文永雙，王士軍，趙 達(dá)，楊澤源，程 琳

WEN Yong-shuang, WANG Shi-jun, ZHAO Da, YANG Ze-yuan, CHENG Lin

（山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255049）

0 引言

隨著中國制造業(yè)的高速發(fā)展，中國已成為全球服裝第一大出口國。目前中國銷售額在5百萬元以上規(guī)模的大中型服裝企業(yè)約有4萬多家，各類服裝企業(yè)總數(shù)估計(jì)達(dá)10多萬家，其中使用自動(dòng)鋪布系統(tǒng)的企業(yè)僅占3%～4%，而且這些企業(yè)大多都是合資企業(yè)[1]。國外較發(fā)達(dá)的國家，服裝設(shè)備基本都是采用計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化設(shè)備。在服裝行業(yè)中，自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化逐漸成為服裝工業(yè)的的發(fā)展趨勢[1]。目前，自動(dòng)鋪布系統(tǒng)，自動(dòng)化裁剪系統(tǒng)等裝備的缺乏已嚴(yán)重制約了國內(nèi)中小服裝企業(yè)的發(fā)展，服裝企業(yè)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)不斷引進(jìn)先進(jìn)的生產(chǎn)工藝及裝備，以保證企業(yè)穩(wěn)定持續(xù)地發(fā)展。

長期以來，中小型服裝企業(yè)通常采用人工鋪布方式，然后進(jìn)行裁剪工作。人工鋪布存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、鋪層誤差大、均勻性差、易產(chǎn)生張力等諸多問題，嚴(yán)重影響裁片質(zhì)量。

智能化鋪布方式不僅有利于確保服裝裁片質(zhì)量、保證連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，而且也可以解決鋪布效率低和用工難等問題[2]。因此，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、結(jié)構(gòu)緊湊、鋪布效果好、工作穩(wěn)定可靠的智能鋪布機(jī)，對于國內(nèi)服裝企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。針對鋪布機(jī)的行業(yè)現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)化程度較高的基于雙PLC控制的智能鋪布機(jī)。該鋪布機(jī)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）在一定范圍內(nèi)，可任意設(shè)置切斷寬度、鋪布長度、鋪布速度、斷布速度，層數(shù)等；

2）對邊機(jī)構(gòu)對布邊實(shí)時(shí)調(diào)整使側(cè)邊對齊；

3）自動(dòng)展布功能，鋪布過程中避免布料發(fā)生褶皺；

4）具有多種鋪布模式可供選擇，觸摸屏實(shí)時(shí)顯示鋪布狀態(tài)；

5）具有故障監(jiān)測功能，發(fā)生故障停機(jī)、報(bào)警并指出故障點(diǎn)；

6）具有加減速功能，鋪布機(jī)起步停止時(shí)具有加減速，使機(jī)器運(yùn)行更平穩(wěn)避免打滑。

1 智能鋪布機(jī)鋪布的工藝要求及流程

根據(jù)面料與服裝的特點(diǎn)，鋪布方式分為單向鋪布、雙向鋪布和雙向裁剪鋪布三種。

圖1 鋪布方式

1）單向鋪布，即一個(gè)面只朝同一個(gè)方向的鋪布方式，如圖1(a) 所示。工作流程如圖2所示。

2）雙向鋪布，此鋪料方式僅需要開始和結(jié)束時(shí)需將布裁齊，中間不需要裁斷。它將面料正反雙向展開，最后呈現(xiàn)出每層都是面與面之間相對的形態(tài)，鋪布機(jī)在行駛到所設(shè)長度及回原點(diǎn)的過程中，都要進(jìn)行放布操作，不需要裁斷，如圖1(b)所示。

3）雙面裁剪鋪布，雙面裁剪鋪布是單向鋪布與雙向鋪布的結(jié)合，即在雙向鋪布的基礎(chǔ)上，將布料兩端截?cái)?。如圖1(c)所示。

鋪料前要根據(jù)服裝的工藝要求確定出鋪料方式，同一版鋪層工序中應(yīng)確保鋪布方式一致。再挑選出稍大于設(shè)定版面寬度的布料，留有一定余量防止因裁剪損耗導(dǎo)致面料缼材。

圖2 鋪布流程圖

鋪布工序要達(dá)到以下要求：

1）確定鋪布長度

鋪料前應(yīng)根據(jù)裁片排版確定出所需布料的長度，實(shí)際鋪料長度應(yīng)比所需布料長度多出10mm左右，防止因鋪布誤差、裁剪損耗導(dǎo)致布料長度不足造成浪費(fèi)。

2）布面平整無張力

在鋪布過程中，每層鋪料都應(yīng)該平整舒展開，盡可能的避免張力的產(chǎn)生，更不允許發(fā)生褶皺現(xiàn)象，若有折痕產(chǎn)生，應(yīng)及時(shí)處理，以免裁剪后裁片發(fā)生缺料、余料、偏大或偏小及周邊不平滑等現(xiàn)象影響服裝質(zhì)量。

3）三邊對齊

鋪層的兩端及一側(cè)邊要對齊，布匹生產(chǎn)中經(jīng)常會出現(xiàn)幅寬不相等的情況，誤差一般不會超過1cm，所以不可能保證兩側(cè)邊都對齊，為保證裁片質(zhì)量節(jié)省布料，必須保證側(cè)邊的一邊對齊和兩端對齊。

4）鋪布距離精確

精確的鋪布長度既可以節(jié)省布料又能保證裁片的質(zhì)量。為確保裁片質(zhì)量及節(jié)約布料，鋪布誤差限制在±3mm。前文中確定鋪布長度的時(shí)候已經(jīng)留出10mm左右的余量，單面鋪布時(shí)，布料兩端都要裁斷，在布料裁斷過程中注意布料損耗不能超過余量的一半[3]。

2 智能鋪布機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理分析

智能鋪布機(jī)主要由行走裝置、送布裝置、對邊裝置、斷布裝置、壓布裝置、提升裝置、展布裝置等組成（如圖3所示），各裝置在雙PLC及觸摸屏的控制下相互配合，完成各種鋪布工作。

工作原理：將布料放入搖籃的送布輥上，布頭部分展開鋪至斷布機(jī)構(gòu)壓桿處，用手動(dòng)模式將布頭剪齊，手動(dòng)模式將鋪布機(jī)移動(dòng)到原點(diǎn)位置等待鋪布。通過人機(jī)界面設(shè)定好自動(dòng)鋪布所需的各項(xiàng)參數(shù)，按下自動(dòng)按鈕開始自動(dòng)鋪布。按啟動(dòng)按鈕后鋪布機(jī)開始行走，與此同時(shí)送布機(jī)構(gòu)開始送布，到達(dá)設(shè)定距離后鋪布機(jī)停止行走，送布裝置停止送布，斷布裝置將布切斷后斷布裝置提升，鋪布機(jī)往回行走至原點(diǎn)，如此往復(fù)循環(huán)直到達(dá)到設(shè)定的層數(shù)或布料用完鋪布機(jī)停止工作。為使整體結(jié)構(gòu)緊湊，電氣控制部分分布于主體兩側(cè)。

圖3 自動(dòng)鋪布機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

斷布裝置要實(shí)現(xiàn)布料展平、壓緊放松、裁剪、提升等功能，因此該裝置非常關(guān)鍵。斷布機(jī)由步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，并通過同步帶進(jìn)行傳動(dòng)，故裁斷的長度可根據(jù)布料的寬度來設(shè)定，而不必每次都裁斷最大長度，這樣就大大提高了鋪布效率。

擺布機(jī)構(gòu)使用了步進(jìn)電機(jī)加滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)方式，若使用普通電機(jī)，則為及時(shí)調(diào)整布邊造成電機(jī)的頻繁啟動(dòng)，這樣會縮短電機(jī)的壽命，而步進(jìn)電機(jī)對布的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更為迅速，能根據(jù)布邊的情況做出實(shí)時(shí)調(diào)整，從而提高了對邊精度。

3 雙PLC+觸摸屏控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 雙PLC控制

PLC是通過運(yùn)行其中的程序?qū)斎胄畔⒆龀龇磻?yīng)，然后再輸出信息，按要求對負(fù)載進(jìn)行各種邏輯控制，其主要優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，易學(xué)易用，程序修改方便，所以非常適合進(jìn)行各種工業(yè)控制。

智能鋪布機(jī)的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中有4個(gè)軸的脈沖輸出來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，并且每個(gè)動(dòng)作要求響應(yīng)快、位置精度高，還要控制多個(gè)普通電機(jī)的各種邏輯動(dòng)作。在控制系統(tǒng)中應(yīng)用西門子S7-200系列雙PLC組成控制網(wǎng)絡(luò)的形式，可達(dá)到快速可靠的控制效果[4]，控制網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 自動(dòng)鋪布機(jī)的控制網(wǎng)絡(luò)

3.2 伺服系統(tǒng)控制

目前先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制器主要是以微機(jī)（PC）為基礎(chǔ)的數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)、以高速的數(shù)字信號處理器（DSP）為核心的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)和以PLC為核心的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)[5]。以PLC為核心的伺服系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 基于PLC的伺服控制系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)主要由控制器、功率驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)和傳感器組成，傳感器包括位置、電壓、電流和速度傳感器?？刂品绞接卸喾N控制模式，實(shí)際使用中可以選擇混合控制模式，也可以使用單一控制模式。自動(dòng)鋪布機(jī)需要精確控制鋪布長度及斷布長度，所以選用位置控制模式下的脈沖+符號的控制方式。

3.3 電子齒輪的設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)的電子齒輪實(shí)現(xiàn)了機(jī)械傳動(dòng)中傳動(dòng)比的電氣化，在設(shè)定范圍內(nèi)可任意更改傳動(dòng)比或幾種傳動(dòng)比交替使用，電子齒輪使用靈活方便、傳動(dòng)精度高，大大簡化了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，在性能機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

電子齒輪的實(shí)現(xiàn)方式主要有利用鎖相環(huán)的方式實(shí)現(xiàn),基于硬件的的模擬式的電子齒輪、基于軟件實(shí)現(xiàn)的電子齒輪等[6]。ΔL（mm/P）:指令單位，PG（P/rev）：編碼器脈沖，P（mm/rev）：滾珠絲杠節(jié)距，m/n：減速比，電子齒輪計(jì)算公式：

1）確認(rèn)機(jī)械規(guī)格

確認(rèn)出絲杠的節(jié)距、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的減速比等參數(shù)。鋪布機(jī)滾輪直徑為1 2 0 m m，滾輪周長L=πφ=377mm，所配同步帶輪齒數(shù)為30，行走電機(jī)所配同步帶輪齒數(shù)為18，減速比為5/3。

2）確定伺服電機(jī)編碼器的最大分辨率

ProNet-E系列全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器配合使用增量省線型式編碼器（2500P/R），對于脈沖信號實(shí)現(xiàn)四倍頻，即編碼器脈沖數(shù)為1萬每轉(zhuǎn)。

3）指令單位的確定

確定PLC的1指令單位。指令單位是指移動(dòng)負(fù)載時(shí)，其位置數(shù)據(jù)所達(dá)到的最小單位。實(shí)際使用時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際要求的控制精度來設(shè)定指令單位，綜合考慮，指令單位設(shè)定為1×10-5m。

4）計(jì)算末端控制軸轉(zhuǎn)一圈，工作臺的移動(dòng)量

利用所確定的指令單位，計(jì)算末端控制軸轉(zhuǎn)一圈需要的指令單位的個(gè)數(shù)。滾輪周長為3 7 7 m m，指令單位為0.01mm，則負(fù)載旋轉(zhuǎn)一圈的移動(dòng)量為 377mm/0.01mm=37700（指令單位）。

5）計(jì)算確定電子齒輪比（N/M）

根據(jù)電子齒數(shù)比計(jì)算公式計(jì)算電子齒數(shù)比(B/A)。假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)m圈時(shí)，負(fù)載軸轉(zhuǎn)n圈，即電機(jī)到負(fù)載的減速比為m/n，則電子齒輪比可以根據(jù)電子齒輪計(jì)算公式得 ：

計(jì)算結(jié)束后要對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，看電子齒輪比是否滿足以下條件：

6）設(shè)定驅(qū)動(dòng)器參數(shù)

將計(jì)算所得出的電子齒輪比的分子、分母作為參數(shù)設(shè)定到伺服驅(qū)動(dòng)器中。

3.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

通過MCGS組態(tài)軟件完成鋪布機(jī)的各個(gè)交互界面的組態(tài)。界面設(shè)計(jì)完后將程序下載到觸摸屏，智能鋪布機(jī)由主界面（如圖6(a)所示）、手動(dòng)界面、設(shè)置界面、報(bào)警界面（如圖6(b)所示）和幫助界面組成。

圖6 人機(jī)界面

主頁面具有自動(dòng)手動(dòng)切換開關(guān)、總報(bào)警燈、狀態(tài)指示燈、鋪布模式選擇按鈕、層數(shù)設(shè)定、已鋪層數(shù)顯示、已鋪層數(shù)清零按鈕，各界面切換按鈕，時(shí)間日期顯示。

手動(dòng)界面用于手動(dòng)操作各個(gè)鋪布動(dòng)作，包括正反向行走、正反向鋪布、布的壓緊松開、斷布機(jī)構(gòu)的提升下降、左右擺布、展布輥的啟動(dòng)停止、斷布機(jī)的啟動(dòng)停止及其前后行走。

設(shè)置界面可設(shè)置鋪布機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，包括鋪布層數(shù)、布料厚度、鋪布長度、鋪布速度、布料寬度等。

報(bào)警界面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪布機(jī)各處報(bào)警顯示及報(bào)警復(fù)位按鈕。

4 智能鋪布機(jī)的測試

測試實(shí)驗(yàn)中分別對不同長度、不同鋪布速度進(jìn)行了多次測試，自動(dòng)鋪布機(jī)鋪布速度設(shè)定為0.6m/s～1.4m/s，鋪布長度為2m～30m，測試結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)際檢測誤差（mm）

實(shí)際測試過程中，由于受到布料及鋪布案板長度的限制，僅對30m內(nèi)的行程誤差進(jìn)行了測量，由測量結(jié)果可看出，在30m距離范圍內(nèi)行程誤差可以控制在±3mm之內(nèi)，完全滿足高性能鋪布機(jī)控制的要求。

5 結(jié)束語

智能鋪布機(jī)作為一種新型的鋪布機(jī)械，具有效率高、可控性強(qiáng)、工作性能穩(wěn)定、故障自診斷等優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)集機(jī)電于一體化的高新設(shè)備。雙PLC控制技術(shù)引入到鋪布設(shè)備中，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。MCGS系統(tǒng)的應(yīng)用使用戶界面更加友好。伺服系統(tǒng)使鋪布效率與鋪布精度有了很大提升?；陔pPLC控制的智能鋪布機(jī)設(shè)計(jì)推動(dòng)了服裝生產(chǎn)中鋪布設(shè)備的智能化、網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)發(fā)展。

[1] 何賢安.自動(dòng)鋪布系統(tǒng)在現(xiàn)代服裝業(yè)中的應(yīng)用分析[J].廣西機(jī)械,2014,(1):35-36.

[2] 楊正軍.用好自動(dòng)鋪布系統(tǒng)發(fā)揮裁剪車間的最佳效益[J].國際紡織導(dǎo)報(bào),2011,(12):64-64,66.

[3] 冷紹玉.對拉布機(jī)了如指掌分三步走[J].中國制衣,2008,(2):84-86.

[4] 蔡錦達(dá),黃樹根,尤黔林,周晶晶.雙PLC技術(shù)在多軸運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng),2012,42(5):42-45.

[5] 卞洪元.基于PLC控制的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京:東南大學(xué),2005.

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