基于西門子S7-200的自動縫制單元設(shè)計(jì)

　　摘要：基于特種工業(yè)縫紉機(jī)應(yīng)用范圍的拓展，性能不斷提升，要求自動縫制單元除有縫紉機(jī)自動縫制的功能外，同時(shí)兼有自動送料、自動折料、自動取料、自動定位功能。本文采用電控系統(tǒng)+外置可編程PLC實(shí)現(xiàn)要求功能，電控系統(tǒng)可采用花樣縫紉機(jī)的電控系統(tǒng)，外置PLC采用西門子公司的S7-200PLC，系統(tǒng)和PLC間通過通信實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。通過PLC外部電路和時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)自動縫制單元中自動送料等縫紉過程中的特殊過程。

　　隨著國內(nèi)服裝行業(yè)的不斷發(fā)展，服裝產(chǎn)品對縫制設(shè)備的縫制質(zhì)量和特種加工要求也越來越高，對自動化程度高的自動縫制單元需求也越來越多。目前，縫制設(shè)備正朝著技術(shù)集成化、設(shè)備專業(yè)化的方向發(fā)展。

　　本文以自動縫制單元中貼袋機(jī)為例，傳統(tǒng)的貼口袋作業(yè)采用電腦雙針機(jī)，不但產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證而且人員配置多，生產(chǎn)效率較低，而自動貼袋機(jī)可實(shí)現(xiàn)各種口袋以及服裝加工中其他不規(guī)則形狀的高速穩(wěn)定、高精度的縫制，及折邊送料、縫制和疊料動作可以一次完成，工作效率是傳統(tǒng)貼袋作業(yè)的6倍以上。為此，在總結(jié)已研制的自動貼袋機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了自動完成特殊縫制過程的解決方案。

　　1 特殊縫制過程解決方案

　　在貼袋機(jī)系統(tǒng)中電控系統(tǒng)基本上可分為以下5個(gè)部分：

　　1)控制中心：采用DSP+FPGA+PLC的結(jié)構(gòu)如圖1，軟件平臺為WIN-CE實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，DSP+FPGA運(yùn)動控制卡和伺服電機(jī)驅(qū)動器構(gòu)成電控系統(tǒng)的下位機(jī)，下位機(jī)和PLC之間通過I/O通信實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，PLC I/O口中I1.2-11.5用于系統(tǒng)到PLC的信號，Q0.6-01.1用于PLC到系統(tǒng)的信號。其中貼袋、花樣的縫制由下位機(jī)完成，而折料、送料、疊料輔助動作由PLC模塊完成。

　　2)觸摸屏單元：上位機(jī)采用TFT液晶顯示+觸摸屏操作人機(jī)界面+ARM工業(yè)控制計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，操作時(shí)只需觸摸顯示的形象化圖形符號，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)編輯、自動縫制、參數(shù)設(shè)置等各種功能，以方便不同用戶的實(shí)際需要。

　　3)縫制機(jī)頭電機(jī)控制：X、Y軸送布電機(jī)，C軸送料電機(jī)均采用伺服電機(jī)，交流伺服電機(jī)具有控制精度高、過載能力高以及良好的轉(zhuǎn)矩、頻率特性和速動性等特點(diǎn)。

　　縫紉機(jī)的主軸要求具有很高的轉(zhuǎn)速來滿足高速縫紉，同時(shí)又要求具有較大的瞬間過載能力，保證機(jī)針的穿透力量，能輕易將厚料打穿，采用交流伺服電機(jī)完全能滿足上述要求。由于交流伺服電機(jī)的體積和重量都較小，可用直連方式連接縫紉機(jī)主軸，提高了電機(jī)的執(zhí)行效率，減小了整機(jī)噪音，便于安裝和調(diào)試。

　　4)信號檢測(輸入)：啟動、暫停、復(fù)位等開關(guān)信號，以及貼袋機(jī)各種到位檢測器，檢測各個(gè)動作完成情況。

　　5)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(輸出)：該系統(tǒng)中采用PLC控制各種氣閥、電磁鐵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成壓料、疊料、翻料等輔助動作。

　　該設(shè)計(jì)中采用控制中心+觸摸屏單元這種雙CPU方式，主從CPU之間采用RS232通信交換數(shù)據(jù)和信息。該硬件平臺應(yīng)滿足縫紉機(jī)的運(yùn)動控制要求，I/O信號處理，以及一定的功能擴(kuò)展等。

　　為保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和提高抗干擾能力，電機(jī)驅(qū)動器脈沖、方向控制信號差分輸出，以及其它I/O控制信號經(jīng)光隔輸入/輸出。開關(guān)信號光隔輸出，經(jīng)功率管驅(qū)動放大后控制電磁鐵、電磁閥等電子器件，實(shí)現(xiàn)壓板壓下/抬起、壓腳壓下/抬起、自動剪線、撥線、松線等輔助控制功能。啟動、壓板、暫停、斷線檢測、零位信號等輸入開關(guān)信號也通過光電隔離進(jìn)入系統(tǒng)。

　　PLC控制采用西門子公司的S7-200PLC系列的CPU224中央處理單元，該中央處理單元集成14DI/10DO共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)拓展模塊，最大拓展至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)(CPU224的輸入輸出接口如圖2所示)，并增加了2個(gè)拓展輸出模塊EM222 24VDC 8數(shù)字輸出，該系統(tǒng)中共14個(gè)輸入，26個(gè)輸出，輸入包括檢測開關(guān)、啟動開關(guān)、復(fù)位、驅(qū)動輸入、電控系統(tǒng)通訊等，輸出包括C軸驅(qū)動的輸入、氣閥控制、電磁鐵控制、電控系統(tǒng)通訊等功能。

　　自動貼袋機(jī)縫制單元的基本工藝流程如圖2所示，從圖中可以看出這個(gè)流程中除自動縫制過程由電控系統(tǒng)進(jìn)行控制，其余動作由PLC完成，在PLC控制的輔助動作中折料、疊料均由氣閥控制，壓料由電磁鐵控制，而送料部分由C軸電機(jī)完成。

　　2 送料過程PTO控制

　　在C軸送料過程中，送料的速度、位置控制由內(nèi)置S7-200PLC的PTO使用一個(gè)脈沖串輸小用于C軸電機(jī)的速度和位置控制。在STEP7 V4.0軟件中可通過位控向?qū)茏詣犹幚鞵TO脈沖的單段管線和多段管線、脈寬調(diào)制、SM位置配置和創(chuàng)建包絡(luò)表等工作，圖3為通過位控向?qū)?chuàng)建的C軸電機(jī)送料包絡(luò)表以及PTO控制的梯形圖，通過PTO控制方式克服了以前送料使用氣閥時(shí)產(chǎn)生的送料速度和位置不可控制的問題。

　　3 PLC時(shí)序控制

　　PLC I/O信號的電路和PLC時(shí)序控制的設(shè)置是實(shí)現(xiàn)PLC功能的關(guān)鍵。這里以貼袋機(jī)疊料過程為例，過程的時(shí)序動作如圖4所示。

　　由疊料過程工藝流程可得到如圖5疊料過程的時(shí)序梯形圖。由梯形圖可見，通過PLC時(shí)序控制可實(shí)現(xiàn)貼袋機(jī)中自動送料、自動折料、自動疊料翻料等自動縫制外特殊過程。

　　通過梯形圖可畫出疊料過程的時(shí)序圖(圖6)，該圖可清晰的看出疊料過程中每個(gè)信號的變化和動作時(shí)序，圖中疊料架左移、壓料桿壓下、翻料桿翻料動作均由電控系統(tǒng)下位機(jī)通過I/O給PLC輸入信號，從而PLC進(jìn)行動作，其他動作由到位檢測器檢測到位情況再給PLC輸入信號。在該過程中疊料架左/右、翻料桿翻轉(zhuǎn)/回位、壓料桿壓下/抬起均為氣閥進(jìn)行動作。

　　4 結(jié)束語

　　自動縫制控制系統(tǒng)是隨著工業(yè)縫紉機(jī)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，對工業(yè)縫紉機(jī)的性能不斷提出新的要求，如要求工業(yè)縫紉機(jī)具有自動送料、自動織邊、自動定位、自動縫制、自動取料等連續(xù)協(xié)調(diào)的自動化工作過程，而產(chǎn)生的產(chǎn)品，它為提高勞動生產(chǎn)率，提供優(yōu)良的縫制機(jī)械設(shè)備的產(chǎn)品。上述縫制過程控制系統(tǒng)的解決方案，滿足縫紉產(chǎn)品智能化、設(shè)備專業(yè)化的要求，解決貼袋機(jī)縫制外的其他動作，已在國內(nèi)多家縫紉設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)得到應(yīng)用，為這些企業(yè)提供了貼袋縫制的技術(shù)支持。