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氣壓伺服系統應用於縫紉生產之研究

摘要"

為滿足消費者對服飾之大量需求,服裝生產自動化在服飾產業愈受重視,本研究將氣壓伺服系統應用於縫紉生產之研究,得以降低大幅人力及時間成本,在導入服裝廠全自動化上有很大的助益。本研究設計之二維氣壓伺服機構縫紉平臺具有結構簡單、響應快與節能等特點。首先以SOLIDWORKS進行二維氣壓伺服機構縫紉平臺設計,主要由兩支無桿式氣壓缸、一支輔助缸、一夾布機構並整合縫紉機作為設計,同時分析此平臺自由度,得此平臺為2自由度的連桿機構。接著建立氣壓伺服系統動態模型,以分析與設計控制器。最後進行實驗機台整合設計與建立,透過以MATLAB SIMULINK進行建立之PC-Based系統控制二維氣壓伺服機構縫紉平臺,並設計五階軌跡與混合軌跡進行即時軌跡追蹤控制,以驗證本系統之可行性。

關鍵詞:縫紉生產、氣壓伺服系統、即時軌跡追蹤

前言

紡織業一直是人力需求極高的行業,隨著基本工資的提高,使得生產成本上升,提高生產效率及生產品質為其大目標。服裝業生產自動化需求,可以解決勞動力不足的問題,並改善生產品質以及生產效率,如:UNIQLO、adidas、ZARA、H&M等大量生產的服飾品牌可以透過自動化設備進行生產。Zoumponos 與 Aspragathos[1]提出機器人結合模糊邏輯方法(fuzzy logic)應用於縫紉工作臺上,透過參數處理與資料累積,可進行模糊邏輯開發蒐集數據規則算法,以克服蒐集數據之不確定性,實驗證實可建立完整路徑系統,使機器人成功放置各種尺寸材料的布料於實驗進行。Koustoumpardis等人[2]研究可伸展性材料於機器人應用,由於可伸展性材料的問題為不可預測之非線性及複結構性能,如:幾何不確定性與布料變形。縫製布料是一個細緻的操作,因為布料在微小的力量下能改變其形狀甚至扭曲,這對自動化縫紉系統的發展將構成障礙。另一方面服裝組裝系統的靈活性需求是非常必要的,因為布料製作應該適應布料的快速時尚變化和新材料,以及滿足消費者需求。Eric Torgerson和 Frank W. Paul[3]研究服裝製程模擬系統,以視覺引導縫紉運動機器人,機器人的運動路徑由座標定義布料邊緣的位置與視覺資訊,接著利用形狀分析和運動控制演算法進行實驗,結果顯示使用視覺來規劃機器人運動為有效解決方法。Liao 和 Jiang[4]認為鞋面縫紉過程是製鞋中最重要的步驟之一,直接影響到製鞋程序及鞋子外觀,本研究主要為提高鞋面縫合程序之自動化程度,提出可將鞋面圖像輸入於自動表面縫紉處理,由數字控制代碼進行輸出,系統採用CCD相機拍攝鞋幫圖像,接著進行雜訊去除、二值化處理、邊緣檢測及邊緣細化,從圖像中擷取包含基本縫紉幾何資訊。透過邊緣擬合、路徑規劃與誤差計算,將可產生圖像之NC碼。Ryder C. Winck等人[5]提出一創新縫紉處理控制方法。利用伺服控制機械臂進行進料及控制布料,此機械臂結合視覺系統,以提供即時位置,進行布料變形處理。
本研究設計之二維氣壓伺服機構縫紉平臺,目標為應用於布料自動縫紉針車製程上,將能使服飾業與鞋業廠商降低大幅人力及時間成本,在導入服飾廠與鞋廠全自動化上將有很大的助益。此外,本研究利用空氣之易取得性、安全性及可壓縮性等優點,將壓縮空氣所具有之壓力能,作為二維氣壓伺服機構縫紉平臺驅動之用,使得本研究開發之二維氣壓伺服機構縫紉平臺具有結構簡單、乾淨、低成本、高安全性、高響應與節能等優點。機構設計策略上,選定無桿式氣壓缸作為致動器,利用無桿式氣壓缸易設計與組裝等優點,以換取較大之工作空間,並以SOLIDWORKS進行實際機台設計。最後建立MATLAB/ SIMULINK之PC-Based系統控制二維氣壓伺服機構縫紉平臺,實現二維氣壓伺服機構縫紉平臺。

二維氣壓伺服機構平臺系統架構設計

圖1為本研究設計之二維氣壓伺服機構縫紉平臺架構圖,主要由兩支無桿式氣壓缸、一輔助缸、一夾布平臺與一縫紉機構成。紅色部份為縫紉機擺放位置,青色為夾布平臺,藍色為無桿式氣壓缸,紫色為輔助缸。其中無桿式氣壓缸與輔助缸採用FESTO公司產品,型號分別為DGC-25-500-GF-PPV-A及DGC-25-500-FA-P。透過氣缸上滑塊的運動,進而控制夾布平台進料以完成縫紉動作。本實驗機台設定氣壓源為6bar。由於氣壓啟動時會產生較大的力量,所以初始動作不會馬上進行縫紉,縫紉區起於運動過程中段部分,且縫紉過程需一次完成。此外本研究採用氣壓比例伺服閥進行氣壓缸之控制,型號為FESTO MPYE-5-1/8-HF-010-B,輸入電壓為0~10V,中位為5V。介面卡為研華公司之AD/DA卡(PCI-1723)進行訊號控制,以及NI之計數卡(NI-6601)接收光學尺訊號,光學尺為JENA LIA 20。本研究建立PC-Based系統,軟體為MATLAB / SIMULINK,主要設計流程為使用MATLAB之.M檔進行參數設定以及路徑設計,再經由SIMULINK建立之程式讀取.M檔的參數進行運算,再將控制訊號傳輸到AD/DA卡進行控制,得以控制氣壓比例伺服閥的輸出流量與方向,達到控制氣壓無桿缸的流量與方向。最後再使用光學尺讀取氣壓無桿缸的位移量,進行即時回饋控制。本研究取樣頻率為1kHz。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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