面向自動(dòng)裁切機(jī)的解決方案

北京和利時(shí)智能技術(shù)有限公司 齊 旭

自動(dòng)裁切機(jī)適用于服裝、家居、汽車內(nèi)飾、電子、工業(yè)材料等多裁切領(lǐng)域，廣泛服務(wù)于人們生活工作的各行各業(yè)。面對(duì)不同的裁切材料，能夠做到節(jié)約生產(chǎn)成本，保證生產(chǎn)效率，降低設(shè)備使用故障率，是當(dāng)前考慮的生產(chǎn)制造問題。圍繞這些問題，本文在介紹整體解決方案同時(shí)講解所涉及的核心技術(shù)。文中介紹的整機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)包括以CAD/CAM為主的計(jì)算機(jī)輔助裝置軟件平臺(tái)，同時(shí)以和利時(shí)MC系列運(yùn)動(dòng)控制器以及伺服產(chǎn)品共同搭建的運(yùn)動(dòng)控制硬件平臺(tái)，從而形成極具競(jìng)爭(zhēng)力的OEM解決方案，實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本、高效生產(chǎn)、運(yùn)行穩(wěn)定的經(jīng)營(yíng)管理目標(biāo)。

CAD/CAM；MC運(yùn)動(dòng)控制器；運(yùn)動(dòng)前瞻；切向追蹤；插補(bǔ)

1 自動(dòng)裁切機(jī)面臨的挑戰(zhàn)

自動(dòng)裁切機(jī)在生產(chǎn)制造業(yè)應(yīng)用于各種片式及板式材料的劃割或裁切。通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）以及計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）軟件系統(tǒng)的管理操控，計(jì)算機(jī)將工藝軌跡及工序參數(shù)等工藝信息以數(shù)控加工程序文件傳輸給裁切機(jī)，裁切機(jī)即嚴(yán)格按照原始設(shè)計(jì)文件進(jìn)行快速裁切。

圖1 自動(dòng)裁切機(jī)

自動(dòng)裁切機(jī)是一種廣泛應(yīng)用的數(shù)控設(shè)備，為方便產(chǎn)品的開料而裁切各種版型。國(guó)內(nèi)裁切機(jī)一直朝著整機(jī)更為精密，速度更快的方向邁進(jìn)，越來越多地被引入到高精密的電子行業(yè)嶄露頭角。面臨巨大的市場(chǎng)前景，自動(dòng)裁切機(jī)該如何最大程度使用原材料最大限度降低生產(chǎn)成本提高利潤(rùn)率；如何保證在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，提高整機(jī)生產(chǎn)效率；如何讓設(shè)備自身的“青壯期”變長(zhǎng)，以柔性控制來提高機(jī)器運(yùn)行效果，從而降低未來維護(hù)成本。這些問題充斥整個(gè)行業(yè)，也是擺在我們面前的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

2 典型架構(gòu)

圖2 自動(dòng)裁切機(jī)典型系統(tǒng)架構(gòu)

自動(dòng)裁切機(jī)，根據(jù)輸入的零件圖紙信息、工藝過程和工藝參數(shù)，按照人機(jī)交互的方式生成數(shù)控加工程序，然后通過脈沖控制信號(hào)，再經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)機(jī)床部件作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

裁切機(jī)所接受的二維圖形化數(shù)據(jù)原稿首先來自于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件，處理各種數(shù)字、文字和圖形等信息，輔助完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，編輯和繪制出產(chǎn)品的基本工作圖，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生設(shè)計(jì)結(jié)果，生成二維制圖交換格式文件（DXF文件），再交由計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）軟件處理；CAM利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備管理控制和操作的過程。它輸入信息是零件的工藝路線和工序內(nèi)容，輸出信息是刀具加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡（刀位文件）和數(shù)控程序，即CAM軟件導(dǎo)入DXF文件后經(jīng)過預(yù)處理，工藝設(shè)置，刀軌規(guī)劃，加工前檢查，加工控制一系列操作流程后，將加工圖形處理成設(shè)備控制器能夠接受的數(shù)控加工程序；控制器內(nèi)部運(yùn)行解析代碼，將來自CAM的加工文件或加工命令逐個(gè)步序解析，經(jīng)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)刀架平移（X/Y軸），刀頭起落（Z軸），刀頭轉(zhuǎn)向（C軸）等運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在CAM軟件中顯示當(dāng)前刀軌。

3 方案介紹

3.1 技術(shù)要求

保證自動(dòng)裁切機(jī)整機(jī)系統(tǒng)原材料利用率高，有效降低生產(chǎn)成本，運(yùn)行穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，整機(jī)壽命長(zhǎng)。

整機(jī)材料設(shè)計(jì)軟件采用CAD及CAM計(jì)算機(jī)輔助軟件，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及集成制造；主控系統(tǒng)采用4軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，分別控制裁切刀頭的橫向移動(dòng)、縱向移動(dòng)、垂直進(jìn)給以及刀頭跟隨前行軌跡切向方向。

3.2 解決方案

系統(tǒng)核心部件：

（1）CAM軟件：和利時(shí)HoliCut及第三方CAM軟件；

（2）運(yùn)動(dòng)控制器：和利時(shí)MC1000系列控制器；

（3）伺服系統(tǒng)：和利時(shí)增強(qiáng)型伺服；

（4）編程軟件：FA-AutoThink。

系統(tǒng)說明：

（1）自動(dòng)裁切機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件方案中，采用AutoCAD2014作為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD軟件，對(duì)原稿進(jìn)行繪制生成生產(chǎn)設(shè)計(jì)圖紙。如圖4所示。同時(shí)，為與CAM軟件交互，CAD需將圖紙保存為DXF文件類型。

圖4 CAD繪圖

（2）CAM軟件操作，需要在現(xiàn)場(chǎng)IPC中導(dǎo)入DXF文件，導(dǎo)入圖形的同時(shí)，CAM軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)行去除極小圖形、去除重復(fù)線、合并相連線、自動(dòng)平滑、排序和打散。接下來需要做工藝設(shè)置，可執(zhí)行的工作包括引入引出線，割縫補(bǔ)償，冷卻點(diǎn)，微連，群組，橋接，共邊，掃描，排樣，陣列等。然后進(jìn)行排序和刀軌路徑規(guī)劃，此時(shí)完成CAM軟件設(shè)置，便可開始進(jìn)行實(shí)際加工操作。如圖5所示。

圖5 CAM刀軌規(guī)劃

（3）本自動(dòng)裁切機(jī)數(shù)控系統(tǒng)方案中，運(yùn)動(dòng)控制器采用和利時(shí)MC1000系列運(yùn)動(dòng)控制器以及和利時(shí)增強(qiáng)型伺服系統(tǒng)，提供精準(zhǔn)的直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)、圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)、樣條曲線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)功能以及切向追蹤和速度前瞻功能。

同時(shí)，譯碼任務(wù)作為整機(jī)系統(tǒng)的核心任務(wù)，是信息流的中轉(zhuǎn)站，這里采用和利時(shí)編程軟件FA-AutoThink進(jìn)行工程組態(tài)。主要工作翻譯軌跡命令代碼，將字符串格式的加工工藝信息轉(zhuǎn)換成被預(yù)插補(bǔ)任務(wù)識(shí)別內(nèi)部數(shù)據(jù)格式，最后通過調(diào)用插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)函數(shù)，進(jìn)而發(fā)出控制指令控制伺服電機(jī)去控制執(zhí)行部件的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。

此處軌跡命令代碼解釋器的實(shí)現(xiàn)為編譯法。編譯法預(yù)先對(duì)需要加工的零件程序全部編譯后，將結(jié)果放入緩沖區(qū)中，當(dāng)開始加工時(shí)，直接啟動(dòng)插補(bǔ)程序，從緩沖區(qū)中取出編譯好的零件程序進(jìn)行計(jì)算并控制程序加工。這種方法加工速度快，類似C語言程序的執(zhí)行，執(zhí)行速率是解釋法控制器的10倍以上。

4 優(yōu)勢(shì)算法

4.1 運(yùn)動(dòng)前瞻

為提升整機(jī)效率，減少?zèng)_擊增加柔性，降低零部件磨損，增加設(shè)備使用壽命，系統(tǒng)需要做到速度前瞻，一方面通過對(duì)各段速度進(jìn)行整體規(guī)劃，再配合各段間的加減速控制，可以使裁床保持高速運(yùn)行提高效率，使負(fù)載運(yùn)動(dòng)更加流暢，告別停停走走，系統(tǒng)通過Merge速度融合功能實(shí)現(xiàn)；另一方面，在保證高速運(yùn)行基礎(chǔ)上為了限制刀架高速平移帶來的機(jī)械沖擊和過切等，還需進(jìn)行減速識(shí)別，通過提前識(shí)別軌跡變化，從而按照安全的減速度提前減速，系統(tǒng)通過減速/停止融合功能、抑制沖擊功能實(shí)現(xiàn)。

運(yùn)動(dòng)前瞻功能，是對(duì)軸運(yùn)動(dòng)持續(xù)不斷地追蹤、統(tǒng)計(jì)、分析，在計(jì)劃時(shí)間內(nèi)得出解算結(jié)果，是對(duì)軸運(yùn)動(dòng)存在的多影響因素的綜合考慮。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)前瞻功能包括兩大類：（1）融合功能，其包括速度融合、減速/停止融合功能；（2）抑制沖擊功能。

（1）Merge速度融合功能是將控制器運(yùn)動(dòng)緩存中一連串運(yùn)動(dòng)指令連貫起來，使負(fù)載運(yùn)動(dòng)更加流暢，開啟Merge功能后實(shí)現(xiàn)了速度銜接，步序間速度不再減速為0。如當(dāng)前步序速度為100mm/ s，下一步序速度為200mm/s，不同模式下運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

圖6 Merge功能示意圖

（2）減速/停止融合功能解決的問題是：當(dāng)切刀前行的運(yùn)動(dòng)夾角過大時(shí)，如果仍以較大速度運(yùn)行，會(huì)在夾角處產(chǎn)生較大的機(jī)械沖擊，軌跡偏離。此時(shí)控制器需要對(duì)銜接軌跡變化的夾角進(jìn)行提前識(shí)別，比較其與減速/停止角的大小關(guān)系，提前決定是否進(jìn)行減速，保證在指令連接處平穩(wěn)過渡。

? 運(yùn)動(dòng)方向夾角＜減速角

減速/停止角對(duì)速度不做限制，Merge融合功能決定指令結(jié)束時(shí)的速度。

? 減速角＜運(yùn)動(dòng)方向夾角＜停止角

? 停止角＜運(yùn)動(dòng)方向夾角

指令結(jié)束速度為0。

如圖7，在二維平面走如下軌跡，依次經(jīng)過O—＞A—＞B—＞C—＞D點(diǎn)執(zhí)行4條指令后完成整個(gè)軌跡。

圖7 運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

圖8 合軸速度示意圖

（3）抑制沖擊功能主要解決的問題是：切刀運(yùn)動(dòng)軌跡的曲率較大時(shí)，如果速度過大會(huì)帶來較大的慣性離心力，造成裁床機(jī)械沖擊較大，同步帶拉伸變形壽命明顯變短，有的會(huì)軌跡偏離觸碰工件導(dǎo)致位置失準(zhǔn)，或者嚴(yán)重的情況直接會(huì)損壞鎢鋼刀和裁床。

與當(dāng)前的目標(biāo)速度比較，是否需要對(duì)其進(jìn)行限制減速，以保證全部軌跡過程內(nèi)的機(jī)械沖擊限制在合理范圍內(nèi)，同時(shí)保證軌跡的精準(zhǔn)。

如執(zhí)行一個(gè)圓弧軌跡，設(shè)定相同的Speed=20000unit/s，但設(shè)定不同的Jerk（加加速度）值，實(shí)際運(yùn)行時(shí)切刀的速度是會(huì)發(fā)生變化。

Jerk=5000000000默認(rèn)值時(shí)，切刀速度可以達(dá)到20000unit/s的最大速度，圓弧插補(bǔ)指令花費(fèi)較短時(shí)間就解算完成。此時(shí)系統(tǒng)的剛性較強(qiáng)，存在一定過沖的隱患，可以用做粗切預(yù)處理工序。

圖9 運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

修改Jerk=5000時(shí)，切刀速度最高僅達(dá)到7937.01unit/s，圓弧插補(bǔ)指令花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間解算完成，是之前執(zhí)行時(shí)間的2倍左右。此時(shí)，系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)計(jì)算曲率和Jerk閾值做到了柔和降速，可滿足對(duì)工件進(jìn)行細(xì)致切割的要求。

圖10 運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖

4.2 切向追蹤

根據(jù)橫軸（X軸）、縱軸（Y軸）運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)時(shí)計(jì)算出二者合運(yùn)動(dòng)軌跡與X軸正向夾角，然后驅(qū)動(dòng)切刀旋轉(zhuǎn)軸（C軸）跟蹤至目標(biāo)角度，自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整刀具方向與切割軌跡的切向方向（切割速度矢量方向）保持一致，達(dá)到最好的切割軌跡擬合效果。

運(yùn)行過程中，C軸工作在循環(huán)行程模式下，模式RepMode為2(對(duì)稱區(qū)間)。使用該指令前用戶需首先把循環(huán)行程長(zhǎng)度（[-Repdist, Repdist)）設(shè)為該軸旋轉(zhuǎn)一圈所對(duì)應(yīng)的用戶單位下的位移量(假設(shè)為RoundLength)，即：

Repdist = RoundLength/2

這樣，C軸的絕對(duì)位置[-Repdist, Repdist)就對(duì)應(yīng)于[-π,π)切向角度。

切割執(zhí)行過程中實(shí)時(shí)計(jì)算出X軸、Y軸合運(yùn)動(dòng)軌跡的切向方向與X軸正向所成的角度TangAngle，即C軸的目標(biāo)切向角；同時(shí)結(jié)合目標(biāo)切向角的變化速度（角速度）。實(shí)時(shí)調(diào)整C軸目標(biāo)位置，驅(qū)動(dòng)C軸定位至目標(biāo)切向角，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩軸合運(yùn)動(dòng)軌跡角度的最優(yōu)跟隨。

在指令執(zhí)行過程中，當(dāng)目標(biāo)切向角發(fā)生躍變或目標(biāo)切向角的變化速度（角速度）發(fā)生躍變時(shí)，刀具旋轉(zhuǎn)軸C將以軸參中設(shè)定的加減速及速度朝目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)發(fā)生因運(yùn)行速度的躍變而造成的沖擊。但此處C軸的實(shí)際角度位置與目標(biāo)切削角之間將存在一定的跟隨偏差。

使用切刀切割平面圓弧，為保證切割效果，降低切刀磨損程度，應(yīng)使得在整個(gè)切割過程中實(shí)時(shí)調(diào)整切刀刀刃跟隨圓弧軌跡的切線方向變化。X、Y軸驅(qū)動(dòng)切刀在XY平面執(zhí)行圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，切割物料；C軸驅(qū)動(dòng)切刀進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，控制切刀方向跟隨切割軌跡實(shí)時(shí)調(diào)整角度。

圖11 切割示意圖

實(shí)際執(zhí)行結(jié)果如圖12所示：

圖12 運(yùn)動(dòng)示意圖

可以看出，當(dāng)圓弧插補(bǔ)軌跡執(zhí)行至1/4圓弧時(shí)，切刀角度為90度，圓弧插補(bǔ)繼續(xù)執(zhí)行至1/2圓弧時(shí)，切刀角度為180度，圓弧插補(bǔ)繼續(xù)執(zhí)行至3/4圓弧時(shí)，切刀角度為-90度，圓弧插補(bǔ)執(zhí)行結(jié)束整圓時(shí)，切刀角度為0度。整個(gè)插補(bǔ)過程中，切刀旋轉(zhuǎn)角度實(shí)時(shí)跟隨合運(yùn)動(dòng)軌跡與X軸正向夾角，及刀具方向與切割軌跡的切向方向（切割速度矢量方向）保持一致，達(dá)到最好的切割效果。

4.3 拐角抬刀

當(dāng)兩條切割軌跡銜接處具有角度的躍變時(shí)（如折線），可執(zhí)行拐角抬刀功能，以保護(hù)刀具，保證加工效果。

提前判斷若指令之間銜接處的轉(zhuǎn)折角大于預(yù)設(shè)的提刀角度閾值，則會(huì)自動(dòng)執(zhí)行如下抬刀動(dòng)作流程：等待插補(bǔ)主軸XY、刀具升降軸Z停止—＞Z軸提升至安全高度—＞C軸旋轉(zhuǎn)至下條指令的起始切向角—＞Z軸下降至原位置—＞XYZ軸恢復(fù)運(yùn)行。為保證在滿足拐角提刀的軌跡銜接處XY軸可靠停止，當(dāng)Merge融合功能開啟時(shí)，需保證:

Merge停止角 ≤ 拐角提刀角度閾值

如果拐角抬刀動(dòng)作不能滿足用戶要求，用戶可在拐角處添加工藝路徑，以滿足加工要求。

圖13 帶抬刀的工藝路徑示意圖

如果用戶希望在拐角處刀具的加工路線延出一些，以保證拐角處的切割質(zhì)量，同時(shí)又希望盡可能的降低因工藝路徑的引入而對(duì)切割原料造成的浪費(fèi)，則可在工藝路徑中插入Z向抬刀路徑，如圖13所示。

5 結(jié)束語

自動(dòng)裁切機(jī)的核心技術(shù)，在于CAD/CAM計(jì)算機(jī)輔助裝置和運(yùn)動(dòng)控制算法。只有將這兩部分技術(shù)做精，才能真正意義上做出優(yōu)秀的裁切設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)外設(shè)備廠商都在從不同角度推陳出新，如增強(qiáng)計(jì)算機(jī)輔助軟件易用性，開發(fā)更加有助于機(jī)電一體化的自適應(yīng)算法，提供給用戶更簡(jiǎn)約快捷的操作平臺(tái)，優(yōu)化更具智能化的工藝流程，變革固有的機(jī)械結(jié)構(gòu)等，這些都是建立在扎實(shí)的核心技術(shù)之上而提出的創(chuàng)新。對(duì)于國(guó)內(nèi)設(shè)備制造商來說，核心技術(shù)即提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，即換得更高的市場(chǎng)價(jià)值。只有不斷縮短與國(guó)外同類產(chǎn)品差異，讓“中國(guó)制造”真正實(shí)現(xiàn)“中國(guó)智造”。

齊旭（1984-），男，遼寧撫順人，電氣工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京和利時(shí)智能技術(shù)有限公司，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制。