Estudo de mecanismos alternativos de controlo do sistema de alimentação de máquinas de costura industriais

Abstract

Este estudo é parte integrante de um trabalho de investigação mais abrangente que começou na Universidade do Minho no início dos anos 90. O processo de costura, nomeadamente, a dinâmica da penetração da agulha, a formação do ponto e a dinâmica da alimentação dos tecidos, têm sido estudados usando, para tal, um banco de ensaios de “costurabilidade” com uma máquina de costura industrial corta-e-cose, em que o desempenho de agulhas, calcadores, arrastadores, tecidos e linhas de costura podem ser avaliados com o decorrer do processo. A máquina de costura foi instrumentada, por diversos outros investigadores que igualmente prestaram o seu apoio à realização deste projecto, com transdutores de força piezoeléctricos nas barras do calcador e da(s) agulha(s), “encoders” e transdutores extensométricos semicondutores no trajecto das linhas (da agulha e das laçadeiras). Um adequado sistema de aquisição e análise foi também desenvolvido para medir, respectivamente, a força de compressão sobre a barra do calcador, as forças de penetração e remoção da agulha dos tecidos e a tensão e o consumo das linhas. Assim, foi estudado o desempenho do sistema de alimentação da máquina de costura (constituído por um calcador, com uma mola helicoidal a trabalhar em compressão na barra do calcador, por um espelho e por um arrastador diferencial), tendo-se incorporado um transdutor do tipo LVDT para medir o deslocamento da barra do calcador, o que permitiu, juntamente com a análise cinemática efectuada, conhecer e compreender ainda melhor a dinâmica deste sistema e a identificação dos pontos “críticos” para um ciclo de costura, onde se verificam perdas de contacto entre o calcador e os tecidos e que influenciam grandemente a qualidade das costuras produzidas. Depois desta análise, e com o objectivo de se evitar o controlo deficiente dos tecidos, especialmente a altas velocidades, foram estudadas diferentes formas de actuação e foram desenvolvidos dois sistemas para a barra do calcador baseados na utilização de um solenóide proporcional de força: (1) Com o solenóide colocado lateralmente e (2) Alinhado com a barra do calcador. As formas de onda do deslocamento e da força de compressão sobre a barra do calcador adquiridas e as diferenças existentes entre a densidade de pontos obtida e a estabelecida como nominal indicam um controlo efectivo das folhas de tecido a costurar, para todas as velocidades testadas, utilizando o sistema de actuação com o solenóide proporcional de força colocado lateralmente em relação à barra do calcador. A análise espectral efectuada sobre as formas de onda adquiridas (“Fast Fourier Transform” – FFT – e “Total Harmonic Distortion” – THD –) revelou-se como uma técnica importante para caracterizar e distinguir o desempenho do sistema convencional do calcador (pressionado por uma mola em compressão) e o novo sistema de actuação desenvolvido, com a colocação lateral do solenóide proporcional de força relativamente à barra do calcador. Este estudo permitiu o desenvolvimento de um adequado sistema de monitorização, baseado num novo conceito em função da qualidade das costuras, apelidado de Limites Admissíveis de Deslocamento (LAD), permitindo supervisionar o deslocamento da barra do calcador e detectar, automaticamente, a perda de eficiência do sistema de alimentação. Este sistema poderá vir a ser usado, futuramente, com uma possível estratégia para o fecho da malha de controlo e representa uma enorme contribuição para o controlo automático do sistema de alimentação dos tecidos.

This investigation is part of a broader research work that began in the early 90’s at the University of Minho. The sewing process, namely needle penetration, stitch formation and fabrics feeding dynamics, have been studied using a “sewability” tester based on an industrial overlock sewing machine, where the performance of needles, presser feet, feed dogs, fabrics and sewing threads can be assessed during sewing. Other researchers, that also supported this project,instrumented this machine with miniature piezoelectric force transducers on the presser foot and needle bars, encoders and semiconductor strain gauge transducers on the threads’ path. A dedicated signal acquisition and analysis equipment was also developed for measuring, respectively, the presser foot bar compression force, the needle penetration and withdrawal forces and the needle and loopers threads consumption and tension. Therefore, the performance of the sewing machine feeding system (made up by a standard presser foot, with an helical compression spring on the presser foot bar, a throat plate and a differential feed dog) was studied. A LVDT was also attached to the sewing machine to measure the presser foot bar displacement and, along with the kinematic analysis, enabled a better understanding of the feeding system dynamics. The “critical” points in the stitch cycle, that greatly influence the quality of the produced seams, were identified and correspond to the contact losses occurred between the presser foot and the fabric plies. After this analysis, and to avoid the lack of fabrics’ control, especially at high sewing speeds, different actuation technologies were studied and two presser foot actuation set-ups based on a proportional force solenoid were developed: (1) Using the solenoid placed sideways and (2) Aligned with the presser foot bar. The presser foot bar displacement and compression force waveforms acquired and the differences between the actual obtained stitch density and the one established with nominal machine settings indicate that an effective control of the fabric plies, for all tested speeds, has been achieved with the proportional force solenoid attached sideways to the presser foot bar. The spectral analysis on the acquired waveforms (Fast Fourier Transform – FFT – and Total Harmonic Distortion – THD –) revealed itself as an important technique to characterise and differentiate the performance of the standard presser foot and the developed actuation system, with the solenoid placed sideways to the presser foot bar. This approach enabled the development of an adequate (on and off-line) monitoring system, based on a new concept for the assessment of the seams quality, named Admissible Displacement Limits (ADL), which positively supervises the presser foot displacement, automatically detecting the loss of feeding efficiency. Its use, in a near future, as a feedback variable for closed-loop presser foot control strategy, represents a major contribution towards the automatic control of the fabrics feeding system.