【皮革】基于RBF神经网络的汽车内饰皮革智能切割系统设计

作者：贺丽娟

陕西国防工业职业技术学院，陕西西安710300

以往，我国皮革行业与制鞋、箱包等行业联系紧密，在皮鞋、运动鞋、背包等产品中的应用较多，在汽车内饰中的应用较少。如今，随着人们消费水平的提升和汽车行业的蓬勃发展，汽车用革量明显增长^[1-2]。目前，针对汽车内饰皮革的切割系统存在自动化水平不高、切割精度与效率有待提升的问题。人工神经网络具有较好的学习和容错能力，其中ＲBF 神经网络能以任意精度全局逼近一个非线性函数，可大幅加快学习速度并避免局部极小问题，在信号处理、控制系统等很多领域得到广泛应用。本文基于ＲBF 神经网络进行汽车内饰皮革智能切割系统的设计，以期提升皮革切割系统的智能化水平和运行效率。

汽车内饰材料需要具备美观、舒适、耐磨、高阻燃性、环保、卫生等特性，皮革材料因其本身诸多优势，被广泛应用到汽车内饰的制备和设计中^[3]。近年来，皮革面料的发展很快，采用皮革材料制备汽车内饰，其品质和性能都得到了有效保障。国内外企业在皮革材料的切割工作方面，不仅积极采用激光切割、超声波切割和水射流切割等先进的切割设备，还引进了计算机技术，利用计算机快速、优秀的处理能力，结合计算机图像处理等算法，构建皮革切割数控系统，显著提升了皮革切割的自动化程度。在多年的技术积累基础上，目前汽车内饰皮革切割系统正朝着智能化、自动化和柔性化方向发展，设计的皮革切割系统具备汽车内饰产品图形设计、皮革样品排版、切割路径优化等多样化功能^[4]。

运动控制是皮革切割过程中十分重要的内容，皮革切割数控系统可采用的运动控制策略包括PID控制、自适应控制和神经网络控制等。传统的PID控制易于操作，但只能实现相对简单的控制，无法满足功能日益齐全的现代数控系统控制要求。神经网络模型的建立，可解决复杂的电机系统控制，提高了系统的抗干扰能力和鲁棒性。RBF神经网络是一种前向式神经网络，一般由输入层、隐含层和输出层组成，隐含层主要由高斯函数组成。RBF 神经网络还有着比其他智能算法复杂度更低、结构更简单和学习速率更快的优势。基于RBF神经网络和PID 控制器相结合的控制方法在皮革切割数控系统中的研究和应用愈加丰富。

该智能切割系统在性能方面要达到的指标如下:最低皮革切割速度为200 mm/s、最大皮革切割厚度为5 mm、皮革切割精度控制在±1. 5 mm、传动速度不小于200 mm/s、切割刀具转速在3 500 r /min 左右。该系统主要分为硬件系统、图像处理系统和运动控制系统三大部分，工作流程为: 在驱动电机运转下，从皮革卷中拉出皮革至切割平台，过程中要将皮革夹紧，同时由图像采集系统采集并识别皮革是否存在瑕疵、瑕疵的具体位置，瑕疵数据通过ＲS485 通信发送到PLC 上，将皮革传动到具体位置进行瑕疵皮革的切割。若没有瑕疵，当切割平台上的皮革达到一定长度后，切割机构运转对指定位置的皮革进行切割，切割完成的成品依次放置到存储区域^[5]。

汽车内饰皮革智能切割系统的输入信号包括光电开关、限位开关、按钮开关和编码器等，输出信号包括驱动电机、继电器、电磁阀、报警灯等。PLC 控制器输入输出信号个数较多，因此采用西门子S7－1200 系列的PLC 作为该系统的控制器，其有响应快、结构紧凑、模块化等特点，具备扩展性，能够满足切割系统今后的升级和功能扩展需求。S7－1200 系统有5 种不同模块，分别为CPU 1211C、CPU 1212C、CPU 1214C、CPU 1215C 和CPU1217C，根据输入输出电压的不同又分为3 种类型，包括DC /DC /DC、DC /DC /继电和AC /DC /继电器，在此选择CPU 为1215C DC /DC /DC 的PLC，其具备14 点数字量输入、10 点数字量输出、4 路100 kHz输出和2 个以太网通信端口。另外，还需要一个SM1223 数字量输入输出模块来增加输入输出接口，以满足该系统的控制要求^[6-7]。

驱动电机是整个切割系统的动力源，选择性价比高的57BYG250C 型号步进电机作为驱动装置。该电机的步距角为1. 8°，步距精度为±5%，适配电流为3.0A，驱动电压DC 24 V，最大转矩为3. 6 N·m。其有低噪音、大力矩和使用寿命长等优点。需要采用步进驱动器帮助电机接收来自PLC 的高频脉冲，在此选用的是瑞芯2D45 型号步进驱动器。

汽车内饰皮革智能切割系统的上位机设备包括计算机和触摸屏，工作人员通过计算机程序和触摸屏按钮实现指令操作，控制各执行元件的运作。该系统选用西门子KTP700 型号触摸屏，其属于电阻式触摸屏，抗干扰能力较强，可防止误操作。具备较好的防尘、防潮的性能，适合汽车内饰皮革的切割环境。设有以太网接口和USB 接口，便于触摸屏和PLC 的通信。

在该系统中应用NPN 型的光电开关来确定各执行元件的位置，为系统下一步的操作做准备，其检测距离为5 mm，使用24 V 直流电源为其供电。在导轨上安装限位开关来检测执行元件的极限位置，以保障运动机构在安全范围内运行。各传感器和PLC 等设备所需电压不同，需采用中间继电器控制系统各部分的运行^[8]。

选择TIA Porta 软件为开发平台，对系统各模块进行程序编写和仿真测试等。应用Nvidia Jetson TX2开发板完成皮革瑕疵的检测和识别，其与PLC 之间的数据通信依靠ＲS485 接口实现，PLC 作为主站发送并接收数据，通过TIA Portal 软件对主站进行组态。在编写程序前，定义汽车内饰皮革切割系统中的各种变量。汽车内饰皮革智能切割控制流程图如图1所示，程序初始化后，以人工方式将皮革卷的一端拉到气动夹钳处，此时切割刀具移动到导轨的一端，启动系统，步进电机速度为0. 5 m/s，开始拖动皮革，视觉系统检测到皮革表面有瑕疵时，触摸屏上的瑕疵皮革灯光会亮起，步进电机速度减慢，若没有瑕疵会直接拖动到相应位置。系统下达切割指令后，切割器以最大转速转动，在步进电机的拉动下，对皮革进行直线切割。只有触发光电开关后，系统才会下达反转指令，将皮革释放、堆放到存储区域，拖动机构回到原点。

皮革切割是影响成品革生产质量和效率的重要环节，汽车内饰皮革智能切割系统的设计，可解决以往切割系统自动化、智能化程度低的问题，可保障皮革面料利用率的最大化，提升皮革产品生产效率，确保切割的精准度等，更好地满足目前日益增长的汽车内饰用皮革消费市场需求，有助于加快国内汽车内饰皮革制造产业的升级。

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