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)
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。
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。
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。
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]。
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)。
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
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。
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。
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
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
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
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。