种群中个体的最大适应度超过预先设定值；2、种群中个体的平均适应度超过预先设定值；3、世代数超过预先设定值；4、已经达到了优化目标。322遗传算法的特点传统的优化方法主要有三种枚举法、启发式算法和搜索技术。枚举法枚举出可行解集合内的所有可行解，以求出精确最优解。对于连续函数，该方法要求对其先进行离散化处理，这样就可能因离散处理而永远达不到最优解。此外，当枚可行解空间比较大时，该方法的求解效率比较低。启发式算法寻求一种能够产生可行解的启发式规则，以找到一个最优解或近似最优解。该方法的求解效率比较高，但对每一个需求解的问题必需找出其特有的启发式规则，这个启发式规则一般无通用性，不适合于其他问题。搜索技术寻求一种搜索算法，该算法在可行解集的一个子集内进行搜索操作，以找到问题的最优解或者近似最优解。遗传算法不同于传统的搜索和优化方法，其特点是481、自组织、自适应和自学习性。应用遗传算法解决问题时，在编码方案、适应度函数及遗传算子确定后，算法将利用进化过程中获得的信息自行组织搜索；2、并行性。遗传算法按并行方式搜索一个种群数目的点，而不是单点。遗传算法的并行性表现在两个方面一是遗传算法是内在并行的，其本身非常适合大规模并行操作。这种并行处理方式对并行系统结构没有什么限制和要求；二是遗传算法的内含并行性，由于遗传算法采用种群的方式组织搜索，因而可同时搜索解空间内的多个区域，并相互交流信息；3、遗传算法不需要求导或其他辅助知识，只需要影响搜索方向的目标函数和相应的适应度函数；4、遗传算法强调概率转换规则，而不是确定的转换规则；5、遗传算法可以更加直接地使用；6、遗传算法对给定问题，可以产生许多的潜在解，最终选择可以由使用者确定。33路径优化算法设计本文设计的路径优化算法基于遗传算法和启发式搜索技术，将对轮廓顺序的约束条件转化到染色体的编码问题中。