碳纖維絲卷自動(dòng)包裝線設(shè)計(jì)中的技術(shù)難點(diǎn)及解決辦法

徐康俊，尚明柱

(中建材凱盛機(jī)器人(上海)有限公司，上海 201601)

近年來(lái)，中國(guó)碳纖維市場(chǎng)規(guī)模一直保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，從2016年的4.82億美元增長(zhǎng)至2020年的10.27億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)20.82%。隨著中國(guó)風(fēng)電、光伏等可再生能源裝機(jī)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，碳纖維市場(chǎng)需求隨之增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2022年市場(chǎng)規(guī)模將進(jìn)一步增長(zhǎng)至14.35億美元[1]。

在智能化工廠迅速發(fā)展的今天，碳纖維生產(chǎn)的自動(dòng)化程度也越來(lái)越高[2]。碳纖維絲卷的后道包裝目前自動(dòng)化程度還不太高，占用人力嚴(yán)重，在用工成本越來(lái)越高的今天，眾多碳纖維生產(chǎn)企業(yè)也開(kāi)始對(duì)碳纖維后道包裝進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)。該研究根據(jù)一個(gè)實(shí)際的碳纖維包裝自動(dòng)化產(chǎn)線項(xiàng)目，分析在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中遇到的一些技術(shù)難點(diǎn)并給出相應(yīng)的解決辦法，最終在實(shí)際生產(chǎn)中檢驗(yàn)其效果。

1 碳纖維絲卷人工包裝線工藝簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的碳纖維生產(chǎn)線采用人工作業(yè)模式，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)獨(dú)立運(yùn)行，需要投入大量人力來(lái)貫通整個(gè)流程。這種生產(chǎn)模式存在著生產(chǎn)效率低、作業(yè)強(qiáng)度大、人工錄入信息易出錯(cuò)等問(wèn)題，無(wú)法適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)需求[3]。

目前大部分企業(yè)的包裝車(chē)間所收到的產(chǎn)品來(lái)料為一整車(chē)由碳化車(chē)間生產(chǎn)完成的碳纖維絲卷，在該文實(shí)例中為一車(chē)懸掛有40卷碳纖維絲卷的鋼結(jié)構(gòu)小車(chē)。包裝車(chē)間需要完成的工作如圖1所示。

人工生產(chǎn)時(shí)，人工先用掃碼槍掃描位于碳纖維絲卷卷芯內(nèi)測(cè)的條碼，如圖2所示，包裝線ERP系統(tǒng)顯示該條碼對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品的生產(chǎn)信息：如生產(chǎn)線號(hào)、生產(chǎn)時(shí)間、米數(shù)等。人工觀察外觀，判斷毛絲等級(jí)，然后對(duì)其進(jìn)行稱(chēng)重，根據(jù)條碼內(nèi)的米數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)算出線密度，人工最終根據(jù)毛絲等級(jí)和線密度等綜合對(duì)其判定等級(jí)，寫(xiě)入系統(tǒng)，系統(tǒng)生成標(biāo)簽，人工將其貼到絲卷內(nèi)表面中。之后人工將絲卷放入熱縮專(zhuān)機(jī)進(jìn)行熱縮，如圖3所示。然后人工將熱縮完成的絲卷分類(lèi)裝箱，最終碼成一垛。

2 碳纖維絲卷自動(dòng)包裝線構(gòu)成

根據(jù)客戶場(chǎng)地，碳纖維自動(dòng)包裝線規(guī)劃為12 m×12 m方形回流線，如圖4所示。

該碳纖維自動(dòng)包裝線主要由七部分組成，分別是上料、稱(chēng)重、測(cè)卷徑、人檢、打標(biāo)、熱縮、分揀及裝箱。

上料時(shí)需要機(jī)器人完成絲卷從來(lái)料小車(chē)上的抓取、掃碼，并放到產(chǎn)線上的流轉(zhuǎn)工裝上；稱(chēng)重時(shí)由稱(chēng)重搬運(yùn)機(jī)構(gòu)一個(gè)個(gè)搬運(yùn)到靜態(tài)稱(chēng)上，稱(chēng)完后系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)再由搬運(yùn)機(jī)構(gòu)搬到工裝上；測(cè)卷徑時(shí)，工裝在測(cè)卷徑工位處停留由測(cè)量光柵測(cè)量卷徑，并由系統(tǒng)將測(cè)得的卷徑和重量進(jìn)行換算得出線密度，顯示在人檢處電腦上；人檢時(shí)由人檢輔助機(jī)構(gòu)，提起絲卷并360°旋轉(zhuǎn)，方便人工觀察，人工綜合外觀和線密度給出產(chǎn)品等級(jí)；貼標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)人工給出的等級(jí)數(shù)據(jù)，自動(dòng)打印標(biāo)簽貼到絲卷的卷芯內(nèi)表面；熱縮時(shí)，工裝通過(guò)熱縮機(jī)，熱縮機(jī)自動(dòng)覆膜；系統(tǒng)根據(jù)絲卷等級(jí)在分揀工位自動(dòng)分成四道；人工在裝箱工位拾取膜卷裝箱。

自動(dòng)線工藝流程見(jiàn)圖5。

3 碳纖維絲卷自動(dòng)包裝線設(shè)計(jì)難點(diǎn)及對(duì)策

3.1 產(chǎn)品流轉(zhuǎn)及可追溯自動(dòng)化設(shè)計(jì)難點(diǎn)及對(duì)策

為了保證包裝質(zhì)量、絲卷重量、長(zhǎng)度、線密度、等級(jí)信息能夠嚴(yán)格與產(chǎn)品一一對(duì)應(yīng)，生產(chǎn)線必須設(shè)計(jì)一套可追溯的運(yùn)送系統(tǒng)，已知絲卷的條碼位于卷芯內(nèi)部，不易被掃描，每到一個(gè)工藝段，都對(duì)其卷芯內(nèi)部進(jìn)行掃碼，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，故設(shè)計(jì)一套流轉(zhuǎn)工裝，在工裝底部安裝有RFID標(biāo)簽；無(wú)線射頻識(shí)別即射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)，是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，利用無(wú)線射頻方式對(duì)記錄媒體(電子標(biāo)簽或射頻卡)進(jìn)行讀寫(xiě)，從而達(dá)到識(shí)別目標(biāo)和數(shù)據(jù)交換的目的[4]。整套系統(tǒng)只需要在上料時(shí)進(jìn)行一次卷芯內(nèi)掃碼，同時(shí)把卷碼信息寫(xiě)入對(duì)應(yīng)工裝的RFID標(biāo)簽內(nèi)與其綁定，那么產(chǎn)品在每到一個(gè)工位時(shí)只需要通過(guò)讀碼器讀取RFID標(biāo)簽信息，即可知道產(chǎn)品的信息，大大降低了追溯難度，同時(shí)也提高了流轉(zhuǎn)效率，在稱(chēng)重、測(cè)量、定等完成后，系統(tǒng)也可將信息寫(xiě)入RFID標(biāo)簽。自動(dòng)線設(shè)計(jì)為環(huán)線，系統(tǒng)只需在絲卷下料時(shí)把RFID內(nèi)條碼信息擦除，流轉(zhuǎn)工裝就可重新投入使用。

3.2 上料工序自動(dòng)化設(shè)計(jì)難點(diǎn)及對(duì)策

第一，由于碳纖維絲卷表面比較脆弱，對(duì)外部觸碰較為敏感，抓取絲卷時(shí)無(wú)法觸碰產(chǎn)品本身，故抓取只能通過(guò)夾指氣缸從卷芯內(nèi)部撐開(kāi)抓?。坏诙?，標(biāo)簽在卷芯中朝向位置不確定，抓取時(shí)無(wú)法避開(kāi)條碼抓取，同時(shí)掃碼時(shí)也無(wú)法確定條碼位置，故抓取時(shí)機(jī)器人抓手從未貼條碼一端進(jìn)入，并且在抓手上設(shè)置由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，能保證抓取的每個(gè)絲卷可以單獨(dú)旋轉(zhuǎn)掃碼，保證每個(gè)條碼都能被掃到；第三，工藝要求，來(lái)料條碼和貼標(biāo)機(jī)貼標(biāo)需要貼在絲卷的同一側(cè)，正常流程下機(jī)器人抓取絲卷掃碼后，如直接放置于流水線上的工裝上，條碼會(huì)在絲卷底部，導(dǎo)致貼標(biāo)機(jī)無(wú)法貼到底部一側(cè)，故設(shè)計(jì)采用一個(gè)中轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)絲卷進(jìn)行換向，換向后可使條碼一側(cè)朝上；第四，單次抓取掃碼換向節(jié)拍經(jīng)仿真約需25 s左右，無(wú)法滿足包裝線產(chǎn)量要求，采取一次同時(shí)抓取多卷以提高節(jié)拍。

3.3 稱(chēng)重工序自動(dòng)化設(shè)計(jì)難點(diǎn)及對(duì)策

常規(guī)情況下，為了不耽誤生產(chǎn)節(jié)拍，用于生產(chǎn)線稱(chēng)重的設(shè)備一般為動(dòng)態(tài)稱(chēng)，其精度普遍在1/1 000，碳纖維絲卷重量在1～10 kg，動(dòng)態(tài)秤考慮到振動(dòng)等因素，測(cè)量精度在±10 g左右，由于線密度計(jì)算對(duì)于稱(chēng)重的精度要求較高，需±1 g，故動(dòng)態(tài)稱(chēng)無(wú)法滿足生產(chǎn)需求。設(shè)計(jì)考慮采用高精度臺(tái)秤PBK-APW-AB15，其經(jīng)認(rèn)證可讀性可達(dá)±0.5 g，滿足使用需求。由于稱(chēng)重機(jī)構(gòu)需要抓取絲卷放到臺(tái)秤上，待稱(chēng)重完成再將其取下，動(dòng)作較多，無(wú)法滿足生產(chǎn)節(jié)拍，設(shè)計(jì)采用雙抓取頭，一抓一放的形式，同時(shí)完成兩步動(dòng)作，從而節(jié)省了一半的節(jié)拍。

3.4 熱縮工序自動(dòng)化設(shè)計(jì)難點(diǎn)及對(duì)策

業(yè)內(nèi)常用袖口包裝的熱縮機(jī)為臥式，即產(chǎn)品平躺著進(jìn)入機(jī)器進(jìn)行熱縮，最終平躺著出來(lái)。由于生產(chǎn)線對(duì)絲卷可追溯的要求，絲卷是立著放置于工裝上的，如果采用常用的熱縮機(jī)形式，需要額外一臺(tái)機(jī)器人或者一個(gè)換向機(jī)構(gòu)將其變成臥式放置，會(huì)耽誤節(jié)拍也增加成本，所以設(shè)計(jì)定制了立式袖口式熱縮機(jī)。該熱縮機(jī)把兩卷熱縮膜放置于產(chǎn)線兩側(cè)，中間通過(guò)切刀熱封起來(lái)，產(chǎn)品和流轉(zhuǎn)工裝在鏈板線動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)該處將熱縮膜拉出一個(gè)絲卷的長(zhǎng)度，限位機(jī)構(gòu)抱住工裝，防止其移動(dòng)，切刀動(dòng)作將熱縮膜切斷。工裝再次前進(jìn)進(jìn)入熱縮爐，熱縮膜受熱覆蓋于產(chǎn)品表面完成熱縮。

目前業(yè)內(nèi)采用的熱縮膜主要是PE、PVC膜，這些膜的透光性較差，影響產(chǎn)品外觀，硬度較大，不好撕。根據(jù)生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)將原有PE膜換成POF膜，POF也是一種熱收縮膜，其無(wú)毒環(huán)保、高透明度、高收縮率、有良好的熱封性能，是傳統(tǒng)PVC熱收縮膜的換代產(chǎn)品，大大提升了產(chǎn)品外觀和可撕性。另外，當(dāng)切換規(guī)格時(shí)，一種高度的熱縮膜無(wú)法滿足目前所有規(guī)格產(chǎn)品的熱縮，目前業(yè)內(nèi)只能多備一臺(tái)熱縮機(jī)，或者人工換膜才能熱縮其他規(guī)格的絲卷，該設(shè)計(jì)將兩種熱縮膜同時(shí)防置于機(jī)器上，并可通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)切換，大大減少了切換規(guī)格耽誤時(shí)間的情況的發(fā)生。

4 項(xiàng)目應(yīng)用

根據(jù)上述設(shè)計(jì)分析及多次探討，設(shè)計(jì)最終在該碳纖維生產(chǎn)企業(yè)落地生產(chǎn)；經(jīng)過(guò)生產(chǎn)測(cè)試，實(shí)際應(yīng)用中該設(shè)計(jì)大大提高了生產(chǎn)效率，用流水線替代了人工搬運(yùn)減少了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)除了人工檢測(cè)無(wú)法用機(jī)器取代之外，將整條線的操作工人從每班7人減少到了每班3人，節(jié)約了大量人工成本。

5 結(jié) 論

此碳纖維自動(dòng)化包裝線是自動(dòng)包裝在一個(gè)新領(lǐng)域的應(yīng)用，可以提高生產(chǎn)效率，減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度，減少操作工人數(shù)量，降低人力成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量。在自動(dòng)線設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了不少困難，該文將各種技術(shù)難點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的解決辦法進(jìn)行了總結(jié)歸納，可以為今后設(shè)計(jì)碳纖維自動(dòng)包裝生產(chǎn)線或者類(lèi)似行業(yè)的自動(dòng)包裝線的設(shè)計(jì)提供一些借鑒。