基于虛擬儀器的服裝裁剪機(jī)數(shù)控系統(tǒng)

服裝行業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)中占有重要位置。裁剪是服裝生產(chǎn)過程中的第一個(gè)工序，也是實(shí)現(xiàn)服裝設(shè)計(jì)師構(gòu)思的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它對(duì)服裝生產(chǎn)的質(zhì)量、成本和銷售都起著重要的作用。目前，服裝生產(chǎn)設(shè)備行業(yè)的目標(biāo)之一是從傳統(tǒng)的手工剪裁設(shè)備轉(zhuǎn)向機(jī)械化和計(jì)算機(jī)化的服裝裁剪機(jī)。服裝裁剪機(jī)的核心在于數(shù)控系統(tǒng)，在保障設(shè)備質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡可能降低數(shù)控系統(tǒng)成本，以求在更廣泛的企業(yè)中推廣、應(yīng)用，這是開發(fā)基于虛擬儀器的服裝裁剪機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)。系統(tǒng)使用PC機(jī)作為上層的控制中心，起管理和協(xié)調(diào)作用，同時(shí)與開放式數(shù)控系統(tǒng)PMAC通信[1]；開放式的數(shù)控系統(tǒng)作為底層的控制中心，按照PC機(jī)傳送的指令，直接驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并隨時(shí)將系統(tǒng)狀態(tài)返回PC機(jī)。
1  硬件結(jié)構(gòu)
1.1 PMAC簡介
　　本控制系統(tǒng)采用PC機(jī)上插接PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡和通用I/O卡DIO_48的方式搭建。PMAC卡是其關(guān)鍵部件。PMAC是美國Delta Tau Systems公司生產(chǎn)的可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制卡(Programmable Multiple Axes Controller)。它擁有高性能的伺服運(yùn)動(dòng)控制功能，CPU是功能強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器DSP56001。通過靈活的高級(jí)語言，每塊卡最多可控制8軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)。PMAC板既可以脫機(jī)方式運(yùn)行，又可以通過串行接口或總線接口用一臺(tái)電腦控制其運(yùn)行。PMAC能夠同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)并能正確地進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，這樣大大地減輕了上位機(jī)的工作負(fù)擔(dān)。利用PMAC作為下位機(jī)開發(fā)的控制系統(tǒng)具有工作可靠、控制精度高且實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
1.2 硬件結(jié)構(gòu)及工作原理
　　PC機(jī)與PMAC卡之間主要采用ISA總線進(jìn)行通信。上位機(jī)PC主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和管理，下位機(jī)PMAC完成實(shí)時(shí)控制各軸的運(yùn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)反饋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如電機(jī)位置、運(yùn)行狀況等。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　服裝裁剪機(jī)的關(guān)鍵部件是裁剪機(jī)頭，它有三個(gè)自由度需要控制，即X軸位置、Y軸位置和圍繞Z軸的轉(zhuǎn)角C。出于成本考慮，本系統(tǒng)通過插在PC機(jī)ISA標(biāo)準(zhǔn)總線插槽上的MINAS型PMAC卡控制X軸和Y軸位置，帶動(dòng)裁剪刀頭在X-Y平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，X、Y軸分別由400W交流伺服電機(jī)經(jīng)行星齒輪減速機(jī)減速來驅(qū)動(dòng)。工作時(shí)刀頭根據(jù)X-Y平面內(nèi)的軌跡不斷調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度C，使刀頭前進(jìn)方向和曲線的切線方向一致。同時(shí)由位置電傳感器采集刀面受力情況，經(jīng)電壓比較電路處理后輸出為數(shù)字信號(hào)f0、f1、f2，根據(jù)這三個(gè)值的組合狀況對(duì)刀頭偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行補(bǔ)償，使刀片兩面受力平衡，刀面保持豎直方向上下動(dòng)作，使裁剪的衣片上下大小形狀一致，以保證裁剪精度。通用I/O卡通過PCI總線插在PC機(jī)的插槽上，它通過輸出控制信號(hào)CP、CW、EN來控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)刀頭的旋轉(zhuǎn)。J5口為通用數(shù)字輸入和輸出口，它提供8個(gè)普通用途的數(shù)字輸入和8個(gè)普通用途的數(shù)字輸出。這些輸入和輸出通常通過定義M變量由軟件進(jìn)行讀取。在M變量的定義中，變量M1到M8分別用于讀取輸出1～8，M11～M18分別用于讀取輸入1～8。刀頭上下振動(dòng)切割布料的動(dòng)作由永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)同步齒輪帶傳遞，將偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈额^的上下動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。變量M1用于控制該電機(jī)的起停。M2輸出數(shù)字信號(hào)控制刀頭提刀與下刀，M3、M4變量輸出分別執(zhí)行磨刀和壓腳功能。M11、M12、M13用于接收來自刀頭的檢測數(shù)字信號(hào)f0、f1、f2。M14用于檢測刀頭的旋轉(zhuǎn)零位，每次程序運(yùn)行前，都要先完成刀頭位置的初始化，使刀頭準(zhǔn)確回到初始零位，即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)點(diǎn)。
2  軟件開發(fā)
　　PMAC卡的開發(fā)軟件包括PCOMM32和PCOMM16，前者是Windows下的動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)，可使用VB、VC、LabVIEW等軟件開發(fā)。PCOMM16的功能和PCOMM32相同，只是前者為16位的DOS開發(fā)環(huán)境。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以提供一般通用操作系統(tǒng)無法保證的實(shí)時(shí)性。但對(duì)開發(fā)人員來說，系統(tǒng)的特殊性帶來了較大的開發(fā)難度。實(shí)時(shí)性是指系統(tǒng)能夠在有限的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行要求的功能，并對(duì)外部的異步事件做出反應(yīng)的能力，它是一個(gè)相對(duì)概念。結(jié)合本系統(tǒng)的具體要求，可以考慮應(yīng)用基于Windows系統(tǒng)的軟件，通過程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化及對(duì)各任務(wù)的合理調(diào)度，開發(fā)滿足實(shí)時(shí)性要求的控制系統(tǒng)。
　　LabVIEW是NI公司開發(fā)的軟件，主要面向計(jì)算機(jī)測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，它是應(yīng)用于Windows平臺(tái)的圖形化快速編程語言，被譽(yù)為工程師和科學(xué)家的語言[2]。LabVIEW的運(yùn)行機(jī)制是一種帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式，程序框架從宏觀上講是一種多任務(wù)并行的運(yùn)行機(jī)制。LabVIEW具有強(qiáng)大的外部接口能力，可以實(shí)現(xiàn)LabVIEW與外部的應(yīng)用軟件，如C語言、Windows API等編程語言之間的通信。在LabVIEW中可用的外部接口包括：DDE、CIN、DLL等。合理使用這些接口，充分利用其他軟件的功能，可以編寫出功能更加強(qiáng)大的LabVIEW應(yīng)用軟件。基于LabVIEW的以上特點(diǎn)，以及其獨(dú)特的多任務(wù)并行機(jī)制，本系統(tǒng)采用該平臺(tái)開發(fā)數(shù)控裁剪系統(tǒng)。
　　整個(gè)系統(tǒng)軟件按照模塊化的編程思想分為6個(gè)模塊，如圖2所示。

　　(1)刀頭控制模塊：對(duì)刀頭的角度控制包括控制刀頭前進(jìn)方向與X-Y平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡切線方向一致，并根據(jù)刀面受力狀況對(duì)刀頭偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行補(bǔ)償。刀頭控制的程序框圖如圖3所示。具體實(shí)現(xiàn)則主要靠調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫pmac.dll（PCOMM32中提供）的相應(yīng)函數(shù)。已定義的M變量可以在程序里像使用任何其他變量那樣使用。例如程序中判斷“程序結(jié)束？”讀的是M150的狀態(tài)，判斷“到分段處？”讀的是M151的狀態(tài)，它們都可以采用調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫中的函數(shù)PmacGetResponseA輕松地實(shí)現(xiàn)。而對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制則是通過在LabVIEW中調(diào)用C源代碼，即利用CIN代碼接口實(shí)現(xiàn)。

　　為了保證刀頭圍繞Z軸的角度調(diào)整能及時(shí)跟上運(yùn)動(dòng)軌跡的變化，即達(dá)到實(shí)時(shí)性要求，應(yīng)對(duì)刀頭控制做優(yōu)化改進(jìn)，現(xiàn)以圖4的衣片圖樣為例說明：

　　當(dāng)運(yùn)動(dòng)到A、B、C、D、E 5個(gè)不連續(xù)點(diǎn)時(shí)，要先使PMAC的運(yùn)動(dòng)程序暫停，待步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)刀頭偏轉(zhuǎn)到需要的角度時(shí)，再控制運(yùn)動(dòng)程序繼續(xù)。
　　連續(xù)運(yùn)動(dòng)段基本上由平滑曲線組成。對(duì)連續(xù)運(yùn)動(dòng)段，可根據(jù)其曲率變化，設(shè)置不同的運(yùn)動(dòng)速度。如a、e、f段為直線，可設(shè)運(yùn)動(dòng)速度為100mm/s；b段設(shè)為50mm/s；d段曲率最大，運(yùn)動(dòng)速度要再慢一點(diǎn)，可設(shè)為5mm/s。這樣，在每個(gè)掃描周期步進(jìn)電機(jī)只需要調(diào)整很小的角度就可以滿足要求。
　　經(jīng)過這樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃后，既保證了較快的裁剪速度，又確保了刀頭轉(zhuǎn)角及時(shí)到位，滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。
　　(2)圖形轉(zhuǎn)換模塊：將衣片的AutoCAD圖形（.DXF格式)轉(zhuǎn)化為PMAC運(yùn)動(dòng)控制器能夠識(shí)別的運(yùn)動(dòng)程序(.PMC格式)。這樣即使不熟悉PMAC的工藝人員也可以很方便地通過將CAD圖樣進(jìn)行轉(zhuǎn)換來生成衣片圖樣文件，而不必直接編輯復(fù)雜的PMAC源程序。
　　(3)通信模塊：主機(jī)通過總線與下位機(jī)進(jìn)行通信，Delta Tau公司提供了許多軟件庫，這使得主機(jī)通信程序的開發(fā)變得更加容易。動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）是一個(gè)位于應(yīng)用程序外部的過程庫，它是可共享和重入的，并可以從應(yīng)用程序中調(diào)用，在運(yùn)行時(shí)被動(dòng)態(tài)鏈接，當(dāng)要執(zhí)行DLL中的函數(shù)時(shí)，根據(jù)鏈接產(chǎn)生的重定位信息，Windows轉(zhuǎn)去執(zhí)行DLL中相應(yīng)的函數(shù)代碼，從而節(jié)省了寶貴的內(nèi)存資源。PCOMM動(dòng)態(tài)鏈接庫提供的函數(shù)幾乎可處理所有需要的底層操作。在Windows環(huán)境中利用動(dòng)態(tài)鏈接庫pmac.dll中提供的各種函數(shù)，建立上位機(jī)和下位機(jī)的通信。
　　(4)初始化及參數(shù)設(shè)置模塊：上下位機(jī)建立通信后，就要進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括全局變量賦初值，X、Y軸回原點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)軸回零位（通過接近開關(guān)檢測是否到位）等。參數(shù)設(shè)置包括X、Y軸的運(yùn)動(dòng)速度、加速度、回零速度等變量的設(shè)置。
　　(5)故障診斷程序：診斷程序可以在系統(tǒng)工作過程中，隨時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，并能指示故障類型。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，該模塊可提供一種輔助診斷手段，增加系統(tǒng)的易維護(hù)性。
　　(6)顯示模塊：用于動(dòng)態(tài)顯示衣片圖樣的加工軌跡，可分為自動(dòng)、手動(dòng)二種方式。設(shè)置為自動(dòng)時(shí)，圖形顯示范圍自動(dòng)調(diào)整；設(shè)置為手動(dòng)時(shí)，顯示范圍固定。這可以運(yùn)用LabVIEW提供的X-Y Gragh函數(shù)方便地實(shí)現(xiàn)。
3  總  結(jié)
　　在PC機(jī)上嵌入PMAC卡開發(fā)數(shù)控裁剪機(jī)時(shí)，可充分利用PMAC卡在處理運(yùn)動(dòng)控制方面的強(qiáng)大功能。運(yùn)用基于Windows系統(tǒng)的LabVIEW軟件，調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)和CIN接口可方便地實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)之間的通信，大大加快了開發(fā)速度。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠、準(zhǔn)確，滿足了實(shí)時(shí)性要求。