双刀头数控皮革切割机控制系统的研究
0 前言
数控皮革切割机在国外已发展多年，普遍应用于柔性材料相关行业，如鞋业、箱包业等。近几年，随着技术的不断进步，切割机由原来的单刀头切割逐步发展为双刀头甚至三刀头切割，刀头上的工具也由原来的切刀、冲刀及画笔发展为双切刀、多冲刀、多画笔，大大提高了切割效率并改善了产品的切割质量。国外切割机的制造商主要集中在欧洲，如意大利、法国、瑞士等，典型的有意大利的COMEZ、TESEO，法国的力克等。国内切割机的研发及制造起步较晚，目前尚处于发展的初级阶段。主要面临的有系统的稳定性、可靠性问题；如何结合本土特点研发出适合国人使用和操作的设备及如何应用到相关行业等问题。典型的切割机制造商有东莞爱玛、瑞州科技等。
1 切割机数控系统的组成
从控制系统架构来看，多轴运动控制可分为集中式和分布式[3]。集中式运动控制通常由一个运动控制单元（如运动控制卡）控制多个低智能驱动器完成多轴运动控制。而分布式运动控制中每个机械单元可以独立工作，用户可以对机械进行灵活的配置，实现柔性生产[3]。考虑到柔性切割设备的精度要求及市场定位，本设备采用集中式运动控制，即PC+NC。PC+NC结构的重心在PC，组成系统所需的其他模块将根据被控对象的要求灵活确定，因而具有良好的开放性[1]。具体由运动控制卡、交流伺服驱动器、交流伺服电机、数字量输出卡、工控机等组成。为保证切割质量，控制系统并未采用开环脉冲控制，而采用了先进的半闭环控制，即电机位置信号反馈回运动卡，由运动卡完成位置控制，速度及力矩控制由交流伺服内部完成。系统的构成简图见附图一。
1.1 运动控制卡的选择运动控制卡是伺服系统的核心。为保证系统的稳定性、可靠行及以后的可扩展性，同时缩短产品的开发周期，本系统采用国内用户较多、技术支持有保障的DeltaTau公司的IMAC-400运动控制卡。
1.2 伺服驱动器及电机的选择伺服系统尤其是伺服电机的选择至关重要，如选择不好，设备无法达到最优的加速效果同时也无法保证切割品质。考虑到本设备特殊的应用场合（长时间的高频振动）以及电机、驱动器的稳定性、可靠性及以后的售后、维护，X、Y、Z、A轴均选择安川交流伺服。具体的型号由折算到电机轴上的总的负载惯量及负载转矩确定。负载惯量的选择至关重要。惯量失配程度过大会引起低频谐振的发生并且会限制伺服系统的有效增益的增加[2]。同时，惯量失配会引起系统的振动和超调[2]。
1.3 数字量输出卡切割机切割皮料时需要真空吸附，吸附共分为几十个真空控制格，每个真空格需独立控制，为此，我们研发了数字量输出卡。
1.4 工控机的选择机器正常切割时伴有高频振动，切割速度较快，且客户工厂中同时工作的其它设备较多，不可避免的会对切割机造成干扰，考虑到抗震性、抗干扰性，本系统采用了工控机，而非普通家用电脑。
2 双刀头并行切割
2.1 切割模式双刀头数控皮革切割机共有两组刀头，两组刀头电气设计时完全独立，既可以单个刀头分开工作，也可以两个刀头一起工作。之所以如此设计，主要考虑以下几个方面：1） 客户材料大小不一。大幅面的材料两个刀头一起切割，效率容易最大化；小幅面的材料如还由两组刀头一起切割，会造成很大浪费，此时，可由操作人员灵活配置两组刀头，分开切割。2） 切割机某组刀头因故障临时宕机后，另外一组刀头可继续工作，不会造成系统整体停掉，影响客户生产。
2.2 切割顺序优化双刀头切割的目的是尽可能的提高切割效率。理论上两组刀头同时完成各自分配的切割任务时，效率最高。为此，切割前需要对切割任务进行离线预处理，预处理的原则是按时间分配，具体分为以下几个步骤：1） 确认本次切割的初始位置，以此为起点，对切割任务中的所有分片进行S型排序；2） 按照系统的速度、加速度初步计算本次切割任务中各个分片所需的切割时间（此时间需考虑分片中的拐点及起落刀的处理时间），将所有分片的时间累加在一起，得到本次任务的总切割时间；3） 依次从排序后的首位置逐个取出单个分片的切割时间并计算片与片间的运动时间，逐片累加直至总切割时间的一半，并记录最后一个分片的编号；然后从末端位置依次取单个分片的切割时间做累加，直至达到总切割时间的一半，并记录最后一个分片的编号；4） 将得到的两个编号之间的分片分配给累加时间短的一组刀头。
2.3 切割中分片干涉时的处理尽管分片的切割顺序已优化过，但实际切割时两组刀头不可避免的会存在干涉，因此，本设备加入了安全检测环节：一组刀头安装高速电磁感应式接近开关，另一组刀头安装铝块，当两组刀头同步切割发生干涉时，开关动作，信号被运动卡的高速信号接收口接收，由优先级较高的PLC检测程序做出实时反应，迅速暂停左、右刀头并记录暂停时各自的分片编号，系统按指定的位置将左刀头后退至左上角，右刀头恢复切割并以两个编号及安全距离为参数，不断计算左刀头是否满足恢复切割的条件，当满足条件后左刀头恢复正常切割直至结束。
2.4 切割的安全性考虑柔性材料切割时，皮料因褶皱或吸附不好可能会翘起，此时需要暂停切割。如由操作人员手工暂停操作，因人的反应速度有限，机头停下来时皮料极有可能已被拖动，因此，本设备加入两组对射式光电开关，由光电开关检测皮料的平整度，一旦皮料翘起，系统会自动暂停。对于双刀头数控皮革切割机而言，光电开关的安装位置需特殊考虑，本设计考虑到安全检测开关有可能会出现问题（尽管可能性很小），因此，将光电开关安装在安全距离以内，当安全检测开关失灵时，光电开关发挥作用，左右刀头不至于撞在一起，除此之外，机械部分也设计了橡胶顶尖，在所有电子元器件均失灵后也可以防止机头相撞。
3 数控皮革切割机未来展望
数控皮革切割机经过了近20年的发展，刀头已由原来的单刀头发展为了双刀头甚至三刀头，刀头组件上的工具也由原来的4至5个增加到了现在的8个甚至更多，客户不用更换工具就可以一次性完成切割订单；机械传动也有改进，目前普遍采用丝杆传动（个别厂家甚至采用了直线电机传动），替换了原来的同步带传动，提高了设备整体的刚性，由此换来了加工精度及切割速度的提升；设备中的各个组件也已开始模块化设计，大大方便了售后维护并降低了维护费用；在国外，目前排版已由原来的手工排发展为了自动排版，减少了排版时间的同时又提高了材料的利用率。
未来，随着各种新技术、新材料及新工艺的运用，切割机的切割效率及操作人员的操作体验还会得到不断提升。
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