【毕业学位论文】衬衫袖衩自动缝制设备的控制系统设计

摘 要 随着工业自动化技术的高速发展和现代人们对精美服装的卓越追求，高端自动化缝纫设备研制的重要性日益凸显，尤其是各种新型缝制设备 的控制系统研究。本文的研究对象就是一款极其新颖的专用缝制设备 衬衫袖衩自动缝制设备。它是一款集衬衫袖衩缝制多个工位于一体的自动化程度极高的特种缝制设备。 本文主要从袖衩自动缝制设备的基本缝制动作 介绍，控制任务分析，硬件设计和软件设计四个方面进行了研究。 （ 1） 根据袖衩的线迹和缝制工艺 介绍了 与之相对应的 袖衩缝制的自动折布、自动送布、自动缝纫及自动出布等 部分 的基本结构，为设计其自动化方案提供了依据。 （ 2） 根据工艺要求和该设备四大机构的作用对控制任务进行了分析，建立了多轴协同运动模型，明确了输入输出设备数量， 对电机选型作了计算，并在此基础上确定了控制方案。 （ 3） 在 设计好 的 控制方案基础上，介绍了系统的硬件构成。 采用了 司件的工控机配以 线通讯卡作为主站，步科 服驱动器作为从站， 列总线耦合器挂接 线端子模块以连接 外围 I/O 设备作为其他 站，创造性地在自动缝纫设备中 建立了基于 线通信的一主多从控制系统。并对系统的每个模块进行了详细设计。 （ 4） 对软件功能模块进行 了划分并 对上下位机 分别进行了 编程。 下位机采用梯形图加功能块进行编程，实现了运动控制。 上位机 则 采用 实现 了部分 人机交互 界面。 这种两个编程语言的混合使用在实用性上更具有创新意义，它摒弃了各自的局限性，使得系统更加稳定与可靠。 本文从受控对象的功能需求出发，研究了其控制模型，确定了控制系统的总体方案。设计了控制系统的软硬件，编写了程序，并做了部分实验，进行了调试，实现了基本的控制功能。 关键词 ： 衬衫袖衩； 机交互界面 研究类型 ：应用研究 of of of of on of of of is a It is a of of of of of to of its of to of on to is of is of on of is on of of of C as as K L to , C on by LC is C to of on of it In of to of of of 录 I 目 录 1 绪论 . 1 言 . 1 课题研究的目的和意义 . 2 内外自动化缝纫设备发展概况及趋势 . 3 内外自动化缝纫设备发展概况 . 3 内外自动化缝纫设备发展趋势 . 5 文的主要内容 . 5 2 衬衫袖衩缝制工艺及其自动缝制设备机构运动分析 . 7 见袖衩及其缝制工艺 . 7 型袖衩简介 . 7 衩的缝制工艺简介 . 8 衩机缝制动作分析 . 8 动折布动作分析 . 9 动送布动作分析 . 10 动缝纫动作分析 . 13 动出布动作分析 . 14 章小结 . 15 3 袖衩机控制系统总体设计 . 16 衩机控制系统概述 . 16 衩机控制任务分析 . 16 制需求分析 . 16 衩机多轴模型分析 . 18 制方案总体 框图 . 19 制指标参数要求 . 19 机的选型计算 . 20 布步进电机选型计算 . 20 纫伺服电机选型计算 . 22 制方案的确定 . 24 制技术及现场总线技术的 特点 . 24 衩机的控制系统结构 . 25 章小结 . 26 武汉纺织大学硕士学位论文 袖衩机控制系统的硬件设计 . 27 衩机控制系统硬件概述 . 27 件控制系统总体设计框图 . 27 制系统拓扑结构图 . 28 控机 +制平台 . 29 机交互硬件平台 . 31 制系统 站通讯卡 . 32 服从站介绍 . 34 围 I/O 从站 . 38 统通信方式 . 42 线通信方式简介 . 42 站与从站的通信过程 . 43 章小结 . 46 5 袖衩机控制系统的软件设计 . 47 衩机控制系统的软件构成 . 47 位机运动控制程序设计 . 48 位机软件开发平台 . 49 衩缝制直线运动轨迹的分析与计算 . 49 动控制编程 . 53 位机软件程序设计 . 59 位机管理软件的开发工具 . 59 衩机部分人机交互界面介绍 . 60 机交互界面与 数据链接 . 63 衩机控制系统部分实验及结果分析 . 64 章小结 . 67 6 总结与展望 . 68 参考文献 . 69 附录 . 73 附录 I 本人攻 读硕士学位期间发表的论文及所获专利 . 73 致谢 . 74 1 绪论 1 1 绪论 言 日新月异发展的 服装 行业刺激了缝纫设备 需求 的 快速增长 ，根 据 全球 2006年统计数据显示 ，工业缝纫机 的 需求量 已增长为 新 世纪 开头 时的 10倍 ， 而 这 种 需求 量仍呈现出迅猛增长的态势 1。 结合我国目前的服装产业发展情况来看， 作为 全球对工业缝纫机需求量 最大的国家，国内 该 产业的发展速度将会有一个高峰 2。值得关注的一个现实问题是，研发起步较晚的国内工业缝纫机行业，尤其在缝纫机的自动控制系统部分，其研发水平普遍较低，因此中国制造的工业缝纫机产品在面对国内市场需求时显得力不从心，无法满足日益多元化的工业缝纫机需求，其 关键因素 是较多国产工业缝纫机的加工工艺难以满足现代人对高品质、时尚化、个性化的服装要求 3。纵观缝纫机发展史，距它 诞生 已有 150 多年，我们 所 穿的服装 由最初的纯 手工制作 到 后来 的 纯机械式 和 电动式缝纫机 批量生产，技术的革新始终是其发展的核心动力 ， 发 展到现在， 机械、 电 气、 液 压、光电技术的融合是缝纫机发展 的 必经之路 4。 这意味着对缝纫机的自动化控制程度要求越来越高，其 机电控制系统 应 具有计算记忆、 处理信息 、 管理数据、人机交互及 反馈控制等功能，并 逐步 实现无人化 和自动化 生产， 在 这 种大的 背景下产生的新型缝纫设备 与传统缝纫机相比 在多功能、自动化、智能化以及高速 度、 高精 度 方面 的优越性早已体现得淋漓尽致 5。 经过 30多年的发展，我国 跻身于 世界缝纫机生产大国 之列 ，但 与 缝纫机生产强国 的差距仍相当大 。目前 的现状是 ，国外工业缝纫机品牌 在国内 依然占据着 较大的市场份额，我国 虽然 已经能生产 世界上大部分的缝纫机，但大多只是 对原型机的 低水平 仿 制，性能与 国外 原型机相差甚远 。 对于 部分 高附加值高 技术含量 的 高端 特种机型 方面 仍 无法 摆脱依靠进口的命运，缺乏 自主生产 的能力 ， 尤其是 新款机型 及 多轴控制的缝纫机控制系统6。由此可见， 国家需要重视自主创新， 需要加快新一代 智能化 、 数字 化工业缝纫机 的研发步伐， 这样才能够更好 的 服务于我国 服装行业和其他相关产业，从而促进 经济 和 社会的发展。 在中缝协发布的关于缝机业 “ 十二五 ” 发展规划中 提出： 缝制机 械行业应 抓住机遇 ，承袭“十一五”规划中有关缝机行业的良好成果在加 强设计制造柔性化、伺服控制及多轴联动等的集成控制、突破两化融合、品牌建设等方面进一步 加快发展， 将 创新、转型、武汉纺织大学硕士学位论文 2 平稳、质量 摆在首 位 ， 努力 缩小与 缝纫机生产强国 的差距 7。 这 就要求我们 要继续 加大力度发展 工业缝纫机，通过自主创新 以增大 高性能 、高自动化程度 工业缝纫机 的产量 。 课题研究的 目的 和意义 我们通常大致将 工业缝纫机分为两种 ，即通用型 缝纫机和 特种型 缝纫 机 。 通用型 缝纫机 一般是指 能完成缝纫的大部分工序的 最常用的工业平缝机 ， 其 价格 和产量相比其他机型都 占有绝对的 上风 8。 特种型 缝纫 机 是 指 能完成 单 种或 多 种 特别 工 序的缝纫机，它的种类如绣花机、锁眼机等 非常繁多 9。本 课题 所研究的这种专用于缝制衬衫袖衩的缝纫机即属于特殊缝纫机中的一种新品种，国内几乎为空白，因此在这种背景下，对新型特种 设备 的自主研发 从而抢占缝纫机品牌市场份额就显得尤为重要 。 本课题旨在研究开发 一种自动送布，自动折布，自动缝纫，自动倒缝，自动停针，以及自动卸料的集袖衩缝制多工序为一体的新型专用缝纫 设备 衬衫 袖衩自动 缝制设备 （简称袖衩机） ，可大幅度提高袖衩缝制的生产效率、缝制精度及自动化程度。在企业中，传统的袖衩缝制仍主要依赖于操作工人在平缝机上的手工 操作，生产效率及自动化程度较低。众所周知， 伺服控制系统 是 自动化缝纫机的核心技术 10。传统 的 缝纫 控制系统 通常 由 一个 离合器电机控制， 在缝纫 效率 和质量以及耗能方面都十分不理想 。随着 电力电子 技术 、 工业控制技术的发展，缝纫机伺服控制系统 开始采 用工控机、 在 节能 的同时 大大 改善了 服装的加工质量，简化了机械结构设计等，而且智能化、自动化工业缝纫机伺服控制系统的 出众性质 符合 服装行业对设备的需求以及自动化技术的 发展要求，必将逐步取代 采用 离合器电机的 传统 伺服控制系统 11。因此， 对可靠性、自动化程度都更高的伺 服控制缝纫设备的研究就具有重大的实际意义。 为使衬衫袖衩的生产过程更高效、稳定、可靠，满足大数量的衬衫生产需要，本课题将在传统缝制工艺的基础上，对衬衫袖衩的缝制过程加以分析，研制一种高档专用 于衬衫袖衩的自动缝制设备 ，这不仅可以结束国内对高端缝纫机尤其是其控制系统长期只能进口国外的命运，而且对我国服装设备中特种缝制机械的发展起到了一定促进作用。 袖衩机 是机电技术相互融合的产物，电力电子技术、计算机控制技术、精密机械加工技术的发展 使得此类针对服装特殊部分缝制工艺的特种缝制设备诞生 12。 这是一种高性能高生产率 的光机电完美融合的缝制设备，具有极高的自动化程度， 而 且 可 生成简易的 缝制文件， 与电脑绣花机为同一 纺织缝制设备范畴 的 系列产品， 它将绣花机和普通缝纫机的功能集于一身 13。 它可以解决衬衫生产工艺中最复杂的环节 ， 比普通操作节省 了80%的时间 ， 一台机器可同时完成左右袖 衩 的车缝 ， 一名没有 经验 的车缝工人相当于 5名较熟练的袖 衩 车缝工人 ，达到 高质量 、高 标准 、 低成本 的 生产。同时还可以解决衬衫生产季节性问题 ，可 不再为用工难而头痛。对于相关技术的研究 可以成为高端国产 缝纫1 绪论 3 机研究 领域的里程碑 ， 从而 打破 了 国外 的 技术垄 断。本文对 袖衩 机 的 控制系统进行 重点研究与设计。 内外 自动 化 缝纫设备 发展 概况 及 趋势 内外 自动 化 缝纫设备 发展概况 我国在智能缝制设备的开发上相对滞后，相当长的时间内， 作为核心技术的控制系统都通过直接进口，成本高，利润低。 国内公司专门从事缝制设备控制系统研究最早的是 北京兴大豪科技开发有限公司 ） ，它也是开发这类控制系统较为完善的公司， 多年来一直引领 国内缝制设备电脑控制系统的发展 趋势 ， 其控制系统广泛应用在国产 高速 花样机、 套结机、钉扣机、绗帽机等特种工业缝纫机上 14。此外，像怡集团） 、 中捷缝纫机股份有限公司 ） 、 太原大豪益达电控有限公司 ） 等也都是这一行业里有较强影响力的单位，但是产品质量不高，工作振动噪声较大、缝制精度不高且缝纫质量不够稳定，缝制速度也不够高，一般在 700转 /分左右。虽 然有 少数 研究机构 从事这 种设备的 开发，如西北工业大学、华中科技大学的 数控研究所等， 取得了一定的研究成果， 但由于起步晚 、起点低 ，与国外控制系统 的差距还 是相当大的 。 对于袖衩机这类新型高端专用缝纫机，其控制系统的研究相对 更 少，总体上还处于研发 起步 阶段，目 前还没有 成熟 的产品出现， 国外公司主要垄断了这类产品， 我国多家合资 的 缝纫机公司 也只是生产其机械零部件，核心技术即 电脑控制系统 仍由国外公司紧握 。 改革开放 三十 多年 以来 ， 目前我国 有 近 两千 家各类缝纫机 的 生产企业 ，是 全球 最大的 集 缝制机生产 及 销售 一体的国家 。一些 重视创新 的 地方 工业缝纫机制造商 ，在计算机控制系统方面进行了大量 积极自主 的 研 发活动 ， 于 技术上 取 得 了相当大的突破。得益 于技术创新、自主研发的长期投入， 我国 控制系统基本依靠进口的状况正在逐步改观。国内 众多公司陆续自主研发了一批智能缝制设备，如通宇、飞跃、宝石、标准等 ， 其中6系列产品由 西安标准股份有限公司 推出的，同时与当地高校共同研发的 智能电子花样机 在触摸屏人机交互、嵌入式技术、多轴联动协调控制技术等方面的突破也是惊人地 ， 完美的实现了对缝制轨迹的在线编辑， 操作 简单，缝制线迹优美 ， 成就可观， 全球同种机型速度最高的 我国 宝石公司 开发 的 15。 进入 21世纪以来 ， 国内企业的重心已经开始转向自主创新了，国内 缝纫机行业申请的 专利近万 项 ，自主 研发的实践已经卓有成效 ， 涌现了一大批占 有一定市场份额的 制造商 。目前 西安标准工业股份有限公司 、 (捷缝纫机股份有限公司 、 浙江新杰克缝武汉纺织大学硕士学位论文 4 纫机股份有限公司 、 上工申贝股份有限公司和北京兴大豪科技 （ 开发有限公司 等成为了国内目前 排名前五 的 缝制机械企 业 16。如今，工业缝纫机的 一大 发展趋势 是 缝制设备 的高度智能化，控制的核心 动力 采用 伺服、步进电动机，运动控制技术 、 嵌入式系统技术以及机电一体化技术 的高度集成已经成为国内 智能缝制设备的 主要特点 之一， 但 仍需注意的 是我国 仅作为 缝纫机 的 生产大国，而 不是 强国，尤其在这类高端专用缝制设备的研究水平上， 更是与德国、日本、意大利等发达国家 仍差距较大 17。 世界缝纫机生产 商 主要集中在德国、日本、中国、韩国及意大利等少数国家， 高附加值的高端缝制设备生产主要由国外公司垄断， 德国、日本等国 更是 成为了高端 缝制设备 的寡头 18。德国的百福（ 杜克普（ 日本的兄弟（ 飞马（ 均为世界知名的缝纫设备产品 。此外， 意大利威比玛（ 迈卡（ 也因为研制了具有特色的新型缝纫 设备 而成为高端缝纫机业的一枝独秀。 这些国家的缝制设备发展 ，除了通用的之外， 都 特别专注于开发特种设备，如杜克普的自动上袖机、高台垫肩机， 意大利威比玛（ 的牛仔裤后袋卷口机、裤脚卷边车缝机。 以下是国外具有特色的缝纫机机型的代表。 意大利 设计和制造一种新型的机压口袋机进入了服装缝纫设备领域。 计的设备中有许多已获专利， 推出 的全自动缝纫系统在服装领域是独一无二的。 它通过客户的需求 来督促自身锐意创新 ，并了解新产品的市场。 、袖口及袖扣等，还有许多其它产品，如自动粘衬机、自动车缝机以及自动装袋机等 19。 日本兄弟机械有限 责任 公司 研制 的自动衣袋缝纫机 自动 的 衣袋缝纫机现在 2005年的上海纺机博览会上 20，该类缝纫机与本课题中袖衩自动 缝制设备 属于同一类型机型，他们有着几乎相同的缝纫轨迹。 170型绣花机 是目前绣花缝制设备中最先进的产品之一，真正做到了设计与缝制一体化。是 德国 百福 公司 融合了先进的嵌入式系统技术、触摸屏技术以及机内自配花样设计软件技术等研制出的高端绣花机 21。 综上所述，国 内 外的自动缝纫设备的研发与制造已进入了一个飞速发展 并日趋成熟的时期，伴随着技术的不断革新， 袖衩机这类高 端缝纫设备集中体现了以下几个特点： （ 1）自动化程度 极 高，结合 了 电脑数控技术，可生成缝制 轨迹文件 ，图案花样样式 丰富， 并且可以 任意组合调用 ； （ 2）缝纫机多功能 且 专用化， 单独更换某一 零配件或 者 配置某一附件 ，另一种功能 的缝纫机就产生了； （ 3）电机高速化，为提高生产率，这种情况无法避免，目前国外产品的最大缝制速 1 绪论 5 度可达 7000 甚至 10000 个线迹每分钟 22。 内外自动 化 缝 纫设备 发展趋势 随着自动控制技术的 高速 发展， 今后 高端 智能 工业缝纫机的发展趋势主要 表现在 对高 速 高自动化 、清洁、操作简单、结构紧凑 等性能的追求。主要体现在下面 八个方面，如图 图 能缝制设备发展趋势图 he of 文的主要内容 本课题来源于导师与广东揭阳名鼠股份有限公司 合作的广东省科技攻关项目 。 目前在熟练掌握袖衩缝制工艺的提下基本已 完成了该设备的机械 结构设计，本文主要负责在此前提 下研究控制方案，并设计配套的控制系统。本文的研究 内容及创新点 主要分为 以下几个部分： （ 1）介绍了袖 衩 机 研究意义、国内外自动缝纫设备发展状况与趋势。 袖衩 机 属于特种缝纫机， 是与 口袋机、绣花机等同系列的产品。意大利已有此类产品推出，而国内尚 属 空白。 （ 2）袖衩工艺及袖衩机关键部分机构简介。 介绍了常见衬衫袖衩的线迹、袖衩缝制的传统工艺流程，根 据自动化缝制工艺的要求，确定自动缝制的工艺内容，并在此基础上 介绍 了 自动折布、自动送 布 、自动缝纫以及自动出布 等关键部分的 动作分析 ，为 袖衩 缝制的 自动化 研究提供 基础 和依据。 （ 3）袖衩机控制系统原理分析和总体方案设计。 建立了多轴控制模型图 ，对控制任务进行分析， 统计了输入输出设备的数量，并在对多轴协同运动控制方法的研究 基础上 提 出 了 控制总体方案，对各轴的负载进行计算并武汉纺织大学硕士学位论文 6 进行电机选型等。 （ 4）袖衩 机 控制系统的硬件设计。 进行袖 衩 机 控制 系统的硬件概述，介绍系统硬件构成， 分别 介绍 了 研华工控机 +通讯卡（ 站） +I/O 从站 +伺服从站的控制模式以及 系统 通信方式 。 创造性地 将集驱动、 分布式 I/O 数据交换 和 主从站通讯于一体的 线 用 于新型伺服缝制设备控制系统中， 解决了数据的快速实时传输 、 多电机的 同步协调控制等 问题 ； （ 5）袖衩 机 控制系统的软件设计及 部分实验介绍 。 对系统软件功能模块进行了划分，主要包括缝制轨迹管理模块、伺服运动控制模块、人机交互模块等。分别 对上 下 位 进行了编程，上位机 机采用 言编程 ， 实现了部分人机交互 界面 ；对下位机采用 司 的 软件 C 主要 采用 了 梯形图 加功能块编程， 实现 了 对 缝纫 伺服电机的运动 控制 ；最后 搭建 了 简易实验平台进行 了部分实验， 初步的 实现 了主从缝制等功能 ， 结果基本合理 。 在实 用性上面的创新表现在利用 件和 行混合编程来 分别完成了下位机的运动控制和上位机的人机交互界面，摒弃了 件自带的 能的局限性 ，充分利用了高级语言的通用性和良好地可移植性。使得该袖衩机 的控制系统稳定可靠，吸收两个软件的长处，使之相得益彰。 （ 6）总结与展望。 最后， 对全文所做的工作进行了总结， 对 设计过程中 所 遇的问题 及其 解决 办 法 进行了阐述 ， 并提出了 课题中依然存在 与 需要进一步研究 加以 改进的问题，对 今后 的研究工作进行了展望。 2 衬衫袖衩缝制工艺及其自动缝制设备机构运动分析 7 2 衬衫袖衩缝制工艺及其自动缝制设备机构 运动分析 见袖衩及其缝制工艺 众所周知，作为人类服装史上最经久不衰的经典之作，衬衫符合大众的审美观 23。衬衫的款式随着流行趋势与生活形态的影响而变化多样，不同款式的袖衩形状、长短及封口线距衩尖的长度也 不同。不断产生的新审美观对服饰的细节品质提出了更严格的要求， 男士衬衫尤为关注和把握细节，如领口、袖口等部位，衬衫的品质和风格很大程度上由这些部位的工艺造型决定 24。因此袖衩的缝制工艺对衬衫 品质起着决定性的作用。 袖衩是服装业的专业术语，通常是指长袖款衬衫袖口部位的开衩，包括大袖衩和小袖衩。所谓 大袖衩，即于锁眼一边缉缝的大袖片，亦称前袖片；所谓小袖衩，即于钉扣一边缉缝的小袖片，亦称后袖片。通常较宽的大袖片在扣好纽扣之后能将小袖衩遮盖住，袖衩具有功能性作用，同时也有美观装饰的作用 25。本节主要对常见袖衩外形以及其缝制工艺作介绍，为袖衩自动缝制设备关键结构 及机构运动的设计提供必不可少的依据。 型 袖衩简介 衬衫袖衩种类多钟多样，最常见最典型的有直袖衩和宝剑头袖衩（也称为琵琶头袖衩） 26。女式衬衫袖衩多为直袖衩，有些款式甚至无需做袖衩，不具有代表性，而男式衬衫袖衩几乎全部为宝剑头袖衩 ，十分普遍，并且宝剑头袖衩的缝制工艺最具有代表性，其他袖衩款式的变化都是建立在对宝剑头袖衩的工艺稍加改变之上的，缝制步骤也并无二致。这种袖衩的宝剑头可随心变化，根据不同风格的衬衣设计成方、圆头或斜角等不同形状，其缝制方法虽相同但有不同的样式风格，封口线可由单道向双道、十字交叉式等改变，如图 图 型的衬衫袖衩 汉纺织大学硕士学位论文 8 衩的缝制工艺简介 下面主要介