諶濤，劉后文，胡頂勝，周加立，鄭松，劉豪

（興義民族師范學(xué)院 物理與工程技術(shù)學(xué)院，貴州 興義562400）

引言

皮革裁斷機是當(dāng)前皮革行業(yè)制造過程中的必備機器，亦是當(dāng)前輕工產(chǎn)業(yè)中普遍適用于加工各類紡織物、橡膠、石棉等柔性片狀物料的裁斷設(shè)備。依據(jù)傳動方式來劃分，傳統(tǒng)裁斷機是借助機器運動的作用力加壓于刀模，對柔性片狀物料進(jìn)行沖型加工；新型智能裁斷機，利用計算機對電路板芯片進(jìn)行設(shè)計，其控制形式與水束裁斷機相似，沖切源為超聲波發(fā)生器。

伴隨著EDA技術(shù)的普及與發(fā)展，高校以各種形式深刻挖掘“校企合作，校產(chǎn)合作，校地模式”，培育了大量的EDA技術(shù)人才，強有力地推動了我國EDA技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步改善并彌補了當(dāng)前皮革機械制造類設(shè)備的電子電路智能監(jiān)控缺陷。憑借著計算機、集成電路、電子系統(tǒng)的自動計算優(yōu)勢，使復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計自動化成為可能，只要用硬件描述語言將數(shù)字系統(tǒng)的行為描述正確，可以在裁斷過程中精準(zhǔn)對皮革材料進(jìn)行自動切割，減少廢料的產(chǎn)生，有效提高生產(chǎn)效率。

1 EDA技術(shù)概述

1.1 EDA技術(shù)概念

EDA技術(shù)泛指電子設(shè)計自動化技術(shù)，英文全稱為Electronics Design Automation，依托計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助測試（CAT）和計算機輔助工程（CAE）進(jìn)行工具軟件平臺開發(fā)，所采用的是系統(tǒng)邏輯描述方法實施設(shè)計工作，進(jìn)行邏輯編譯命令，經(jīng)過簡化之后綜合處理并進(jìn)一步優(yōu)化[1]，最終由此形成電子系統(tǒng)的自動化工作，被廣泛應(yīng)用于設(shè)計各種電子產(chǎn)品、通信電子設(shè)備與機械電子設(shè)備的系統(tǒng)之中。

1.2 EDA技術(shù)應(yīng)用

EDA技術(shù)可以看作是一種設(shè)計工具，其主要的工作平臺是計算機與電子系統(tǒng)設(shè)備控制界面，通過邏輯語言的程序編寫，在硬件描述語言（HDL）中對電子設(shè)備進(jìn)行運動控制與實時監(jiān)測，例如利用EDA技術(shù)在射頻電子線路系統(tǒng)設(shè)計過程中，可以精準(zhǔn)根據(jù)射頻信號進(jìn)行設(shè)備的智能監(jiān)測；再如利用EDA中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以對機械設(shè)備進(jìn)行輔助制造自動化，從而設(shè)計出最優(yōu)化的設(shè)備運動路徑策略。

1.3 EDA技術(shù)特點

EDA技術(shù)的特點主要有三點。首先，EDA技術(shù)具有操作簡單和使用方便的特點，具有計算機開發(fā)基礎(chǔ)和掌握計算機輔助設(shè)計能力的相關(guān)人員即可進(jìn)行簡單的開發(fā)；其次，EDA技術(shù)在電路設(shè)計系統(tǒng)中具有功能強大和應(yīng)用范疇廣泛的特點，且具有非常強的開發(fā)性和可用性，可以對各類電子設(shè)備、機械設(shè)備進(jìn)行廣泛開發(fā)；最后，EDA技術(shù)結(jié)合計算機輔助工程軟件可以對整個設(shè)備的平臺起到一定的數(shù)據(jù)支撐作用，具有自動優(yōu)化的特點，在開展工作中工作人員通過計算機平臺進(jìn)行電路系統(tǒng)操作即可自動分析設(shè)備性能，如果電路設(shè)計存在漏洞，能夠自行補充，對于所存在的問題可以自行修改，由此起到優(yōu)化設(shè)計電子系統(tǒng)的作用，使其設(shè)備性能得以充分發(fā)揮[2]。

2 EDA技術(shù)在皮革裁斷電子系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計分析

目前，傳統(tǒng)的皮革裁斷設(shè)備智能化與網(wǎng)絡(luò)化程度較低，無法有效分析裁斷過程中的各類數(shù)據(jù)，同時傳統(tǒng)的皮革裁斷機對其設(shè)備的自動監(jiān)控存在很大漏洞。

為了能更好地解決目前存在的問題，采用EDA異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，技術(shù)輔助設(shè)計（CAE）、機械電子總線技術(shù)、人工智能技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在目前的硬件體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計一套智能型的皮革裁斷機設(shè)備的電子系統(tǒng)，其主要功能為參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測和智能故障診斷的集成監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 設(shè)計原理

皮革裁床切割設(shè)備作為一種相對柔性的切割設(shè)備，主要是針對各類皮料進(jìn)行切割，例如人造皮革、天然皮革等具有柔性特點的材料，與傳統(tǒng)的皮革切割設(shè)備相比而言，運用EDA技術(shù)融入的電子數(shù)控皮革裁床切割系統(tǒng)成本較低、效率高且靈活性更強，可以大大提高企業(yè)的生產(chǎn)效率[4]。

針對當(dāng)前傳統(tǒng)皮革裁斷設(shè)備中存在的問題，例如自動化程度低、材料消耗量大、切割準(zhǔn)確率低、實時監(jiān)控能力弱等問題，運用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)EDA技術(shù)實現(xiàn)智能皮革裁斷電子系統(tǒng)設(shè)計，使設(shè)計出的皮革裁斷機械設(shè)備功能強大，通過工業(yè)攝像機與流水線的實時電子監(jiān)控過程中，實現(xiàn)多臺皮革裁斷機自動智能裁斷命令，保障其皮革材料裁斷的精準(zhǔn)性與高效率，其原理如圖1所示。

圖1 設(shè)計原理Fig.1 Design principle

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

以EDA技術(shù)作為皮革裁斷電子系統(tǒng)的主要技術(shù)支撐，其具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，主要包含了CAN總線網(wǎng)絡(luò)和Ethernet/IP工業(yè)以太網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)攝像機網(wǎng)絡(luò)、CAN-Ethernet專用網(wǎng)關(guān)、PC工作站和控制服務(wù)器組成。

圖2 皮革裁斷電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of leather cutting system

在其結(jié)構(gòu)設(shè)計的組建過程之中，CAN總線技術(shù)負(fù)責(zé)對皮革裁斷機進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)組建連接，將皮革裁斷電子系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài)進(jìn)行實時上傳；利用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)EDA技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換；將設(shè)備實時信息自動上傳至工業(yè)以太網(wǎng)中；由生產(chǎn)車間的PC工作站和控制服務(wù)器進(jìn)行實時讀取。

在設(shè)計結(jié)構(gòu)的運行過程之中，該電子系統(tǒng)的每臺皮革數(shù)控機床前側(cè)部位分別加裝工業(yè)攝像機對傳送帶中的皮革材料進(jìn)行快速抓拍，負(fù)責(zé)對即將加工裁斷的皮革面料進(jìn)行智能自動排樣策略，同時分布皮革裁斷的先后順序。

在其結(jié)構(gòu)設(shè)計的裁切過程之中，抓拍的圖像通過USB數(shù)據(jù)線自動上傳至PC工作站和控制服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，通過流水線電子監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，利用EDA軟件Open CV對傳送的皮革面料圖像進(jìn)行自動識別處理，使其快速對皮革面料區(qū)域形成排樣工區(qū)；利用EDA技術(shù)中的FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯器件）在PC工作站中對其進(jìn)行特定的排樣算法預(yù)設(shè)自動化，使形成的排樣策略針對皮革裁斷機的樣片組進(jìn)行智能規(guī)劃；最終將智能規(guī)劃策略通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)自上而下向三臺皮革裁斷數(shù)控設(shè)備進(jìn)行命令傳輸，完成電子系統(tǒng)的自動智能裁斷。

2.4 設(shè)計優(yōu)勢

以EDA技術(shù)融合多種智能電子技術(shù)，依托CAN-Ethernet專用網(wǎng)關(guān)作為整個皮革裁斷電子設(shè)備系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)通信樞紐，通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換快速實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，具有高速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的優(yōu)勢。

同時，在整個系統(tǒng)中利用USB口可以將工業(yè)攝像機中的實時圖像準(zhǔn)確上傳至機器設(shè)備的PC工作站進(jìn)行智能分析，保障對皮革面料樣片的區(qū)域裁斷策略制定的精準(zhǔn)性，對工作狀態(tài)、樣片裁斷前后順序進(jìn)行自動規(guī)劃，具有能耗少、協(xié)調(diào)度高、管理便捷的優(yōu)勢。

3 EDA技術(shù)融合的皮革裁斷電子系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用功能

3.1 優(yōu)化處理不規(guī)則皮革樣片功能

在皮革樣片的實際裁斷生產(chǎn)過程中，絕大多數(shù)的皮革制品樣片呈現(xiàn)出不規(guī)則形狀，造成了皮革材料成本的進(jìn)一步浪費。以EDA技術(shù)融合的智能型皮革裁斷電子系統(tǒng)，可以利用計算機輔助設(shè)計將不規(guī)則皮革樣片經(jīng)過優(yōu)化算法處理，使皮革材料在樣片裁斷中可以得到充分的利用。

具體方法：首先，將傳送過程中抓拍的皮革樣片圖像數(shù)據(jù)輸送至PC工作站數(shù)據(jù)庫之中，將所有樣片的順序調(diào)整為順時針次序，方便后續(xù)的排樣工作數(shù)據(jù)排列；其次，針對皮革樣片圖像中的圓弧、直線、異形及橢圓等不同圖形進(jìn)行離散化操作，例如對弧線進(jìn)行多邊形線段離散逼近，運用坐標(biāo)點進(jìn)行描述弧線，進(jìn)一步優(yōu)化整個樣片的裁斷區(qū)間，如圖3所示；最后，將整個坐標(biāo)點進(jìn)行規(guī)劃集合，最終得出精準(zhǔn)、正確的整段皮革材料裁斷排樣算法，以此優(yōu)化處理不規(guī)則皮革樣片。

圖3 運用坐標(biāo)點描述弧線法Fig.3 Using coordinate points to describe the arc method

3.2 智能算法匹配皮革排樣功能

經(jīng)過EDA技術(shù)融合的智能皮革裁斷電子系統(tǒng)，可以利用計算機輔助工程（CAE）工具軟件進(jìn)行系統(tǒng)邏輯編譯命令，對各類不規(guī)則皮革樣片在皮革裁斷設(shè)備模板中進(jìn)行自動排樣，具有智能化與自動化的功能。

首先，工作人員在PC總站平臺之中設(shè)計相應(yīng)的基本邏輯描述語言命令，采用最優(yōu)匹配方法（Green公式數(shù)據(jù)排列）進(jìn)行皮革樣片的尋優(yōu)運動軌跡排樣；其次，在尋友排樣結(jié)果基礎(chǔ)之上再次預(yù)設(shè)新的碰撞檢測算法命令，施加凸多邊形裁剪-逐邊裁剪法（Southerland-Hodgman Polygon Clipping）將試探性測試放入最終的排樣策略之中，以此確保自動匹配皮革排樣的精準(zhǔn)性；最終，依據(jù)之前Green公式數(shù)據(jù)排列的面積進(jìn)行次序處理，以先大后小的方式進(jìn)行樣片處理，其目的在于不浪費多余的皮革材料空白區(qū)域，將樣片以凸多邊形圖像晉融合，進(jìn)一步使整體排樣結(jié)果更加緊湊，如圖4所示，運用智能算法匹配的皮革母板排樣結(jié)果。

圖4 智能算法匹配皮革母板排樣結(jié)果Fig.4 Intelligent algorithm matching the layout result of leather mother board

3.3 智慧協(xié)調(diào)自動裁斷策略功能

在智能皮革電子系統(tǒng)設(shè)計之中，以異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)EDA技術(shù)融合的皮革裁斷自動監(jiān)測與多機協(xié)調(diào)自動裁斷是本次系統(tǒng)設(shè)計的重點，可以大幅度的提高皮革制造過程的效率，進(jìn)一步節(jié)約人工與時間成本，智慧協(xié)調(diào)自動裁剪策略具有較強的數(shù)據(jù)分析與圖像捕捉功能。

首先，在預(yù)設(shè)的3臺皮革裁斷設(shè)備中置入EDA多元智能技術(shù)電子系統(tǒng)，對整個裁斷過程的進(jìn)行數(shù)控操作；其次，利用工業(yè)攝像機完成皮革材料母版的圖像捕捉，通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，利用EDA軟件Open CV進(jìn)行圖像識別，完成皮革材料工件排樣區(qū)的基本選擇；最后，對已經(jīng)完成預(yù)設(shè)的便宜進(jìn)行大、中、小樣片面積分類與排列，如圖5所示，經(jīng)過智能算法匹配得出協(xié)調(diào)自動裁斷策略，操作人員也可在電子系統(tǒng)中對裁斷策略進(jìn)行修改和標(biāo)記，策略制定完成之后通過CAN-Ethernet通信網(wǎng)絡(luò)下傳至底層網(wǎng)絡(luò)的三臺裁斷機進(jìn)行精準(zhǔn)裁切。

圖5 自動裁斷大小排列Fig.5 Automatic cutting size arrangement

4 結(jié)語

將EDA技術(shù)應(yīng)用在皮革裁斷電子系統(tǒng)設(shè)計之中，利用融合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)EDA技術(shù)、工業(yè)攝像機網(wǎng)絡(luò)、CAN-Ethernet專用網(wǎng)關(guān)、PC工作站和控制服務(wù)器組成的電子監(jiān)控系統(tǒng)可以對皮革裁斷過程實現(xiàn)精準(zhǔn)、高效的模式，采用智慧優(yōu)化排樣算法可以自動制定排樣策略，從根本上解決不規(guī)則樣片排樣中浪費嚴(yán)重的現(xiàn)象，通過工業(yè)攝像機進(jìn)一步對皮革裁斷流水線進(jìn)行自動監(jiān)控，提高裁斷效率，使皮革企業(yè)的生成成本進(jìn)一步降低，從而實現(xiàn)企業(yè)低能耗發(fā)展。