樊飛，鄭相周，孫玉龍，李鵬，張瀟麟，孫維方，王濤

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北武漢430070）

當(dāng)前，PMAC 多軸運(yùn)動(dòng)控制器在機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一套基于PC+PMAC 開放式多軸高精度全自動(dòng)數(shù)控平縫機(jī)控制系統(tǒng)及配套軟件。該控制系統(tǒng)采用PC與控制柜分離的方式，適應(yīng)了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制的需求，能確保數(shù)控平縫機(jī)穩(wěn)定高效運(yùn)行。而配套軟件完成了對(duì)服裝設(shè)計(jì)圖形（DXF 文件）的提取與解析，并可根據(jù)設(shè)計(jì)圖執(zhí)行自動(dòng)縫制操作。同時(shí)該系統(tǒng)支持對(duì)平縫機(jī)各部件調(diào)試功能，能幫助平縫機(jī)完成自檢與系統(tǒng)日常維護(hù)。

1 全自動(dòng)數(shù)控平縫機(jī)工作原理分析

新型數(shù)控平縫機(jī)以PC+PMAC的開放式結(jié)構(gòu)組成數(shù)控系統(tǒng)的控制核心。并改革傳統(tǒng)的工業(yè)平縫機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)方式，使機(jī)頭和梭床分離，共同構(gòu)成主軸，其主軸運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)為機(jī)針1倍速轉(zhuǎn)動(dòng)、旋梭相對(duì)機(jī)針發(fā)生2 倍速反轉(zhuǎn)。這種主軸分離的運(yùn)動(dòng)方式能增加工作區(qū)域、減小平縫機(jī)的占地面積，從而實(shí)現(xiàn)平縫機(jī)的小型化。

數(shù)控平縫機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括X軸（由X1，X22臺(tái)電機(jī)組成）、Y軸（由Y1，Y22臺(tái)電機(jī)組成）、主軸（由機(jī)針、旋梭2臺(tái)電機(jī)組成）。當(dāng)全自動(dòng)數(shù)控平縫機(jī)工作時(shí)布料由X軸傳送帶沿X方向移動(dòng)；機(jī)頭與梭床由Y 軸2 臺(tái)電機(jī)分別帶動(dòng)，并沿Y 方向同步移動(dòng)。同時(shí)機(jī)頭伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)曲柄輪帶動(dòng)針桿1倍速上下運(yùn)動(dòng)，其下方的旋梭電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)旋梭沿逆時(shí)針方向2倍速旋轉(zhuǎn)。從而在減小平縫機(jī)占地面積的前提下實(shí)現(xiàn)了物料模板在X-Y平面上任意曲線的縫制。同時(shí)通過(guò)平縫機(jī)的相位檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)平縫機(jī)的步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)方式，即機(jī)針在插入物料的過(guò)程中X軸與Y軸保持靜止，在離開物料的間隙X軸、Y軸電機(jī)才允許運(yùn)動(dòng)。

全自動(dòng)數(shù)控平縫機(jī)主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速為600～1 200 r/min。在縫制過(guò)程中需要對(duì)物料進(jìn)行打標(biāo)時(shí)平縫機(jī)會(huì)執(zhí)行自動(dòng)打標(biāo)功能。在縫制完畢時(shí)，剪線電磁鐵將會(huì)帶動(dòng)剪線機(jī)構(gòu)執(zhí)行自動(dòng)剪線功能。并且在縫制過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)暫停功能。全自動(dòng)數(shù)控平縫機(jī)樣機(jī)示意圖如圖1 所示。

圖1 全自動(dòng)數(shù)控平縫機(jī)樣機(jī)示意圖Fig.1 Diagram of automatic CNC sewing machine

2 全自動(dòng)數(shù)控平縫機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全自動(dòng)數(shù)控平縫機(jī)控制系統(tǒng)的總體連接圖如圖2所示，該系統(tǒng)采用PC+PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［1］。系統(tǒng)上位機(jī)選用工控機(jī)，下位機(jī)為以PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡為核心自行設(shè)計(jì)的控制器。下位機(jī)PMAC 控制器包括開關(guān)電源及電源保護(hù)電路、Turbo PMAC2-Eth-Lite 運(yùn)動(dòng)控制卡、SS26 與SS34轉(zhuǎn)接板電路、交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、剪線與打標(biāo)電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路、各軸限位開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、模板掃描電路、手輪脈沖編碼器和平縫機(jī)控制面板等。PMAC 運(yùn)動(dòng)控制卡選用Turbo PMAC Clipper（Turbo PMAC2 Eth-Lite）控制器，它是一款具備全部Turbo PMAC 特征，為低成本應(yīng)用設(shè)計(jì)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，它帶有80 MHz DSP56303 CPU、以太網(wǎng)接口和RS232 通訊接口以及內(nèi)置I/O［2-4］。

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖Fig.2 Connection diagram of hardware system

2.2 各軸伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

全自動(dòng)數(shù)控平縫機(jī)選用東方伺服驅(qū)動(dòng)器及其交流伺服電動(dòng)機(jī)作為平縫機(jī)電氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中X軸、Y軸設(shè)計(jì)為電流、速度全閉環(huán)配合位置半閉環(huán)控制，而主軸由于要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)采用位置全閉環(huán)控制方案。伺服結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of servo system

伺服驅(qū)動(dòng)器將PMAC輸入的模擬量通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部處理，將信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的模擬信號(hào)。伺服驅(qū)動(dòng)器再將伺服電動(dòng)機(jī)編碼器反饋信號(hào)傳入PMAC 控制器，從而形成運(yùn)動(dòng)軸的位置半閉環(huán)控制［5］。在主軸執(zhí)行部件增設(shè)光柵傳感器反饋主軸的實(shí)時(shí)位置，以全閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)在主軸特殊角度X軸、Y軸的運(yùn)動(dòng)暫停。

在伺服結(jié)構(gòu)中，電流環(huán)主要控制電機(jī)的電流變化，防止電流過(guò)載；速度環(huán)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的跟蹤，在負(fù)載改變時(shí)，抑制速度波動(dòng)；而位置環(huán)，保證系統(tǒng)良好的位置動(dòng)態(tài)跟蹤性能。

3 全自動(dòng)數(shù)控平縫機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

新式數(shù)控平縫機(jī)為滿足現(xiàn)代輕工業(yè)減少人力成本、提高工作效率及低碳環(huán)保的需求，采用了多臺(tái)平縫機(jī)同步縫制同一模板，多條流水線同時(shí)運(yùn)行的工作機(jī)制。1）主要功能特點(diǎn)為由1臺(tái)PC上位機(jī)控制多臺(tái)數(shù)控平縫機(jī)，組成一套縫制同一工序的自動(dòng)縫制系統(tǒng)，再由多套自動(dòng)縫制系統(tǒng)組成生產(chǎn)流水線。2）能將服裝設(shè)計(jì)DXF數(shù)據(jù)文件直接轉(zhuǎn)換為平縫機(jī)縫制軌跡與相關(guān)參數(shù)，如針距、倒縫、打標(biāo)、剪線等，從而實(shí)現(xiàn)從服裝設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的自動(dòng)化。

為滿足以上功能，本文設(shè)計(jì)了全自動(dòng)數(shù)控平縫機(jī)軟件控制系統(tǒng)，它包括PC上位機(jī)軟件與PMAC下位機(jī)程序。其中上位機(jī)軟件是基于Visual C++技術(shù)開發(fā)并應(yīng)用于Windows2000/xp平臺(tái)的可視化軟件系統(tǒng)，它由3套獨(dú)立軟件組成：數(shù)控平縫機(jī)調(diào)試軟件、DXF圖形格式轉(zhuǎn)換軟件、數(shù)控平縫機(jī)自動(dòng)縫制軟件。PMAC下位機(jī)程序包括PLC程序和運(yùn)動(dòng)控制程序2個(gè)部分。軟件功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 軟件功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of software function

3.1 系統(tǒng)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

PC 上位機(jī)軟件系統(tǒng)包括：平縫機(jī)調(diào)試軟件、DXF圖形格式轉(zhuǎn)換軟件、自動(dòng)縫制軟件。

調(diào)試軟件主要應(yīng)用于對(duì)數(shù)控平縫機(jī)各執(zhí)行部件進(jìn)行運(yùn)行前調(diào)試，以及系統(tǒng)模塊化故障檢測(cè)，它是數(shù)控平縫機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的前提保障。調(diào)試軟件具有上下位機(jī)通信功能、各軸電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)功能、各軸單獨(dú)及聯(lián)動(dòng)測(cè)試功能、手輪開發(fā)及測(cè)試功能、精度校正功能、在線命令功能與穩(wěn)定性測(cè)試功能等［6］。上下位機(jī)通信功能可以利用Delta Tau公司為PMAC開發(fā)提供的PComm32.DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。平縫機(jī)調(diào)試軟件在實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能時(shí)，在Visual C++里自定義高精度的定時(shí)器變量m_TimerMedia.hWnd 與其函數(shù)，在軟件運(yùn)行時(shí)，每隔1 ms 產(chǎn)生一次定時(shí)器事件，讀取存在PMAC卡寄存器里的各種參數(shù)變量。

DXF 圖形格式轉(zhuǎn)換軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能是讀取DXF文件信息，并通過(guò)解析算法生成帶有每個(gè)針跡點(diǎn)信息的NC 代碼。DXF 文件由美國(guó)AutoDesk 公司推出，用于CAD/CAM 軟件進(jìn)行圖形信息交換的文件格式。提取車縫軌跡和工藝參數(shù)信息時(shí)，只需關(guān)注DXF 文件內(nèi)ENTITIES 段中LWPOLYLINE，CIRCLE 和TEXT 數(shù) 據(jù)［7］。其 中LWPOLYLINE為DXF文件中多義線信息，通常提取到的多義線信息為曲線上特殊點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)提取到特殊點(diǎn)坐標(biāo)后，再計(jì)算每3點(diǎn)間的夾角θ，若θ小于一定值α則提取當(dāng)前點(diǎn)值，否則繼續(xù)累加，這樣就把曲線分解成若干線段，再利用等比方法實(shí)現(xiàn)某個(gè)針距的等針距計(jì)算。最終根據(jù)需求的代碼格式生成需要的NC代碼。

自動(dòng)縫制軟件界面如圖5 所示，其整合了調(diào)試軟件與DXF圖形格式轉(zhuǎn)換軟件的相應(yīng)功能，是數(shù)控平縫機(jī)自動(dòng)縫制功能的執(zhí)行軟件。具體實(shí)現(xiàn)流程為：通過(guò)PAMC 控制卡I/O 口讀取條碼信息，軟件獲取相匹配的DXF 文件信息，自動(dòng)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換生成NC 代碼，通過(guò)以太網(wǎng)（Ethernet）與下位機(jī)通信并下載NC 代碼，利用任務(wù)管理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)縫制的各項(xiàng)操作。

圖5 自動(dòng)縫制軟件界面圖Fig.5 Interface diagram of automatic sewing software

3.2 系統(tǒng)下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

PMAC 下位機(jī)程序，包括PLC 程序和運(yùn)動(dòng)控制程序2 個(gè)部分。PLC 程序可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查詢功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)按鈕開關(guān)信號(hào)的查詢，各個(gè)電機(jī)狀態(tài)檢測(cè)和報(bào)警，各軸運(yùn)動(dòng)及打標(biāo)、剪線電磁鐵動(dòng)作的時(shí)序優(yōu)化等功能。運(yùn)動(dòng)控制程序可實(shí)現(xiàn)將1 臺(tái)或多臺(tái)電機(jī)分配到各自坐標(biāo)系中，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)計(jì)算完成坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)滿足要求的縫制運(yùn)動(dòng)。同時(shí)PMAC 下位機(jī)程序還包括對(duì)PMAC控制卡的初始化、PID設(shè)置、主軸電機(jī)去軸定義等功能。下位機(jī)程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 下位機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of lower computer program

4 電動(dòng)機(jī)同步性及PID參數(shù)的優(yōu)化

4.1 電動(dòng)機(jī)同步性的優(yōu)化

傳統(tǒng)工業(yè)平縫機(jī)主軸機(jī)頭與梭床相連，運(yùn)動(dòng)通過(guò)機(jī)械方式同步，而新式數(shù)控平縫機(jī)為在有限占地面積內(nèi)加大工作空間，使機(jī)頭與梭床分離，同步方式改為2臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別帶動(dòng)。而精確同步一直是數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難題。

為解決電動(dòng)機(jī)同步PMAC提供了串聯(lián)和并聯(lián)兩種同步方式。串聯(lián)同步存在著主動(dòng)電動(dòng)機(jī)與隨動(dòng)電動(dòng)機(jī)的跟隨誤差，即主動(dòng)電動(dòng)機(jī)超前隨動(dòng)電動(dòng)機(jī)2個(gè)伺服周期。并聯(lián)同步只適用于對(duì)同步精度要求不高的系統(tǒng)中。而本系統(tǒng)要求高精度的機(jī)械同步性，采用串并聯(lián)混用的同步方式可以實(shí)現(xiàn)主軸移動(dòng)的高精度同步的問(wèn)題。具體方法以Y軸為例，設(shè)置一個(gè)虛擬電動(dòng)機(jī)為主動(dòng)軸，Y軸2臺(tái)電動(dòng)機(jī)（帶動(dòng)機(jī)頭與梭床）則相互并聯(lián)再串聯(lián)到虛擬電動(dòng)機(jī)后。即2臺(tái)電機(jī)共同滯后于虛擬電動(dòng)機(jī)2個(gè)伺服周期。其控制框圖如圖7所示。

圖7 同步方式控制框圖Fig.7 Control block diagram of synchronization

4.2 系統(tǒng)PID參數(shù)的優(yōu)化

在數(shù)控平縫機(jī)實(shí)際工作中常會(huì)有各種非線性影響如物料厚度改變、針距變化、模板厚度改變等。為提高控制系統(tǒng)的同步精度與穩(wěn)定性，可在系統(tǒng)中引入PID控制策略。PMAC控制器在傳統(tǒng)的PID算法上加入了電機(jī)速度/加速度前饋控制，有效地減少了微分增益導(dǎo)致的隨動(dòng)誤差，而系統(tǒng)的陷波濾波器可有效抵消諧振與共振［8］。系統(tǒng)復(fù)合PID控制框圖如圖8所示。

圖8 基于PMAC復(fù)合PID控制框圖Fig.8 Block diagram of PMAC composite PID control

圖8 中，IM 積分模式（Ix34），Kp比例增益（Ix30）影響系統(tǒng)的剛性，Kvff速度前饋增益（Ix32）減小系統(tǒng)的跟隨誤差，Kd微分增益（Ix31）提供給系統(tǒng)阻尼，Ki積分增益（Ix33）減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，Kaff加速度前饋（Ix35）消除系統(tǒng)在加減速時(shí)的跟隨誤差。

對(duì)Kp比例增益、Ki積分增益、Kd微分增益參數(shù)進(jìn)行調(diào)整獲得主軸階躍響應(yīng)特性，其特性曲線如圖9 所示；對(duì)Kaff加速度前饋、Kvff速度前饋增益參數(shù)進(jìn)行調(diào)整獲得主軸拋物線響應(yīng)特性，其特性曲線如圖10所示［9］。

圖9 階躍（脈沖位置）響應(yīng)特性曲線Fig.9 Step pulse in response to characteristic curves

圖10 拋物線（正弦波速度）響應(yīng)特性曲線Fig.10 Parabolic in response to the characteristic curves

5 結(jié)論

工業(yè)平縫機(jī)是服裝制造業(yè)最主要且用途廣泛的設(shè)備之一。本文結(jié)合新式數(shù)控平縫機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理開發(fā)了基于PMAC的全自動(dòng)數(shù)控平縫機(jī)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有開放式控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與適用于工業(yè)制衣流水線操作的特點(diǎn)。利用Visual C++技術(shù)設(shè)計(jì)了平縫機(jī)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了DXF 文件格式轉(zhuǎn)換、模板自動(dòng)縫制等功能。在廣州某公司車間試車證明，全自動(dòng)數(shù)控平縫機(jī)及其控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

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