CN108427389B - 基于工业互联网的皮革优化排样与多机协调裁断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于工业互联网的皮革优化排样与多机协调裁断技术。采用现场总线技术和Ethernet/IP工业以太网的异构网络融合技术实现对多台裁断机的实时监控和操作。提出针对二维不规则样片排样的高效排样算法实现皮革的优化排样，同时结合通信网络的实时性与多机协调裁断策略，实现皮革裁断的快速流水线操作和较低的皮革浪费率。与传统的皮革裁断技术相比，该技术能够实现高效、浪费率低、节约人工成本、降低能耗等多方面优点。

Description

基于工业互联网的皮革优化排样与多机协调裁断方法

技术领域

本发明涉及使用裁断机生产皮革制品等服装面料的技术领域，特别是一种基于工业互联网的皮革优化排样与多机协调裁断技术。

背景技术

裁断机是服装面料生产过程中的常用设备，其工作过程包括：辊轮带动布料从入口给入，根据排样规则，经机器内部的钺刀或者可移动刀刃进行裁断。目前，多数企业在实际生产中采用人工排样手动裁断等人工操作方式进行粗放式生产，具有自动化程度低、人工成本高、材料利用率低和生产效率低的缺点，也严重影响了服装制品的质量。随着计算机技术的发展以及排样算法的提出，利用计算机的智能化与快速的计算能力，将其应用在裁断机生产中，一定程度上克服了人工排样的缺点，节约面料避免浪费。但是由于目前生产过程中的裁断机仍然是单机式操作，电脑端排样结果需要人工进行识别然后进行裁断机的数控设备的操作，如此一来既降低了生产效率，同时也存在浪费。

近年来，工业互联网概念不断被提出并在众多工业生产过程中得到应用，为解决各类生产难题、提高生产效率节约人力成本提供了安全可靠、可实施的方案。因此，本发明专利以皮革制品加工过程中广泛使用的裁断机为例，针对当下加工企业仍采用低效排样算法，人工识别排样母版并手动操作裁断机进行裁断作业的现状，提出一种基于工业互联网的皮革优化排样与多机协调裁断技术。通过异构网络融合技术实现多台裁断机、工业摄像机、流水线的实时监控，并且采用基于工业摄像机的机器视觉识别技术在快速识别。上位机依据采集的图像信息结合输入的样片信息采用优化的排样算法进行高效快速地排样，实现在规划上的零浪费。同时采用多机协调裁断技术，进行分类与快速裁断，提高了裁断效率，实现在实际作业上的零浪费。

发明内容

为了解决在使用液压裁断机生产皮革面料等传统生产工艺中存在的自动化程度低、生产效率低、材料利用率低、人工成本高等问题，本发明提出一种基于工业互联网的皮革优化排样与多机协调裁断方法。

首先，基于工业互联网的网络监控系统融合了CAN总线网络和Ethernet/IP工业以太网的异构网络，如图1所示。整个监控系统主要由皮革裁断机网络、工业摄像机网络、CAN-Ethernet专用网关、PC工作站和控制服务器组成。底层的通信控制网络采用CAN总线技术对多台裁断机进行组网，并通过CAN-Ethernet专用网关实现与上层的工业以太网实现实时通信。同时为了保证系统的可靠性，在多台裁断机进行流水作业之前每台裁断机对应一台工业摄像机，用于实时捕捉皮革图像，并判断有无移位、翻卷等特殊情况，防止在此类情况下被送入裁断机进行裁断而导致的次品率上升。除此之外，工业摄像机也用于拍摄皮革图像上传至上位机用于有效工件区的识别，并在此基础之上进行排样。

整个网络监控系统除了上述的监控功能以外，最大的作用就是用于实现多机协调裁断。具体来说，因为皮革裁断的特殊性，其样片形状不规则且面积大小也不等。那么依据这样一种特性，通过优化排样技术之后，按照面积大小进行样片分组，并且底层的多台裁断机也按照这样的分组信息进行对应的分组样片的裁断，多台裁断机通过流水线进行衔接，例如1号机裁断大样片，2号机裁断中样片，3号机裁断小样片。上述的多机协调裁断技术需要通过上位机的推算并下发分配指令才能达到效果，故对比当下裁断机多处于单机作业具有明显的优势。

进一步地，针对皮革样片多属于二维不规则形状，排样难度大，普通排样算法处理耗时且浪费严重等问题，采用一种皮革样片预处理策略，将二维不规则样片处理成简单的、可操作的、近似规则形状的样片单位，用于提高排样算法效率。随后在已经过识别的待裁断皮革有效工件区通过优化排样技术对预处理过后的样片进行快速高效排样。优化排样技术又包含了最优匹配算法和碰撞检测算法。

更进一步地，基于上述联网的网络系统，在优化排样技术的基础之上，再结合多机协调裁断策略，对于已排样好的皮革母版可以实现快速精准地裁断，能够节约人工成本与时间成本，大幅提高生产效率。具体来说，将需要的样片按照面积大小进行分组，并将分组情况下发给底层的每一台裁断机。各台裁断机进行相应的样片组的裁断作业，且各台裁断机之间通过流水带连接，那么在已有的排样结果的基础之上，通过流水线作业可以提高效率，节约人力物力。

本发明提出的基于工业互联网的皮革优化排样与多机协调裁断技术，将工业互联网技术应用在裁断机的裁断作业中，形成一套实时高效的监控系统，并采用一种优化排样算法，可以有效解决不规则样片的排样问题，采用工业摄像机+多机协调裁断的裁断方案，通过工业摄像机进行裁断母版的有效工件区识别并监控母版在流水线上的状况，防止因翻卷、移位等问题导致后续裁断机次品率上升。多机协调裁断通过样片面积进行样片组别分配裁断，实现裁断的流水线作业。本发明专利提出的方法可以大大提高了裁断效率，节约人工成本，降低物料损耗，实现机器换人。

附图说明

图1为皮革裁断机多机网络监控系统构成图；

图2为皮革样片预处理流程图；

图3为两个皮革样片处理效果图；

图4为皮革样片分组图。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案、技术目的以及优点更加清楚，下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

本发明的网络系统结构如图1所示，通过CAN总线技术对三台皮革裁断机进行组网，并将其工作状态实时地上传至专用网关，专用网关进行协议转换后再传送至工业以太网中，最后由联网的PC工作站和控制服务器进行实时读取。同时，因为需要对加工的皮革面料进行排样策略设计和样片裁断顺序的规划，在该系统中每一台数控机床前的龙门部位加装有工业摄像机对传送带中的皮革面料进行快速拍摄，并通过USB数据线传至专用网关中，最后同样被上层网络的PC工作站和控制服务器所读取。PC工作站中的上位机监控软件通过机器视觉技术对实时传送过来的皮革面料图像进行识别和处理，快速获得图像中的皮革面料区形成用于排样的工件区域。接着监控软件通过特定的排样算法对有效的工件区域进行快速排样，同时依据已形成的排样策略对相应的裁断机的样片组别裁断进行规划。最后监控软件将上述的排料策略通过监控网络分别下传至底层的三台裁断机的数控设备并最终由数控设备控制裁断机构进行实际的裁断操作。在整个监控网络中，CAN-Ethernet专用网关作为网络通信的枢纽主要通过协议转换实现了异构网络的融合。同时设计了USB接口，将工业摄像机实时拍摄到的图像数据进行转换并实时地传送至上位机，保证了系统对皮革面料，尤其是送至第二台和第三台的不规则皮革面料图像的有效工件区域快速有效地识别。

PC工作站主要用于对三台裁断机的监控作业，包括开关机、工作状态监控、排样策略与样片裁断顺序规划等，用以实现本系统的裁断效率最高、皮革面料浪费最少。控制服务器主要用于监控和管理多个皮革裁断机多机网络监控系统，属于顶层网络部分，主要用于工厂管理者的总体调度管理与协调，实现整体效率最高、能耗最少。

对于在皮革的优化排样上，本发明针对皮革排样的特殊性采用样片预处理后排样的优化排样技术。在样片预处理的基本流出如图2所示，首先需要将样片的图像数据输入至上位机数据库中，并将所有样片图元顺序统一调整为顺时针，有利于后续排样工作的数据处理。其次针对样片图像中的直线段、圆弧线段、椭圆弧线段等图形元素进行离散化操作，例如直线段用两个端点坐标表示，对弧线进行多边形线段离散逼近，然后用一个坐标点集来描述这个弧线。离散后所得的坐标点集合用于排样算法中的碰撞检测。其次需要进行对样片图像的凸包化和面积计算。通过采用分治算法得到样片图像的凸包图像，获得的凸包图像主要用于在排样算法的边长匹配上。因为排样算法与多机协调裁断策略都需要事先获知样片的面积，所以需要在预处理过程中进行样片的面积计算。根据Green公式可知重积分与曲线积分的关系：

其中D是由分段光滑的曲线围成的单连通区域，

是区域D的边界曲线，通过对右端项完全离散并令q＝x,p＝-y则可近似得到区域D的面积计算公式：

其中

假定该单连通区域D是m边形，且顶点坐标为p_k(x_k,y_k)，k＝1,2，……，m，导入任意边的离散点参数方程，则可得到简化的面积公式：

通过上述的面积计算方法对二维不规则样片进行计算可实现计算过程不受坐标原点位置影响，计算效果好，计算速度快。

经过上述的样片预处理之后，接下需要将各类不规则的样片在皮革模板上进行排样。排样算法主要分为两步骤，首先采用最优匹配算法进行匹配边对的寻优，其次是在寻优的结果基础之上再通过碰撞检测算法的试探性放置进行最终的排样。

在进行最优匹配算法运算之前先依据Green公式获得的面积数据将各个样片按面积大小进行排序，并对面积大的样片先处理，面积小的后处理。为了尽可能地减少浪费，将各个样片地凸包图像边进行融合，使得排样结果更加紧凑。同时为了使得匹配准确率高，匹配时间少，对于需要进行匹配地边对按长度优先级进行排序。最优匹配算法的匹配优先级求解过程如下所示：

设待排样片A和B，A的边长按长度大小排序为(a₁,a₂,……,a_m)，B的边长按长度大小排序为(b₁,b₂,……,b_m)，选定a₁与B的边依次组合成匹配对，并对该序列的匹配对从大到小依次分配优先级，直到b_i<a1。A的剩余边长同上述操作进行优先级排序。

完成边最优匹配算法的匹配边对优先级排序后，按照优先级的高低进行试探性的放置样片。在放置样片的过程中采用“Southerland-Hodgman Polygon Clipping”的碰撞检测算法，用于检测样片与样片之间是否发送重叠和交叉，样片是否与皮革模板边界发生碰撞等情况。如果在某一个优先级的边进行匹配边对融合放置排样时且通过碰撞检测，则样片被标识为可排，如果该优先级的边匹配排样失败则继续下一优先级的匹配边对的匹配排样。依次最终完成整个皮革母板的排样过程，如图3所示。

高效的排样算法虽然减少了皮革的浪费，但是如何实现对于皮革母版的高效、精准、快速、智能化地实现裁断仍然需要进行研究和改进。本发明提出一种多台裁断机流水线裁断作业的多机协调裁断策略，对于已排样好的皮革母版可以实现快速精准地裁断，能够节约人工成本与时间成本，大幅提高生产效率。

本发明以三台裁断机协调流水线裁断为例，在一张完整的皮革母版被平整地放置在流水线起始端时，工业摄像机1完成对于皮革母版的图像捕捉，并通过通信网络上传至上位机后进行基于机器视觉的图像识别完成有效工件排样区的选择。同时对已经完成预处理的皮革样片进行排样，并且按照大样片组、中样片组、小样片组进行样片面积分类和组别标记，样片的分类如图4所示。上位机在完成这些运算后将排样结果、组别标记和裁断机的基本操作命令生成后将这些数据通过CAN-Ethernet通信网络下传至底层网络的三台裁断机。裁断机按照组别进行特定的裁断作业，具体过程如下：

(1)裁断机1进行大样片组裁断；

(2)裁断机1完成裁断任务后，工业摄像机2拍摄剩余皮革面料并上传上位机；

(3)若剩余皮革面料在传送带中没有发生翻卷、移位等情况，则进行(4)操作，否则关停系统并进行人工调整，并经工业摄像机2拍摄上位机确认无误后进行(4)操作；

(4)裁断机2进行中样片组裁断；

(5)裁断机2完成裁断任务后，工业摄像机3和上位机的操作同(2)(3)操作；

(6)在确认最后的皮革面料在传送带中无翻卷、移位等情况后，裁断机3完成小样片组裁断。

本发明专利提出的基于工业互联网的皮革优化排样与多机协调裁断技术及应用方法，将工业互联网技术应用在裁断机的裁断作业中，形成一套实时高效的监控系统，并采用一种优化排样算法，可以有效解决不规则样片的排样问题，采用工业摄像机+多机协调裁断的裁断方案，通过工业摄像机进行裁断母版的有效工件区识别并监控母版在流水带上的状况，防止因翻卷、移位等问题导致后续裁断机次品率上升。多机协调裁断通过样片面积进行样片组别分配裁断，实现裁断的流水线作业。本发明专利提出的方法可以大大提高了裁断效率，节约人工成本，降低物料损耗，实现机器换人。

设计人员对裁断机在皮革面料的裁断策略的提出与应用中若有与本发明提出的方式原理相同或相近的改动都应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于工业互联网的皮革优化排样与多机协调裁断方法，实现对皮革服装面料的高效裁切，其特征在于：采用现场总线技术和Ethernet/IP工业以太网的异构网络融合技术实现对多台裁断机的实时监控，并通过优化排样技术结合多机协调裁断策略，实现皮革裁断的快速流水线操作和较低的皮革浪费；所述实时监控，通过现场总线对多台裁断机进行组网，专用网关实现底层总线网络与上层工业以太网的异构网络融合以保证网络通信的实时性和网络控制的稳定性；同时，在多台裁断机所在的流水线安装多台工业摄像机用于对皮革面料的识别与监控，并通过数据线经专用网关反馈至上位机，为上位机提供实时图像数据支持；所述的多机协调裁断策略对于一张皮革中的多种样片，按照面积大小进行分组，并通过流水线实现第一台裁断机进行最大面积样片快速裁断，第二台裁断机进行次大面积样片快速裁断；多机之间裁断任务的协调通过网络系统在上位机的实时监控下进行。

2.根据权利要求1所述的基于工业互联网的皮革优化排样与多机协调裁断方法，其特征在于：所述优化排样技术，通过将工业摄像机拍摄的皮革图像上传至上位机通过机器视觉技术进行有效工件区识别后采用优化排样技术进行高效排样，依据皮革样片不规则特性先进行样片预处理，减少排样难度，然后再进行最优边对匹配和碰撞检测后实现最终的排样效果。

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