鞋楦扫描机的控制系统的开发
日期：2008-9-11 8:49:37 来源：中国自动化网
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摘要：本文论述了鞋楦扫描机的数控系统，运动控制卡，伺服系统和光栅尺构成控制系统。简要论述了运动控制卡，伺服系统和光栅尺的选择和控制。
[中图分类号>TP29
[文献标识码>B
1 引言
在全球制鞋业中，中国制鞋业可谓异军突起。短短的十多年，中国一跃升为全球最大的鞋类生产国和出口国。制鞋业的迅猛发展也带动了鞋楦业，鞋子的样式越来越多，就要求鞋楦也要不断翻新，这促成了鞋楦从耐用品变成易耗品。机械鞋楦机采用的是仿形加工的原理，它实现了鞋楦加工的批量生产，带来了鞋楦业的飞速发展。但是机械鞋楦机也有其不可避免的缺点：首先，从产品角度来讲，它加工出来的鞋楦的鞋帮两侧，总有几道较明显的纵痕，鞋楦很不光滑，这对于要求越来越高的制鞋业来说，是不能满足要求的；其次，机械鞋楦机在实现鞋楦的缩放时，需要工人凭经验手工调整机器，这对工人要求比较高；再次，也是最重要的，传统的加工方法无法建立工件尺寸的文件，也无法做任何的外形修改。
2 数控鞋楦机的数字化逆向工程系统
数控鞋楦机可以避免机械鞋楦机的缺点。数控鞋楦机采用数字化的逆向工程系统，数字化的逆向工程系统在对鞋楦模型进行三维扫描后，得到模型的三维数据文件，通过处理数据文件（如表面光滑处理，插值处理等），实现对鞋楦模型的缩放，并能改变鞋楦加工表面的螺旋线的螺距，从而改善加工表面的质量。同时，所得数据文件可以存入电脑，需要时可再调出来，同一类型的鞋楦只需扫描一次，管理非常方便。显然，这样的数字化逆向工程系统才是满足现代鞋楦业的发展的。数控鞋楦机的数字逆向工程流程图如图1所示：
国外的数控鞋楦机到目前为止已经非常完善了，在实际应用中也得到极大肯定。我们国内由于种种原因，起步较晚，所以笔者所在实验室在参考国外机器的前提下，以实际应用作为主要目的，进行数控鞋楦机的研制，为国内在该领域的企业提供一些参考。该数控鞋楦机有两部分组成，一部分是扫描机，它通过扫描得到鞋楦的三维数据，另一部分是刻楦机，它利用扫描得到的三维数据加工出鞋楦。本文主要讨论鞋楦扫描机的控制系统设计，只有扫描得到的数据文件准确，才能保证加工出来的鞋楦的质量，因此鞋楦扫描机是实现鞋楦加工的基础和前提。
3 鞋楦扫描机的扫描原理
首先，简要介绍一下鞋楦扫描机的扫描原理，如下图2所示。
如上图所示，X轴带动鞋楦的自转，Y轴为指向鞋楦中心线，Z轴在鞋楦长度方向移动，即扫描轮移动的方向。鞋楦扫描机采用接触式测量方式，所用测量工具为扫描轮，它安装在Y轴方向，扫描轮靠在鞋楦上，其后面由气泵顶着，扫描轮随着鞋子的运动而前后移动，扫描轮后面的光栅尺采集鞋楦数据。
4 鞋楦扫描机的控制系统概述
鞋楦扫描机采用PC机作为上位机，利用面向对象的语言VC＋＋进行软件设计、开发，通过运动控制卡驱动系统并采集三根轴的数据，得到扫描数据文件，以用于加工。上位机作为扫描机的操作界面，完成数据分析、处理以及对执行机构的控制等任务。运动控制卡作为控制核心，完成发送及接收脉冲。伺服电机接受板卡发送的脉冲，驱动各个轴运动，同时，伺服电机编码器反馈给运动控制。整个控制系统简图如下图3所示。
下面主要介绍运动控制卡，伺服电机以及光栅尺的选择及控制。
4．1 运动控制卡的选择及控制
在扫描系统中，运动控制卡是整个系统的核心，因此选择合适的运动控制卡是很重要的。
在扫描过程中，运动控制卡需要控制Z轴和X轴的伺服电机，运动控制卡不仅要发送脉冲给电机驱动器，同时接受伺服电机编码器反馈的脉冲数。运动控制卡还接受光栅尺反馈信号。由于是采集鞋楦三维的数据，采样点越密集，加工出来的产品越光滑。在本系统中，设定鞋楦转一圈需要采样几百个点，因此对运动控制卡的驱动输出脉冲要求比较高，对编码器输入频率也有一定要求，控制轴数要求三轴。综合考虑各种性能以及经济性等,选择深圳雷赛公司的DMC3000系列运动控制卡。
本系统的运动控制卡是基于PCI总线的高性能运动控制卡，可控制多达四轴步进或伺服电机。此系列具有即插即用、最高4MHz脉冲频率、S曲线减振功能、编码器反馈、随时变速等高级功能。
本运动控制卡的每一轴的两个信号输出口PUL和DIR可用来输出脉冲和方向信号，这两个输出口可以由程序设成正脉冲+反脉冲（双脉冲）模式或脉冲+方向模式（单脉冲）。本系统采用脉冲+方向形式，并设定脉冲为差分输出方式，在差分输出模式下，每一个信号可以被差分成一对相异的信号。使用差分输出方式可有效的减少传输中的干扰，提高可靠性。X轴和Z轴的伺服电机驱动器接收来自运动控制卡的脉冲和方向信号。
本运动控制卡可同时控制四根轴，每一轴都有三对差分的A相、B相和Z相输入信号，EA和EB信号用来进行位置计算，EZ信号用作原点索引信号。每一轴都有一个原点开关信号，通过机械原点信号输入来查找该轴的原点，可通过软件设定原点开关模式。每一轴都有两个位置限位信号EL+（正向限位）和EL-（反向限位），可通过软件设定限位开关模式。在本系统中，X轴和Z轴的伺服电机编码器反馈的脉冲信号都接入运动控制卡。由于每根轴运动初始有个起始位，因此需要用原点信号，软件通过搜索原点信号来确定起始位。X轴为旋转方向，不需要正反限位，只采用一个原点信号。Z轴除了原点信号外，还接入正负两个位置限位信号，两个限位起保护作用。通用数字输入输出口也可用来接一些开关信号。
对于单轴运动，按照运动距离来分,本运动控制卡有定长运行模式和连续运行模式。按照运动速度来分，本运动控制卡有梯形速度运行模式和S曲线运行模式。S曲线运行模式用来让一根轴以S曲线速度运行指定脉冲数，S曲线运行模式可以有效消除并改善加减速时的振动，使运动非常平滑。如下图4所示:
由于S曲线运行模式较于梯形速度运行模式的优点，本系统中均采用S曲线运行模式。在扫描开始前，为了测量鞋楦的底板直长，需要将鞋楦转过一定角度，这时采用定长运行模式。在扫描过程中，Z轴和X轴执行同时但独立的运动，并且是连续运动。同时保证这两根轴以一定的比例速度运动。实际情况证明，本运动控制卡能满足本系统的要求，实现鞋楦数据的三维扫描，从而得到鞋楦三维数据文件。
4．2 伺服电机的选择及控制
由于本控制系统对实时性要求比较高，运动控制卡发送脉冲给电机驱动器，要求电机立即发脉冲，不得延迟，不得有误。因此本控制系统不能采用步进电机，而必须采用伺服电机系统。同时伺服电机具有控制精度高，较强的过载能力，速度响应性能好，运行性能可靠等一系列优点。在本系统中，我们选用Panasonic全数字式交流伺服驱动器MSDA0231A1A，配置的伺服电机为MSM022A1。驱动器所带电机的额定输出功率为1.5kw，旋转编码器为增量型2500P/r，输入电源为3相220V，额定速度为2000r/m。
本系统中要求到位比较准确迅速，由于在鞋楦转一圈（即X轴转动一圈）需要采样几百个点，因此对伺服系统的响应要求比较高。同时，伺服电机的参数对扫描质量也有一定影响。在系统采用的控制模式下，将伺服电机的参数调整到比较好的情况，主要是以下几个参数。
1．参数NO.10（第一位置环增益）定义位置控制的响应曲线，增益设定越高，定位时间越快。
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[中图分类号>TP29
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1 引言
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在全球制鞋业中，中国制鞋业可谓异军突起。短短的十多年，中国一跃升为全球最大的鞋类生产国和出口国。制鞋业的迅猛发展也带动了鞋楦业，鞋子的样式越来越多，就要求鞋楦也要不断翻新，这促成了鞋楦从耐用品变成易耗品。机械鞋楦机采用的是仿形加工的原理，它实现了鞋楦加工的批量生产，带来了鞋楦业的飞速发展。但是机械鞋楦机也有其不可避免的缺点：首先，从产品角度来讲，它加工出来的鞋楦的鞋帮两侧，总有几道较明显的纵痕，鞋楦很不光滑，这对于要求越来越高的制鞋业来说，是不能满足要求的；其次，机械鞋楦机在实现鞋楦的缩放时，需要工人凭经验手工调整机器，这对工人要求比较高；再次，也是最重要的，传统的加工方法无法建立工件尺寸的文件，也无法做任何的外形修改。
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2 数控鞋楦机的数字化逆向工程系统
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数控鞋楦机可以避免机械鞋楦机的缺点。数控鞋楦机采用数字化的逆向工程系统，数字化的逆向工程系统在对鞋楦模型进行三维扫描后，得到模型的三维数据文件，通过处理数据文件（如表面光滑处理，插值处理等），实现对鞋楦模型的缩放，并能改变鞋楦加工表面的螺旋线的螺距，从而改善加工表面的质量。同时，所得数据文件可以存入电脑，需要时可再调出来，同一类型的鞋楦只需扫描一次，管理非常方便。显然，这样的数字化逆向工程系统才是满足现代鞋楦业的发展的。数控鞋楦机的数字逆向工程流程图如图1所示：
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国外的数控鞋楦机到目前为止已经非常完善了，在实际应用中也得到极大肯定。我们国内由于种种原因，起步较晚，所以笔者所在实验室在参考国外机器的前提下，以实际应用作为主要目的，进行数控鞋楦机的研制，为国内在该领域的企业提供一些参考。该数控鞋楦机有两部分组成，一部分是扫描机，它通过扫描得到鞋楦的三维数据，另一部分是刻楦机，它利用扫描得到的三维数据加工出鞋楦。本文主要讨论鞋楦扫描机的控制系统设计，只有扫描得到的数据文件准确，才能保证加工出来的鞋楦的质量，因此鞋楦扫描机是实现鞋楦加工的基础和前提。
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3 鞋楦扫描机的扫描原理
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首先，简要介绍一下鞋楦扫描机的扫描原理，如下图2所示。
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如上图所示，X轴带动鞋楦的自转，Y轴为指向鞋楦中心线，Z轴在鞋楦长度方向移动，即扫描轮移动的方向。鞋楦扫描机采用接触式测量方式，所用测量工具为扫描轮，它安装在Y轴方向，扫描轮靠在鞋楦上，其后面由气泵顶着，扫描轮随着鞋子的运动而前后移动，扫描轮后面的光栅尺采集鞋楦数据。
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4 鞋楦扫描机的控制系统概述
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鞋楦扫描机采用PC机作为上位机，利用面向对象的语言VC＋＋进行软件设计、开发，通过运动控制卡驱动系统并采集三根轴的数据，得到扫描数据文件，以用于加工。上位机作为扫描机的操作界面，完成数据分析、处理以及对执行机构的控制等任务。运动控制卡作为控制核心，完成发送及接收脉冲。伺服电机接受板卡发送的脉冲，驱动各个轴运动，同时，伺服电机编码器反馈给运动控制。整个控制系统简图如下图3所示。
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下面主要介绍运动控制卡，伺服电机以及光栅尺的选择及控制。
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4．1 运动控制卡的选择及控制
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在扫描系统中，运动控制卡是整个系统的核心，因此选择合适的运动控制卡是很重要的。
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在扫描过程中，运动控制卡需要控制Z轴和X轴的伺服电机，运动控制卡不仅要发送脉冲给电机驱动器，同时接受伺服电机编码器反馈的脉冲数。运动控制卡还接受光栅尺反馈信号。由于是采集鞋楦三维的数据，采样点越密集，加工出来的产品越光滑。在本系统中，设定鞋楦转一圈需要采样几百个点，因此对运动控制卡的驱动输出脉冲要求比较高，对编码器输入频率也有一定要求，控制轴数要求三轴。综合考虑各种性能以及经济性等,选择深圳雷赛公司的DMC3000系列运动控制卡。
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本系统的运动控制卡是基于PCI总线的高性能运动控制卡，可控制多达四轴步进或伺服电机。此系列具有即插即用、最高4MHz脉冲频率、S曲线减振功能、编码器反馈、随时变速等高级功能。
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本运动控制卡的每一轴的两个信号输出口PUL和DIR可用来输出脉冲和方向信号，这两个输出口可以由程序设成正脉冲+反脉冲（双脉冲）模式或脉冲+方向模式（单脉冲）。本系统采用脉冲+方向形式，并设定脉冲为差分输出方式，在差分输出模式下，每一个信号可以被差分成一对相异的信号。使用差分输出方式可有效的减少传输中的干扰，提高可靠性。X轴和Z轴的伺服电机驱动器接收来自运动控制卡的脉冲和方向信号。
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本运动控制卡可同时控制四根轴，每一轴都有三对差分的A相、B相和Z相输入信号，EA和EB信号用来进行位置计算，EZ信号用作原点索引信号。每一轴都有一个原点开关信号，通过机械原点信号输入来查找该轴的原点，可通过软件设定原点开关模式。每一轴都有两个位置限位信号EL+（正向限位）和EL-（反向限位），可通过软件设定限位开关模式。在本系统中，X轴和Z轴的伺服电机编码器反馈的脉冲信号都接入运动控制卡。由于每根轴运动初始有个起始位，因此需要用原点信号，软件通过搜索原点信号来确定起始位。X轴为旋转方向，不需要正反限位，只采用一个原点信号。Z轴除了原点信号外，还接入正负两个位置限位信号，两个限位起保护作用。通用数字输入输出口也可用来接一些开关信号。
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对于单轴运动，按照运动距离来分,本运动控制卡有定长运行模式和连续运行模式。按照运动速度来分，本运动控制卡有梯形速度运行模式和S曲线运行模式。S曲线运行模式用来让一根轴以S曲线速度运行指定脉冲数，S曲线运行模式可以有效消除并改善加减速时的振动，使运动非常平滑。如下图4所示:
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由于S曲线运行模式较于梯形速度运行模式的优点，本系统中均采用S曲线运行模式。在扫描开始前，为了测量鞋楦的底板直长，需要将鞋楦转过一定角度，这时采用定长运行模式。在扫描过程中，Z轴和X轴执行同时但独立的运动，并且是连续运动。同时保证这两根轴以一定的比例速度运动。实际情况证明，本运动控制卡能满足本系统的要求，实现鞋楦数据的三维扫描，从而得到鞋楦三维数据文件。
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4．2 伺服电机的选择及控制
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由于本控制系统对实时性要求比较高，运动控制卡发送脉冲给电机驱动器，要求电机立即发脉冲，不得延迟，不得有误。因此本控制系统不能采用步进电机，而必须采用伺服电机系统。同时伺服电机具有控制精度高，较强的过载能力，速度响应性能好，运行性能可靠等一系列优点。在本系统中，我们选用Panasonic全数字式交流伺服驱动器MSDA0231A1A，配置的伺服电机为MSM022A1。驱动器所带电机的额定输出功率为1.5kw，旋转编码器为增量型2500P/r，输入电源为3相220V，额定速度为2000r/m。
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本系统中要求到位比较准确迅速，由于在鞋楦转一圈（即X轴转动一圈）需要采样几百个点，因此对伺服系统的响应要求比较高。同时，伺服电机的参数对扫描质量也有一定影响。在系统采用的控制模式下，将伺服电机的参数调整到比较好的情况，主要是以下几个参数。
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1．参数NO.10（第一位置环增益）定义位置控制的响应曲线，增益设定越高，定位时间越快。
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