Design and implementation of novel blanket sewing automatic production system

李　陽(yáng)

LI Yang

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，連云港 222061）

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一種新型的毛毯繃縫自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Design and implementation of novel blanket sewing automatic production system

李陽(yáng)

LI Yang

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所，連云港 222061）

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)的毛毯繃縫工作環(huán)境差、勞動(dòng)力缺乏、人工成本持續(xù)高漲等現(xiàn)象，以固高CPAC控制器為核心，綜合運(yùn)用伺服控制技術(shù)，傳感器技術(shù)、以太網(wǎng)通信技術(shù)等，設(shè)計(jì)了一種新型的單層毛毯繃縫自動(dòng)化生產(chǎn)線。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，該生產(chǎn)線可大大提高毛毯繃縫的生產(chǎn)效率和工藝一致性，節(jié)省大量的人力成本，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：毛毯繃縫；CPAC控制器；自動(dòng)化生產(chǎn)線；高效

0 引言

近年來，我國(guó)紡織工業(yè)面臨的壓力越來越大。傳統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，如低原材料、勞動(dòng)力成本等正逐漸喪失[1]。國(guó)內(nèi)落后的紡織機(jī)械技術(shù)和發(fā)達(dá)國(guó)家的反傾銷步伐，也制約著我國(guó)紡織工業(yè)的發(fā)展[2]。以單層毛毯繃縫為例，目前絕大多數(shù)毛毯廠仍采用手工操作，人工進(jìn)行裁邊、裁圓角和繃縫工作。工人們從事著重復(fù)的低端勞動(dòng)，工作環(huán)境惡劣，并且每個(gè)工人的技能各不相同，生產(chǎn)的產(chǎn)品也良莠不齊。與此同時(shí)，隨著人工成本的持續(xù)高漲，國(guó)內(nèi)各毛毯廠還面臨著“用工荒”、“招工難”等問題。

以此為契機(jī)，通過充分的調(diào)研和準(zhǔn)備，綜合運(yùn)用各種技術(shù)，設(shè)計(jì)了涵蓋各種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的毛毯繃縫自動(dòng)化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了毛毯上料—裁斷—抓取—裁圓角—繃縫—制出成品等一系列自動(dòng)化生產(chǎn)過程，大大提高了毛毯的生產(chǎn)效率和工藝一致性。

1 毛毯繃縫自動(dòng)化生產(chǎn)線的工作原理

圖1給出了毛毯繃縫自動(dòng)化生產(chǎn)線的總體布局，由上料小車1，進(jìn)料裝置2，傳送帶3，裁斷機(jī)構(gòu)4，繃縫機(jī)構(gòu)5，切圓角機(jī)構(gòu)6，繃縫工作臺(tái)7等組成。圖中虛線所示的繃縫工作臺(tái)數(shù)量可根據(jù)客戶的生產(chǎn)需求進(jìn)行配置。

進(jìn)料裝置將上料小車?yán)锏某删砻航?jīng)裁斷機(jī)構(gòu)連續(xù)不斷地送入傳送帶，通過視覺控制器確定圖案毛毯的后端時(shí)，進(jìn)料裝置和傳送帶同時(shí)停止，裁斷機(jī)構(gòu)裁斷毛毯；傳送帶繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過視覺控制器確定圖案毛毯的前端時(shí)，傳送帶停止，同時(shí)，繃縫工作臺(tái)及其上方的抓壓機(jī)構(gòu)工作，將裁斷的毛毯抓取至繃縫工作臺(tái)上，工作臺(tái)和抓壓機(jī)構(gòu)一起返回原點(diǎn)；在返回過程中，切圓角機(jī)構(gòu)和繃縫機(jī)構(gòu)相應(yīng)的低速工作；進(jìn)料裝置和傳送帶開始繼續(xù)運(yùn)行，將裁斷的毛毯傳送至抓取位置，等待抓壓機(jī)構(gòu)下一次抓取。當(dāng)工作臺(tái)回到原點(diǎn)后，切圓角機(jī)構(gòu)和繃縫機(jī)構(gòu)開始高速運(yùn)行，完成對(duì)毛毯的切邊和繃縫。

圖1　毛毯繃縫自動(dòng)化生產(chǎn)線布局圖

2 機(jī)械設(shè)計(jì)

圖2　毛毯繃縫自動(dòng)化生產(chǎn)線三維圖

圖2給出了毛毯繃縫自動(dòng)化生產(chǎn)線（僅1個(gè)工位）的三維圖，主要由自動(dòng)對(duì)中展開機(jī)構(gòu)1、自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)2、自動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)3、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4、裁斷機(jī)構(gòu)5、傳送帶6、繃縫工作臺(tái)7、抓壓機(jī)構(gòu)8、切圓角機(jī)構(gòu)9和繃縫機(jī)構(gòu)10等部分組成。

1）自動(dòng)對(duì)中展開機(jī)構(gòu)

由氣缸、左右擺動(dòng)和螺旋輥軸機(jī)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)初步對(duì)中毛毯和消除毛毯皺褶功能。

2）自動(dòng)糾偏機(jī)構(gòu)

由氣缸、光電管和左右擺動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)毛毯對(duì)中微調(diào)功能。

3）自動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)

由氣缸、壓緊輪組成，配合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)毛毯牽引功能。

4）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

由針輪和電機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)牽引毛毯功能。

5）裁斷機(jī)構(gòu)

由無桿氣缸和電切刀組成，實(shí)現(xiàn)毛毯裁斷功能。

6）傳送帶

主要實(shí)現(xiàn)毛毯的傳送功能，上面安裝有邊沿檢測(cè)開關(guān)和視覺控制系統(tǒng)。

7）繃縫工作臺(tái)

主要由工作臺(tái)面和導(dǎo)軌等組成，提供毛毯繃縫所需的工作臺(tái)面和切圓角機(jī)構(gòu)、繃縫機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)平臺(tái)。

8）抓壓機(jī)構(gòu)

由氣缸、壓板、毛毯夾緊機(jī)構(gòu)等部分組成，實(shí)現(xiàn)毛毯的抓取和壓緊功能。

9）切圓角機(jī)構(gòu)

由裁刀、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、汽缸和垃圾箱等組成，實(shí)現(xiàn)毛毯切邊、毛毯廢料收集及倒垃圾等功能。

10）繃縫機(jī)構(gòu)

由裁刀、繃縫機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、汽缸等組成，實(shí)現(xiàn)毛毯繃縫及毛毯收尾處理功能。

3 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)總體布局形式和模塊化設(shè)計(jì)思想，采用主從分布式控制方式。主控制器主要控制上料裝置和傳送帶的三臺(tái)電機(jī)，以及上料裝置的汽缸、光電開關(guān)等設(shè)備。從控制器主要控制繃縫工作臺(tái)、抓壓機(jī)構(gòu)、切圓角機(jī)構(gòu)和繃縫機(jī)構(gòu)的六臺(tái)電機(jī)，以及相關(guān)的汽缸、裁刀等輔助設(shè)備。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

主、從控制器經(jīng)過過孔中間滑環(huán)，采用以太網(wǎng)通訊，通過網(wǎng)絡(luò)變量交換數(shù)據(jù)信息[3]。主控制器的IP地址設(shè)為192.168.0.2，從控制器的IP地址設(shè)為192.168.0.3。為實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的采集以及電磁閥等設(shè)備的控制，控制系統(tǒng)采用多個(gè)擴(kuò)展IO模塊進(jìn)行級(jí)聯(lián)，級(jí)聯(lián)時(shí)需要進(jìn)行地址設(shè)置，地址編碼遵循“8421”編碼原則，級(jí)聯(lián)中第一個(gè)和最后一個(gè)串口端子的撥碼開關(guān)撥至ON，其他端子撥至OFF。

表1給出了毛毯繃縫自動(dòng)化生產(chǎn)線主要元器件的選型情況。系統(tǒng)所用的斷路器、空氣開關(guān)、熱保護(hù)器、開關(guān)電源、中間繼電器等均采用施耐德產(chǎn)品；所用的氣路調(diào)壓閥、過濾器、電磁閥等均采用亞德客產(chǎn)品；所用的伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器等均采用松下產(chǎn)品。

4 軟件設(shè)計(jì)

圖4給出了固高科技的OtoStudio軟件開發(fā)環(huán)境界面。OtoStudio提供符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的六種編程語言[4]，即指令表語言、功能塊圖、連續(xù)功能圖、梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本，順序功能圖。通過該開發(fā)環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟?？刂埔约坝脩魠?shù)設(shè)置；通過與從控制器建立實(shí)時(shí)通信鏈接，將主控制器的控制信息傳送給從控制系統(tǒng)，同時(shí)接收從控制系統(tǒng)的反饋信息，動(dòng)態(tài)顯示各功能機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)[5]。

表1　主要元器件選型

圖4　OtoStudio開發(fā)環(huán)境界面

圖5給出了進(jìn)料裝置和繃縫工作臺(tái)一對(duì)一時(shí)的主、從控制器的控制流程圖。若一臺(tái)進(jìn)料裝置對(duì)應(yīng)N個(gè)繃縫工作臺(tái)，則每個(gè)繃縫工作臺(tái)都需配備一個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的標(biāo)志位Flag_Nx，工作臺(tái)在工作時(shí)，該標(biāo)志位為FALSE；工作臺(tái)在等待時(shí)，該標(biāo)志位為TRUE。

圖5　主、從控制器流程圖

圖6給出了毛毯切割邊界定位系統(tǒng)圖。視覺控制器對(duì)CCD攝像頭采集到的毛毯圖像進(jìn)行分析處理，將處理后的數(shù)據(jù)送入主控制器，由主控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并控制傳送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟停，裁斷機(jī)構(gòu)動(dòng)作切斷毛毯。

5 樣機(jī)試驗(yàn)

圖7給出了毛毯繃縫自動(dòng)化生產(chǎn)線的樣機(jī)實(shí)物圖。試驗(yàn)中，以所選驅(qū)動(dòng)繃縫機(jī)的伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（3000r/min）為極限，設(shè)定了一組速度參數(shù)。經(jīng)過測(cè)試，繃縫一條毛毯僅需2.5分鐘，若以1臺(tái)進(jìn)料裝置匹配4個(gè)繃縫工作臺(tái)，則該生產(chǎn)線1天可加工2000條毛毯，節(jié)省10個(gè)工人。由于所選的繃縫機(jī)最大轉(zhuǎn)速為5000r/min，通過選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)或者同步輪變比，可進(jìn)一步提高毛毯繃縫的生產(chǎn)效率。

圖6　毛毯切割邊界定位系統(tǒng)

圖7　毛毯繃縫自動(dòng)化生產(chǎn)線樣機(jī)

此外，通過人工和自動(dòng)化生產(chǎn)線的毛毯繃縫效果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，無論在飽滿度方面，還是工藝一致性方面，自動(dòng)化生產(chǎn)線的毛毯繃縫效果都較人工好。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的毛毯繃縫自動(dòng)化生產(chǎn)線操作簡(jiǎn)單，能夠解決工序間的物流、信息流、工序轉(zhuǎn)換的自動(dòng)化，進(jìn)一步提升紡織品質(zhì)量，大幅提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，解決了“用工荒”等實(shí)際問題，符合我國(guó)“轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力”的“十二五”發(fā)展規(guī)劃。

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[5] 李陽(yáng),郭旭東,宋鑫,等.基于CPAC的毛毯繃縫自動(dòng)化生產(chǎn)線[J]. PLC&FA,2015(1):58-60.

加工與制造

作者簡(jiǎn)介：李陽(yáng)（1986 -），男，江蘇徐州人，工程師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化控制、機(jī)器人研究與應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（61305050）；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（BK2012236）

收稿日期：2015-10-09

中圖分類號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0030-03