狄金刚
上海威士机械有限公司
摘要：本文描述了衬衫袖克夫机器人缝制系统的研究，将袖克夫熨烫、明线缝制、锁眼、钉扣4个工艺结合联成一体，高度集成，自动进行四道工序动作，以一人代替四人，流水线自动化生产。该系统用工艺创新、运动控制、机器视觉定位测量、抓手技术、机器人技术、工业以太网技术、软件开发等多方面的核心技术，实现了衬衫袖克夫加工工艺的全流程控制的智能化。
关键词：袖克夫；缝纫机；视觉检测；工业机器人；工业以太网
1、引言
1.1研究背景
目前，服装生产缝制加工过程，属于劳动密集型，需要大量的人工操作。随着科学技术进步及高科技产品的更新换代，缝纫设备不断地向自动化、集成化、智能化方向迈进，很大程度上提高了缝纫速度，减少了人工操作，生产效率大大提高，并且加工的产品线迹美观，智能化自动化程度高，功能多样灵活。但是，自动化智能化的水平整体不高，过分依赖于人工。对于，服装大国来说，高效、高品质的全自动缝制设备成为了服装加工的需求，也是缝纫行业的发展方向。提高服装缝制设备的自动化智能化，迫在眉急。近些年国内外都在探索研究服装缝制的智能化无人化，但自动化智能化的水平不高，还有大量的技术难点需要突破。
1.2研究目的和意义
在深刻领会了国家产业结构优化升级政策与大力发展高端智能纺织业政策的前提下，并通过市场调研与客户反馈，了解到目前服装行业在受到人工荒与成本双重压力，特此从衬衫袖克夫的加工为出发点，开展衬衫袖克夫机器人缝制系统的研究开发。
服装厂袖克夫的熨烫、缝明线、锁眼、钉扣4道工艺，主要以人工或半自动化靠模缝制和固定尺寸缝制为主，自动化水平较低，对操作工的技术要求是比较高，需要有经验丰富的操作工人来完成。在工厂里，袖克夫的统一性，一致性不高，袖克夫缝制的质量往往受到前道工序的暗缝的精度、翻烫的效果、整烫定型过程中的变形、袖克夫本身的大小差异等的影响。然而，袖克夫又作为衬衣最重要的部件之一，对缝制的均匀度、美观度要求很高。布料的柔性和多样性，给袖克夫的检测和输送带来了很大的困难。所以，需要一种更灵活更智能的方法，应用工艺创新、运动控制、机器视觉定位测量、抓手技术、机器人技术、工业以太网技术、软件开发等多方面的核心技术，高度集成熨烫、缝明线、锁眼、钉扣4道工艺，以一人代替四人，流水线自动化生产，实现了衬衫袖克夫加工工艺的模块式单元的智能缝制，为缝制的自动化水平提升提供新的技术保障。
在国内率先将机器人技术和机器视觉技术应用到缝纫单元，关键技术在该项目中都得到了成功验证，取得了良好效果，填补了行业技术空白，得到客户的认可和推崇，也大大提高了衬衣厂的生产效率，有利地推动了服装缝制工艺的自动化结构优化和升级，引领服装行业智能化发展趋势。
2、总体方案
2.1方案介绍
衬衫袖克夫机器人缝制系统的结构，由6大单元组成：熨烫单元、工业视觉单元、明线缝制单元、机器人单元、自动锁眼单元和自动钉扣单元。
整体结构如下图所示：
（1）熨烫单元
熨烫单元，负责袖克夫的翻烫定型。上料前袖克夫需完成以下工序：裁片工序、暗线缝制工序，翻转工序；由操作工负责上料，放置袖克夫与上料部位，需捋平袖克夫上下层面料。上料完成后，由送料气缸送袖克夫送进至自动熨烫机。熨烫机内部加热至设定温度（一般150-180度），上输送带和下输送带带动将袖克夫传送至主加压区，上模下降加压并保持一定时间，对袖克夫进行熨烫定型；完成熨烫，上输送带和下输送带继续运动，袖克夫会被输送到自动送布系统上，下落到输送至视觉工作区。
（2）工业视觉单元
工业视觉单元，对视觉拍摄区域的每一片待加工的袖克夫进行拍照检测；采用视觉算法：进行图像预处理、滤波、增强、灰度变换、提取特征、数学形态学、图像分割、模板比对、机器自学习，计算袖克夫布片的中心、尺寸、角度，提取边缘轮廓，智能、准确地生成新的缝纫加工轨迹数据；自动调整缝纫针距；根据袖克夫的尺寸自动调整模具大小。
（3）明线缝制单元
明线缝制单元，包括X、Y的多轴运行，（1）根据图像处理完之后计算出袖克夫的中心坐标，模具X和Y直线运动至待加工的袖克夫上方；（2）根据计算的角度，旋转模具角度，下压压住布料；（3）将布料缝纫的起针点，移动至缝纫机针处；（4）根据图像处理的袖克夫布料边缘轮廓数据集，生成缝纫轨迹；（5）X和Y随机头运行完成轮廓轨迹的缝纫。
（4）机器人单元
机器人单元，负责抓取完成明线缝制的袖克夫，送至自动锁眼和自动钉扣的位置。根据袖克夫的面料特性，结合多种抓取方式，开发设计新型抓手；结合加工工艺，机器人实现精准柔性输送定位，工业机器人转动到抓料区，上下气缸夹紧袖克夫；工业机器人转动到自动锁眼和自动钉扣的工作区，根据视觉测量的袖克夫大小和中心，自动修正补偿自动锁眼和自动钉扣的加工位置；根据视觉测量的尺寸大小，自动计算调整加工定位和运行轨迹；实现左右片不同工艺，同时穿插加工。
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（5）自动锁眼单元
自动锁眼单元，负责锁眼位置的定位和自动锁眼工作，实时进行断线检测和底线检测。
（6）自动钉扣单元
自动钉扣单元，负责第一个钮扣和第二个钮扣之间的精准定位移动，自动完成2个钮扣的钉扣工作。
2.2工作流程
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（1）1个工人在熨烫机的模板上套上袖克夫布品，袖克夫布品将送入传输带，进过高温区域，高压加压，完成熨烫工艺；
（2）已熨烫完成的袖克夫布品，经过输送机构传送，达到视觉区域，相机拍照，计算袖克夫布品的中心和尺寸大小，自动调整压板模具的大小，规划生成新的缝纫轨迹；
（3）完成调整的压板模具，根据袖克夫布品的中心，移动至袖克夫布品上方，下压取料，送至缝纫机加工区域；
（4）缝纫机根据尺寸大小自动生成的新的缝纫轨迹，完成明线的缝纫；
（5）机器人抓取完成明线缝纫的袖克夫布品，根据尺寸大小，送至锁眼钉扣区域；
（6）锁眼钉扣区域连续完成2个钮扣的缝纫和1个锁眼；
（7）机器人抓取完成锁眼钉扣的袖克夫布品，完成收料堆垛。
3、控制系统设计
3.1 整体设计
衬衫袖克夫机器人缝制系统的控制系统，采用单元模块化设计，分为PC触摸屏模块、熨烫单元控制器模块、明线缝制单元运动控制器模块、锁眼单元控制器模块、钉扣单元控制器模块、视觉工控机模块、机器人工控机模块等7大模块。每个模块都有各自的功能，模块与模块之间进行数据的交互。其中，PC触摸屏模块、熨烫单元控制器模块、明线缝制单元运动控制器模块、锁眼单元控制器模块、钉扣单元控制器模块采用Ethernet/IP以太网通讯，确保实时通讯。明线缝制单元运动控制器模块又作为SOCKET通讯协议的服务器端SERVER，视觉工控机模块和机器人工控机模块作为客户端CLIENT ，进行SERVER服务器的链接通讯。
数据通讯如下：
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3.2 PC触摸屏模块
PC触摸屏模块，采用12.1”的屏幕，作为人机交互的主要窗口，主要用作参数的设置、指示灯显示、按钮开关操作、各种动态图表显示、异常报警和机器状态信息的显示。熨烫单元控制器模块、明线缝制单元运动控制器模块、锁眼单元控制器模块、钉扣单元控制器模块的数据，共同链接到PC触摸屏模块，实现了一屏多机的实时通讯。
通讯的IP参数设定如下：
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3.3 熨烫单元控制器模块
熨烫单元控制器模块，采用PLC控制器，2路温控探头经变送器转换模拟量4-20 mA 输入，闭环控制加热温度的精度；16路输出，控制上下输送带的启停、模具上下加压等。
在温度控制中，按温度模拟量输入偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行PID控制，形成闭环控制。其中PID公式如下：
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式中，Kp——比例增益，Kp与比例度成倒数关系；?Tt——积分时间常数；?TD——微分时间常数；u（t）——PID控制器的输出信号；?e（t）——给定值r（t）与测量值之差。?
温度加热曲线如下：
3.4 明线缝制单元运动控制器模块
明线缝制单元运动控制器有两个功能：1、主轴、X、Y、Z四轴伺服电机运动的拿料、轨迹缝纫；2、作为主机，和视觉工控机模块、机器人工控机模块进行数据SOCKET通讯。
在完成视觉计算后，得出袖克夫的中心坐标（x1,y1），运动控制器驱动模板移动至袖克夫上方拿料；视觉计算出袖克夫轮廓轨迹之后，得出一组点的坐标，X、Y、Z根据这一组的轨迹坐标，跟随主轴伺服电子凸轮曲线运行。
明线缝制单元硬件图如下：
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3.5 视觉工控机模块
根据精度0.1mm和工作区域150*350mm的要求，计算出500万像素的面阵工业相机。工控机要求：Intel I5 CPU以上 +8G内存+128G SSD硬盘+双千兆网卡。相机安装垂直向下，正对光源，成像方式为底面光成像方式。
（1）首先进行视觉图像标定：相机在视野中找到一个明亮圆形光点（选择压料模具上的一个点），选择该点记录为训练图像，选择抓取训练图像后进行训练并保存。此后该圆形亮点即为校准点，标定时每次使用自动捕捉的该圆形亮点的中心坐标进行和物理坐标进行匹配计算相机坐标和物理坐标的匹配关系。标定需要进行9次的重复拍照计算标定关系，操作完成以后即可完成一次相机视野内的像素点与实际物理坐标的对应关系，为后续的视觉系统工作提供基准参考。
（2）将袖克夫布料铺于工作台，吸风吸附布料，相机拍照图像采集：接受控制器拍照信号，对袖克夫布料进行拍照，图像采集。
（3）对采集的图像进行算法处理：1）图像灰度化，将图像转换成灰度图；2）设定二值化阀值，并二值化图像，提取图像区域；3）图像分割单元，采集的图像中分割出其中待缝纫布料区域的部分；4）扫描4周边缘直线，设定找线的方向从明到暗，找线的点个数，对比度阈值及像素过滤值；四条边缘直线产生4个的交点，截取4条线段；计算布料的中心、宽度、角度单元和提取边缘轮廓，生成加工轨迹单元。5）对区域边缘腐蚀运算；提取区域边缘轮廓；计算边缘轮廓周长； 根据针距计算缝纫点的个数n；根据实际的针距计算出缝纫轨迹点的坐标数组。
图像处理的流程图如下：
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3.6 机器人工控机模块
本系统选择6轴工业机器人。该工业机器人具有六个自由度，工作空间大、运行速度快、精准度高，工作灵活。
机器人参数表如下：
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机器人作为传递的枢纽，搭载特制抓手，在明线缝制区拿料，根据袖克夫宽度，送至锁眼、钉扣区域加工，并完成收料工作。
机器人工作流程如下：
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4、结束语
本文详细描述了衬衫袖克夫机器人缝制系统的研究，将机器人技术和机器视觉技术应用到缝纫单元，提升服装缝制的智能制造，减少人力成本，提高生产效率，确保稳定品质，促进柔性生产转型，关键技术在该项目中都得到了成功验证，取得了良好效果，对实现少人、无人智能制造打好了良好基础，填补了行业技术空白，得到客户的认可和推崇，也大大提高了衬衣厂的生产效率，有利地推动了服装缝制工艺的自动化结构优化和升级，引领服装行业智能化发展趋势，对服装行业的良好发展具有很好的带头、示范和引领作用；
参考文献
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[4]丁磊.冗余双臂机器人在工业缝制过程中的应用研究[D]，西安理工大学，2018.