筒子紗自動(dòng)碼垛系統(tǒng)開發(fā)

周鵬飛+呂漢明+謝楠+呂鑫

摘 要：本文開發(fā)了筒子紗自動(dòng)碼垛系統(tǒng)，在筒子紗自動(dòng)包裝設(shè)備中用于將包有筒子紗的編織袋碼垛，碼垛裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用了4個(gè)自由度的交叉碼垛系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用STC15系列單片機(jī)為控制器，控制系統(tǒng)軟件使用C語言在KeliC軟件開發(fā)環(huán)境下編寫，應(yīng)用結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠很好地用于編織袋裝筒子紗的碼垛。

關(guān)鍵詞：筒子紗碼垛裝置；交叉碼垛；控制系統(tǒng)；單片機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.117

1 引言

目前有多家企業(yè)在進(jìn)行筒子紗自動(dòng)包裝系統(tǒng)的開發(fā)，以解決目前紡紗廠中人工包裝筒子紗勞動(dòng)強(qiáng)度大、用工量大的問題。筒子紗的包裝形式以編織袋為主[1]，并且筒子紗自動(dòng)包裝過程中需要對(duì)包裝后的筒子紗進(jìn)行碼垛，而筒子紗自動(dòng)包裝系統(tǒng)中自動(dòng)碼垛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)乎筒子紗自動(dòng)包裝系統(tǒng)的功能及穩(wěn)定性，特別是對(duì)于編織袋這種包裝形式，如果碼垛時(shí)采用簡單的平行碼垛會(huì)會(huì)導(dǎo)致紗垛不穩(wěn)定，無法提高碼垛層數(shù)，降低倉儲(chǔ)空間的利用率[2]。本文開發(fā)了用于筒子紗自動(dòng)包裝系統(tǒng)中的筒子紗自動(dòng)碼垛系統(tǒng)，在筒子紗的自動(dòng)包裝設(shè)備中應(yīng)用本碼垛系統(tǒng)不僅可以碼出穩(wěn)定的紗垛，并且碼放高度大于人工碼垛的高度，能有效地減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 筒子紗自動(dòng)碼垛裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)

目前市場上用于碼垛的裝置主要有關(guān)節(jié)型機(jī)器人自動(dòng)碼垛機(jī)、高位自動(dòng)碼垛機(jī)和低位自動(dòng)碼垛機(jī)。關(guān)節(jié)型機(jī)器人自動(dòng)碼垛機(jī)，成本較高，適用于速度要求較低、精度要求較高、多線碼垛的場合，高位和低位自動(dòng)碼垛機(jī)適用于帶有包裝物品的碼垛，一般在碼放貨物前，利用專門的方向轉(zhuǎn)換裝置，根據(jù)設(shè)計(jì)的碼放方法，調(diào)整貨物方向，然后進(jìn)行碼垛，此種裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜[3]。

在紡紗領(lǐng)域的筒子紗自動(dòng)包裝時(shí)，包裝量最大的是編織袋包裝形式，一般情況下每個(gè)編織袋內(nèi)會(huì)擺放3～5排筒子紗，每排筒子紗包含2～3個(gè)，由于自動(dòng)包裝系統(tǒng)填充滿一個(gè)編織袋需要至少需要幾十秒時(shí)間，因此對(duì)于編織袋碼垛的速度要求不高，而使用關(guān)節(jié)型機(jī)器人成本較高，在這種情況下，相對(duì)于碼垛速度而言，確保碼垛系統(tǒng)所碼出垛的穩(wěn)定性更為重要[4]。

本文設(shè)計(jì)的筒子紗碼垛裝置用于將裝滿筒子紗的編織袋碼垛，碼垛裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

如圖中所示，碼垛托盤6上放置一個(gè)木質(zhì)或塑料筒紗托盤，裝有筒子紗的編織袋被碼垛系統(tǒng)放置在塑料或木質(zhì)筒紗托盤上，木質(zhì)或塑料筒紗托盤上碼放的紗到達(dá)指定層數(shù)時(shí)用液壓舉升機(jī)將其從碼垛托盤6上取下；配重1與托盤支架4之間用鋼絲繩連接并懸掛在移動(dòng)框架2頂部的滑輪上，配重用于平衡托盤支架4的重量，以減小對(duì)于驅(qū)動(dòng)托盤支架4沿鉛錘方向運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)3扭矩的需求。裝有筒子紗的編織袋被筒子紗自動(dòng)包裝機(jī)的前續(xù)包裝設(shè)備推到托板5上之后，豎直驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)3經(jīng)減速機(jī)及齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)托盤支架4沿移動(dòng)框架2向上移動(dòng)到超過紗垛當(dāng)前頂層高度的位置處，移動(dòng)框架2由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速機(jī)及齒輪齒條機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)沿水平導(dǎo)軌7移動(dòng)，帶動(dòng)托板5將裝有筒子紗的編織袋運(yùn)送至紗垛上放置包裝袋的位置，氣缸8驅(qū)動(dòng)托板5向移動(dòng)框架方向后撤運(yùn)動(dòng)，裝有筒子紗的編織袋被放置在紗垛上，之后碼垛托盤6由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)90度，之后重復(fù)放下一袋裝有筒子紗的編織袋。

向紗垛上放置相鄰兩層包有筒子紗的編織袋時(shí)，托盤支架4上升的高度相差一個(gè)筒子紗的高度。當(dāng)在紗垛上放置裝有筒子紗的編織袋時(shí)，按圖2所示方式放置，即移動(dòng)框架2在碼放不同層包有筒子紗的編織袋時(shí)移動(dòng)的距離不同，例如碼放奇數(shù)層編制袋時(shí)，移動(dòng)框架2移動(dòng)至托板5對(duì)應(yīng)于圖2（a）中9的位置處放置包有筒子紗的編織袋，碼放偶數(shù)層編織袋時(shí)，移動(dòng)框架2移動(dòng)至托板5對(duì)應(yīng)于圖2（b）中9的位置處放置包有筒子紗的編織袋，這樣紗垛中的每袋裝有筒子紗的編織袋均互相壓著交錯(cuò)擺放，紗垛穩(wěn)固，不容易歪倒，經(jīng)過在紡紗廠近一年的測試，該系統(tǒng)所采用的這種碼垛方式可以非常穩(wěn)定的保證紗碼放至十余層。

3 筒子紗自動(dòng)碼垛裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)用的控制器主要有單片機(jī)、工控機(jī)、ARM、PLC等，這幾種控制器各具特點(diǎn)，并且技術(shù)也越來越成熟[5]。筒子紗自動(dòng)碼垛裝置的硬件采用STC15系列單片機(jī)開發(fā)，包括一塊主控板和3塊步進(jìn)電機(jī)控制板，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，兩種電路板所有輸入輸出均采用了光電隔離，并采用了隔離電源給單片機(jī)控制板供電。主控板經(jīng)串口0及串口2采用MAX485芯片擴(kuò)展了兩路485通信口，分別用于與步進(jìn)電機(jī)控制板及上位機(jī)通訊，步進(jìn)電機(jī)控制板將單片機(jī)串口2經(jīng)MAX485芯片轉(zhuǎn)換之后與主控板進(jìn)行通訊。

每個(gè)步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方向上均在其行程的兩端各安裝一個(gè)行程開關(guān)，其輸出信號(hào)作為該運(yùn)動(dòng)方向的左右限位，在其行程中部位置安裝一個(gè)表示行程原點(diǎn)的接近開關(guān)，步進(jìn)電機(jī)軸上安裝有編碼器。

主控板采用STC15系列單片機(jī)開發(fā)，其主要負(fù)責(zé)采集各種傳感器（包括電感式接近開關(guān)以及氣缸磁性開關(guān)）的信號(hào)作為輸入信息，通過485通訊給步進(jìn)電機(jī)控制板發(fā)送控制命令控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，并控制氣缸的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與上位機(jī)通訊以接受上位機(jī)的命令并將碼垛信息傳輸給上位機(jī)。系統(tǒng)上電后主控板控制4個(gè)運(yùn)動(dòng)方向找原點(diǎn)。主控板收到上位機(jī)發(fā)來的碼垛命令后，控制碼垛裝置安裝前述碼垛運(yùn)動(dòng)方式碼垛。

3塊步進(jìn)電機(jī)控制板采用IAP15系列單片機(jī)開發(fā)，其接受主控板的命令分別控制三個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)控制板具有用于控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖、方向及使能信號(hào)輸出口，以及測量編碼器AB脈沖、左右限位行程開關(guān)、原點(diǎn)接近開關(guān)信號(hào)的輸入口。主控板及步進(jìn)電機(jī)控制板軟件均使用C語言在KeliC軟件開發(fā)環(huán)境下編寫。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了筒子紗自動(dòng)碼垛系統(tǒng)，并將其用于了筒子紗自動(dòng)包裝機(jī)中，本碼垛系統(tǒng)采用笛卡爾坐標(biāo)系中三個(gè)正交方向的運(yùn)動(dòng)將包有筒子紗的編織袋運(yùn)送至托盤上的放紗位置并將其放置在紗垛上，為了提高碼垛的穩(wěn)定性，為碼垛托盤增加了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，這樣可以交叉碼垛，使紗垛穩(wěn)固?？刂葡到y(tǒng)采用了單片機(jī)為控制器，由于采用了完善的隔離措施，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果證明，本筒子紗自動(dòng)碼垛系統(tǒng)能很好地完成包有筒子紗編織袋的碼垛任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊江利.紡紗廠生產(chǎn)線末端自動(dòng)化包裝解決方案的研究與設(shè)計(jì)[D].山東大學(xué)，2016.

[2]王金晨.筒子紗自動(dòng)包裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].山東大學(xué)，2013.

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[4]張德瑞.筒子紗自動(dòng)包裝成套設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].山東大學(xué)，2014.

[5]秦嶺.筒子紗自動(dòng)輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].山東大學(xué)，2016.

作者簡介：周鵬飛（1992-），男，山東濰坊人，研究生在讀，研究方向：數(shù)字化紡織。endprint