衣物自動(dòng)處理裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁一丁，貴玉歆，趙 航，項(xiàng)業(yè)銘，李哲然

（同濟(jì)大學(xué) 中德工程學(xué)院，上海 201804）

0 引 言

通過在服裝業(yè)中廣泛應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，能夠推動(dòng)新工藝、新技術(shù)的不斷成熟和推廣，極大地提高企業(yè)的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益。近年來，人們將電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于紡織設(shè)備，使之成為高速高效的機(jī)電一體化的自動(dòng)化單機(jī)或聯(lián)合機(jī)［1］。目前，應(yīng)用于服裝行業(yè)的機(jī)電產(chǎn)品種類繁多，相關(guān)的研究專著和發(fā)明專利也很多。例如，在2010年中國國際紡織機(jī)械展覽會(huì)暨ITMA亞洲展覽會(huì)上，共有來自28個(gè)國家和地區(qū)的1 171家廠商參展［2］。從關(guān)于按大類劃分的參展商數(shù)占比的統(tǒng)計(jì)表格中可以看出，展品大類為紡紗、化纖和染整的參展商數(shù)超過總參展商的一半，而物流和倉儲(chǔ)等大類的參展商只占0.43%?？梢姡鄬?duì)于機(jī)械化程度不斷提高的紡織環(huán)節(jié)，大部分服裝廠仍然采用手工勞動(dòng)來進(jìn)行包括收衣疊衣在內(nèi)的衣物后續(xù)加工環(huán)節(jié)。

DSP開發(fā)平臺(tái)具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確和通用性好的特點(diǎn)［3］。研究者通過使用DSP開發(fā)工具［4］可以提高程序設(shè)計(jì)的效率［5］，降低程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

基于PSP開發(fā)平臺(tái)，本研究嘗試通過設(shè)計(jì)一種新型的機(jī)電設(shè)備來實(shí)現(xiàn)收衣疊衣環(huán)節(jié)的自動(dòng)化，提供一種促進(jìn)服裝行業(yè)后續(xù)加工環(huán)節(jié)機(jī)械化的方式。

1 設(shè)備的功能和用途

該設(shè)備通過衣物輸送裝置、衣物折疊裝置和自動(dòng)卸衣衣架3個(gè)機(jī)械子系統(tǒng)，以及基于DSP的電子控制系統(tǒng)，完成“從衣物輸送到衣物和衣架的脫離，再到衣物折疊并儲(chǔ)藏”的一個(gè)工作流程。該設(shè)備可以在以下場合使用：

（1）服裝廠。在紡織工完成衣物的制作后，將成衣掛在位于導(dǎo)軌上的可伸縮衣架上，并由導(dǎo)軌將其送至衣物折疊裝置處，然后進(jìn)行衣物的折疊。折疊完成后，衣物落入折疊裝置下方的收集裝置中。重復(fù)該流程，可以實(shí)現(xiàn)多件衣物依次處理的功能。

（2）家庭。作為一個(gè)新型的家用電器，該系統(tǒng)取代了手工勞動(dòng)，能夠達(dá)到便捷收疊衣的效果，有利于家居生活智能化的發(fā)展。

2 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)備由機(jī)械分系統(tǒng)和電子控制分系統(tǒng)兩大部分組成，并通過這兩個(gè)分系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)運(yùn)動(dòng)流程。

2.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)由衣物輸送裝置、衣物折疊裝置和自動(dòng)卸衣衣架組成。整體機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建模如圖1所示。

圖1 整體機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1 衣物輸送裝置

衣物輸送裝置如圖2所示，該裝置的輸送功能由一個(gè)同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和一個(gè)單繩升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)衣物在水平平面中的平移運(yùn)動(dòng)，將衣物在水平位置上移動(dòng)到折疊裝置的工作區(qū)域內(nèi)。系統(tǒng)在該機(jī)構(gòu)中裝配有一直流剎車減速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)。單繩升降機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)衣物和與其相連的同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)，將衣物在豎直位置上移動(dòng)到折疊裝置的工作區(qū)域內(nèi)。系統(tǒng)在該機(jī)構(gòu)中裝配有一直流減速電機(jī)。

為了避免在靜定狀態(tài)下電機(jī)因所提升物體的自重載荷對(duì)電機(jī)造成的損壞，同時(shí)為了防止電機(jī)在斷電后由于慣性作用繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致豎直方向上的定位出現(xiàn)偏差，該裝置選用直流剎車減速電機(jī)，即在電動(dòng)自行車中常用的電磁制動(dòng)功能［6］。與常用的減速電機(jī)相比，剎車減速電機(jī)多了一組用于控制電磁鐵制動(dòng)器的信號(hào)線。當(dāng)該信號(hào)線上的電流信號(hào)中斷時(shí)，制動(dòng)器自動(dòng)抱死，使電機(jī)立即停止工作，使得輸送裝置在豎直平面上定位準(zhǔn)確。

圖2 衣物輸送裝置

2.1.2 衣物折疊裝置

衣物折疊裝置位于衣物輸送裝置的一邊，一側(cè)導(dǎo)軌的正下方。衣物折疊裝置如圖3所示，該裝置的主體部分是一個(gè)可以在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的箱體。箱體的上表面由5塊可以繞固定軸旋轉(zhuǎn)的塑料板組成。在箱體的后側(cè)面上有兩個(gè)夾子，用來使衣物與衣架脫離并且與薄板緊貼。工作時(shí)，衣物位于薄板上。該裝置通過板子的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)衣物的折疊。在折疊完成后，位于中間的兩塊薄板向下旋轉(zhuǎn)，衣物自然落入位于折疊裝置下方的收集裝置中。

圖3 衣物折疊裝置

該裝置的疊衣功能由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了箱體的翻轉(zhuǎn)，搖桿與箱體固定連接，曲柄由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在搖桿的第一個(gè)極限位置時(shí)，箱體與水平面呈45°夾角，接收由輸送機(jī)構(gòu)傳來的衣物。在該搖桿到達(dá)的第2個(gè)極限位置時(shí)，箱體近似水平，開始疊衣工作。曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了薄板的翻轉(zhuǎn)。系統(tǒng)在薄板下裝上兩根平行導(dǎo)軌（如圖4所示），用滑塊將導(dǎo)軌與搖桿連接在一起，實(shí)現(xiàn)了衣板180°正反翻轉(zhuǎn)。

圖4 在折疊裝置上的曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

2.1.3 自動(dòng)卸衣衣架

衣架兩桿采用類似天線的伸縮機(jī)構(gòu)，中間有繞線的軸，用線細(xì)一端連在衣桿頂端，一端連在繞線軸上。當(dāng)衣架與箱體接觸時(shí)，繞線軸伸出的手柄與箱體上的電機(jī)在同一平面內(nèi)。電機(jī)帶動(dòng)繞線軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使系在桿件兩端的棉線帶動(dòng)兩側(cè)衣桿向里收縮，直至橫向長度小于衣領(lǐng)大小，之后衣物傳輸裝置帶動(dòng)衣架與衣物脫離。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該裝置使用時(shí)序控制與傳感器控制兩種控制相結(jié)合的方式。系統(tǒng)采用DSP C2000嵌入式開發(fā)平臺(tái)［7-11］，32位架構(gòu)，主頻高達(dá)150 MHz，可以滿足實(shí)時(shí)控制應(yīng)用需求。該裝置使用的DSP控制系統(tǒng)輸出8路獨(dú)立的脈沖寬頻調(diào)制（PWM）信號(hào)，可以獨(dú)立控制8路電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。這8路信號(hào)通道控制衣物傳送裝置對(duì)負(fù)責(zé)提升的直流剎車減速電機(jī)、負(fù)責(zé)同步帶轉(zhuǎn)動(dòng)的直流電機(jī)、衣物折疊裝置上裝的負(fù)責(zé)箱體翻轉(zhuǎn)和薄板翻折的電機(jī)和負(fù)責(zé)中間板開合的電機(jī)進(jìn)行時(shí)序控制。同時(shí)，在衣物傳輸裝置上裝有一個(gè)測距傳感器，便于對(duì)衣物在導(dǎo)軌上的位置進(jìn)行定位。在衣物折疊裝置的箱體后側(cè)面上裝有一限位開關(guān)，當(dāng)夾子和箱體接近時(shí)，開關(guān)閉合，接通在箱體后側(cè)面的電機(jī)，使得與之相連的衣架的繞線軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 運(yùn)動(dòng)流程

控制系統(tǒng)的流程如圖5所示。具體的步驟如下：當(dāng)掛有衣物的衣架到達(dá)與固定在傳輸裝置上的測距傳感器附近一定距離內(nèi)時(shí)，傳感器將這一信號(hào)傳給DSP。在接收到信號(hào)后，DSP在一定時(shí)間內(nèi)向負(fù)責(zé)箱體翻轉(zhuǎn)的電機(jī)輸出電壓信號(hào)，使箱體由水平位置旋轉(zhuǎn)到與水平面夾角45°的位置。到達(dá)位置后，箱體保持該位置一段時(shí)間。與此同時(shí)，衣架繼續(xù)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，直到衣架與箱體的上邊緣平齊，衣物自然攤在箱體的5塊薄板上。然后，兩個(gè)夾子翻轉(zhuǎn)，夾住衣服。在夾衣服的同時(shí)，夾子與箱體側(cè)板接近，閉合行程開關(guān)，接通位于箱體側(cè)板上的電機(jī)。電機(jī)帶動(dòng)與之接觸的繞線軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，使衣架收縮。在一定時(shí)間后，夾子松開，與箱體側(cè)板遠(yuǎn)離，斷開行程開關(guān)，箱體側(cè)板上的電機(jī)停止工作。在衣物輸送機(jī)構(gòu)上的電機(jī)再次啟動(dòng)，使衣架與箱體和衣服完全脫離。同時(shí)，負(fù)責(zé)箱體的電機(jī)反轉(zhuǎn)，使箱體回復(fù)水平狀態(tài)。然后，疊衣裝置上的左、右、下板依次翻折，完成折疊動(dòng)作。最后，分為左、右兩部分的中板向下開啟，衣服自然落入箱體正下方的收集裝置中。

3 系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

經(jīng)分析，該衣物處理裝置的協(xié)調(diào)控制主要在于輸送裝置和衣架的協(xié)調(diào)控制。這個(gè)關(guān)系如果處理不好，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)無法順利進(jìn)行。

在整個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)中，由于輸送裝置上的同步帶進(jìn)行的是間歇性的運(yùn)動(dòng)，如果同步帶的停止和再啟動(dòng)時(shí)間沒有掌握好，有可能導(dǎo)致衣架沒有進(jìn)入疊衣區(qū)域，或者無法順利實(shí)現(xiàn)衣架與衣服的脫離。因此，該協(xié)同控制中必須解決同步帶停止與再啟動(dòng)2個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的確定問題。因?yàn)榕c這兩個(gè)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔是固定的，研究者只需要準(zhǔn)確地知道同步帶停止的時(shí)刻，就可以確定再啟動(dòng)的時(shí)刻。

該裝置使用測距傳感器所提供的距離參數(shù)來確定同步帶停止的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制，傳感器把距離參數(shù)傳給控制器。當(dāng)該參數(shù)小于一固定參數(shù)時(shí)，停止同步帶，便可以實(shí)現(xiàn)精確控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)距離為2.5 cm時(shí)停止同步帶，能夠達(dá)到最好的效果。

4 試驗(yàn)與分析

本研究的試驗(yàn)把衣物平整度作為評(píng)價(jià)疊衣效果的指標(biāo)。本研究把由該裝置處理的衣物與手工處理的衣物各放在一處，請(qǐng)來20位不了解兩組衣物處理過程的參與者，要求他們選出平整度更好的一組衣物。結(jié)果有12人認(rèn)為手工折疊后的衣物的平整度較好，8人認(rèn)為機(jī)械折疊后衣物的平整度較好。因此，可以認(rèn)為手工折疊與機(jī)器折疊的效果基本相同。

為了檢驗(yàn)自動(dòng)衣物處理裝置的工作效率，本研究進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)。經(jīng)過多次測驗(yàn)，該裝置完成整個(gè)流程用時(shí)30 s，而疊衣過程僅用時(shí)8 s。疊衣的效果與人工疊衣的效果相同。

5 結(jié)束語

自動(dòng)衣物處理裝置是一個(gè)符合市場要求和家居生活的機(jī)電設(shè)備。本研究基于DSP開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)收疊衣系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備可以初步代替人工進(jìn)行收衣疊衣的工作，為服裝處理的自動(dòng)化和機(jī)械化提供了一種新的實(shí)現(xiàn)方法。目前，該裝置能處理一定尺寸范圍內(nèi)的衣物。在下一階段，本研究將著重提高該裝置的通用性，使其能夠處理尺寸特殊或者樣式特殊的衣物。同時(shí)，以提高折疊衣物的平整度為目標(biāo)進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化。

（References）：

［1］ 田大秋，王耐敏.自動(dòng)化技術(shù)與紡織業(yè)［J］.科技信息，2008（15）：28.

［2］ 吳永升，祝憲民，徐妙祥，等.2010年中國國際紡織機(jī)械展覽會(huì)暨ITMA亞洲展覽會(huì)展品評(píng)估綜述［J］.紡織機(jī)械，2010（6）：3-5.

［3］ 計(jì)時(shí)鳴，陳承鋼.基于DSP和CPLD的伺服運(yùn)動(dòng)控制器［J］.機(jī)電工程，2011，28（2）：137-140.

［4］ 張秋燕，張學(xué)寬，張 寧，等.DSP開發(fā)系統(tǒng)的研究［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，21（1）：76-79.

［5］ 韓紀(jì)慶，楊子云，王承發(fā)，等.DSP開發(fā)工具綜述［J］.微處理機(jī)，1994（2）：3-5.

［6］ 楊立誠，陶勝利.電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)的優(yōu)化配置［J］.中國自行車，2006（5）：37.

［7］ 李永東，曾 毅.C2000系列DSP及其在電機(jī)調(diào)速中的應(yīng)用［J］.變頻器世界，2005（1）：6-9.

［8］ 張衛(wèi)國，馬麗萍.基于DSP的分布式溫度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)［J］.輕工機(jī)械，2011，29（4）：59-62.

［9］ 杜海江，石新春.基于C2000系列DSP的數(shù)字電機(jī)控制研究與實(shí)踐［J］.電器電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（5）：61-63.

［10］張雄偉，陳 亮，曹鐵勇，等.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用［M］.4版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［11］姚 睿，王友仁，儲(chǔ)劍波，等.DSP-C2000綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制與開發(fā)［J］.沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（2）：22-25.