基于虚拟仪器的服装裁剪机数控系统

1  硬件结构
1.1 PMAC简介
本控制系统采用PC机上插接PMAC运动控制卡和通用I/O卡DIO_48的方式搭建。PMAC卡是其关键部件。PMAC是美国Delta Tau Systems公司生产的可编程多轴运动控制卡(Programmable Multiple Axes Controller)。它拥有高性能的伺服运动控制功能，CPU是功能强大的数字信号处理器DSP56001。通过灵活的高级语言，每块卡最多可控制8轴同时运动。PMAC板既可以脱机方式运行，又可以通过串行接口或总线接口用一台电脑控制其运行。PMAC能够同时执行多个任务并能正确地进行优先级排序，这样大大地减轻了上位机的工作负担。利用PMAC作为下位机开发的控制系统具有工作可靠、控制精度高且实时性强的特点。
1.2 硬件结构及工作原理
PC机与PMAC卡之间主要采用ISA总线进行通信。上位机PC主要实现系统的控制和管理，下位机PMAC完成实时控制各轴的运动，并实时反馈运动状态，如电机位置、运行状况等。系统硬件结构如图1所示。

服装裁剪机的关键部件是裁剪机头，它有三个自由度需要控制，即X轴位置、Y轴位置和围绕Z轴的转角C。出于成本考虑，本系统通过插在PC机ISA标准总线插槽上的MINAS型PMAC卡控制X轴和Y轴位置，带动裁剪刀头在X-Y平面内运动，X、Y轴分别由400W交流伺服电机经行星齿轮减速机减速来驱动。工作时刀头根据X-Y平面内的轨迹不断调整旋转角度C，使刀头前进方向和曲线的切线方向一致。同时由位置电传感器采集刀面受力情况，经电压比较电路处理后输出为数字信号f0、f1、f2，根据这三个值的组合状况对刀头偏转角度进行补偿，使刀片两面受力平衡，刀面保持竖直方向上下动作，使裁剪的衣片上下大小形状一致，以保证裁剪精度。通用I/O卡通过PCI总线插在PC机的插槽上，它通过输出控制信号CP、CW、EN来控制步进电机，实现刀头的旋转。J5口为通用数字输入和输出口，它提供8个普通用途的数字输入和8个普通用途的数字输出。这些输入和输出通常通过定义M变量由软件进行读取。在M变量的定义中，变量M1到M8分别用于读取输出1～8，M11～M18分别用于读取输入1～8。刀头上下振动切割布料的动作由永磁无刷直流电动机经同步齿轮带传递，将偏心轮转动转变为刀头的上下动作实现。变量M1用于控制该电机的起停。M2输出数字信号控制刀头提刀与下刀，M3、M4变量输出分别执行磨刀和压脚功能。M11、M12、M13用于接收来自刀头的检测数字信号f0、f1、f2。M14用于检测刀头的旋转零位，每次程序运行前，都要先完成刀头位置的初始化，使刀头准确回到初始零位，即旋转运动的基准点。
2  软件开发
PMAC卡的开发软件包括PCOMM32和PCOMM16，前者是Windows下的动态链接库函数，可使用VB、VC、LabVIEW等软件开发。PCOMM16的功能和PCOMM32相同，只是前者为16位的DOS开发环境。实时操作系统可以提供一般通用操作系统无法保证的实时性。但对开发人员来说，系统的特殊性带来了较大的开发难度。实时性是指系统能够在有限的时间内执行要求的功能，并对外部的异步事件做出反应的能力，它是一个相对概念。结合本系统的具体要求，可以考虑应用基于Windows系统的软件，通过程序结构优化及对各任务的合理调度，开发满足实时性要求的控制系统。
LabVIEW是NI公司开发的软件，主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台，它是应用于Windows平台的图形化快速编程语言，被誉为工程师和科学家的语言[2]。LabVIEW的运行机制是一种带有图形控制流结构的数据流模式，程序框架从宏观上讲是一种多任务并行的运行机制。LabVIEW具有强大的外部接口能力，可以实现LabVIEW与外部的应用软件，如C语言、Windows API等编程语言之间的通信。在LabVIEW中可用的外部接口包括：DDE、CIN、DLL等。合理使用这些接口，充分利用其他软件的功能，可以编写出功能更加强大的LabVIEW应用软件。基于LabVIEW的以上特点，以及其独特的多任务并行机制，本系统采用该平台开发数控裁剪系统。
整个系统软件按照模块化的编程思想分为6个模块，如图2所示。[!--empirenews.page--]

(1)刀头控制模块：对刀头的角度控制包括控制刀头前进方向与X-Y平面内的运动轨迹切线方向一致，并根据刀面受力状况对刀头偏转角度进行补偿。刀头控制的程序框图如图3所示。具体实现则主要靠调用动态链接库pmac.dll（PCOMM32中提供）的相应函数。已定义的M变量可以在程序里像使用任何其他变量那样使用。例如程序中判断“程序结束？”读的是M150的状态，判断“到分段处？”读的是M151的状态，它们都可以采用调用动态链接库中的函数PmacGetResponseA轻松地实现。而对步进电机的运动控制则是通过在LabVIEW中调用C源代码，即利用CIN代码接口实现。

为了保证刀头围绕Z轴的角度调整能及时跟上运动轨迹的变化，即达到实时性要求，应对刀头控制做优化改进，现以图4的衣片图样为例说明：

当运动到A、B、C、D、E 5个不连续点时，要先使PMAC的运动程序暂停，待步进电机带动刀头偏转到需要的角度时，再控制运动程序继续。
连续运动段基本上由平滑曲线组成。对连续运动段，可根据其曲率变化，设置不同的运动速度。如a、e、f段为直线，可设运动速度为100mm/s；b段设为50mm/s；d段曲率最大，运动速度要再慢一点，可设为5mm/s。这样，在每个扫描周期步进电机只需要调整很小的角度就可以满足要求。
经过这样的运动规划后，既保证了较快的裁剪速度，又确保了刀头转角及时到位，满足了系统的实时性要求。
(2)图形转换模块：将衣片的AutoCAD图形（.DXF格式)转化为PMAC运动控制器能够识别的运动程序(.PMC格式)。这样即使不熟悉PMAC的工艺人员也可以很方便地通过将CAD图样进行转换来生成衣片图样文件，而不必直接编辑复杂的PMAC源程序。
(3)通信模块：主机通过总线与下位机进行通信，Delta Tau公司提供了许多软件库，这使得主机通信程序的开发变得更加容易。动态链接库（DLL）是一个位于应用程序外部的过程库，它是可共享和重入的，并可以从应用程序中调用，在运行时被动态链接，当要执行DLL中的函数时，根据链接产生的重定位信息，Windows转去执行DLL中相应的函数代码，从而节省了宝贵的内存资源。PCOMM动态链接库提供的函数几乎可处理所有需要的底层操作。在Windows环境中利用动态链接库pmac.dll中提供的各种函数，建立上位机和下位机的通信。
(4)初始化及参数设置模块：上下位机建立通信后，就要进行系统初始化，包括全局变量赋初值，X、Y轴回原点，旋转轴回零位（通过接近开关检测是否到位）等。参数设置包括X、Y轴的运动速度、加速度、回零速度等变量的设置。
(5)故障诊断程序：诊断程序可以在系统工作过程中，随时发现系统故障，并能指示故障类型。当发生故障时，该模块可提供一种辅助诊断手段，增加系统的易维护性。
(6)显示模块：用于动态显示衣片图样的加工轨迹，可分为自动、手动二种方式。设置为自动时，图形显示范围自动调整；设置为手动时，显示范围固定。这可以运用LabVIEW提供的X-Y Gragh函数方便地实现。
3  总  结
在PC机上嵌入PMAC卡开发数控裁剪机时，可充分利用PMAC卡在处理运动控制方面的强大功能。运用基于Windows系统的LabVIEW软件，调用动态链接库函数和CIN接口可方便地实现上、下位机之间的通信，大大加快了开发速度。实际运行结果表明，控制系统运行可靠、准确，满足了实时性要求。