一種新型的毛毯繃縫自動化生產線設計與實現

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線設計與實現

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：針對傳統的毛毯繃縫工作環境差、勞動力缺乏、人工成本持續高漲等現象，以固高CPAC控制器為核心，綜合運用伺服控制技術，傳感器技術、以太網通信技術等，設計了一種新型的單層毛毯繃縫自動化生產線。樣機試驗結果表明，該生產線可大大提高毛毯繃縫的生產效率和工藝一致性，節省大量的人力成本，具有十分廣闊的應用前景。

關鍵詞：毛毯繃縫；CPAC控制器；自動化生產線；高效

0 引言

近年來，我國紡織工業面臨的壓力越來越大。傳統的競爭優勢，如低原材料、勞動力成本等正逐漸喪失[1]。國內落后的紡織機械技術和發達國家的反傾銷步伐，也制約著我國紡織工業的發展[2]。以單層毛毯繃縫為例，目前絕大多數毛毯廠仍采用手工操作，人工進行裁邊、裁圓角和繃縫工作。工人們從事著重復的低端勞動，工作環境惡劣，并且每個工人的技能各不相同，生產的產品也良莠不齊。與此同時，隨著人工成本的持續高漲，國內各毛毯廠還面臨著“用工荒”、“招工難”等問題。

以此為契機，通過充分的調研和準備，綜合運用各種技術，設計了涵蓋各種運動機構的毛毯繃縫自動化生產線，實現了毛毯上料—裁斷—抓取—裁圓角—繃縫—制出成品等一系列自動化生產過程，大大提高了毛毯的生產效率和工藝一致性。

1 毛毯繃縫自動化生產線的工作原理

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

進料裝置將上料小車里的成卷毛毯經裁斷機構連續不斷地送入傳送帶，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，裁斷機構裁斷毛毯；傳送帶繼續運轉，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，工作臺和抓壓機構一起返回原點；在返回過程中，切圓角機構和繃縫機構相應的低速工作；進料裝置和傳送帶開始繼續運行，將裁斷的毛毯傳送至抓取位置，等待抓壓機構下一次抓取。當工作臺回到原點后，切圓角機構和繃縫機構開始高速運行，完成對毛毯的切邊和繃縫。

圖1　毛毯繃縫自動化生產線布局圖

2 機械設計

圖2　毛毯繃縫自動化生產線三維圖

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

1）自動對中展開機構

由氣缸、左右擺動和螺旋輥軸機構組成，實現初步對中毛毯和消除毛毯皺褶功能。

2）自動糾偏機構

由氣缸、光電管和左右擺動機構組成，實現毛毯對中微調功能。

3）自動壓緊機構

由氣缸、壓緊輪組成，配合驅動機構實現毛毯牽引功能。

4）驅動機構

由針輪和電機組成，實現牽引毛毯功能。

5）裁斷機構

由無桿氣缸和電切刀組成，實現毛毯裁斷功能。

6）傳送帶

主要實現毛毯的傳送功能，上面安裝有邊沿檢測開關和視覺控制系統。

7）繃縫工作臺

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

8）抓壓機構

由氣缸、壓板、毛毯夾緊機構等部分組成，實現毛毯的抓取和壓緊功能。

9）切圓角機構

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

10）繃縫機構

由裁刀、繃縫機、驅動電機、汽缸等組成，實現毛毯繃縫及毛毯收尾處理功能。

3 硬件設計

根據總體布局形式和模塊化設計思想，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、光電開關等設備。從控制器主要控制繃縫工作臺、抓壓機構、切圓角機構和繃縫機構的六臺電機，以及相關的汽缸、裁刀等輔助設備。系統硬件架構如圖3所示。

圖3　系統硬件架構圖

主、從控制器經過過孔中間滑環，采用以太網通訊，通過網絡變量交換數據信息[3]。主控制器的IP地址設為192.168.0.2，從控制器的IP地址設為192.168.0.3。為實現傳感器信號的采集以及電磁閥等設備的控制，控制系統采用多個擴展IO模塊進行級聯，級聯時需要進行地址設置，地址編碼遵循“8421”編碼原則，級聯中第一個和最后一個串口端子的撥碼開關撥至ON，其他端子撥至OFF。

表1給出了毛毯繃縫自動化生產線主要元器件的選型情況。系統所用的斷路器、空氣開關、熱保護器、開關電源、中間繼電器等均采用施耐德產品；所用的氣路調壓閥、過濾器、電磁閥等均采用亞德客產品；所用的伺服電機、伺服驅動器等均采用松下產品。

4 軟件設計

圖4給出了固高科技的OtoStudio軟件開發環境界面。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、連續功能圖、梯形圖、結構化文本，順序功能圖。通過該開發環境可以實現系統的啟停控制以及用戶參數設置；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，同時接收從控制系統的反饋信息，動態顯示各功能機構的工作狀態[5]。

表1　主要元器件選型

圖4　OtoStudio開發環境界面

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N個繃縫工作臺，則每個繃縫工作臺都需配備一個不同優先級的標志位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，將處理后的數據送入主控制器，由主控制器對數據進行處理并控制傳送帶驅動電機啟停，裁斷機構動作切斷毛毯。

5 樣機試驗

圖7給出了毛毯繃縫自動化生產線的樣機實物圖。試驗中，以所選驅動繃縫機的伺服電機額定轉速（3000r/min）為極限，設定了一組速度參數。經過測試，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，則該生產線1天可加工2000條毛毯，節省10個工人。由于所選的繃縫機最大轉速為5000r/min，通過選擇合適的驅動電機或者同步輪變比，可進一步提高毛毯繃縫的生產效率。

圖6　毛毯切割邊界定位系統

圖7　毛毯繃縫自動化生產線樣機

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

6 結束語

本文設計的毛毯繃縫自動化生產線操作簡單，能夠解決工序間的物流、信息流、工序轉換的自動化，進一步提升紡織品質量，大幅提高勞動生產率，解決了“用工荒”等實際問題，符合我國“轉型升級，提高產業核心競爭力”的“十二五”發展規劃。

參考文獻：

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

[2] 呂渭賢.我國紡織機械行業自動化技術應用現狀與發展趨勢[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，工學碩士，研究方向為工業自動化控制、機器人研究與應用。

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