摘   要： 提出了在LabVIEW平臺上開發基于PMAC卡的服裝裁剪機數控系統。介紹了它的硬件結構、工作原理及軟件系統的設計。
關鍵詞： 數控系統  PMAC  LabVIEW  服裝裁剪機

　　服裝行業在我國國民經濟中占有重要位置。裁剪是服裝生產過程中的第一個工序，也是實現服裝設計師構思的一個重要環節，它對服裝生產的質量、成本和銷售都起著重要的作用。目前，服裝生產設備行業的目標之一是從傳統的手工剪裁設備轉向機械化和計算機化的服裝裁剪機。服裝裁剪機的核心在于數控系統，在保障設備質量的前提下，應盡可能降低數控系統成本，以求在更廣泛的企業中推廣、應用，這是開發基于虛擬儀器的服裝裁剪機數控系統的出發點。系統使用PC機作為上層的控制中心，起管理和協調作用，同時與開放式數控系統PMAC通信[1]；開放式的數控系統作為底層的控制中心，按照PC機傳送的指令，直接驅動各執行機構，并隨時將系統狀態返回PC機。
1  硬件結構
1.1 PMAC簡介
　　本控制系統采用PC機上插接PMAC運動控制卡和通用I/O卡DIO_48的方式搭建。PMAC卡是其關鍵部件。PMAC是美國Delta Tau Systems公司生產的可編程多軸運動控制卡(Programmable Multiple Axes Controller)。它擁有高性能的伺服運動控制功能，CPU是功能強大的數字信號處理器DSP56001。通過靈活的高級語言，每塊卡最多可控制8軸同時運動。PMAC板既可以脫機方式運行，又可以通過串行接口或總線接口用一臺電腦控制其運行。PMAC能夠同時執行多個任務并能正確地進行優先級排序，這樣大大地減輕了上位機的工作負擔。利用PMAC作為下位機開發的控制系統具有工作可靠、控制精度高且實時性強的特點。
1.2 硬件結構及工作原理
　　PC機與PMAC卡之間主要采用ISA總線進行通信。上位機PC主要實現系統的控制和管理，下位機PMAC完成實時控制各軸的運動，并實時反饋運動狀態，如電機位置、運行狀況等。系統硬件結構如圖1所示。

　　服裝裁剪機的關鍵部件是裁剪機頭，它有三個自由度需要控制，即X軸位置、Y軸位置和圍繞Z軸的轉角C。出于成本考慮，本系統通過插在PC機ISA標準總線插槽上的MINAS型PMAC卡控制X軸和Y軸位置，帶動裁剪刀頭在X-Y平面內運動，X、Y軸分別由400W交流伺服電機經行星齒輪減速機減速來驅動。工作時刀頭根據X-Y平面內的軌跡不斷調整旋轉角度C，使刀頭前進方向和曲線的切線方向一致。同時由位置電傳感器采集刀面受力情況，經電壓比較電路處理后輸出為數字信號f0、f1、f2，根據這三個值的組合狀況對刀頭偏轉角度進行補償，使刀片兩面受力平衡，刀面保持豎直方向上下動作，使裁剪的衣片上下大小形狀一致，以保證裁剪精度。通用I/O卡通過PCI總線插在PC機的插槽上，它通過輸出控制信號CP、CW、EN來控制步進電機，實現刀頭的旋轉。J5口為通用數字輸入和輸出口，它提供8個普通用途的數字輸入和8個普通用途的數字輸出。這些輸入和輸出通常通過定義M變量由軟件進行讀取。在M變量的定義中，變量M1到M8分別用于讀取輸出1～8，M11～M18分別用于讀取輸入1～8。刀頭上下振動切割布料的動作由永磁無刷直流電動機經同步齒輪帶傳遞，將偏心輪轉動轉變為刀頭的上下動作實現。變量M1用于控制該電機的起停。M2輸出數字信號控制刀頭提刀與下刀，M3、M4變量輸出分別執行磨刀和壓腳功能。M11、M12、M13用于接收來自刀頭的檢測數字信號f0、f1、f2。M14用于檢測刀頭的旋轉零位，每次程序運行前，都要先完成刀頭位置的初始化，使刀頭準確回到初始零位，即旋轉運動的基準點。
2  軟件開發
　　PMAC卡的開發軟件包括PCOMM32和PCOMM16，前者是Windows下的動態鏈接庫函數，可使用VB、VC、LabVIEW等軟件開發。PCOMM16的功能和PCOMM32相同，只是前者為16位的DOS開發環境。實時操作系統可以提供一般通用操作系統無法保證的實時性。但對開發人員來說，系統的特殊性帶來了較大的開發難度。實時性是指系統能夠在有限的時間內執行要求的功能，并對外部的異步事件做出反應的能力，它是一個相對概念。結合本系統的具體要求，可以考慮應用基于Windows系統的軟件，通過程序結構優化及對各任務的合理調度，開發滿足實時性要求的控制系統。
　　LabVIEW是NI公司開發的軟件，主要面向計算機測控領域的虛擬儀器軟件開發平臺，它是應用于Windows平臺的圖形化快速編程語言，被譽為工程師和科學家的語言[2]。LabVIEW的運行機制是一種帶有圖形控制流結構的數據流模式，程序框架從宏觀上講是一種多任務并行的運行機制。LabVIEW具有強大的外部接口能力，可以實現LabVIEW與外部的應用軟件，如C語言、Windows API等編程語言之間的通信。在LabVIEW中可用的外部接口包括：DDE、CIN、DLL等。合理使用這些接口，充分利用其他軟件的功能，可以編寫出功能更加強大的LabVIEW應用軟件。基于LabVIEW的以上特點，以及其獨特的多任務并行機制，本系統采用該平臺開發數控裁剪系統。
　　整個系統軟件按照模塊化的編程思想分為6個模塊，如圖2所示。

　　(1)刀頭控制模塊：對刀頭的角度控制包括控制刀頭前進方向與X-Y平面內的運動軌跡切線方向一致，并根據刀面受力狀況對刀頭偏轉角度進行補償。刀頭控制的程序框圖如圖3所示。具體實現則主要靠調用動態鏈接庫pmac.dll（PCOMM32中提供）的相應函數。已定義的M變量可以在程序里像使用任何其他變量那樣使用。例如程序中判斷“程序結束？”讀的是M150的狀態，判斷“到分段處？”讀的是M151的狀態，它們都可以采用調用動態鏈接庫中的函數PmacGetResponseA輕松地實現。而對步進電機的運動控制則是通過在LabVIEW中調用C源代碼，即利用CIN代碼接口實現。

　　為了保證刀頭圍繞Z軸的角度調整能及時跟上運動軌跡的變化，即達到實時性要求，應對刀頭控制做優化改進，現以圖4的衣片圖樣為例說明：

　　當運動到A、B、C、D、E 5個不連續點時，要先使PMAC的運動程序暫停，待步進電機帶動刀頭偏轉到需要的角度時，再控制運動程序繼續。
　　連續運動段基本上由平滑曲線組成。對連續運動段，可根據其曲率變化，設置不同的運動速度。如a、e、f段為直線，可設運動速度為100mm/s；b段設為50mm/s；d段曲率最大，運動速度要再慢一點，可設為5mm/s。這樣，在每個掃描周期步進電機只需要調整很小的角度就可以滿足要求。
　　經過這樣的運動規劃后，既保證了較快的裁剪速度，又確保了刀頭轉角及時到位，滿足了系統的實時性要求。
　　(2)圖形轉換模塊：將衣片的AutoCAD圖形（.DXF格式)轉化為PMAC運動控制器能夠識別的運動程序(.PMC格式)。這樣即使不熟悉PMAC的工藝人員也可以很方便地通過將CAD圖樣進行轉換來生成衣片圖樣文件，而不必直接編輯復雜的PMAC源程序。
　　(3)通信模塊：主機通過總線與下位機進行通信，Delta Tau公司提供了許多軟件庫，這使得主機通信程序的開發變得更加容易。動態鏈接庫（DLL）是一個位于應用程序外部的過程庫，它是可共享和重入的，并可以從應用程序中調用，在運行時被動態鏈接，當要執行DLL中的函數時，根據鏈接產生的重定位信息，Windows轉去執行DLL中相應的函數代碼，從而節省了寶貴的內存資源。PCOMM動態鏈接庫提供的函數幾乎可處理所有需要的底層操作。在Windows環境中利用動態鏈接庫pmac.dll中提供的各種函數，建立上位機和下位機的通信。
　　(4)初始化及參數設置模塊：上下位機建立通信后，就要進行系統初始化，包括全局變量賦初值，X、Y軸回原點，旋轉軸回零位（通過接近開關檢測是否到位）等。參數設置包括X、Y軸的運動速度、加速度、回零速度等變量的設置。
　　(5)故障診斷程序：診斷程序可以在系統工作過程中，隨時發現系統故障，并能指示故障類型。當發生故障時，該模塊可提供一種輔助診斷手段，增加系統的易維護性。
　　(6)顯示模塊：用于動態顯示衣片圖樣的加工軌跡，可分為自動、手動二種方式。設置為自動時，圖形顯示范圍自動調整；設置為手動時，顯示范圍固定。這可以運用LabVIEW提供的X-Y Gragh函數方便地實現。
3  總  結
　　在PC機上嵌入PMAC卡開發數控裁剪機時，可充分利用PMAC卡在處理運動控制方面的強大功能。運用基于Windows系統的LabVIEW軟件，調用動態鏈接庫函數和CIN接口可方便地實現上、下位機之間的通信，大大加快了開發速度。實際運行結果表明，控制系統運行可靠、準確，滿足了實時性要求。
參考文獻
1   王立松，蘇寶庫.可編程多軸控制器的開放式數控系統.計算機集成制造系統——CIMS；2002；8(11)
2   楊樂平，李海濤.LabVIEW高級程序設計.北京：清華大學出版社，2003