【文章內(nèi)容簡介】 rica C在文獻(xiàn)[27]中采用直接用數(shù)學(xué)規(guī)劃直接求取，這只適合于小規(guī)模的GTSP問題，如果問題規(guī)模很大，那么這種解法消耗的時(shí)間將是無法接受的。Lawrence V S在文獻(xiàn)[28]中采用了基于隨機(jī)值的遺傳算法對GTSP問題求解。刀具空行程路徑的優(yōu)化還需要考慮到輪廓的包含順序，用普通的GTSP解決方法獲得的解在實(shí)際切割中可能就不行。這樣的問題具有很強(qiáng)的實(shí)際意義，目前還沒有很好的能夠在有限時(shí)間內(nèi)對刀具空行程路徑進(jìn)行充分優(yōu)化的方法。 本文的工作如何在輪廓訪問順序受到限制的情況下優(yōu)化刀具空行程路徑及如何控制速度以保證速度過渡平滑并能夠在多路徑段加工時(shí)能夠保持高速是本文要解決的重點(diǎn)問題。對于裁割機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，本文將從以下四個(gè)方面進(jìn)行：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、裁割路徑優(yōu)化算法的研究、裁割速度的控制算法、整體軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。本文共分六章，每章的內(nèi)容安排如下：第一章主要介紹課題的研究背景及意義，國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及本文的主要工作和研究內(nèi)容。第二章給出了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。采用了DSP處理器TMS320F2812作為控制器芯片并且利用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器M542構(gòu)建了裁割機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。第三章提出一種刀具空行程路徑優(yōu)化算法。在切割輪廓順序受限的情況下，以遍歷所有待切割輪廓且刀頭在輪廓間移動(dòng)的空行程距離最短為優(yōu)化目標(biāo)，把約束條件轉(zhuǎn)化到遺傳算法編碼問題中，并結(jié)合啟發(fā)式搜索技術(shù)加快遺傳算法的爬山速度。所設(shè)計(jì)算法在計(jì)算過程中自適應(yīng)調(diào)整交叉和變異概率。第四章給出裁割機(jī)運(yùn)動(dòng)速度控制算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。利用5段S曲線，在速度受到拐角處夾角大小的限制情況下，盡可能地保持加工過程具有較高的速度值，并且使速度過渡平滑。第五章介紹了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。包括PC機(jī)上的應(yīng)用軟件及DSP中的速度控制算法和插補(bǔ)算法。第六章對本文研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并提出了所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的不足之處和改進(jìn)方向。 74 第2章 服裝裁割機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 服裝裁割機(jī)整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖21所示的是服裝裁割機(jī)的系統(tǒng)框圖，虛框包含區(qū)域?yàn)楸疚墓ぷ髦攸c(diǎn)所在。在PC上的切割平臺(tái)軟件中有如下幾方面功能：(1) 圖形編輯，修改；(2) 布匹邊緣及瑕疵檢測；(3) 自動(dòng)布料；(4) 刀具空行程路徑優(yōu)化。圖21 服裝裁割機(jī)系統(tǒng)框圖 通過攝像機(jī)拍得布匹樣片大小可直接錄入PC機(jī)，免去了手工輸入數(shù)據(jù)的麻煩。布匹瑕疵檢測將會(huì)提高成品的合格率，避免對不合格的布匹進(jìn)行加工，從而浪費(fèi)資源。當(dāng)獲得各個(gè)布匹樣片的輪廓大小之后，利用自動(dòng)布料系統(tǒng)在空間上合理安排各塊樣片的位置，從而減少原材料在加工過程中的浪費(fèi)。刀具空行程路徑的優(yōu)化是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)主要組成部份，因?yàn)镻C機(jī)速度快、內(nèi)存大，相同的算法在PC機(jī)執(zhí)行的速度將比在嵌入式處理器上執(zhí)行的速度快得多，所以在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)刀具空行程路徑的優(yōu)化算法，這對于加工過程中效率的提高有重大作用。ARM處理器主要用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，通過鍵盤或觸摸屏實(shí)現(xiàn)用戶輸入指令的獲取并控制水冷系統(tǒng)和吸煙排塵系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉，ARM處理器與DSP處理器的通信采用SPI，與PC機(jī)通信采用串口或USB。DSP處理器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，它需要控制X軸、Y軸兩軸電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，并檢測位置信號(hào)。速度控制和插補(bǔ)算法在DSP上實(shí)現(xiàn)，DSP輸出X、Y兩軸的速度和方向指令給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而控制刀具的行進(jìn)距離和行進(jìn)方向。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：有效裁割寬度：1650mm或2450mm；有效裁割長度：3200mm或6400mm；裁割速度：0～42000mm/min；定位精度：≤177。；利用刀具行程路徑優(yōu)化算法將空行程路徑縮短20％以上。 DSP處理器TMS320F2812TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器作為TI公司推出的32位定點(diǎn)DSP控制器，其頻率可高達(dá)150MHz，可大大提高控制系統(tǒng)的控制精度和芯片處理能力[29]。TMS320F2812芯片基于C/C++高效32位TMS320C28x DSP內(nèi)核，并提供浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫，從而可以在定點(diǎn)處理器上實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算。圖22為TMS320F281x系列的DSP功能圖。歸納起來TMS320F281x有如下特點(diǎn)[30]：主頻可達(dá)150MHz，采用低功耗設(shè)計(jì)。高性能32位CPU：1616位和3232位的乘法累加操作；1616位的雙乘法累加器；快速中斷響應(yīng)和處理能力；4MB的程序/數(shù)據(jù)尋址空間。F2812上有128K16位的Flash存儲(chǔ)器。三個(gè)32位CPU定時(shí)器。外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊(PIE)支持45個(gè)外設(shè)中斷。電機(jī)控制外設(shè)，兩個(gè)與F24xA兼容的事件管理器模塊，每個(gè)模塊包括：兩個(gè)16位的通用目的定時(shí)器；8通道16位的PWM；不對稱、對稱或空間矢量PWM波形發(fā)生器；外部可屏蔽功能或驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷；三個(gè)完全比較單元；三個(gè)捕捉單元、捕捉外部事件。串口通信外設(shè)：串行外設(shè)接口(SPI)；兩個(gè)UART接口模塊(SCI)；；多通道緩沖串口(McBSP)。高達(dá)56個(gè)可配置通用目的I/O引腳。40。C～＋85。C或40。C～＋125。C工作溫度。圖22 TMS320F281x系列DSP功能框圖如此豐富的資源和強(qiáng)大的電機(jī)控制功能使得TMS320F2812成為運(yùn)動(dòng)控制處理器的首選。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器M542對于驅(qū)動(dòng)X軸、Y軸行進(jìn)的電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用雷賽公司的M542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器的外觀如圖23所示。圖23 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器該驅(qū)動(dòng)器的主要引腳及功能如表21所示。表21 M542的主要引腳及功能引腳功能PUL+(+5V)脈沖信號(hào)：脈沖控制信號(hào)，此時(shí)脈沖上升沿有效，～5V為高電平，0～PUL(PUL)DIR+(+5V)方向信號(hào)：高/低電平信號(hào)，對應(yīng)電機(jī)正反向，為保證電機(jī)可靠響應(yīng)。方向信號(hào)應(yīng)先于脈沖信號(hào)至少5建立，電機(jī)的初始方向與電機(jī)的接線有關(guān)，～5V為高電平，0～DIR(DIR)ENA+(+5V)使能信號(hào)：此輸入信號(hào)用于使能/禁止，高電平使能，低電平時(shí)驅(qū)動(dòng)器不能工作。一般情況下可不接，使之懸空而自動(dòng)使能ENA(ENA)GND 直流電源地+V直流電源正極，+20V~+50V間任何值均可A電機(jī)A相，A+、A互調(diào)，可更換一次電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向B電機(jī)B相，B+、B互調(diào)，可更換一次電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向圖24所示的為輸入電路的共陰極接法[31]。圖24 輸入電路的共陰極接法為了避免一些誤動(dòng)作和偏差，PUL、DIR和ENA應(yīng)滿足圖25所示的時(shí)序要求：圖25 信號(hào)時(shí)序圖上圖中ENA信號(hào)應(yīng)提前DIR至少，即。設(shè)計(jì)時(shí)將EVA+和EVA懸空讓驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)使能。DIR信號(hào)應(yīng)至少提前PUL下降沿確定其狀態(tài)為高還是低，即。脈沖的高電平寬度不小于，即。脈沖的低電平寬度不小于，即。除了上面介紹的輸入信號(hào)外，M542還可通過設(shè)置其撥碼開關(guān)設(shè)定其細(xì)分。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，設(shè)定其細(xì)分?jǐn)?shù)為20細(xì)分。 運(yùn)動(dòng)控制模塊的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 運(yùn)動(dòng)控制模塊主要是以DSP處理器為主，包括了電源模塊、串口通信模塊、位置信號(hào)檢測模塊。DSP輸出的控制信號(hào)將傳給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器M542。 電源模塊設(shè)計(jì)考慮到信號(hào)檢測需要用12V的電壓。，且JTAG的工作電壓為5V，故需要將12V轉(zhuǎn)換為5V輸出。具體電路原理圖見圖26和27所示。圖26 12V轉(zhuǎn)5V電路原理圖圖27 串口通信模塊設(shè)計(jì)考慮到整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的進(jìn)度問題，需要先實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與DSP的串口通信以方便速度控制算法實(shí)現(xiàn)與調(diào)試，故在運(yùn)動(dòng)控制模塊中加入串口通信模塊。串口通信模塊的原理圖如圖28所示。圖28 串口通信原理圖 位置信號(hào)檢測模塊因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)區(qū)域有限，故需要對X軸和Y軸的運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行限制，用限位開關(guān)返回的信號(hào)確定刀具是否達(dá)到邊界。圖29 位置信號(hào)檢測原理圖當(dāng)產(chǎn)生限位信號(hào)時(shí)，采用中斷來處理該信號(hào)，用74LS21與門產(chǎn)生的信號(hào)產(chǎn)生中斷，在中斷程序中檢測是哪個(gè)方向產(chǎn)生限位信號(hào)的，其原理圖如圖210所示。圖210 采用中斷查詢方式檢測限位信號(hào) TMS320F2812信號(hào)TMS320F2812的輸出/輸入信號(hào)及其功能如表22所示。表22 DSP輸出/輸入信號(hào)表2812上的信號(hào)別名功能輸入/輸出T1PWMT1CMP/IOA6CtrY輸出Y軸脈沖輸出T2PWMT2CMP/IOA7CtrX輸出X軸脈沖輸出PWM1/IOA0DirY輸出Y軸方向輸出PWM2/IOA1DirX輸出X軸方向輸出PWM3/IOA2LaserZ控制激光功率輸出PWM4/IOA3DY_RESET檢測Y軸限位信號(hào)輸入PWM5/IOA4DX_RESET檢測X軸限位信號(hào)輸入PWM6/IOA5DZ_RESET檢測Z軸限位信號(hào)輸入XINT2_ADCSOC/IOE1外部中斷輸入 系統(tǒng)電路板及實(shí)物圖圖211是依據(jù)原理圖設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的PCB圖圖211 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)PCB圖圖212為實(shí)物圖。圖212 實(shí)物圖第3章 裁割機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑優(yōu)化 路徑優(yōu)化問題的提出在服裝布匹、樣片切割時(shí)，通常有多個(gè)輪廓需要切割，而每個(gè)輪廓通常由多條線段組成，即一個(gè)輪廓少則由4個(gè)點(diǎn)組成，多則由幾百個(gè)點(diǎn)組成。當(dāng)?shù)毒咭懈钜粋€(gè)輪廓時(shí)，先要選擇輪廓中的某一個(gè)點(diǎn)作為切割起點(diǎn)，接著按照一定的順序走遍輪廓上的所有點(diǎn)，最后回到切割起點(diǎn)從而完成一個(gè)輪廓的切割。正是由于存在多個(gè)輪廓而一個(gè)輪廓又存在多個(gè)點(diǎn)，如果要切割完所有輪廓，那么必將需要在每個(gè)輪廓上選擇一個(gè)切割起點(diǎn)組成一條裁割機(jī)空刀行程的路徑。以圖31為例，需要切割四個(gè)輪廓，包含3個(gè)點(diǎn)，包含4個(gè)點(diǎn)，包含4個(gè)點(diǎn)，包含5個(gè)點(diǎn)。每個(gè)輪廓的點(diǎn)坐標(biāo)在源PLT文件中的出現(xiàn)順序如其下標(biāo)所示，如表示第1個(gè)輪廓的第1個(gè)點(diǎn)，第1個(gè)點(diǎn)是輪廓的原始切割起點(diǎn)。刀具的起始點(diǎn)在原點(diǎn)，那么需要在每個(gè)輪廓中選取一個(gè)點(diǎn)作為切割起點(diǎn)，使得遍歷每個(gè)輪廓一次的路徑最短，在這過程中就有可能要改變輪廓的原始切割起點(diǎn)。圖31中的從原點(diǎn)出發(fā)的路徑為一條可行路徑。如果存在輪廓的包含現(xiàn)象(即一個(gè)輪廓在另外一個(gè)輪廓之內(nèi))，那么為了保證切割質(zhì)量，需要先切割完內(nèi)部輪廓才能切割外部輪廓。如何找到一條路徑讓空刀行程最短，也就是裁割機(jī)路徑優(yōu)化問題需要解決的，而輪廓切割順序的限制也就成了優(yōu)化問題的約束條件。圖31 路徑加工圖把多輪廓加工路徑優(yōu)化問題描述為：給定個(gè)點(diǎn)集，把中的點(diǎn)數(shù)記為。從每個(gè)點(diǎn)集中任取一點(diǎn)構(gòu)成完全圖，把的一條Hamilton路徑記為，則刀具的最短加工路徑應(yīng)滿足: (31) 式(31)中：分別表示路徑的長度。優(yōu)化的約束條件：存在點(diǎn)集包含關(guān)系時(shí)，必先取內(nèi)部后取外部。對于裁割機(jī)的路徑優(yōu)化問題如果每個(gè)點(diǎn)集只包含一個(gè)點(diǎn)，那么就退化為一個(gè)旅行商問題(TSP)。針對旅行商問題，已出現(xiàn)了很多種方法。如LinKernighan方法[32]、模擬退法[3334]和進(jìn)化算法[3537]。后者常需要更多的計(jì)算時(shí)間而求得的解常不如前者求得的好，為了提高后者的效率，可將局部優(yōu)化方法與該方法結(jié)合。局部優(yōu)化方法可提高進(jìn)化算法的搜索能力，有助于更快的找到全局最優(yōu)解。求解TSP問題的方法雖然可以用來求解對于裁割機(jī)的路徑優(yōu)化問題[38]，但是這些方法畢竟把問題給簡化了，使得路徑不能得到比較充分的優(yōu)化。其實(shí)裁割機(jī)的路徑優(yōu)化問題屬于廣義旅行商問題(GTSP)范疇。上世紀(jì)60年代，HenryLabordere, Saksena, Srivastava幾乎同時(shí)提出了GTSP。圖論上GTSP可定義如下：設(shè)是一個(gè)賦權(quán)圖，其中為頂點(diǎn)集，為弧集。是定義在弧集E上的費(fèi)用矩陣，其中為弧的費(fèi)用，費(fèi)用在實(shí)際問題中可解釋為權(quán)重或距離等。先把定點(diǎn)集V分為p個(gè)點(diǎn)群。GTSP問題就是要找一條不要求遍歷所有點(diǎn)，但是要遍歷p個(gè)點(diǎn)群的費(fèi)用最小的Hamilton回路。GTSP問題可分為兩類：第一類要求回路只訪問每個(gè)點(diǎn)群中的一個(gè)點(diǎn)，如圖32所示，第二類為至少訪問每個(gè)點(diǎn)群一次，如圖33所示。圖32 第一類GTSP問題 圖33 第二類GTSP問題目前針對GTSP問題的解決方法很少，因?yàn)門SP問題是GTSP問題的一個(gè)特例，因此把GTSP轉(zhuǎn)化為TSP問題來處理[39]是種常見的處理方法。而把智能算法和局部搜索技術(shù)結(jié)合用來求解GTSP問題也得到重視[40] 。本文考慮的裁割機(jī)的加工路徑優(yōu)化問題就是點(diǎn)群訪問順序受到限制的第一類GTSP問題，而目前很少有文獻(xiàn)考慮到此種情況[4144]。 本文采用的是遺傳算法和啟發(fā)式局部搜索技術(shù)的結(jié)合來解決裁割機(jī)的加工路徑優(yōu)化問題。采用的方法把約束條件轉(zhuǎn)移到遺傳算法的編碼問題中，設(shè)計(jì)特殊的交叉和變異因子，并結(jié)合啟發(fā)式搜索技術(shù)來加快遺傳算法的“爬山”速度，算法在執(zhí)行過程中可自動(dòng)調(diào)整交叉和變異概率。 遺傳算法遺傳算法是基于進(jìn)化論的原理發(fā)展起來的一種應(yīng)用廣泛、高效的隨機(jī)搜索優(yōu)化方法[4546]，其具有魯棒性強(qiáng)、使用方便等特點(diǎn)，在近年來的組合優(yōu)化問題上得到了廣泛的應(yīng)用。遺傳算法的發(fā)展起于70年代，是模擬達(dá)爾文提出的遺傳選擇和自然淘汰的生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型。，經(jīng)過多年發(fā)展，遺傳算法的應(yīng)用無論是用來解決實(shí)際問題還是建模，其范圍不斷擴(kuò)展。針對不同的問題可能有不同的遺傳基因表達(dá)方式、不同的交叉和變異算子、不同的選擇和復(fù)制方法，人們用進(jìn)化計(jì)算來包容這樣的遺傳算法簇。它被基本劃分為四個(gè)分支：遺傳算法(GA)、進(jìn)化規(guī)劃(EP)、進(jìn)