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本設計中的裁床主要是針對服裝等相關行業的軟性材料裁剪，國內在該方面自動化程度不高，生產效率低，在勞動力成本不斷提高的情況下，急切需要提高自動化程度。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。系統需要從移動存儲設備獲取PLT文件，目前主流的移動存儲設備都是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文件解析及優化設計 PLT文件包含圖形向量信息，原本是用于用戶噴圖打印的。在本系統中，PLT文件被用來存放裁床裁片輪廓邊界點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，無疑會增加數據傳輸量，并且需要PLC增加數據處理和計算的過程，影響系統的實時性。因此，在數據處理系統中將PLT文件數據先進行處理，并且進行適當的優化，從而減少數據量，提高PLC處理的實時性。 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。其命令用來描述2D圖形信息，采用ASCII碼來表示，其內容只包含圖形的線條信息。而裁床在裁割過程中裁刀行走的路徑也是由許多線段組成的，因此用PLT文件來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參數，參數之間以逗號分開。其常用指令如表1所列。 下面以裁割長方形裁片為例，說明裁床PLT文件的格式。設定裁床的左下角為坐標原點，長方形裁片位于原點的右上角，其坐標點如圖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文件中的長度與實際的長度單位換算關系：40個PLT文件中的單位=1 mm。 圖2 長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。在實際的加工過程中，PLC需要的是加工過程中的坐標點值，只要上下位機之間制定合理的協議，就可以將PLT文件中的命令去除，直接將坐標點發送到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程。上下位機約定每一個坐標值的x和y數值的長度都為16位二進制數。那么裁床最大的有效裁割長度和寬度為65 536/40=1 638.4 mm，足夠普通的裁床使用。 2.2 PLT文件優化處理 裁床裁片的PLT文件主要有兩種來源：一是通過工業相機采集服裝樣片的圖像，經過圖像處理提取樣片輪廓的數字信息，并通過二次曲線擬合原始的邊界點序列產生輪廓的矢量圖，再將擬合曲線離散化并產生PLT文件;二是通過CAD軟件產生。第一種來源的數據目的性強，因此會考慮到實際應用場合，盡可能地將數據精簡;而由CAD軟件產生的PLT文件并不一定會考慮文件的具體應用對精度的不同要求，產生的PLT文件一般是固定的。服裝行業對精度的要求一般來說沒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，這會造成裁床在實際裁割過程中需要不斷頻繁地加減速，對設備剛度會提出較高的要求，對電機的性能也是不小的考驗。 PLT文件的優化思路：通過三次B樣條擬合由CAD產生的PLT文件中的坐標點，獲得裁床裁片的輪廓曲線，并采用直線逼近法用微小線段擬合曲線，從而重新優化刀具加工點，減少數據量。 在實際編程實現B樣條曲線時，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。 裁床的刀頭在伺服電機的帶動下容易實現直線段組成的路徑，而不容易直接走曲線。因此將PLT文件中的數據通過上述算法重新擬合之后，還需要通過直線擬合的方式重新獲取路徑坐標點，在加工誤差允許范圍內，盡可能地減少數據量。直線擬合的思路如下：在曲線上有N個坐標點，用Kij(1 ①求出第1點和第2點之間的斜率K12。 ②求出第1點和第j(j>2)點的斜率K1j，每求出一個K1j就跟K12進行比較。如果差值小于設定的誤差值，則返回第二步繼續求下一個K1j，否則進入第3步。 ③回溯到j-1點的坐標值，此時用直線連接第1點和第j-1點形成的線段可滿足精度要求。 ④如果j-1 擬合完成后，將形成優化后的PLT文件。此文件中的數據將作為發送到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：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的材料利用率影響較大，通過裁片加工軌跡的顯示，使用者能直觀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，在此系統中開發應用軟件可以采用微軟公司提供的Visual Studio 2005集成開發環境。在程序中將PLT文件的坐標值按比例轉換后，通過MFC中的畫直線函數，把各坐標點按照既定的規則用直線段連接，從而在人機界面中顯示裁片加工軌跡。為了方便用戶直觀地了解裁片大致尺寸，在顯示頁面中加入了坐標尺。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 通信功能的實現 數據處理系統與外部的通信有兩部分：一是從移動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連接時才能實現數據的傳輸。簡單地說，如果一個設備支持USB HOST，它就可以從另外一個USB設備中取得數據。裁床數據處理系統需要從外部移動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，根據實際數據收發的需要，程序中創建了兩個端口號。端口號6000用于收發裁片信息數據，端口號6001用于收發設置的參數以及相關監控信息等。上位機軟件作為客戶端，要根據PLC的通信端口配置設置IP和端口號。PLC作為服務器端，打開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議來作相應的轉換和處理。具體通信協議如下： ①工作參數設置頭標志：“PR”，設定的參數數據長度不定，以分號來判斷參數的長度。格式如下： ②系統工作參數設置頭標志：“SPR”，設定的參數數據長度不定，以分號來判斷參數的長度。格式如下： ③警報消息接收頭標志：“WN”，每個警報用1位表示，0表示正常，1表示警報。格式如下： ④開機時向PLC詢問上次保存的參數：發送“ASK”。軟件“開始”控制：發送“STR”。 結語 采用嵌入式系統來實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說，此方案移動性強、性價比高。將排料軟件與數據處理軟件分開，有利于縮短開發周期，降低軟件維護和升級的成本。 |
