文永雙，王士軍，趙 達，楊澤源，程 琳

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

（山東理工大學 機械工程學院，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)估計達10多萬家，其中使用自動鋪布系統(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)達的國家，服裝設備基本都是采用計算機控制的自動化設備。在服裝行業(yè)中，自動化、智能化、網絡化逐漸成為服裝工業(yè)的的發(fā)展趨勢[1]。目前，自動鋪布系統(tǒng)，自動化裁剪系統(tǒng)等裝備的缺乏已嚴重制約了國內中小服裝企業(yè)的發(fā)展，服裝企業(yè)在生產環(huán)節(jié)應不斷引進先進的生產工藝及裝備，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，然后進行裁剪工作。人工鋪布存在工人勞動強度大、效率低、鋪層誤差大、均勻性差、易產生張力等諸多問題，嚴重影響裁片質量。

智能化鋪布方式不僅有利于確保服裝裁片質量、保證連續(xù)穩(wěn)定生產，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)具有自主知識產權的、結構緊湊、鋪布效果好、工作穩(wěn)定可靠的智能鋪布機，對于國內服裝企業(yè)的發(fā)展至關重要。針對鋪布機的行業(yè)現(xiàn)狀，本文設計了一款自動化程度較高的基于雙PLC控制的智能鋪布機。該鋪布機可以實現(xiàn)以下功能：

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

2）對邊機構對布邊實時調整使側邊對齊；

3）自動展布功能，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，觸摸屏實時顯示鋪布狀態(tài)；

5）具有故障監(jiān)測功能，發(fā)生故障停機、報警并指出故障點；

6）具有加減速功能，鋪布機起步停止時具有加減速，使機器運行更平穩(wěn)避免打滑。

1 智能鋪布機鋪布的工藝要求及流程

根據面料與服裝的特點，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，即一個面只朝同一個方向的鋪布方式，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束時需將布裁齊，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)，鋪布機在行駛到所設長度及回原點的過程中，都要進行放布操作，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合，即在雙向鋪布的基礎上，將布料兩端截斷。如圖1(c)所示。

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

圖2 鋪布流程圖

鋪布工序要達到以下要求：

1）確定鋪布長度

鋪料前應根據裁片排版確定出所需布料的長度，實際鋪料長度應比所需布料長度多出10mm左右，防止因鋪布誤差、裁剪損耗導致布料長度不足造成浪費。

2）布面平整無張力

在鋪布過程中，每層鋪料都應該平整舒展開，盡可能的避免張力的產生，更不允許發(fā)生褶皺現(xiàn)象，若有折痕產生，應及時處理，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)象影響服裝質量。

3）三邊對齊

鋪層的兩端及一側邊要對齊，布匹生產中經常會出現(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邊都對齊，為保證裁片質量節(jié)省布料，必須保證側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量。為確保裁片質量及節(jié)約布料，鋪布誤差限制在±3mm。前文中確定鋪布長度的時候已經留出10mm左右的余量，單面鋪布時，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 智能鋪布機結構設計及原理分析

智能鋪布機主要由行走裝置、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構壓桿處，用手動模式將布頭剪齊，手動模式將鋪布機移動到原點位置等待鋪布。通過人機界面設定好自動鋪布所需的各項參數(shù)，按下自動按鈕開始自動鋪布。按啟動按鈕后鋪布機開始行走，與此同時送布機構開始送布，到達設定距離后鋪布機停止行走，送布裝置停止送布，斷布裝置將布切斷后斷布裝置提升，鋪布機往回行走至原點，如此往復循環(huán)直到達到設定的層數(shù)或布料用完鋪布機停止工作。為使整體結構緊湊，電氣控制部分分布于主體兩側。

圖3 自動鋪布機總體結構圖

斷布裝置要實現(xiàn)布料展平、壓緊放松、裁剪、提升等功能，因此該裝置非常關鍵。斷布機由步進電機提供動力，并通過同步帶進行傳動，故裁斷的長度可根據布料的寬度來設定，而不必每次都裁斷最大長度，這樣就大大提高了鋪布效率。

擺布機構使用了步進電機加滾珠絲杠的結構方式，若使用普通電機，則為及時調整布邊造成電機的頻繁啟動，這樣會縮短電機的壽命，而步進電機對布的動態(tài)響應更為迅速，能根據布邊的情況做出實時調整，從而提高了對邊精度。

3 雙PLC+觸摸屏控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 雙PLC控制

PLC是通過運行其中的程序對輸入信息做出反應，然后再輸出信息，按要求對負載進行各種邏輯控制，其主要優(yōu)點是可靠性高，抗干擾能力強，易學易用，程序修改方便，所以非常適合進行各種工業(yè)控制。

智能鋪布機的多軸運動控制系統(tǒng)中有4個軸的脈沖輸出來驅動伺服電機和步進電機，并且每個動作要求響應快、位置精度高，還要控制多個普通電機的各種邏輯動作。在控制系統(tǒng)中應用西門子S7-200系列雙PLC組成控制網絡的形式，可達到快速可靠的控制效果[4]，控制網絡如圖4所示。

圖4 自動鋪布機的控制網絡

3.2 伺服系統(tǒng)控制

目前先進的運動控制器主要是以微機（PC）為基礎的數(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、功率驅動器、伺服電動機和傳感器組成，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。自動鋪布機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 電子齒輪的設計

伺服系統(tǒng)的電子齒輪實現(xiàn)了機械傳動中傳動比的電氣化，在設定范圍內可任意更改傳動比或幾種傳動比交替使用，電子齒輪使用靈活方便、傳動精度高，大大簡化了機械傳動系統(tǒng)，在性能機械傳動系統(tǒng)中應用廣泛。

電子齒輪的實現(xiàn)方式主要有利用鎖相環(huán)的方式實現(xiàn),基于硬件的的模擬式的電子齒輪、基于軟件實現(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，電子齒輪計算公式：

1）確認機械規(guī)格

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

2）確定伺服電機編碼器的最大分辨率

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

3）指令單位的確定

確定PLC的1指令單位。指令單位是指移動負載時，其位置數(shù)據所達到的最小單位。實際使用時，可以根據實際要求的控制精度來設定指令單位，綜合考慮，指令單位設定為1×10-5m。

4）計算末端控制軸轉一圈，工作臺的移動量

利用所確定的指令單位，計算末端控制軸轉一圈需要的指令單位的個數(shù)。滾輪周長為3 7 7 m m，指令單位為0.01mm，則負載旋轉一圈的移動量為 377mm/0.01mm=37700（指令單位）。

5）計算確定電子齒輪比（N/M）

根據電子齒數(shù)比計算公式計算電子齒數(shù)比(B/A)。假設電機轉m圈時，負載軸轉n圈，即電機到負載的減速比為m/n，則電子齒輪比可以根據電子齒輪計算公式得 ：

計算結束后要對結果進行驗證，看電子齒輪比是否滿足以下條件：

6）設定驅動器參數(shù)

將計算所得出的電子齒輪比的分子、分母作為參數(shù)設定到伺服驅動器中。

3.4 人機界面設計

通過MCGS組態(tài)軟件完成鋪布機的各個交互界面的組態(tài)。界面設計完后將程序下載到觸摸屏，智能鋪布機由主界面（如圖6(a)所示）、手動界面、設置界面、報警界面（如圖6(b)所示）和幫助界面組成。

圖6 人機界面

主頁面具有自動手動切換開關、總報警燈、狀態(tài)指示燈、鋪布模式選擇按鈕、層數(shù)設定、已鋪層數(shù)顯示、已鋪層數(shù)清零按鈕，各界面切換按鈕，時間日期顯示。

手動界面用于手動操作各個鋪布動作，包括正反向行走、正反向鋪布、布的壓緊松開、斷布機構的提升下降、左右擺布、展布輥的啟動停止、斷布機的啟動停止及其前后行走。

設置界面可設置鋪布機的各項參數(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。

報警界面實現(xiàn)自動鋪布機各處報警顯示及報警復位按鈕。

4 智能鋪布機的測試

測試實驗中分別對不同長度、不同鋪布速度進行了多次測試，自動鋪布機鋪布速度設定為0.6m/s～1.4m/s，鋪布長度為2m～30m，測試結果如表1所示。

表1 實際檢測誤差（mm）

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

5 結束語

智能鋪布機作為一種新型的鋪布機械，具有效率高、可控性強、工作性能穩(wěn)定、故障自診斷等優(yōu)點，是一項集機電于一體化的高新設備。雙PLC控制技術引入到鋪布設備中，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。MCGS系統(tǒng)的應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。基于雙PLC控制的智能鋪布機設計推動了服裝生產中鋪布設備的智能化、網絡化的技術發(fā)展。

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

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

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

[4] 蔡錦達,黃樹根,尤黔林,周晶晶.雙PLC技術在多軸運動控制中的應用[J].電氣傳動,2012,42(5):42-45.

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

[6] Seoncheol K,Youngsik K.A fractional-NPLL frequency synthesizer design[A].Proceedings of the IEEE Southeast confere nce,Piscataway,NJ,USA:IEEE[C].2005:84-87.