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    1 引言

    在全球制鞋業(yè)中，中國制鞋業(yè)可謂異軍突起。短短的十多年，中國一躍升為全球最大的鞋類生產(chǎn)國和出口國。制鞋業(yè)的迅猛發(fā)展也帶動了鞋楦業(yè)，鞋子的樣式越來越多，就要求鞋楦也要不斷翻新，這促成了鞋楦從耐用品變成易耗品。機械鞋楦機采用的是仿形加工的原理，它實現(xiàn)了鞋楦加工的批量生產(chǎn)，帶來了鞋楦業(yè)的飛速發(fā)展。但是機械鞋楦機也有其不可避免的缺點：首先，從產(chǎn)品角度來講，它加工出來的鞋楦的鞋幫兩側(cè)，總有幾道較明顯的縱痕，鞋楦很不光滑，這對于要求越來越高的制鞋業(yè)來說，是不能滿足要求的；其次，機械鞋楦機在實現(xiàn)鞋楦的縮放時，需要工人憑經(jīng)驗手工調(diào)整機器，這對工人要求比較高；再次，也是最重要的，傳統(tǒng)的加工方法無法建立工件尺寸的文件，也無法做任何的外形修改。

    2 數(shù)控鞋楦機的數(shù)字化逆向工程系統(tǒng)
                  　　
    數(shù)控鞋楦機可以避免機械鞋楦機的缺點。數(shù)控鞋楦機采用數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)，數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)在對鞋楦模型進行三維掃描后，得到模型的三維數(shù)據(jù)文件，通過處理數(shù)據(jù)文件（如表面光滑處理，插值處理等），實現(xiàn)對鞋楦模型的縮放，并能改變鞋楦加工表面的螺旋線的螺距，從而改善加工表面的質(zhì)量。同時，所得數(shù)據(jù)文件可以存入電腦，需要時可再調(diào)出來，同一類型的鞋楦只需掃描一次，管理非常方便。顯然，這樣的數(shù)字化逆向工程系統(tǒng)才是滿足現(xiàn)代鞋楦業(yè)的發(fā)展的。數(shù)控鞋楦機的數(shù)字逆向工程流程圖如圖1所示：

    圖1 數(shù)控鞋楦機的數(shù)字逆向工程流程圖

    國外的數(shù)控鞋楦機到目前為止已經(jīng)非常完善了，在實際應(yīng)用中也得到極大肯定。我們國內(nèi)由于種種原因，起步較晚，所以筆者所在實驗室在參考國外機器的前提下，以實際應(yīng)用作為主要目的，進行數(shù)控鞋楦機的研制，為國內(nèi)在該領(lǐng)域的企業(yè)提供一些參考。該數(shù)控鞋楦機有兩部分組成，一部分是掃描機，它通過掃描得到鞋楦的三維數(shù)據(jù)，另一部分是刻楦機，它利用掃描得到的三維數(shù)據(jù)加工出鞋楦。本文主要討論鞋楦掃描機的控制系統(tǒng)設(shè)計，只有掃描得到的數(shù)據(jù)文件準(zhǔn)確，才能保證加工出來的鞋楦的質(zhì)量，因此鞋楦掃描機是實現(xiàn)鞋楦加工的基礎(chǔ)和前提。

    3 鞋楦掃描機的掃描原理
                  　　
    首先，簡要介紹一下鞋楦掃描機的掃描原理，如下圖2所示。

    圖2 鞋楦掃描機的掃描原理圖

    如上圖所示，X軸帶動鞋楦的自轉(zhuǎn)，Y軸為指向鞋楦中心線，Z軸在鞋楦長度方向移動，即掃描輪移動的方向。鞋楦掃描機采用接觸式測量方式，所用測量工具為掃描輪，它安裝在Y軸方向，掃描輪靠在鞋楦上，其后面由氣泵頂著，掃描輪隨著鞋子的運動而前后移動，掃描輪后面的光柵尺采集鞋楦數(shù)據(jù)。

    4 鞋楦掃描機的控制系統(tǒng)概述

    鞋楦掃描機采用PC機作為上位機，利用面向?qū)ο蟮恼Z言VC＋＋進行軟件設(shè)計、開發(fā)，通過運動控制卡驅(qū)動系統(tǒng)并采集三根軸的數(shù)據(jù)，得到掃描數(shù)據(jù)文件，以用于加工。上位機作為掃描機的操作界面，完成數(shù)據(jù)分析、處理以及對執(zhí)行機構(gòu)的控制等任務(wù)。運動控制卡作為控制核心，完成發(fā)送及接收脈沖。伺服電機接受板卡發(fā)送的脈沖，驅(qū)動各個軸運動，同時，伺服電機編碼器反饋給運動控制。整個控制系統(tǒng)簡圖如下圖3所示。

    圖3 控制系統(tǒng)總框圖

    下面主要介紹運動控制卡，伺服電機以及光柵尺的選擇及控制。

    4．1 運動控制卡的選擇及控制
                  　　
    在掃描系統(tǒng)中，運動控制卡是整個系統(tǒng)的核心，因此選擇合適的運動控制卡是很重要的。
                  　　
    在掃描過程中，運動控制卡需要控制Z軸和X軸的伺服電機，運動控制卡不僅要發(fā)送脈沖給電機驅(qū)動器，同時接受伺服電機編碼器反饋的脈沖數(shù)。運動控制卡還接受光柵尺反饋信號。由于是采集鞋楦三維的數(shù)據(jù)，采樣點越密集，加工出來的產(chǎn)品越光滑。在本系統(tǒng)中，設(shè)定鞋楦轉(zhuǎn)一圈需要采樣幾百個點，因此對運動控制卡的驅(qū)動輸出脈沖要求比較高，對編碼器輸入頻率也有一定要求，控制軸數(shù)要求三軸。綜合考慮各種性能以及經(jīng)濟性等,選擇深圳雷賽公司的DMC3000系列運動控制卡。
                  　　
    本系統(tǒng)的運動控制卡是基于PCI總線的高性能運動控制卡，可控制多達四軸步進或伺服電機。此系列具有即插即用、最高4MHz脈沖頻率、S曲線減振功能、編碼器反饋、隨時變速等高級功能。
                  　　
    本運動控制卡的每一軸的兩個信號輸出口PUL和DIR可用來輸出脈沖和方向信號，這兩個輸出口可以由程序設(shè)成正脈沖+反脈沖（雙脈沖）模式或脈沖+方向模式（單脈沖）。本系統(tǒng)采用脈沖+方向形式，并設(shè)定脈沖為差分輸出方式，在差分輸出模式下，每一個信號可以被差分成一對相異的信號。使用差分輸出方式可有效的減少傳輸中的干擾，提高可靠性。X軸和Z軸的伺服電機驅(qū)動器接收來自運動控制卡的脈沖和方向信號。
                  　　
    本運動控制卡可同時控制四根軸，每一軸都有三對差分的A相、B相和Z相輸入信號，EA和EB信號用來進行位置計算，EZ信號用作原點索引信號。每一軸都有一個原點開關(guān)信號，通過機械原點信號輸入來查找該軸的原點，可通過軟件設(shè)定原點開關(guān)模式。每一軸都有兩個位置限位信號EL+（正向限位）和EL-（反向限位），可通過軟件設(shè)定限位開關(guān)模式。在本系統(tǒng)中，X軸和Z軸的伺服電機編碼器反饋的脈沖信號都接入運動控制卡。由于每根軸運動初始有個起始位，因此需要用原點信號，軟件通過搜索原點信號來確定起始位。X軸為旋轉(zhuǎn)方向，不需要正反限位，只采用一個原點信號。Z軸除了原點信號外，還接入正負兩個位置限位信號，兩個限位起保護作用。通用數(shù)字輸入輸出口也可用來接一些開關(guān)信號。
                 
    對于單軸運動，按照運動距離來分,本運動控制卡有定長運行模式和連續(xù)運行模式。按照運動速度來分，本運動控制卡有梯形速度運行模式和S曲線運行模式。S曲線運行模式用來讓一根軸以S曲線速度運行指定脈沖數(shù)，S曲線運行模式可以有效消除并改善加減速時的振動，使運動非常平滑。如下圖4所示:

    圖4 S曲線速度及加速度

    由于S曲線運行模式較于梯形速度運行模式的優(yōu)點，本系統(tǒng)中均采用S曲線運行模式。在掃描開始前，為了測量鞋楦的底板直長，需要將鞋楦轉(zhuǎn)過一定角度，這時采用定長運行模式。在掃描過程中，Z軸和X軸執(zhí)行同時但獨立的運動，并且是連續(xù)運動。同時保證這兩根軸以一定的比例速度運動。實際情況證明，本運動控制卡能滿足本系統(tǒng)的要求，實現(xiàn)鞋楦數(shù)據(jù)的三維掃描，從而得到鞋楦三維數(shù)據(jù)文件。

    4．2 伺服電機的選擇及控制
                  　　
    由于本控制系統(tǒng)對實時性要求比較高，運動控制卡發(fā)送脈沖給電機驅(qū)動器，要求電機立即發(fā)脈沖，不得延遲，不得有誤。因此本控制系統(tǒng)不能采用步進電機，而必須采用伺服電機系統(tǒng)。同時伺服電機具有控制精度高，較強的過載能力，速度響應(yīng)性能好，運行性能可靠等一系列優(yōu)點。在本系統(tǒng)中，我們選用Panasonic全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動器MSDA0231A1A，配置的伺服電機為MSM022A1。驅(qū)動器所帶電機的額定輸出功率為1.5kw，旋轉(zhuǎn)編碼器為增量型2500P/r，輸入電源為3相220V，額定速度為2000r/m。
                  　　
    本系統(tǒng)中要求到位比較準(zhǔn)確迅速，由于在鞋楦轉(zhuǎn)一圈（即X軸轉(zhuǎn)動一圈）需要采樣幾百個點，因此對伺服系統(tǒng)的響應(yīng)要求比較高。同時，伺服電機的參數(shù)對掃描質(zhì)量也有一定影響。在系統(tǒng)采用的控制模式下，將伺服電機的參數(shù)調(diào)整到比較好的情況，主要是以下幾個參數(shù)。

    1．參數(shù)NO.10（第一位置環(huán)增益）定義位置控制的響應(yīng)曲線，增益設(shè)定越高，定位時間越快。
   
    2．參數(shù)NO.11（第一速度環(huán)增益）和參數(shù)NO.10一起獲得伺服系統(tǒng)的總響應(yīng)曲線。盡可能設(shè)定高增益。
   
    3．參數(shù)NO.15（速度前饋）設(shè)定位置控制中速度前饋量。在電機恒速運轉(zhuǎn)時，若將此值設(shè)為100％，位置偏差幾乎為零。此值設(shè)定得較高，可在較小的位置偏差獲得較快反應(yīng)，但可能會導(dǎo)致超調(diào)。
    通過對NO.46，NO.4B參數(shù)的設(shè)置，可以很方便的與各種頻率的指令脈沖相匹配，以達到理想的控制分辨率(角度/脈沖)。二者的值差異過大會造成控制精度下降。所以推薦設(shè)置NO.46/NO.4B(即：電子齒輪比)為：1/50<電子齒輪比<20。

    4．3 光柵尺的選擇及控制
                  　　
    在本控制系統(tǒng)中，光柵尺用于采集Y軸數(shù)據(jù)，它安裝在掃描輪的后面，在掃描過程中，掃描輪不斷前后移動，從而帶動光柵尺移動，光柵尺采集到的脈沖信號反饋到運動控制卡。結(jié)合實際應(yīng)用情況，考慮精度、可靠性、經(jīng)濟性等各種因素，我們選用FAGOR MVX-225線性光柵尺。它采用的玻璃鍍鉻刻度柵距為20um，精度為±5um，分辨率為1um，其輸出信號為差動TTL信號，輸出信號周期“T”為4um，最大速度為60m/min。由于在本系統(tǒng)中，光柵尺需要不停前后移動，而該光柵尺讀數(shù)頭移動采用滾動軸承，可最小限度減小磨損，大大提高使用壽命，該光柵尺的移動壽命超過9000km。
                  　　
    FAGOR反饋系統(tǒng)提供的電信號是通過鍍刻在直尺上的鉻線柵格，通過光電處理轉(zhuǎn)換成電信號。FAGOR反饋系統(tǒng)用紅外線發(fā)光二極管作為光源，這種光源具有安全、可靠和壽命長的特點。
                  　　
    為在測量中提供一個絕對參考點，在線性光柵尺臨近反饋刻線的某些位置提供參考點標(biāo)記信號。此標(biāo)記信號是由特定的刻線產(chǎn)生的一個脈沖，當(dāng)運行通過該點時能確定機床的絕對位置，這主要是為防止數(shù)控機床掉電后軸意外移動而產(chǎn)生誤差。FAGOR線性光柵尺每隔50mm就有一個參考點標(biāo)記Io。此標(biāo)記產(chǎn)生的信號，是和反饋信號同步的，目的是為保證可靠的測量重復(fù)精度。實際情況證明，F(xiàn)AGOR MVX-225線性光柵尺能夠滿足本系統(tǒng)的控制要求。

    5 結(jié)束語
                  　　
    如上，運動控制卡，伺服系統(tǒng)和光柵尺構(gòu)成了鞋楦掃描機的數(shù)字控制系統(tǒng)。實際證明，整個控制系統(tǒng)運作非常穩(wěn)定，將掃描得到的數(shù)據(jù)文件用于鞋楦刻楦機加工，加工出來的產(chǎn)品很光滑，完全避免了機械鞋楦機的缺點，能夠滿足市場的需求。

    參考文獻：

    1．許智欽 孫長庫 編著 《3D逆向工程技術(shù)》 中國計量出版社

    2．深圳雷賽DMC3000控制板硬件手冊

    3．深圳雷賽DMC3000控制板軟件手冊

    4．Panasonic交流伺服電機驅(qū)動器MINAS A系列使用說明

    5．FAGOR光柵尺使用說明