筒子紗智能包裝系統(tǒng)的研發(fā)

尹冬冬，李茂華

(南通金輪智能裝備研發(fā)有限公司，江蘇 南通 226009)

0 引言

筒子紗是絡(luò)筒工序的產(chǎn)出品，是從上道工序的細(xì)紗機(jī)或捻線機(jī)上落下來的管紗，根據(jù)用紗要求，使紗線長度接長并清除紗線上的疵點(diǎn)和雜質(zhì)，在絡(luò)筒機(jī)上通過槽筒重新卷繞成無邊的定長并纏繞在圓錐形筒管上形成的圓錐形筒紗。紡紗廠生產(chǎn)出筒子紗后，需要用塑料薄膜包裝以保持適當(dāng)?shù)姆莱甭?，同時避免后續(xù)包裝環(huán)節(jié)直接接觸而影響紗線質(zhì)量。

傳統(tǒng)的人工包裝筒子紗方式，是先將筒子紗裝入薄膜袋，再根據(jù)需要將筒子紗翻轉(zhuǎn)裝入大的編織袋內(nèi)，最后進(jìn)行縫袋口處理和稱重。目前市場上的主流筒子紗自動包裝生產(chǎn)線，裝入編織袋和縫袋口等工序仍然需要人工參與，自動化程度和生產(chǎn)效率都較低[1-2]。

針對上述問題，筆者團(tuán)隊通過研究開發(fā)出筒子紗智能包裝系統(tǒng)，將包裝過程中的單紗稱量、大小頭翻轉(zhuǎn)、小袋封裝、自動套袋、大袋包裝等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動化，在提高筒子紗包裝效率的同時降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和包裝質(zhì)量。

1 筒子紗包裝工藝流程設(shè)計

1.1 包裝方式

目前棉紡和混紡的筒子紗大部分為寶塔形，尺寸規(guī)格尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(主要依賴于裝袋配重)；常用規(guī)格為小端直徑φ175 mm×大端直徑φ210 mm×高度150 mm，單個筒子紗質(zhì)量約為2 kg，品控嚴(yán)格的企業(yè)生產(chǎn)的單個筒子紗偏差不超過10 g。

筒子紗一般通過編織袋、紙箱、托盤等包裝方式進(jìn)行流轉(zhuǎn)，國內(nèi)以編織袋包裝為主，部分高質(zhì)量筒子紗出口時選用瓦楞紙箱進(jìn)行包裝；而筒子紗在廠區(qū)內(nèi)部中轉(zhuǎn)時，為了降低包裝成本、提高拆裝速度，一般以托盤包裝方式為主[3-4]。

1.1.1 薄膜包裝

傳統(tǒng)手工筒子紗薄膜以月牙形薄膜袋為主，由具備防水性的高密度聚乙烯(HDPE)制成，薄膜厚度為0.008 mm～0.010 mm，由人工把筒子紗放入薄膜袋內(nèi)，之后將兩側(cè)的薄膜打結(jié)并塞入筒子紗的紙管內(nèi)。

本系統(tǒng)中的小袋包裝模塊能實(shí)現(xiàn)雙層熱縮膜(POF)自動放卷、自動成袋和自動封切，通過對筒子紗個體進(jìn)行薄膜封裝，實(shí)現(xiàn)筒子紗防潮、防污染保護(hù)。

1.1.2 編織袋包裝

目前筒子紗包裝以編織袋為主，為了充分利用包裝空間、節(jié)約包裝材料并保證包裝牢固，要求相鄰2個筒子紗錐體大小頭交錯放置、緊密排列。常見編織袋包裝筒子紗的排列方式為3×5和5+4+5等，如圖1所示。

a) 3×5 b) 5+4+5 圖1 編織袋包裝筒子紗排列方式

為了實(shí)現(xiàn)將筒子紗按規(guī)定的排列方式(大小頭交錯)進(jìn)入編織袋包裝，入袋前需提前將筒子紗個體進(jìn)行大小頭翻轉(zhuǎn)；同時為了控制每袋筒子紗的總質(zhì)量，需要對入袋前的單個筒子紗進(jìn)行篩選，剔除質(zhì)量差異大的個體。

1.2 自動包裝工藝流程設(shè)計

根據(jù)傳統(tǒng)包裝工藝流程，按照模塊化思維將整個筒子紗智能包裝系統(tǒng)按照主功能劃分為單紗稱量模塊、小袋封裝模塊和大袋包裝模塊。之后進(jìn)一步將3大模塊按工序分解，形成自動包裝流程。各工序通過自動輸送機(jī)構(gòu)連接和集成控制，實(shí)現(xiàn)筒子紗包裝流程的自動化，如圖2所示。

圖2 筒子紗自動包裝工藝流程

流程中，稱重篩選模塊包含輸送定紗、單紗稱量和超差剔除等自動化工位；小袋包裝模塊包含大小頭翻轉(zhuǎn)、薄膜封裝、薄膜放卷等自動化工位；大袋包裝模塊包括移袋、撐袋、套袋、推紗入袋和自動縫袋等自動化工位。其中，上紗和入庫是筒子紗包裝過程的開始和結(jié)束環(huán)節(jié)，上紗工序可由前道設(shè)備與本系統(tǒng)間采用空中導(dǎo)軌輸送或者采取人工上紗的方式實(shí)現(xiàn)；入庫采用碼垛設(shè)備進(jìn)行自動堆放，也可與車間自動化物流系統(tǒng)連接。

2 筒子紗智能包裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

根據(jù)筒子紗自動包裝工藝流程，開發(fā)設(shè)計出筒子紗智能包裝系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過使用多段皮帶輸送機(jī)組成整條包裝線的主輸送線，在主輸送線的不同工位配置各功能部件，實(shí)現(xiàn)了單紗稱量、小袋封裝和大袋包裝3大模塊所有工序的自動化。各模塊的自動化工位按照整條線的包裝效率，在規(guī)定的工序時間內(nèi)自動完成包裝動作，整條線的運(yùn)動和動作由PLC控制。

2.1 稱重篩選模塊

稱重篩選模塊用于將絡(luò)筒機(jī)上取下來的筒子紗進(jìn)行排列、稱重和篩選，以達(dá)到符合質(zhì)量范圍內(nèi)的筒子紗等間距排列的目的。該模塊由入紗定位部件、單紗稱量部件和質(zhì)量篩選部件組成，見圖3。

通過人工或自動落紗系統(tǒng)將單個筒子紗放置在輸送機(jī)上，定紗排列后將單個筒子紗推入在線自動檢測裝置進(jìn)行稱量，將實(shí)測質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量進(jìn)行對比，如果質(zhì)量在偏差控制范圍內(nèi)，系統(tǒng)會自動將其轉(zhuǎn)入小袋封裝模塊；如果筒子紗超重或超輕，系統(tǒng)會自動將該筒子紗進(jìn)行剔除，并補(bǔ)充質(zhì)量合格的筒子紗，一起進(jìn)入下一模塊。

1—入紗定位部件；2—單紗稱量部件；3—質(zhì)量篩選部件。圖3 稱重篩選模塊

2.1.1 入紗定位部件

取紗裝置與絡(luò)筒機(jī)核心部件可以通過輸送裝置連接，也可以間接與人工放置端進(jìn)行連接。輸送裝置的長度和結(jié)構(gòu)形式，可以根據(jù)包裝現(xiàn)場布局靈活設(shè)置長短及走向，以盡可能滿足取紗裝置接近紗線的存放地，滿足不同存放地點(diǎn)、不同紗線規(guī)格的包裝要求，滿足客戶多變的紗線規(guī)格。

當(dāng)人工或者自動落料下來的筒子紗(大頭朝上)放入正在運(yùn)行的、有側(cè)邊圍擋的輸送機(jī)上時，由于前端有一對擋料氣缸阻攔，造成筒子紗擁堵在出口并有序排列，當(dāng)排列到一定長度時觸發(fā)傳感器動作，形成電信號并允許擋料氣缸動作以特定的時間逐個放行筒子紗，使之在輸送機(jī)上以等間距進(jìn)行排列。

在不考慮氣缸動作延時的情況下，擋料氣缸動作間隔時間為預(yù)設(shè)筒子紗間距/輸送機(jī)速度。因此通過這對起到“門將”作用的擋料氣缸配合恒速的輸送機(jī)和傳感器的輸出信號，來保證筒子紗的恒定間距，并以此獲得穩(wěn)定的定位精度。

2.1.2 單紗稱量部件

一般整袋筒子紗標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為25 kg，具體質(zhì)量偏差根據(jù)廠家要求。此處，取質(zhì)量偏差為±100 g，以15只筒子紗計，則秤臺單紗稱量的偏差應(yīng)不大于6.7 g，據(jù)此設(shè)定秤臺單紗稱量的精度為不大于±5 g。

當(dāng)輸送線上以恒定間距排列的筒子紗進(jìn)入推紗入稱氣缸范圍內(nèi)，氣缸順勢將其推入高精度秤臺，見圖4。推紗入稱氣缸的動作時機(jī)，是由氣缸所在通道的位置(與擋料氣缸的距離)和輸送機(jī)的速度進(jìn)行計算所得。秤臺收集單個通道內(nèi)筒子紗的實(shí)際質(zhì)量并與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量對比，將結(jié)果形成信號送至控制器進(jìn)行處理。

2.1.3 質(zhì)量篩選部件

質(zhì)量篩選部件通過線性模組和撥料氣缸，將質(zhì)量合格的筒子紗轉(zhuǎn)移出稱量區(qū)域，方便輸送至下工位或者對不合格品進(jìn)行剔除處理，其剔除流程如圖5所示。

1—秤臺；2—安裝平臺；3—筒子紗；4—?dú)飧?。圖4 單紗稱量

圖5 質(zhì)量篩選流程

當(dāng)3個通道內(nèi)的筒子紗分別進(jìn)入單紗稱量工位，每個通道內(nèi)的高精度秤臺將結(jié)果反饋至控制器驅(qū)動線性模組和撥料氣缸執(zhí)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)移或剔除工序；當(dāng)3個通道內(nèi)的筒子紗質(zhì)量都符合要求后，統(tǒng)一由輸送機(jī)送入下一工位小袋封裝模塊。在實(shí)際運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)1個或幾個通道內(nèi)的筒子紗質(zhì)量不符合要求時，控制器就會控制入紗定位部件放入相應(yīng)通道1個筒子紗并進(jìn)行稱量判定，直至滿足3通道就位要求，最終驅(qū)動輸送機(jī)將該組3個等距合格的筒子紗送入下工序。

值得注意的是，當(dāng)進(jìn)行某個通道筒子紗二次或多次稱量時，推紗入稱氣缸的控制時間是由控制器根據(jù)通道位置計算所得，同樣適用于雙通道各種推紗入稱組合，以提高該模塊的工作效率。

稱量模塊具有如下特性：高精度在線稱量，同時并行3通道稱量，提高設(shè)備工作效率；自動剔除質(zhì)量超標(biāo)筒子紗并自動增補(bǔ)；筒子紗間距恒定，為后續(xù)工位提供位置參考。

2.2 小袋封裝模塊

小袋封裝模塊主要由大小頭翻轉(zhuǎn)部件和小袋包裝部件等組成。將成卷的塑料薄膜，通過放料、制袋、熱切、封口等功能組件，實(shí)現(xiàn)對單個筒子紗的塑封包裝，避免受潮和二次污染。

小袋封裝模塊前后各有1臺輸送機(jī)，前道輸送機(jī)有經(jīng)過篩選合格的筒子紗就位，后道輸送機(jī)用來將已小袋封裝的筒子紗送入大袋包裝模塊，由兩臺輸送機(jī)將3個模塊前后聯(lián)接。

2.2.1 大小頭翻轉(zhuǎn)部件

筒子紗從稱重篩選模塊完成檢測后輸送至前道輸送機(jī)，在該輸送機(jī)的特定位置處安裝大小頭翻轉(zhuǎn)部件。大小頭翻轉(zhuǎn)部件的主要作用是根據(jù)編織袋相鄰2個筒子紗錐體大小頭交錯方式對相應(yīng)筒子紗進(jìn)行上下翻轉(zhuǎn)，由3組獨(dú)立翻轉(zhuǎn)組件組成，每組間距和稱重篩選模塊中定紗間距一致。單組組件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1—夾持板；2—闊型氣爪；3—伸縮氣缸；4—旋轉(zhuǎn)氣缸。圖6 大小頭翻轉(zhuǎn)部件

伸縮氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸和闊型氣爪相互組合形成上下、旋轉(zhuǎn)和伸縮的氣缸組合；闊型氣爪前端安裝有一定寬度的塑料夾持板，用于握放筒子紗。當(dāng)3個筒子紗到位后，大小頭翻轉(zhuǎn)部件開始工作，伸縮氣缸向下運(yùn)動，同時闊型氣爪打開，到達(dá)位置后，闊型氣爪閉合并抓住筒子紗，伸縮氣缸向上運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)180°，伸縮氣缸向下運(yùn)動，闊型氣爪放開筒子紗，伸縮氣缸向上運(yùn)動復(fù)位。如果筒子紗為圓柱形，則翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不動作。

2.2.2 小袋包裝部件

當(dāng)翻轉(zhuǎn)部件完成大小頭翻轉(zhuǎn)排列后，推料氣缸將筒子紗從前道輸送機(jī)推進(jìn)袋成型機(jī)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行套小袋包裝，套袋后前一個包裝完成的筒子紗由后一個待包裝的筒子紗推送至后道輸送機(jī)上，并將小袋包裝后的筒子紗運(yùn)輸至大袋包裝模塊。

套小袋包裝部件適合大批量筒子紗包裝，通過推紗入膜氣缸將大小頭翻轉(zhuǎn)好的筒子紗推進(jìn)塑料袋中，實(shí)現(xiàn)熱塑封口，如圖7所示。

其中，袋成型器尺寸為320 mm×240 mm×190 mm，可滿足90%以上規(guī)格的筒子紗使用；熱封切組件由熱切刀和推料薄膜擋塊組成，熱切刀主要是進(jìn)行薄膜封口和切斷，推料薄膜擋塊有助于薄膜有效切斷；薄膜放卷組件由放卷電機(jī)、主動放料輥、被動放料輥、阻尼裝置和夾料輥等組成。

1—袋成型器；2—熱封切組件；3—薄膜放卷組件。圖7 小袋包裝部件

塑料薄膜置于主動放料輥和被動放料輥之間，放卷電機(jī)驅(qū)動主動放料輥轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)薄膜放料，薄膜經(jīng)纏繞通過阻尼裝置及夾料輥等部件后，最后套在袋成型器上。在小袋包裝過程中，在推紗入膜氣缸將3個等間距筒子紗推進(jìn)袋成型器過程中，帶動成型器中的薄膜使之觸發(fā)阻尼裝置引起張力變化，進(jìn)而控制放卷速度進(jìn)行薄膜放料，待筒子紗推出成型器后，熱封切組件中的熱切刀下行、推料薄膜擋塊上行將薄膜封口切斷，完成筒子紗套小袋包裝過程。

小袋封裝模塊具有如下特性：適應(yīng)錐形筒子紗并實(shí)現(xiàn)大小頭自動翻轉(zhuǎn)；封刀高溫加熱時，不會產(chǎn)生焦化，實(shí)現(xiàn)零污染；自動送料，包裝膜長度可以根據(jù)產(chǎn)品要求自動調(diào)節(jié)；溫控器具有PID功能，能夠根據(jù)材料設(shè)定封刀溫度。

2.3 大袋包裝模塊

大袋包裝模塊負(fù)責(zé)將經(jīng)過封塑并大小頭放置好的筒子紗，按照一定排列順序推入編織袋中包裝。該模塊主要由編織袋準(zhǔn)備部件、編織袋套袋部件、推紗入袋部件和編織袋縫制部件等組成。主要流程為：吸取編織袋→套編織袋→筒子紗排列→筒子紗推入編織袋→裝袋結(jié)束→自動縫包斷線→出線。

大袋包裝模塊前后各有1臺輸送機(jī)。后道輸送機(jī)用來將已小袋封裝的筒子紗送入大袋包裝模塊；成品輸送機(jī)用來將已裝滿筒子紗的編織袋送入下一工位進(jìn)行編織袋縫口，并最終將成品輸出。

2.3.1 編織袋準(zhǔn)備部件

編織袋準(zhǔn)備部件主要用于完成對編織袋的吸取功能，為后續(xù)套袋做準(zhǔn)備，其組成如圖8所示。其中，吸袋組件主要由提袋氣缸、吸袋板和若干個真空吸盤等組成。

1—儲袋區(qū)；2—吸袋組件；3—移袋組件；4—工作區(qū)。圖8 編織袋準(zhǔn)備部件

當(dāng)儲袋區(qū)內(nèi)的傳感器檢測到該區(qū)域有編織袋時，吸袋組件的提袋氣缸下行到位，吸袋板上的真空吸盤利用真空將儲袋區(qū)上面第1個編織袋吸取并提升，然后在移袋組件的線性模組牽引下移至工作區(qū)域上方，最后真空吸盤放開編織袋(工作區(qū)的傳感器檢測到編織袋)。

2.3.2 編織袋套袋部件

編織袋套袋部件主要用于實(shí)現(xiàn)吸開并撐起編織袋袋口，以及牽引并最終套在推紗入袋部件的進(jìn)袋框組件上的功能，為后續(xù)推紗入袋做準(zhǔn)備，如圖9所示。其中，開袋組件主要由1個提升氣缸和上下2組真空吸盤組成；撐袋組件由1個平推氣缸和1組撐爪組成；壓袋組件有1對上、下對稱分布的、帶有壓簧的緩沖壓塊。

1—進(jìn)袋框組件；2—牽袋組件；3—開袋組件；4—撐袋組件；5—壓袋組件。圖9 編織袋套袋部件

在編織袋套袋過程中，開袋組件的提升氣缸下行到位后，上、下兩組真空吸盤同時負(fù)壓吸住編織袋袋口區(qū)域，然后隨著氣缸的提升逐漸打開袋口；袋口打開后牽袋組件兩側(cè)的撐爪深入袋口內(nèi)，通過平推氣缸動作從側(cè)面撐開編織袋，隨著編織袋的撐緊，上、下兩組真空吸盤脫離袋體；在線性模組的牽引下將編織袋套在處于收縮狀態(tài)下的進(jìn)袋框組件(上、下導(dǎo)板距離最小)上，隨著該組件的氣缸動作將上、下導(dǎo)板撐開，并和壓袋組件緩沖壓塊一起作用以持續(xù)夾持編織袋開口，最后撐袋組件的撐爪脫離編織袋袋口并復(fù)位，已被夾持的編織袋接收從推紗入袋組件過來的筒子紗。

2.3.3 推紗入袋部件

推紗入袋部件主要用于完成筒子紗的包裝前排列和推紗入袋功能，其組成結(jié)構(gòu)如圖10所示。其中，斷紗組件主要由斷紗氣缸和斷紗板等組成；推紗組件主要由推紗氣缸和推紗板等組成；定紗組件主要由定紗氣缸和定紗板等組成。

1—后道輸送機(jī)；2—斷紗組件；3—推紗組件；4—定紗組件；5—進(jìn)袋框組件。圖10 推紗入袋部件

斷紗組件通過氣缸推動擋紗板下降，限制輸送帶上的筒子紗進(jìn)入推紗區(qū)域的數(shù)量；定紗組件通過氣缸伸出定紗板，對輸送帶上的筒子紗進(jìn)行定位；推紗組件通過氣缸伸出推紗板，將進(jìn)入推紗區(qū)域的筒子紗推入進(jìn)袋框組件中；進(jìn)袋框組件是編織袋口與推紗區(qū)域的橋梁，起緩沖作用，使積累在袋框內(nèi)的前組筒子紗在后組筒子紗的推動下進(jìn)入編織袋中。

以5+4+5排列方式為例，依次推入袋框(編織袋)的筒子紗數(shù)量為(2+1+2+1+2+1+2+1+2)。斷紗組件主要負(fù)責(zé)控制進(jìn)入推紗區(qū)域的數(shù)量是“1”還是“2”；定紗組件負(fù)責(zé)對單獨(dú)進(jìn)入推紗區(qū)域的筒子紗進(jìn)行定位。

2.3.4 編織袋縫制部件

當(dāng)筒子紗按預(yù)定排列全部進(jìn)入編織袋后，成品輸送機(jī)將半成品輸送至縫包工位，先后完成壓袋、牽引、縫合和切縫包線等作業(yè)，如圖11所示。其中，壓袋裝置主要由安裝架、導(dǎo)柱、氣缸和壓袋輥等組成；牽引裝置主要由安裝板、帶導(dǎo)桿氣缸、氣爪和袋口夾 板等組成；縫包裝置主要由縫包機(jī)、切線氣缸和線盤等組成。

當(dāng)裝滿筒子紗的編織袋經(jīng)成品輸送機(jī)送到縫包工作區(qū)域后，壓袋裝置的上、下氣缸動作，利用壓袋

1—縫包裝置；2—壓袋裝置；3—牽引裝置；4—機(jī)架。圖11 編織袋縫制部件

輥縮小編織袋上、下袋口距離，牽引裝置的夾板握持并牽引編織袋袋口，與壓袋輥相互配合使編織袋內(nèi)筒子紗緊密排列；當(dāng)牽引裝置中的帶導(dǎo)桿氣缸后退到位時，壓袋氣缸上行到位，自動縫包機(jī)在同步帶的帶動下橫向位移完成縫包作業(yè)，切線氣缸配合切刀對縫包線進(jìn)行切斷。

大袋包裝模塊的優(yōu)勢：適用于現(xiàn)有編織袋，不增加紡織單位物料成本；實(shí)現(xiàn)編織袋包裝的全自動化，降低用工需求，減少生產(chǎn)成本；提高筒子紗包裝效率，穩(wěn)定包裝質(zhì)量；解放勞動生產(chǎn)力，有利于筒子紗包裝從機(jī)械化邁向智能化。

3 結(jié)語

與其他主流筒子紗包裝設(shè)備相比，該筒子紗智能包裝系統(tǒng)自動化程度高，實(shí)現(xiàn)了包裝過程的智能化；當(dāng)速度為1.5包/min時，工作效率約為主流設(shè)備的2倍，單臺可匹配8萬錠紗廠的日產(chǎn)量，整條線僅需1名普通工人，且通過簡單培訓(xùn)即可操作。同時，該系統(tǒng)各功能部件模塊化設(shè)計，可根據(jù)功能需求和施工現(xiàn)場進(jìn)行相關(guān)模塊的增減和組合布置，滿足客戶定制化需求。