面向自動裁切機的解決方案

北京和利時智能技術有限公司 齊 旭

自動裁切機適用于服裝、家居、汽車內飾、電子、工業(yè)材料等多裁切領域，廣泛服務于人們生活工作的各行各業(yè)。面對不同的裁切材料，能夠做到節(jié)約生產成本，保證生產效率，降低設備使用故障率，是當前考慮的生產制造問題。圍繞這些問題，本文在介紹整體解決方案同時講解所涉及的核心技術。文中介紹的整機系統(tǒng)架構包括以CAD/CAM為主的計算機輔助裝置軟件平臺，同時以和利時MC系列運動控制器以及伺服產品共同搭建的運動控制硬件平臺，從而形成極具競爭力的OEM解決方案，實現(xiàn)節(jié)約成本、高效生產、運行穩(wěn)定的經(jīng)營管理目標。

CAD/CAM；MC運動控制器；運動前瞻；切向追蹤；插補

1 自動裁切機面臨的挑戰(zhàn)

自動裁切機在生產制造業(yè)應用于各種片式及板式材料的劃割或裁切。通過計算機輔助設計（CAD）以及計算機輔助制造（CAM）軟件系統(tǒng)的管理操控，計算機將工藝軌跡及工序參數(shù)等工藝信息以數(shù)控加工程序文件傳輸給裁切機，裁切機即嚴格按照原始設計文件進行快速裁切。

圖1 自動裁切機

自動裁切機是一種廣泛應用的數(shù)控設備，為方便產品的開料而裁切各種版型。國內裁切機一直朝著整機更為精密，速度更快的方向邁進，越來越多地被引入到高精密的電子行業(yè)嶄露頭角。面臨巨大的市場前景，自動裁切機該如何最大程度使用原材料最大限度降低生產成本提高利潤率；如何保證在不影響產品質量的前提下，提高整機生產效率；如何讓設備自身的“青壯期”變長，以柔性控制來提高機器運行效果，從而降低未來維護成本。這些問題充斥整個行業(yè)，也是擺在我們面前的一項挑戰(zhàn)。

2 典型架構

圖2 自動裁切機典型系統(tǒng)架構

自動裁切機，根據(jù)輸入的零件圖紙信息、工藝過程和工藝參數(shù)，按照人機交互的方式生成數(shù)控加工程序，然后通過脈沖控制信號，再經(jīng)伺服驅動系統(tǒng)帶動機床部件作相應的運動。

裁切機所接受的二維圖形化數(shù)據(jù)原稿首先來自于計算機輔助設計（CAD）軟件，處理各種數(shù)字、文字和圖形等信息，輔助完成產品設計，編輯和繪制出產品的基本工作圖，由計算機產生設計結果，生成二維制圖交換格式文件（DXF文件），再交由計算機輔助制造（CAM）軟件處理；CAM利用計算機來進行生產設備管理控制和操作的過程。它輸入信息是零件的工藝路線和工序內容，輸出信息是刀具加工時的運動軌跡（刀位文件）和數(shù)控程序，即CAM軟件導入DXF文件后經(jīng)過預處理，工藝設置，刀軌規(guī)劃，加工前檢查，加工控制一系列操作流程后，將加工圖形處理成設備控制器能夠接受的數(shù)控加工程序；控制器內部運行解析代碼，將來自CAM的加工文件或加工命令逐個步序解析，經(jīng)伺服系統(tǒng)驅動刀架平移（X/Y軸），刀頭起落（Z軸），刀頭轉向（C軸）等運動，同時在CAM軟件中顯示當前刀軌。

3 方案介紹

3.1 技術要求

保證自動裁切機整機系統(tǒng)原材料利用率高，有效降低生產成本，運行穩(wěn)定，生產效率高，整機壽命長。

整機材料設計軟件采用CAD及CAM計算機輔助軟件，完成產品設計以及集成制造；主控系統(tǒng)采用4軸運動控制系統(tǒng)，分別控制裁切刀頭的橫向移動、縱向移動、垂直進給以及刀頭跟隨前行軌跡切向方向。

3.2 解決方案

系統(tǒng)核心部件：

（1）CAM軟件：和利時HoliCut及第三方CAM軟件；

（2）運動控制器：和利時MC1000系列控制器；

（3）伺服系統(tǒng)：和利時增強型伺服；

（4）編程軟件：FA-AutoThink。

系統(tǒng)說明：

（1）自動裁切機數(shù)控系統(tǒng)軟件方案中，采用AutoCAD2014作為計算機輔助設計CAD軟件，對原稿進行繪制生成生產設計圖紙。如圖4所示。同時，為與CAM軟件交互，CAD需將圖紙保存為DXF文件類型。

圖4 CAD繪圖

（2）CAM軟件操作，需要在現(xiàn)場IPC中導入DXF文件，導入圖形的同時，CAM軟件會自動進行去除極小圖形、去除重復線、合并相連線、自動平滑、排序和打散。接下來需要做工藝設置，可執(zhí)行的工作包括引入引出線，割縫補償，冷卻點，微連，群組，橋接，共邊，掃描，排樣，陣列等。然后進行排序和刀軌路徑規(guī)劃，此時完成CAM軟件設置，便可開始進行實際加工操作。如圖5所示。

圖5 CAM刀軌規(guī)劃

（3）本自動裁切機數(shù)控系統(tǒng)方案中，運動控制器采用和利時MC1000系列運動控制器以及和利時增強型伺服系統(tǒng)，提供精準的直線插補運動、圓弧插補運動、樣條曲線插補運動功能以及切向追蹤和速度前瞻功能。

同時，譯碼任務作為整機系統(tǒng)的核心任務，是信息流的中轉站，這里采用和利時編程軟件FA-AutoThink進行工程組態(tài)。主要工作翻譯軌跡命令代碼，將字符串格式的加工工藝信息轉換成被預插補任務識別內部數(shù)據(jù)格式，最后通過調用插補運動函數(shù)，進而發(fā)出控制指令控制伺服電機去控制執(zhí)行部件的動作，從而實現(xiàn)運動控制。

此處軌跡命令代碼解釋器的實現(xiàn)為編譯法。編譯法預先對需要加工的零件程序全部編譯后，將結果放入緩沖區(qū)中，當開始加工時，直接啟動插補程序，從緩沖區(qū)中取出編譯好的零件程序進行計算并控制程序加工。這種方法加工速度快，類似C語言程序的執(zhí)行，執(zhí)行速率是解釋法控制器的10倍以上。

4 優(yōu)勢算法

4.1 運動前瞻

為提升整機效率，減少沖擊增加柔性，降低零部件磨損，增加設備使用壽命，系統(tǒng)需要做到速度前瞻，一方面通過對各段速度進行整體規(guī)劃，再配合各段間的加減速控制，可以使裁床保持高速運行提高效率，使負載運動更加流暢，告別停停走走，系統(tǒng)通過Merge速度融合功能實現(xiàn)；另一方面，在保證高速運行基礎上為了限制刀架高速平移帶來的機械沖擊和過切等，還需進行減速識別，通過提前識別軌跡變化，從而按照安全的減速度提前減速，系統(tǒng)通過減速/停止融合功能、抑制沖擊功能實現(xiàn)。

運動前瞻功能，是對軸運動持續(xù)不斷地追蹤、統(tǒng)計、分析，在計劃時間內得出解算結果，是對軸運動存在的多影響因素的綜合考慮。系統(tǒng)的運動前瞻功能包括兩大類：（1）融合功能，其包括速度融合、減速/停止融合功能；（2）抑制沖擊功能。

（1）Merge速度融合功能是將控制器運動緩存中一連串運動指令連貫起來，使負載運動更加流暢，開啟Merge功能后實現(xiàn)了速度銜接，步序間速度不再減速為0。如當前步序速度為100mm/ s，下一步序速度為200mm/s，不同模式下運行結果如圖6所示。

圖6 Merge功能示意圖

（2）減速/停止融合功能解決的問題是：當切刀前行的運動夾角過大時，如果仍以較大速度運行，會在夾角處產生較大的機械沖擊，軌跡偏離。此時控制器需要對銜接軌跡變化的夾角進行提前識別，比較其與減速/停止角的大小關系，提前決定是否進行減速，保證在指令連接處平穩(wěn)過渡。

? 運動方向夾角＜減速角

減速/停止角對速度不做限制，Merge融合功能決定指令結束時的速度。

? 減速角＜運動方向夾角＜停止角

? 停止角＜運動方向夾角

指令結束速度為0。

如圖7，在二維平面走如下軌跡，依次經(jīng)過O—＞A—＞B—＞C—＞D點執(zhí)行4條指令后完成整個軌跡。

圖7 運動軌跡示意圖

圖8 合軸速度示意圖

（3）抑制沖擊功能主要解決的問題是：切刀運動軌跡的曲率較大時，如果速度過大會帶來較大的慣性離心力，造成裁床機械沖擊較大，同步帶拉伸變形壽命明顯變短，有的會軌跡偏離觸碰工件導致位置失準，或者嚴重的情況直接會損壞鎢鋼刀和裁床。

與當前的目標速度比較，是否需要對其進行限制減速，以保證全部軌跡過程內的機械沖擊限制在合理范圍內，同時保證軌跡的精準。

如執(zhí)行一個圓弧軌跡，設定相同的Speed=20000unit/s，但設定不同的Jerk（加加速度）值，實際運行時切刀的速度是會發(fā)生變化。

Jerk=5000000000默認值時，切刀速度可以達到20000unit/s的最大速度，圓弧插補指令花費較短時間就解算完成。此時系統(tǒng)的剛性較強，存在一定過沖的隱患，可以用做粗切預處理工序。

圖9 運動軌跡示意圖

修改Jerk=5000時，切刀速度最高僅達到7937.01unit/s，圓弧插補指令花費較長時間解算完成，是之前執(zhí)行時間的2倍左右。此時，系統(tǒng)通過實時計算曲率和Jerk閾值做到了柔和降速，可滿足對工件進行細致切割的要求。

圖10 運動軌跡示意圖

4.2 切向追蹤

根據(jù)橫軸（X軸）、縱軸（Y軸）運動軌跡，實時計算出二者合運動軌跡與X軸正向夾角，然后驅動切刀旋轉軸（C軸）跟蹤至目標角度，自動實時調整刀具方向與切割軌跡的切向方向（切割速度矢量方向）保持一致，達到最好的切割軌跡擬合效果。

運行過程中，C軸工作在循環(huán)行程模式下，模式RepMode為2(對稱區(qū)間)。使用該指令前用戶需首先把循環(huán)行程長度（[-Repdist, Repdist)）設為該軸旋轉一圈所對應的用戶單位下的位移量(假設為RoundLength)，即：

Repdist = RoundLength/2

這樣，C軸的絕對位置[-Repdist, Repdist)就對應于[-π,π)切向角度。

切割執(zhí)行過程中實時計算出X軸、Y軸合運動軌跡的切向方向與X軸正向所成的角度TangAngle，即C軸的目標切向角；同時結合目標切向角的變化速度（角速度）。實時調整C軸目標位置，驅動C軸定位至目標切向角，實現(xiàn)對兩軸合運動軌跡角度的最優(yōu)跟隨。

在指令執(zhí)行過程中，當目標切向角發(fā)生躍變或目標切向角的變化速度（角速度）發(fā)生躍變時，刀具旋轉軸C將以軸參中設定的加減速及速度朝目標位置運動，而不會發(fā)生因運行速度的躍變而造成的沖擊。但此處C軸的實際角度位置與目標切削角之間將存在一定的跟隨偏差。

使用切刀切割平面圓弧，為保證切割效果，降低切刀磨損程度，應使得在整個切割過程中實時調整切刀刀刃跟隨圓弧軌跡的切線方向變化。X、Y軸驅動切刀在XY平面執(zhí)行圓弧插補運動，切割物料；C軸驅動切刀進行旋轉，控制切刀方向跟隨切割軌跡實時調整角度。

圖11 切割示意圖

實際執(zhí)行結果如圖12所示：

圖12 運動示意圖

可以看出，當圓弧插補軌跡執(zhí)行至1/4圓弧時，切刀角度為90度，圓弧插補繼續(xù)執(zhí)行至1/2圓弧時，切刀角度為180度，圓弧插補繼續(xù)執(zhí)行至3/4圓弧時，切刀角度為-90度，圓弧插補執(zhí)行結束整圓時，切刀角度為0度。整個插補過程中，切刀旋轉角度實時跟隨合運動軌跡與X軸正向夾角，及刀具方向與切割軌跡的切向方向（切割速度矢量方向）保持一致，達到最好的切割效果。

4.3 拐角抬刀

當兩條切割軌跡銜接處具有角度的躍變時（如折線），可執(zhí)行拐角抬刀功能，以保護刀具，保證加工效果。

提前判斷若指令之間銜接處的轉折角大于預設的提刀角度閾值，則會自動執(zhí)行如下抬刀動作流程：等待插補主軸XY、刀具升降軸Z停止—＞Z軸提升至安全高度—＞C軸旋轉至下條指令的起始切向角—＞Z軸下降至原位置—＞XYZ軸恢復運行。為保證在滿足拐角提刀的軌跡銜接處XY軸可靠停止，當Merge融合功能開啟時，需保證:

Merge停止角 ≤ 拐角提刀角度閾值

如果拐角抬刀動作不能滿足用戶要求，用戶可在拐角處添加工藝路徑，以滿足加工要求。

圖13 帶抬刀的工藝路徑示意圖

如果用戶希望在拐角處刀具的加工路線延出一些，以保證拐角處的切割質量，同時又希望盡可能的降低因工藝路徑的引入而對切割原料造成的浪費，則可在工藝路徑中插入Z向抬刀路徑，如圖13所示。

5 結束語

自動裁切機的核心技術，在于CAD/CAM計算機輔助裝置和運動控制算法。只有將這兩部分技術做精，才能真正意義上做出優(yōu)秀的裁切設備。目前國內外設備廠商都在從不同角度推陳出新，如增強計算機輔助軟件易用性，開發(fā)更加有助于機電一體化的自適應算法，提供給用戶更簡約快捷的操作平臺，優(yōu)化更具智能化的工藝流程，變革固有的機械結構等，這些都是建立在扎實的核心技術之上而提出的創(chuàng)新。對于國內設備制造商來說，核心技術即提升市場競爭力，即換得更高的市場價值。只有不斷縮短與國外同類產品差異，讓“中國制造”真正實現(xiàn)“中國智造”。

齊旭（1984-），男，遼寧撫順人，電氣工程師，學士，現(xiàn)就職于北京和利時智能技術有限公司，主要研究方向為運動控制。