自动裁床裁刀轨迹控制算法

刘必标+祝本明+杨奕昕

摘 要： 为了提高自动裁床的生产效率和节约布料，结合布料本身特性和裁床裁刀的结构特性，研究了裁刀转角切割的特点，提出一种改进自动裁床转角切割控制和裁刀刀具补偿算法。该方法利用裁刀自身的刚度自动推挤布料，旋转切割过程中始终保持裁刀刀尖在切割轨迹上，刀尾在切割前的轨迹上。该算法解决了传统旋转切割方式存在工作不连续，切割布料浪费严重，保持了传统方式的优点，同时避免了他们存在的缺点。实践结果表明，该算法提高了生产效率，节约了生产布料。

关键词： 自动裁床； 旋转切割； 轨迹控制； CAD

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）20?0004?03

Trajectory control algorithm of automatic cutter knife

LIU Bi?biao， ZHU Ben?ming， YANG Yi?xin

（Department of CNC Products， No.58 Research Institute of China Ordnance Industry， Mianyang 621000， China）

Abstract： In order to improve the production efficiency of automatic cutter and save fabric， the corner cutting characteristics of the cutting knife are studied， and an improved automatic cutter corner?cutting control and compensation algorithm is proposed in combination with the characteristics of the fabric and the cutting knife structure. In the algorithm， the stiffness of the cutting knife is utilized to automatically pushed fabrics， In the whole rotary cutting process， the knife tip is kept on the cutting trajectory and knife tail at the cutted track. The algorithm has solved the discontinuousness and serious waste of the cutted fabric of the traditional corner?cutting mode while keeping the advantages of the traditional mode. The experiment results show that the algorithm improves production efficiency and saves material .

Keywords： automatic cutter； rotary?cutting； trajectory control； CAD

0 概 述

服装CAM设备主要功能是利用服装CAD系统的衣片设计与排料的数字化信息直接与自动生产制造系统联机作业，制成NC（数字控制）加工指令，控制自动生产制造系统[1]。自动裁床（自动裁布机，Automatic Cutter）是服装业裁剪技术的一大革新，它利用CAD数据来控制刀的转动方向而生产所需要的裁片。作为服装CAM的最高端产品，自动裁床带来的主要优点是：服装生产自动化程度高；产品质量好而且稳定，不会受人为因素影响，提升企业形象；布料利用率高，节约成本；裁剪速度快，生产周期短；节约劳动力，降低劳动强度等[2]。

传统裁床系统中存在裁刀拐角时，有两种切割方式：第一种方式是刀尖保持不变，刀身旋转；第二种方法是裁刀抬起，然后旋转再切割。第一种方式工作连续，但是转角时角料浪费严重的问题。第二种方式直观简单，方便实现，但是裁刀经常抬起，工作过程不连贯，效率低，旋转后再次切割容易损坏刀身部位的布料[3]。

由于布料本身具有较强的柔性，在切割过程中具有较大的可推挤空间。提出采用转角时向内推挤布料的方法，在切割过程中，裁刀刀尖始终保持在旋转后的轨迹上，刀尾始终保持在旋转前的轨迹上，边旋转切割边推挤布料，下面给出改进的转角切割控制算法[4]。

1 轨迹控制算法

裁刀切割轨迹可以看作是由许多较短直线段构成，轨迹直线分解直线段越多，切割结果越逼近理想切割轨迹。相邻两段直线切割轨迹，如图1所示，要求裁刀刀尖Hx沿指定轨迹D→E→F运动。现仅截取裁刀刀尖工作过程中的一微小轨迹段（从点E运动F段）的情况进行分析，如图1所示（图中不考虑旋转方向，[0<θ0，0<π，0<θ1<π，0<θ2<π）]。

裁刀切割轨迹有两部分组成，裁刀旋转中心点[Cx]的水平位置由x，y两个方向控制，切割方向由裁刀旋转电机控制。当裁刀旋转中心C从点C1沿直线匀速运行到点C2，裁刀从[T1H1]运动到[T2H2]，由于裁刀运动非常小，可将[H1H2]直线作为实际轨迹，以H2为原点，[H2H1]为x轴建立直角坐标系[5?6]，为便于计算，只保留裁刀刀尖Hx、刀心Cx，如图2所示。

图2 简化裁刀轨迹运动示意图

由于裁刀匀速旋转，对刀心轨迹上任意一点C对应的角度θ，有：

[θ-θ1yC-Rsin θ1=θ2-θ1Rsinθ2-Rsinθ1] （1）

取[k=θ2-θ1Rxsinθ2-sinθ1，b=θ1-sinθ1×θ2-θ1sinθ2-sinθ1]，则：式（1）可以化简为：

[θ=kYC+b] （2）

对应该刀心点C，相应的刀尖点H（x，y）有：

[y=yC-Rsinθ] （3）

将式（2）代入式（3），得：

[y=yC-RsinkyC+b] （4）

式（4）中y取值即法向误差ε，最大法向误差εmax为：

[εmax=maxRsinθ2≤yCsRsinθ1y] （5）

对式（4）求一阶导数，得：

[dydyC=1-kRcoskyC+b] （6）

即最大法向误差εmax对应的[yC]满足：

[1-kRcoskyC+b=0] （7）

即：

[YC=cos-11kR-bk] （8）

式中：[cos-11kR]取值范围0～π，将式（8）代入式（4），得到实际轨迹的法向误差ε。

[ε=cos-11kR-bk-Rsincos-11kR] （9）

如式（9）小于误差设定值，则运动轨迹满足要求。

2 加工结果分析

本算法硬件平台以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A和ACTEL公司的A3P400 FPGA芯片为核心。DSP芯片作为控制处理器，主要完成各种运动控制算法、交流伺服控制算法、步进驱动控制算法。FPGA协助DSP工作，完成各种运动控制接口、系统开关量以及系统内部各种逻辑控制；DSP和FPGA协同工作，共同构建智能化缝制设备控制系统的核心单元，既充分利用DSP数据信号处理能力，进行复杂算法运算；又充分发挥FPGA运算速度快的特点，使其资源互补[7?8]。利用改进切割算法在终端用户现场切割效果如图3～图5所示。图3表明旋转角外围布料得到完整保护，旋转角具有清晰可见的边角；图4，图5表明，对于多层布料来说，上下切割基本一致，不存在明显的切割轨迹偏差。图3 切割布料效果

图6是统计结果，横轴表示转角个数，纵轴表示加工时间。图6表明，若切割过程中，转角越多本算法比传统算法节约时间越多，平均本算法比传统方式一节约10%的时间，比传统方式二节约20%的时间。同时大量的统计结果表明，平均本算法比传统方式一节约布料15%，比传统方式二节约布料5%。

图4 切割角料

图5 剩余角料

3 结 语

针对目前自动裁床裁刀抬刀旋转切割及刀尖保持不变旋转切割存在的问题，提出了一种全新的解决方案。大量实践表明，本文提出的算法不仅保持了目前两种自动裁床裁刀旋转切割方式的优点，同时避免了他们存在的缺点；不仅节约了生产材料，同时提高了生产效率。

图6 时间统计

参考文献

[1] 赵勇.智能型数控电脑裁床系统的研究与开发[D].成都：电子科技大学，2005.

[2] 黄建江.智能数控裁床的研究与开发[D].无锡：江南大学，2007.

[3] 郑荣.排料CAD技术对比分析与小衣片自动插入技术研究[D].杭州：浙江理工大学，2010.

[4] 王强.服装自动裁剪系统结构设计与优化研究[D].广州：广东工业大学，2007.

[5] 同济大学数学系.高等数学[M].北京：高等教育出版社，2007.

[6] 王体泮.裁刀切向跟随与切向刀补算法研究[J].兵工自动化，2013（2）：91?93.

[7] 王晓明，王玲.电动机的DSP控制：TI公司DSP应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[8] 潘松，黄继业.EDA技术实用教程[M].北京：科学出版社，2006.

取[k=θ2-θ1Rxsinθ2-sinθ1，b=θ1-sinθ1×θ2-θ1sinθ2-sinθ1]，则：式（1）可以化简为：

[θ=kYC+b] （2）

对应该刀心点C，相应的刀尖点H（x，y）有：

[y=yC-Rsinθ] （3）

将式（2）代入式（3），得：

[y=yC-RsinkyC+b] （4）

式（4）中y取值即法向误差ε，最大法向误差εmax为：

[εmax=maxRsinθ2≤yCsRsinθ1y] （5）

对式（4）求一阶导数，得：

[dydyC=1-kRcoskyC+b] （6）

即最大法向误差εmax对应的[yC]满足：

[1-kRcoskyC+b=0] （7）

即：

[YC=cos-11kR-bk] （8）

式中：[cos-11kR]取值范围0～π，将式（8）代入式（4），得到实际轨迹的法向误差ε。

[ε=cos-11kR-bk-Rsincos-11kR] （9）

如式（9）小于误差设定值，则运动轨迹满足要求。

2 加工结果分析

本算法硬件平台以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A和ACTEL公司的A3P400 FPGA芯片为核心。DSP芯片作为控制处理器，主要完成各种运动控制算法、交流伺服控制算法、步进驱动控制算法。FPGA协助DSP工作，完成各种运动控制接口、系统开关量以及系统内部各种逻辑控制；DSP和FPGA协同工作，共同构建智能化缝制设备控制系统的核心单元，既充分利用DSP数据信号处理能力，进行复杂算法运算；又充分发挥FPGA运算速度快的特点，使其资源互补[7?8]。利用改进切割算法在终端用户现场切割效果如图3～图5所示。图3表明旋转角外围布料得到完整保护，旋转角具有清晰可见的边角；图4，图5表明，对于多层布料来说，上下切割基本一致，不存在明显的切割轨迹偏差。图3 切割布料效果

图6是统计结果，横轴表示转角个数，纵轴表示加工时间。图6表明，若切割过程中，转角越多本算法比传统算法节约时间越多，平均本算法比传统方式一节约10%的时间，比传统方式二节约20%的时间。同时大量的统计结果表明，平均本算法比传统方式一节约布料15%，比传统方式二节约布料5%。

图4 切割角料

图5 剩余角料

3 结 语

针对目前自动裁床裁刀抬刀旋转切割及刀尖保持不变旋转切割存在的问题，提出了一种全新的解决方案。大量实践表明，本文提出的算法不仅保持了目前两种自动裁床裁刀旋转切割方式的优点，同时避免了他们存在的缺点；不仅节约了生产材料，同时提高了生产效率。

图6 时间统计

参考文献

[1] 赵勇.智能型数控电脑裁床系统的研究与开发[D].成都：电子科技大学，2005.

[2] 黄建江.智能数控裁床的研究与开发[D].无锡：江南大学，2007.

[3] 郑荣.排料CAD技术对比分析与小衣片自动插入技术研究[D].杭州：浙江理工大学，2010.

[4] 王强.服装自动裁剪系统结构设计与优化研究[D].广州：广东工业大学，2007.

[5] 同济大学数学系.高等数学[M].北京：高等教育出版社，2007.

[6] 王体泮.裁刀切向跟随与切向刀补算法研究[J].兵工自动化，2013（2）：91?93.

[7] 王晓明，王玲.电动机的DSP控制：TI公司DSP应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[8] 潘松，黄继业.EDA技术实用教程[M].北京：科学出版社，2006.

取[k=θ2-θ1Rxsinθ2-sinθ1，b=θ1-sinθ1×θ2-θ1sinθ2-sinθ1]，则：式（1）可以化简为：

[θ=kYC+b] （2）

对应该刀心点C，相应的刀尖点H（x，y）有：

[y=yC-Rsinθ] （3）

将式（2）代入式（3），得：

[y=yC-RsinkyC+b] （4）

式（4）中y取值即法向误差ε，最大法向误差εmax为：

[εmax=maxRsinθ2≤yCsRsinθ1y] （5）

对式（4）求一阶导数，得：

[dydyC=1-kRcoskyC+b] （6）

即最大法向误差εmax对应的[yC]满足：

[1-kRcoskyC+b=0] （7）

即：

[YC=cos-11kR-bk] （8）

式中：[cos-11kR]取值范围0～π，将式（8）代入式（4），得到实际轨迹的法向误差ε。

[ε=cos-11kR-bk-Rsincos-11kR] （9）

如式（9）小于误差设定值，则运动轨迹满足要求。

2 加工结果分析

本算法硬件平台以TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A和ACTEL公司的A3P400 FPGA芯片为核心。DSP芯片作为控制处理器，主要完成各种运动控制算法、交流伺服控制算法、步进驱动控制算法。FPGA协助DSP工作，完成各种运动控制接口、系统开关量以及系统内部各种逻辑控制；DSP和FPGA协同工作，共同构建智能化缝制设备控制系统的核心单元，既充分利用DSP数据信号处理能力，进行复杂算法运算；又充分发挥FPGA运算速度快的特点，使其资源互补[7?8]。利用改进切割算法在终端用户现场切割效果如图3～图5所示。图3表明旋转角外围布料得到完整保护，旋转角具有清晰可见的边角；图4，图5表明，对于多层布料来说，上下切割基本一致，不存在明显的切割轨迹偏差。图3 切割布料效果

图6是统计结果，横轴表示转角个数，纵轴表示加工时间。图6表明，若切割过程中，转角越多本算法比传统算法节约时间越多，平均本算法比传统方式一节约10%的时间，比传统方式二节约20%的时间。同时大量的统计结果表明，平均本算法比传统方式一节约布料15%，比传统方式二节约布料5%。

图4 切割角料

图5 剩余角料

3 结 语

针对目前自动裁床裁刀抬刀旋转切割及刀尖保持不变旋转切割存在的问题，提出了一种全新的解决方案。大量实践表明，本文提出的算法不仅保持了目前两种自动裁床裁刀旋转切割方式的优点，同时避免了他们存在的缺点；不仅节约了生产材料，同时提高了生产效率。

图6 时间统计

参考文献

[1] 赵勇.智能型数控电脑裁床系统的研究与开发[D].成都：电子科技大学，2005.

[2] 黄建江.智能数控裁床的研究与开发[D].无锡：江南大学，2007.

[3] 郑荣.排料CAD技术对比分析与小衣片自动插入技术研究[D].杭州：浙江理工大学，2010.

[4] 王强.服装自动裁剪系统结构设计与优化研究[D].广州：广东工业大学，2007.

[5] 同济大学数学系.高等数学[M].北京：高等教育出版社，2007.

[6] 王体泮.裁刀切向跟随与切向刀补算法研究[J].兵工自动化，2013（2）：91?93.

[7] 王晓明，王玲.电动机的DSP控制：TI公司DSP应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[8] 潘松，黄继业.EDA技术实用教程[M].北京：科学出版社，2006.