ARM+PLC的裁床數據處理系統研究

引言

隨著(zhù)經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，消費者對產(chǎn)品的需求和品質(zhì)的要求不斷提高。這就需要產(chǎn)品的加工精度越來(lái)越高，并且加工周期越來(lái)越短。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。目前先進(jìn)的CAD/CAM系統基本被國外的公司占據，較著(zhù)名的公司有美國的Gerber公司和法國的力克公司，進(jìn)口設備昂貴，維護維修成本高，中國的服裝企業(yè)急需性?xún)r(jià)比高的裁床。

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。

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。

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。