模杯织物空间裁剪控制系统研发

赵建海 倪俊芳

摘 要：模杯织物作为一款高需求量的女性生活用品，对其裁剪速度的快慢决定了模杯企业的生产效益。为了克服人工裁剪速度慢、精度低等缺点，本文通过对模杯待裁剪曲线的拟合，采用弦线法的插补算法将模杯待裁剪曲线路径转换成驱控一体机能够识别的G代码指令，同时对控制系统的软硬件进行开发，驱控一体机根据G指令控制多轴机构运动，最终实现对模杯织物的自动化裁剪。应用结果表明，该系统操作方便、运行稳定、便于升级维护，满足了模杯企业大批量、高效率的生产需求。

关键词：模杯织物；插补算法；软硬件开发；裁剪

中图分类号：TS941.4；TS103.7

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2018）04-0093-04

Abstract：Bra cup fabric is one of womens daily necessities with high demand， the cutting speed of the bra cup fabric determines the productivity effect of bra cup companies. In order to overcome the shortcomings such as low speed and low precision of manual cutting， the bras curve was fitted and the curve was converted into G-code which could be identified by drive-control integrated machine by linear interpolation algorithm of chord-line method. At the same time， software and hardware of the cutting control system were developed. The drive-control integrated machine controlled multi-axis machine to move according to the G-code， and completed the automatic cutting of bra at last. The application of the system results show that it is stable and convenient to operate， easy to update and maintenance， and it meets the companies requirements of mass production and high efficiency.

Key words：bra cup fabric； interpolation algorithm； software and hardware development； cutting

傳统的模杯织物裁剪方式为人工裁剪，根据裁剪工具使用的不同，人工裁剪又分为剪刀裁剪和缝纫机裁剪。裁剪过程中，工人必须沿着模杯织物上的轮廓线进行裁剪，使裁刀的裁剪轨迹与轮廓线保持一致。人工裁剪存在难度大、经验性强、工作量大等缺点，不能满足企业大批量高效率的生产要求。在研究自动裁剪设备方面欧美等发达国家起步的时间比较早，裁剪对象主要是皮革、服装、纸箱等二维平面日常生活用品，经过30多年的发展与积累，目前其技术相当成熟，如美国格伯公司研发的系列产品TaurusXD已经可以达到1.27 m/s的最大速度，精度可达0.1 mm，国内近年来才开始自动化裁剪装备方面的研发工作。由于模杯织物为三维立体模型，质地柔软，裁剪精度要求高，至今国内外还没有性能完备的裁剪产品供应，其中邓惠子等[1]对三维裁剪算法及硬件设计进行了研究，取得了一定成果。本文对模杯织物待裁剪曲线进行拟合逼近算法的研究，并设计控制系统的硬件电路，采用C#语言进行上位机软件开发[2-3]，完成系统集成，证明裁剪系统是可行的。

1 织物待裁剪曲线的拟合与插补

1.1 曲线拟合

图1为热模压后模杯与裁剪品，从图1可见，模杯待裁剪曲线为一条空间自由曲线，曲线拟合的原理是用微小直线段来逼近圆弧，不断地缩小误差，直到满足精度要求为止。在PRO/E软件中，采用等比率的方法（两点之间弧线长度相同）将模杯待裁剪曲线分成若干个点，因为裁剪刀具的宽度为0.5 mm，所以设置两点之间弧线长度小于等于0.5 mm，如图2所示。以拐角点为原点，模杯底部所在平面为XY平面，建立空间直角坐标系，将这些点的坐标导出成一个*.pts.1格式的文件，文件内存储着各个点的X、Y、Z三维坐标。在相邻两点之间，用小段直线连接，小段直线代替两点间的圆弧，如此不断逼近、缩小误差，最终可以拟合出整条模杯待裁剪曲线[4]。

1.2 弦线法插补

本织物裁剪控制系统采用弦线法的插补算法对模杯待裁剪曲线进行插补运算，驱控一体机在控制裁剪轨迹的过程中，逐点计算和判别裁剪偏差以控制坐标进给方向，从而按规定的轨迹裁剪出合格的产品。在裁剪过程中，必须要保证两点之间的直线距离小于等于0.5 mm，以图3为例，空间曲线上A、B、C、D4点为相邻的等比率点，弦线法插补流程图如图4所示[5-6]。在误差范围内，与其他插补算法相比，弦线法插补是点与点之间的直接连接，跳过中间的若干点，速度更快、效率更高。

2 软硬件开发

2.1 硬件开发

本织物裁剪控制系统主要由多轴平台、驱控一体机、伺服电机、裁剪刀具等组成，硬件框图如图5所示。为了提高系统的集成性和可操作性，将硬件系统分为3个模块：多轴运动机构、运动控制器以及上位机软件模块[7]，驱控一体机与伺服电机的配线如图6所示。

a）多轴运动机构：它是系统的控制对象，主要包括伺服电机、左右行程开关、原点开关、传动装置及末端执行机构。

b）运动控制器：从上位机软件中读取裁剪路径信息G指令，根据伺服电机编码器的反馈信号进行数据的处理运算，进而控制多轴运动机构的运动，以实现模杯待裁剪轨迹目标的装置。

c）上位机软件：与驱控一体机进行数据传输，具有图形显示、排版、驱控一体机参数修改、裁剪模拟仿真、加工状态显示、警报提醒、控制系统加工等功能，方便用户快速高效地操作系统。

模杯原料质地柔软且具有很强的透气性，在裁剪的过程中易受裁剪刀具的影响产生位置偏移，本控制系统采用上下合模压合的方式将模杯固定起来，上下合模带有磁性，相互吸合，在磁力的作用下模杯被固定起来，随着Z轴做旋转运动，完成闭合曲线的裁剪工作。织物夹紧装置原理如图7所示，在裁剪的过程中刀具始终垂直于待裁剪模杯表面，该装置结构简单，经济适用，非常适用于非平面织物的固定。

2.2 软件开发

为了实现裁剪自动化、克服现有的裁剪系统数据处理能力有限、与用户交互性较差、操作复杂的不足，以C#为编程语言开发了基于Windows平台的裁剪系统上位机控制软件。PC机和驱控一体机的通信方式为以太网，以SCD系列驱控一体机作为下位机控制多轴运动机构做精确的移位。上位机软件主界面如图8所示，软件主界面（form1.cs）共由5个区域组成，即菜单区、图形加工显示区、功能区、统計区、状态区等[8-10]。

a）菜单区：包含了文件管理、参数设置、联机操作、加工等一系列功能。

b）图形加工显示区：用于显示模杯待裁剪曲线路径，当裁剪模拟仿真或模杯正在加工时，在路径上可看到当前裁剪的动态位置。

c）功能区：实现裁剪模拟仿真及开始加工等快捷功能。

d）统计区：实现对模杯裁剪个数及裁剪时间的统计功能。

e）状态区：用于实时显示当前的加工模式及系统运行过程中所出现的警报信息。

3 系统实现

驱控一体机作为核心部件，在很大程度上决定了控制系统的整体性能。多轴运动机构作为执行机构，具有4个自由度，可实现X、Y、Z方向的直线运动以及C方向（绕Z轴）的旋转运动。各部分所组成的电气控制系统连接实物图如图9所示，上位机软件与硬件集成好之后，经过测试，多轴运动机构允许的最大加速度为1 G，裁剪速度控制在0.4 m/s以内不会对模杯和刀具产生影响。裁剪过程中若出现警报信息，多轴运动机构立刻停止运动，裁剪刀具静止，待查找原因消除警报后，裁剪工作继续进行，裁剪误差在0.4 mm内。测试结果基本达到了预期效果，裁剪精度满足要求，该系统性能稳定，结构简单，易于加工维护，价格便宜，便于后期的产品推广，模杯样片裁剪效果图如图10所示。

4 结 语

模杯待裁剪的轨迹曲线是一条空间自由曲线，本文采用弦线法的插补算法对这条空间自由曲线进行拟合、逼近，完成上位机开发，主要解决了以下基本问题：

a）对模杯待裁剪曲线的拟合和插补，提高了系统的裁剪速度。

b）开发控制系统上位机软件，便于用户操作使用，且能够实时地对系统的运行状态进行监测。

c）自动化裁剪代替传统的人工裁剪，大大提高了模杯裁剪效率，满足了企业大批量高效率的生产要求；同时，降低企业成本，提高企业市场竞争力。

由于系统在裁剪过程中存在一定的柔性冲击，尤其在曲线拐角处速度过度不平滑，造成机器振荡，所以在速度控制方法方面还有待进一步研究。

参考文献：

[1] 邓惠子，韩俊刚.改进的三维裁剪算法及其硬件设计[J].电子科技，2013，27（7）：1-3.

[2] 张文君，李思益.数控技术在皮革裁剪机上的应用[J].机械设计与制造，2005（10）：138-139.

[3] 林示麟，俞立.智能服装裁割机中运动控制系统的研究与开发[D].杭州：浙江工业大学，2008.

[4] 石振东，刘国庆.实验数据处理与曲线拟合技术[M].哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1991.

[5] 倪俊芳，宋昌才，何高清.机床数控技术[M].北京：科学出版社，2016.

[6] 唐锐.数字积分抛物线插补算法[J].机电产品开发与创新，2007，20（5）：186-187.

[7] 丛爽，李泽湘.实用运动控制技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

[8] 陈婵娟.开放式数控系统人机界面设计[J].组合机床与自动化加工技术，2007（2）：42-45.

[9] 王剑.浅析数控机床人机界面的开发与设计[J].科技信息，2008（21）：37-37.

[10] 王田苗.嵌入式系统设计及开发-ARM与μC/OS[M].北京：清华大学出版社，2002.