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本設計中的裁床主要是針對服裝等相關(guān)行業(yè)的軟性材料裁剪，國內在該方面自動(dòng)化程度不高，生產(chǎn)效率低，在勞動(dòng)力成本不斷提高的情況下，急切需要提高自動(dòng)化程度。本設計提出的控制系統方案是ARM+PLC的控制方式，將排料功能獨立出來(lái)在PC上完成，ARM平臺負責數據處理，PLC控制執行器件運行。 1 數據處理系統功能分析 數據處理系統主要包括PLT文件數據處理模塊和通信模塊。為了保證系統有較好的數據處理能力，系統以ARM Cortex-A8處理器為核心，嵌入式操作系統使用微軟公司的WindOws CE6.0。系統需要從移動(dòng)存儲設備獲取PLT文件，目前主流的移動(dòng)存儲設備都是USB接口，因此需要系統具備USB通信功能。數據處理系統需要跟執行機構控制器PLC進(jìn)行通信，由于數據量較大，采用TCP/IP通信比較合理，其功能框圖如圖1所示。 圖1 數據處理系統功能框圖 2 PLT文件解析及優(yōu)化設計 PLT文件包含圖形向量信息，原本是用于用戶(hù)噴圖打印的。在本系統中，PLT文件被用來(lái)存放裁床裁片輪廓邊界點(diǎn)的坐標信息和刀筆的操作信息。從存儲設備中讀取的文件數據量較大，包含很多命令。如果將這些數據直接傳送到PLC，無(wú)疑會(huì )增加數據傳輸量，并且需要PLC增加數據處理和計算的過(guò)程，影響系統的實(shí)時(shí)性。因此，在數據處理系統中將PLT文件數據先進(jìn)行處理，并且進(jìn)行適當的優(yōu)化，從而減少數據量，提高PLC處理的實(shí)時(shí)性。 2.1 PLT文件解析 數據處理系統讀人的文件是PLT文件，PLT文件源自于HP公司，最初主要用于打印機指令文件。其命令用來(lái)描述2D圖形信息，采用ASCII碼來(lái)表示，其內容只包含圖形的線(xiàn)條信息。而裁床在裁割過(guò)程中裁刀行走的路徑也是由許多線(xiàn)段組成的，因此用PLT文件來(lái)描述和存儲裁床裁片形狀的信息是非常合適的。 PLT文件中的一條PLT指令由命令加參數的方式組成，分號表示該條指令結束。一條指令可以有多個(gè)參數，參數之間以逗號分開(kāi)。其常用指令如表1所列。 下面以裁割長(cháng)方形裁片為例，說(shuō)明裁床PLT文件的格式。設定裁床的左下角為坐標原點(diǎn)，長(cháng)方形裁片位于原點(diǎn)的右上角，其坐標點(diǎn)如圖2所示，則該圖形在PLT文件中的數據應該為“IN;SP1;PU600，600;PD600，1 200;PD1 800，1 200;PD1 800，600;PD600，600;PU;PG;”。PLT文件中的長(cháng)度與實(shí)際的長(cháng)度單位換算關(guān)系：40個(gè)PLT文件中的單位=1 mm。 圖2 長(cháng)方形裁片坐標示意圖 由于執行機構控制器PLC的存儲空間有限，數據處理系統應盡可能地減少數據總量。在實(shí)際的加工過(guò)程中，PLC需要的是加工過(guò)程中的坐標點(diǎn)值，只要上下位機之間制定合理的協(xié)議，就可以將PLT文件中的命令去除，直接將坐標點(diǎn)發(fā)送到PLC。這樣既有利于節約下位機的存儲空間，而且也能減少下位機的運算過(guò)程。上下位機約定每一個(gè)坐標值的x和y數值的長(cháng)度都為16位二進(jìn)制數。那么裁床最大的有效裁割長(cháng)度和寬度為65 536/40=1 638.4 mm，足夠普通的裁床使用。 2.2 PLT文件優(yōu)化處理 裁床裁片的PLT文件主要有兩種來(lái)源：一是通過(guò)工業(yè)相機采集服裝樣片的圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理提取樣片輪廓的數字信息，并通過(guò)二次曲線(xiàn)擬合原始的邊界點(diǎn)序列產(chǎn)生輪廓的矢量圖，再將擬合曲線(xiàn)離散化并產(chǎn)生PLT文件;二是通過(guò)CAD軟件產(chǎn)生。第一種來(lái)源的數據目的性強，因此會(huì )考慮到實(shí)際應用場(chǎng)合，盡可能地將數據精簡(jiǎn);而由CAD軟件產(chǎn)生的PLT文件并不一定會(huì )考慮文件的具體應用對精度的不同要求，產(chǎn)生的PLT文件一般是固定的。服裝行業(yè)對精度的要求一般來(lái)說(shuō)沒(méi)有機械零件對精度的要求高。在裁床設備中，這些PLT文件中可能會(huì )存在大量的冗余數據，增加了數據總量。另外這些數據肯定相近的是坐標點(diǎn)，這會(huì )造成裁床在實(shí)際裁割過(guò)程中需要不斷頻繁地加減速，對設備剛度會(huì )提出較高的要求，對電機的性能也是不小的考驗。 PLT文件的優(yōu)化思路：通過(guò)三次B樣條擬合由CAD產(chǎn)生的PLT文件中的坐標點(diǎn)，獲得裁床裁片的輪廓曲線(xiàn)，并采用直線(xiàn)逼近法用微小線(xiàn)段擬合曲線(xiàn)，從而重新優(yōu)化刀具加工點(diǎn)，減少數據量。 在實(shí)際編程實(shí)現B樣條曲線(xiàn)時(shí)，多使用de-Boor定義。將參數t固定在區間[ti，ti+1]，則de-Boor算法推導如下： 式(3)表示一條曲線(xiàn)P(t)從K階B樣條表示到K-1階B樣條表示的遞推公式。在程序中不斷地調用該公式，可以得到擬合的曲線(xiàn)。 裁床的刀頭在伺服電機的帶動(dòng)下容易實(shí)現直線(xiàn)段組成的路徑，而不容易直接走曲線(xiàn)。因此將PLT文件中的數據通過(guò)上述算法重新擬合之后，還需要通過(guò)直線(xiàn)擬合的方式重新獲取路徑坐標點(diǎn)，在加工誤差允許范圍內，盡可能地減少數據量。直線(xiàn)擬合的思路如下：在曲線(xiàn)上有N個(gè)坐標點(diǎn)，用Kij(1 ①求出第1點(diǎn)和第2點(diǎn)之間的斜率K12。 ②求出第1點(diǎn)和第j(j>2)點(diǎn)的斜率K1j，每求出一個(gè)K1j就跟K12進(jìn)行比較。如果差值小于設定的誤差值，則返回第二步繼續求下一個(gè)K1j，否則進(jìn)入第3步。 ③回溯到j(luò )-1點(diǎn)的坐標值，此時(shí)用直線(xiàn)連接第1點(diǎn)和第j-1點(diǎn)形成的線(xiàn)段可滿(mǎn)足精度要求。 ④如果j-1 擬合完成后，將形成優(yōu)化后的PLT文件。此文件中的數據將作為發(fā)送到PLC和在人機界面上顯示加工軌跡的數據。 2.3 裁片加工軌跡的顯示 裁床控制系統的上位機人機界面中，一般都有顯示裁片形狀(加工軌跡)的功能。該功能的主要作用有兩個(gè)：讓操作者能方便快速地知道加載的PLT文件是否為當前需要加工的數據文件，避免由于選擇錯誤的加工數據而造成材料浪費;裁片的排料對服裝企業(yè)的材料利用率影響較大，通過(guò)裁片加工軌跡的顯示，使用者能直觀(guān)地知道此數據文件中的數據在排料方面是否合理。 數據處理系統采用的是WinCE 6.0嵌入式操作系統，在此系統中開(kāi)發(fā)應用軟件可以采用微軟公司提供的Visual Studio 2005集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。在程序中將PLT文件的坐標值按比例轉換后，通過(guò)MFC中的畫(huà)直線(xiàn)函數，把各坐標點(diǎn)按照既定的規則用直線(xiàn)段連接，從而在人機界面中顯示裁片加工軌跡。為了方便用戶(hù)直觀(guān)地了解裁片大致尺寸，在顯示頁(yè)面中加入了坐標尺。裁片顯示界面及其測試效果如圖3所示。 圖3 裁片顯示界面測試效果 3 通信功能的實(shí)現 數據處理系統與外部的通信有兩部分：一是從移動(dòng)存儲設備中獲取包含裁片加工信息的USB通信;二是與下位機PLC之間的TCP/IP通信。 USB設備分為SLAVE(從設備)和HOST(主設備)，只有當一臺HOST與一臺SLAVE連接時(shí)才能實(shí)現數據的傳輸。簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果一個(gè)設備支持USB HOST，它就可以從另外一個(gè)USB設備中取得數據。裁床數據處理系統需要從外部移動(dòng)存儲設備中讀取數據，因此必須具備HOST功能。 數據處理系統與下位機之間采用TCP/IP通信，根據實(shí)際數據收發(fā)的需要，程序中創(chuàng )建了兩個(gè)端口號。端口號6000用于收發(fā)裁片信息數據，端口號6001用于收發(fā)設置的參數以及相關(guān)監控信息等。上位機軟件作為客戶(hù)端，要根據PLC的通信端口配置設置IP和端口號。PLC作為服務(wù)器端，打開(kāi)端口并等待上位機連接，連接成功后等待接收數據。如果收到的是裁片信息數據，則保存數據;如果接收到的是設置參數的數據，則根據約定的通信協(xié)議來(lái)作相應的轉換和處理。具體通信協(xié)議如下： ①工作參數設置頭標志：“PR”，設定的參數數據長(cháng)度不定，以分號來(lái)判斷參數的長(cháng)度。格式如下： ②系統工作參數設置頭標志：“SPR”，設定的參數數據長(cháng)度不定，以分號來(lái)判斷參數的長(cháng)度。格式如下： ③警報消息接收頭標志：“WN”，每個(gè)警報用1位表示，0表示正常，1表示警報。格式如下： ④開(kāi)機時(shí)向PLC詢(xún)問(wèn)上次保存的參數：發(fā)送“ASK”。軟件“開(kāi)始”控制：發(fā)送“STR”。 結語(yǔ) 采用嵌入式系統來(lái)實(shí)現裁床的數據處理功能，預期效果良好。相對傳統的控制系統來(lái)說(shuō)，此方案移動(dòng)性強、性?xún)r(jià)比高。將排料軟件與數據處理軟件分開(kāi)，有利于縮短開(kāi)發(fā)周期，降低軟件維護和升級的成本。 |
