一種新型的毛毯繃縫自動化生產(chǎn)線設(shè)計與實現(xiàn)

Design and implementation of novel blanket sewing automatic production system

李　陽

LI Yang

（中國船舶重工集團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化生產(chǎn)線設(shè)計與實現(xiàn)

Design and implementation of novel blanket sewing automatic production system

李陽

LI Yang

（中國船舶重工集團公司第七一六研究所，連云港 222061）

摘 要：針對傳統(tǒng)的毛毯繃縫工作環(huán)境差、勞動力缺乏、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)計了一種新型的單層毛毯繃縫自動化生產(chǎn)線。樣機試驗結(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；自動化生產(chǎn)線；高效

0 引言

近年來，我國紡織工業(yè)面臨的壓力越來越大。傳統(tǒng)的競爭優(yōu)勢，如低原材料、勞動力成本等正逐漸喪失[1]。國內(nèi)落后的紡織機械技術(shù)和發(fā)達國家的反傾銷步伐，也制約著我國紡織工業(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，工作環(huán)境惡劣，并且每個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，隨著人工成本的持續(xù)高漲，國內(nèi)各毛毯廠還面臨著“用工荒”、“招工難”等問題。

以此為契機，通過充分的調(diào)研和準備，綜合運用各種技術(shù)，設(shè)計了涵蓋各種運動機構(gòu)的毛毯繃縫自動化生產(chǎn)線，實現(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 毛毯繃縫自動化生產(chǎn)線的工作原理

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

進料裝置將上料小車里的成卷毛毯經(jīng)裁斷機構(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，進料裝置和傳送帶同時停止，裁斷機構(gòu)裁斷毛毯；傳送帶繼續(xù)運轉(zhuǎn)，通過視覺控制器確定圖案毛毯的前端時，傳送帶停止，同時，繃縫工作臺及其上方的抓壓機構(gòu)工作，將裁斷的毛毯抓取至繃縫工作臺上，工作臺和抓壓機構(gòu)一起返回原點；在返回過程中，切圓角機構(gòu)和繃縫機構(gòu)相應(yīng)的低速工作；進料裝置和傳送帶開始繼續(xù)運行，將裁斷的毛毯傳送至抓取位置，等待抓壓機構(gòu)下一次抓取。當工作臺回到原點后，切圓角機構(gòu)和繃縫機構(gòu)開始高速運行，完成對毛毯的切邊和繃縫。

圖1　毛毯繃縫自動化生產(chǎn)線布局圖

2 機械設(shè)計

圖2　毛毯繃縫自動化生產(chǎn)線三維圖

圖2給出了毛毯繃縫自動化生產(chǎn)線（僅1個工位）的三維圖，主要由自動對中展開機構(gòu)1、自動糾偏機構(gòu)2、自動壓緊機構(gòu)3、驅(qū)動機構(gòu)4、裁斷機構(gòu)5、傳送帶6、繃縫工作臺7、抓壓機構(gòu)8、切圓角機構(gòu)9和繃縫機構(gòu)10等部分組成。

1）自動對中展開機構(gòu)

由氣缸、左右擺動和螺旋輥軸機構(gòu)組成，實現(xiàn)初步對中毛毯和消除毛毯皺褶功能。

2）自動糾偏機構(gòu)

由氣缸、光電管和左右擺動機構(gòu)組成，實現(xiàn)毛毯對中微調(diào)功能。

3）自動壓緊機構(gòu)

由氣缸、壓緊輪組成，配合驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)毛毯牽引功能。

4）驅(qū)動機構(gòu)

由針輪和電機組成，實現(xiàn)牽引毛毯功能。

5）裁斷機構(gòu)

由無桿氣缸和電切刀組成，實現(xiàn)毛毯裁斷功能。

6）傳送帶

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

7）繃縫工作臺

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

8）抓壓機構(gòu)

由氣缸、壓板、毛毯夾緊機構(gòu)等部分組成，實現(xiàn)毛毯的抓取和壓緊功能。

9）切圓角機構(gòu)

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

10）繃縫機構(gòu)

由裁刀、繃縫機、驅(qū)動電機、汽缸等組成，實現(xiàn)毛毯繃縫及毛毯收尾處理功能。

3 硬件設(shè)計

根據(jù)總體布局形式和模塊化設(shè)計思想，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電機，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、抓壓機構(gòu)、切圓角機構(gòu)和繃縫機構(gòu)的六臺電機，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。為實現(xiàn)傳感器信號的采集以及電磁閥等設(shè)備的控制，控制系統(tǒng)采用多個擴展IO模塊進行級聯(lián)，級聯(lián)時需要進行地址設(shè)置，地址編碼遵循“8421”編碼原則，級聯(lián)中第一個和最后一個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、伺服驅(qū)動器等均采用松下產(chǎn)品。

4 軟件設(shè)計

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標準的六種編程語言[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時通信鏈接，將主控制器的控制信息傳送給從控制系統(tǒng)，同時接收從控制系統(tǒng)的反饋信息，動態(tài)顯示各功能機構(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給出了進料裝置和繃縫工作臺一對一時的主、從控制器的控制流程圖。若一臺進料裝置對應(yīng)N個繃縫工作臺，則每個繃縫工作臺都需配備一個不同優(yōu)先級的標志位Flag_Nx，工作臺在工作時，該標志位為FALSE；工作臺在等待時，該標志位為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CCD攝像頭采集到的毛毯圖像進行分析處理，將處理后的數(shù)據(jù)送入主控制器，由主控制器對數(shù)據(jù)進行處理并控制傳送帶驅(qū)動電機啟停，裁斷機構(gòu)動作切斷毛毯。

5 樣機試驗

圖7給出了毛毯繃縫自動化生產(chǎn)線的樣機實物圖。試驗中，以所選驅(qū)動繃縫機的伺服電機額定轉(zhuǎn)速（3000r/min）為極限，設(shè)定了一組速度參數(shù)。經(jīng)過測試，繃縫一條毛毯僅需2.5分鐘，若以1臺進料裝置匹配4個繃縫工作臺，則該生產(chǎn)線1天可加工2000條毛毯，節(jié)省10個工人。由于所選的繃縫機最大轉(zhuǎn)速為5000r/min，通過選擇合適的驅(qū)動電機或者同步輪變比，可進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　毛毯繃縫自動化生產(chǎn)線樣機

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

6 結(jié)束語

本文設(shè)計的毛毯繃縫自動化生產(chǎn)線操作簡單，能夠解決工序間的物流、信息流、工序轉(zhuǎn)換的自動化，進一步提升紡織品質(zhì)量，大幅提高勞動生產(chǎn)率，解決了“用工荒”等實際問題，符合我國“轉(zhuǎn)型升級，提高產(chǎn)業(yè)核心競爭力”的“十二五”發(fā)展規(guī)劃。

參考文獻：

[1] 蔣程鵬,呂建敏.論紡織機械自動控制技術(shù)的重要作用[J].紡織器材,2009,36(4):40-43.

[2] 呂渭賢.我國紡織機械行業(yè)自動化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].江蘇紡織,2004(5):8-11.

[3] OtoStudio運動控制庫編程手冊[K].

[4] OtoStudio可視化界面開發(fā)手冊[K].

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

加工與制造

作者簡介：李陽（1986 -），男，江蘇徐州人，工程師，工學(xué)碩士，研究方向為工業(yè)自動化控制、機器人研究與應(yīng)用。

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金項目（61305050）；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項目（BK2012236）

收稿日期：2015-10-09

中圖分類號：TP29

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0030-03