董相杰 黃克華,2 易 臻 王福瑞 李惠軍

（1.新疆大學(xué)，新疆烏魯木齊， 830046；2.新疆利華紡織有限公司，新疆阿克蘇， 843013；3.青島雙清智能科技有限公司，山東青島， 266431）

筒紗作為紡紗最后一道工序的產(chǎn)物與織造首道工序的材料，起著“紡”和“織”的橋梁作用。傳統(tǒng)的筒紗打包多為人工包裝，用工量大，由于工作環(huán)境差、強(qiáng)度高、時(shí)間長(zhǎng)等原因，紡織行業(yè)工人工資比其他行業(yè)高500 元/人~1 000 元/人，增加了企業(yè)的用工成本［4］。當(dāng)前，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些全自動(dòng)打包機(jī)，但是從絡(luò)筒機(jī)到打包機(jī)之間的運(yùn)輸，往往還是靠人工通過(guò)周轉(zhuǎn)車來(lái)實(shí)現(xiàn)［5-6］。本研究研制的全智能筒紗輸送與包裝系統(tǒng)完成了從絡(luò)筒取紗到整袋碼垛全流程的無(wú)人化操作。以下就該系統(tǒng)的流程進(jìn)行探究，找出影響該系統(tǒng)整體效率的關(guān)鍵，以便進(jìn)行優(yōu)化，使設(shè)備效能得到充分發(fā)揮。

1 筒紗輸送與包裝系統(tǒng)模塊分析

1.1 總體設(shè)計(jì)

筒紗輸送與包裝系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思維，該系統(tǒng)總體流程如圖1 所示。根據(jù)打包的工藝流程可以分為輸送線（模塊1~模塊9）和打包線（模塊10~模塊15）兩部分。筒紗自絡(luò)筒機(jī)生產(chǎn)出來(lái)，經(jīng)過(guò)上紗機(jī)械手、空中鏈?zhǔn)綊旒茌斔途€、下紗機(jī)械手，落入下紗緩沖區(qū)，配重完成后進(jìn)入打包線打包。打包線實(shí)現(xiàn)筒紗的套膜、裝袋、貼標(biāo)、縫口、捆扎、碼垛等功能。

圖1 筒紗輸送與包裝系統(tǒng)流程圖

1.2 上紗機(jī)械手

上紗機(jī)械手（如圖2 所示）通常需要與導(dǎo)紗裝置配合。絡(luò)筒機(jī)生產(chǎn)出筒紗后，經(jīng)皮帶輸送到頭端的導(dǎo)紗裝置，導(dǎo)紗裝置配有稱重模塊，能夠完成筒紗的稱重并將其重量信息發(fā)送至主控系統(tǒng)。上紗機(jī)械手檢測(cè)到導(dǎo)紗裝置的信號(hào)后即執(zhí)行一次上紗操作，將筒紗掛到空中輸送線上。

圖2 上紗機(jī)械手

上紗機(jī)械手完成一次取紗并送到輸送線掛架上的時(shí)間約為15 s。但是遇到?jīng)]有空掛架的情況下，上紗機(jī)械手需要在空中等待，具體情況需要看輸送線的忙閑程度，因此上紗效率也受到后續(xù)下紗工序的影響。

1.3 空中鏈?zhǔn)綊旒茌斔途€

空中輸送線的功能是將筒紗從絡(luò)筒機(jī)送至包裝區(qū)。輸送線上相鄰兩個(gè)筒紗的時(shí)間間隔為3.5 s，連續(xù)不間斷運(yùn)行。在進(jìn)行筒紗輸送的同時(shí)，會(huì)進(jìn)行筒紗的配重與驗(yàn)紗操作。配重即根據(jù)導(dǎo)紗裝置和上紗機(jī)械手發(fā)送的筒紗品種、重量信息，由主控系統(tǒng)完成篩選組合，選出同一品種內(nèi)滿足整包重量要求的筒紗組合，并向下紗機(jī)械手發(fā)送命令使這一組合筒紗在同一個(gè)下紗緩沖皮帶卸下，待筒紗數(shù)量達(dá)到每包數(shù)量時(shí)運(yùn)送至下一流程。

專欄小編：歡迎三位專家做客“深度”欄目。在2018年行將結(jié)束時(shí)，我們做2019年第一期的“深度”，我曾經(jīng)考慮過(guò)談些廣度深度更大一些的內(nèi)容，但是又一想，物流業(yè)內(nèi)更關(guān)注的是自己的事情，因此我們今天還是來(lái)談物流，談經(jīng)濟(jì)。我們先來(lái)看看2018年物流業(yè)內(nèi)最驚艷的“雙11”火爆情況吧，科技賦能令人們耳目一新，由此也讓我們看到物流業(yè)在2019年會(huì)有更好的表現(xiàn)。

驗(yàn)紗操作即在空中完成一次筒紗品種的校驗(yàn)，是對(duì)該紗被放入空中輸送線時(shí)所上傳信息的又一次核驗(yàn)，確保筒紗信息無(wú)誤，若出現(xiàn)錯(cuò)誤將在后續(xù)的剔除區(qū)由下紗機(jī)械手卸下。當(dāng)前紡紗廠多采用“多品種，小批量”的生產(chǎn)模式，為了避免筒紗品種裝混，對(duì)筒紗品種進(jìn)行校驗(yàn)是非常必要的［7］。筒紗驗(yàn)紗程序應(yīng)用圖像檢測(cè)技術(shù)，使用工業(yè)CCD相機(jī)在輸送線運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行拍照，耗時(shí)2 ms，不影響輸送線的運(yùn)輸效率。

1.4 下紗機(jī)械手及下紗緩沖區(qū)

下紗機(jī)械手按照主控系統(tǒng)的調(diào)度，選擇性將相同品種、特定重量的筒紗從空中輸送線卸下，存入下紗緩沖區(qū)。機(jī)械手每卸下一個(gè)筒紗用時(shí)15 s。為了降低空中輸送線的負(fù)載，下紗機(jī)械手并不是等待主控系統(tǒng)在空中完成一組筒紗的配重后再卸下，而是先將幾個(gè)筒紗隨機(jī)卸下后，再通過(guò)主控系統(tǒng)結(jié)合已卸下筒紗的重量完成配重，選擇性卸下符合重量的筒紗。

某紡紗廠內(nèi)（8 個(gè)下紗機(jī)械手）不同時(shí)間連續(xù)5 min 內(nèi)的配重情況如表1 所示。通過(guò)表1 中進(jìn)紗總數(shù)結(jié)合輸送線的線速度，可以得知輸送線幾乎處于滿載，即進(jìn)入下紗區(qū)的掛架幾乎都為有紗狀態(tài)。以表1 中的下紗效率計(jì)算，會(huì)有20%~40%的筒紗繼續(xù)在輸送線等待配重，這一部分筒紗降低了筒紗輸送效率。

表1 不同時(shí)間段連續(xù)5 min 內(nèi)下紗效率

輸送效率受配重、緩沖區(qū)滿無(wú)法及時(shí)出紗、絡(luò)筒機(jī)筒紗生產(chǎn)速度3 個(gè)因素的影響。當(dāng)生產(chǎn)的筒紗重量波動(dòng)較大或品種較多，無(wú)法及時(shí)湊出滿足整包重量要求的筒紗組合時(shí)，筒紗將一直在輸送線中等待，導(dǎo)致輸送效率下降；打包線由于更換耗材、驗(yàn)紗報(bào)警處理等原因效率降低時(shí)，輸送線中的筒紗會(huì)大量存入下紗緩沖區(qū)，當(dāng)下紗緩沖區(qū)存滿后輸送線將無(wú)法下紗；當(dāng)生產(chǎn)變緩，筒紗生產(chǎn)速度較慢時(shí)，輸送線掛架將出現(xiàn)大量空閑。這些情況都會(huì)影響輸送效率。

通常筒紗輸送與包裝系統(tǒng)配有多臺(tái)下紗機(jī)械手，每臺(tái)下紗機(jī)械手可配兩個(gè)下紗緩沖皮帶，如圖3 所示。紡織廠往往同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)品種的筒紗，每種筒紗可能有幾組在同時(shí)配重，每組筒紗配重需單獨(dú)占用一個(gè)下紗緩沖皮帶進(jìn)行存儲(chǔ)，因此適當(dāng)增加下紗機(jī)械手與下紗緩沖皮帶的數(shù)量，可以提高下紗效率，進(jìn)而提高輸送線的輸送效率。

圖3 下紗機(jī)械手與下紗緩沖皮帶

1.5 出紗準(zhǔn)備區(qū)

出紗準(zhǔn)備區(qū)由一條皮帶組成，與下紗緩沖皮帶垂直，如圖4 所示。當(dāng)下紗緩沖皮帶上的筒紗配重完成后，皮帶向出紗準(zhǔn)備區(qū)運(yùn)動(dòng)，將筒紗逐個(gè)送至出紗準(zhǔn)備區(qū)，出紗準(zhǔn)備區(qū)皮帶略低于下紗緩沖皮帶，筒紗從緩沖皮帶落到出紗皮帶時(shí)會(huì)翻轉(zhuǎn)90°，實(shí)現(xiàn)筒紗姿態(tài)調(diào)整，使小頭朝上、大頭朝下，為驗(yàn)紗環(huán)節(jié)做準(zhǔn)備。

圖4 下紗緩沖皮帶與出紗準(zhǔn)備區(qū)

出紗準(zhǔn)備區(qū)將排列好的筒紗送至下一包裝環(huán)節(jié)，每個(gè)筒紗送出時(shí)間為2.5 s。但是受前道工序的影響，下紗緩沖皮帶配重完成的時(shí)間沒(méi)有規(guī)律，不相鄰的下紗緩沖皮帶出紗的時(shí)間間隔降低了出紗準(zhǔn)備區(qū)的效率。以圖4 為例，為避免筒紗裝混，當(dāng)一個(gè)下紗緩沖皮帶出紗完成后，其他皮帶才可繼續(xù)出紗。例如：當(dāng)下紗緩沖皮帶3 出紗完成后，下紗緩沖皮帶7 是唯一配重完成的皮帶，因此皮帶7 進(jìn)行出紗，那么在出紗準(zhǔn)備區(qū)的皮帶上，有皮帶3~皮帶7 的一段距離是空閑的，且包與包之間有5 s~10 s 的間隔用于系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品確認(rèn)。

1.6 地面驗(yàn)紗及管內(nèi)貼標(biāo)模塊

筒紗在下紗緩沖區(qū)完成排列后，在進(jìn)行打包之前，還需進(jìn)行一次地面驗(yàn)紗與貼標(biāo)。地面驗(yàn)紗可以檢測(cè)筒紗的外觀缺陷、紙管顏色與花紋等信息，可避免空中驗(yàn)紗時(shí)的遺漏。地面驗(yàn)紗使用高角度光與低角度光兩種光源，分別對(duì)筒紗的正面及背面共進(jìn)行4 次檢測(cè)，能有效檢測(cè)出筒紗的外觀缺陷。

紙管識(shí)別采集筒紗紙管顏色標(biāo)識(shí)端的正面圖像，能對(duì)比較復(fù)雜的紙管顏色和花紋進(jìn)行識(shí)別，發(fā)現(xiàn)打包品種錯(cuò)亂的情況，及時(shí)有效地避免“錯(cuò)支”情況流入下游用戶。

當(dāng)筒紗檢測(cè)沒(méi)有問(wèn)題后，將會(huì)被夾持裝置夾起并翻轉(zhuǎn)90°，內(nèi)貼標(biāo)機(jī)將會(huì)將該筒紗的品種、支數(shù)等信息以標(biāo)簽形式貼到紙管內(nèi)側(cè)，內(nèi)貼標(biāo)機(jī)如圖5 所示。

圖5 內(nèi)貼標(biāo)機(jī)模塊

內(nèi)貼標(biāo)機(jī)的耗材為標(biāo)簽紙與碳帶，每個(gè)筒紗的貼標(biāo)時(shí)間約為3.5 s。打印機(jī)最多可添加約9 000 張標(biāo)簽（30 mm×20 mm）耗材，可供打印機(jī)不間斷運(yùn)行9 h。一卷碳帶可打印上萬(wàn)個(gè)標(biāo)簽，耗材更換頻率較低。

1.7 套膜模塊

為了保證筒紗的潔凈，通常在筒紗包裝前進(jìn)行薄膜包裝。常用高密度聚乙烯（HDPE）膜，薄膜厚度為0.007 mm~0.010 mm。套膜模塊可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放卷、自動(dòng)成袋和自動(dòng)封切，套膜模塊如圖6 所示。

圖6 套膜模塊

在生產(chǎn)中，前后兩個(gè)筒紗并不是緊緊連在一起，實(shí)際套膜速度約3.5 s/個(gè)，其中筒紗行進(jìn)及套膜耗時(shí)2.5 s，封切耗時(shí)1 s。套膜模塊的耗材為膜卷，單個(gè)膜卷最高能裝15 000 個(gè)筒紗，在連續(xù)不間斷運(yùn)行情況下，一次耗材添加可用15 h。

1.8 編織袋包裝（打包）模塊

當(dāng)筒紗套膜之后，將會(huì)被裝入編織袋。該模塊有自動(dòng)料卷上袋、吸盤上袋、人工上袋3 種方式。

1.8.1自動(dòng)料卷上袋

自動(dòng)料卷上袋裝置如圖7 所示，該裝置使用的耗材是長(zhǎng)筒狀的料卷，可以按照包裝所需長(zhǎng)度自由剪裁。裝置可自動(dòng)進(jìn)行剪裁、縫底、撐口，待筒紗裝完后可自動(dòng)縫包。自動(dòng)料卷上袋裝置每打一包筒紗耗時(shí)50 s，大容量料卷更換一次耗材可打包5 000 袋以上。

圖7 自動(dòng)料卷上袋打包裝置

1.8.2吸盤上袋

吸盤上袋使用成品編織袋作為耗材，裝置如圖8 所示。該裝置需要人工將編織袋整齊放在物料臺(tái)，撐口裝置通過(guò)吸盤將編織袋吸入內(nèi)部并撐口，該裝置與推紗機(jī)械手配合，自動(dòng)將筒紗裝入編織袋內(nèi)，然后運(yùn)輸?shù)较乱还の贿M(jìn)行縫包。吸盤上袋打包裝置每打一包耗時(shí)50 s，如果連續(xù)不間斷進(jìn)行打包，需要人工每隔20 min~30 min 添加一次編織袋。

圖8 吸盤上袋打包裝置

1.8.3人工上袋

人工上袋需要手動(dòng)將成品編織袋套在撐口撐板上，需要人工值守。每打一包耗時(shí)1 min 左右，需要人工及時(shí)套袋，否則會(huì)影響打包效率。

1.9 縫口、稱重貼標(biāo)及捆扎模塊

使用吸盤上袋或人工上袋裝置每裝滿一包筒紗后，需要到下一工位進(jìn)行縫包。自動(dòng)料卷上袋打包裝置內(nèi)有自動(dòng)縫包功能，不需要此單獨(dú)工位?？p包耗時(shí)10 s，一卷縫包線可用數(shù)天。自動(dòng)縫包機(jī)如圖9 所示。

圖9 自動(dòng)縫包機(jī)

稱重模塊是對(duì)整包筒紗進(jìn)行稱重，在配重的基礎(chǔ)上再進(jìn)行一次校驗(yàn)，確保整包筒紗的重量是合格的，撐口完成后進(jìn)行貼標(biāo)操作，貼標(biāo)機(jī)將此包筒紗的重量、批次等信息貼在編織袋底部。

捆扎機(jī)由兩個(gè)工位組成，每個(gè)工位使用不同顏色的捆扎帶，不同品種使用不同組合的捆扎帶，可以方便完成品種區(qū)分與異常處理。根據(jù)需求，可以選擇兩道或三道捆扎，每道捆扎耗時(shí)約6 s。

1.10 碼垛模塊

最后一道工序是碼垛，碼垛模塊如圖10 所示，需要人工先將托盤放在指定工位。碼垛裝置的抓紗機(jī)械手抓取整包筒紗后，通過(guò)碼垛機(jī)械臂的移動(dòng)達(dá)到工位上方，按照碼垛要求，旋轉(zhuǎn)袋子朝向，放入工位。因托盤擺放位置的遠(yuǎn)近、碼垛層數(shù)不同，機(jī)械臂移動(dòng)距離不同，一包筒紗碼垛耗時(shí)30 s~60 s 不等。

圖10 碼垛模塊

2 影響生產(chǎn)效率的因素

2.1 前后銜接因素

生產(chǎn)中前后環(huán)節(jié)的銜接會(huì)影響到生產(chǎn)效率。如打包線耗材用盡未及時(shí)更換而停滯，會(huì)導(dǎo)致筒紗堆積在下紗緩沖區(qū)，使輸送線的效率逐漸降低；當(dāng)耗材填充后，因緩沖區(qū)筒紗供應(yīng)充足，打包線短時(shí)間內(nèi)會(huì)高效運(yùn)行，直至緩沖區(qū)出現(xiàn)大量未滿皮帶，此時(shí)打包線效率下降、輸送線效率逐漸提升。這種前后環(huán)節(jié)配合問(wèn)題使輸送線與打包線效率維持在此起彼伏的狀態(tài)，使兩邊不能同時(shí)高效運(yùn)行，拉低整體輸送效率約10%。

2.2 品種因素

筒紗品種的多少、單個(gè)品種的批量也會(huì)影響到生產(chǎn)效率。當(dāng)同時(shí)生產(chǎn)多個(gè)品種筒紗時(shí)，每個(gè)品種都需要單獨(dú)占用下紗緩沖皮帶進(jìn)行配重，下紗緩沖區(qū)有限，品種增多則每個(gè)品種可分的組數(shù)越少，配重越慢，下紗效率降低，從而影響前端輸送線的效率。當(dāng)同時(shí)生產(chǎn)大批量品種與小批量品種時(shí)，小批量品種配重較慢，降低了出紗準(zhǔn)備區(qū)的出紗速度，又會(huì)占用一定的下紗緩沖皮帶，影響到大批量品種的配重及下紗，進(jìn)一步降低了出紗速度。

不同品種筒紗要分開(kāi)碼垛，碼垛托盤沿機(jī)械臂導(dǎo)軌單排擺放，品種越多，托盤擺放越多，位置也越遠(yuǎn)，碼垛機(jī)械臂往復(fù)運(yùn)動(dòng)距離增加，耗時(shí)延長(zhǎng)，整體效率將會(huì)降低。因此，把大批量品種托盤擺放在近處，可以提高碼垛效率。

2.3 報(bào)警處理

通常產(chǎn)生報(bào)警是因?yàn)楹牟挠帽M需要更換，為了縮短耗材更換時(shí)間，往往會(huì)在用盡之前將新耗材準(zhǔn)備好，一旦用盡將馬上更換，這種方式有助于效率的提高。筒紗輸送與包裝系統(tǒng)在輸送線部分（模塊1~模塊9）不需要更換耗材，在打包線部分（模塊10~模塊15）要按照生產(chǎn)情況及時(shí)添加耗材，所采用的耗材更換簡(jiǎn)單，對(duì)連續(xù)生產(chǎn)的影響較小。表2 為主要模塊所需耗材及更換用時(shí)情況表。表2 中，最短使用時(shí)間為裝置滿速連續(xù)不停工作理論使用時(shí)間；未填寫項(xiàng)為耗材更換頻率很低；打包模塊A 為自動(dòng)料卷上袋打包裝置，打包模塊B 為吸盤上袋打包裝置，不同時(shí)使用。

表2 主要模塊所需耗材及更換時(shí)間

產(chǎn)生報(bào)警頻次較多的模塊還有驗(yàn)紗，驗(yàn)紗能檢出筒紗外觀缺陷等問(wèn)題，及時(shí)將問(wèn)題筒紗處理。根據(jù)在某紡織廠的統(tǒng)計(jì)，一天內(nèi)驗(yàn)紗報(bào)警達(dá)百余次，絕大部分報(bào)警能在30 s 甚至20 s 內(nèi)處理，但是也存在不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)報(bào)警的情況，耽誤生產(chǎn)10 min 以上。另外，工人在交接班時(shí)對(duì)當(dāng)時(shí)的報(bào)警處理不及時(shí)。因報(bào)警處理、更換耗材以及其他原因產(chǎn)生的延誤，每天約對(duì)產(chǎn)量造成10% 的影響。

2.4 效率總結(jié)

在輸送線部分，不用更換耗材，以80%下紗效率計(jì)算，每小時(shí)能下紗800 余個(gè)，理論上日輸送量40 t。打包線部分，每包筒紗打包完后有5 s~10 s 的時(shí)間間隔進(jìn)行系統(tǒng)校驗(yàn)與耗材添加（平均每包間隔約8 s），理論極限日產(chǎn)量也可以達(dá)到40 t。但由于輸送的最高產(chǎn)量在下紗緩沖區(qū)較空閑時(shí)出現(xiàn)，打包最高產(chǎn)量在下紗緩沖區(qū)筒紗較滿時(shí)出現(xiàn)，兩邊此消彼長(zhǎng)，對(duì)產(chǎn)量造成10%的影響。打包線耗材的按時(shí)添加和驗(yàn)紗的報(bào)警處理也會(huì)對(duì)產(chǎn)量造成10%的影響。在絡(luò)筒機(jī)100%供應(yīng)充足時(shí)，考慮這些因素后，理論產(chǎn)量約32 t。筒紗的輸送與包裝環(huán)節(jié)也受前道工序絡(luò)筒的影響。絡(luò)筒的效率也會(huì)影響筒紗的輸送與打包效率。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，該筒紗輸送與包裝系統(tǒng)日產(chǎn)量最高能達(dá)到32 t，與理論分析相符。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究以筒紗輸送與包裝系統(tǒng)中筒紗行進(jìn)方向?yàn)橹骶€，對(duì)上紗機(jī)械手、空中鏈?zhǔn)綊旒茌斔途€、下紗機(jī)械手及下紗緩沖區(qū)、出紗準(zhǔn)備區(qū)、地面驗(yàn)紗及管內(nèi)貼標(biāo)、套膜、編織袋包裝（打包）、縫口和稱重貼標(biāo)、捆扎碼垛等子模塊的工作原理及生產(chǎn)效率進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該系統(tǒng)輸送線和打包線運(yùn)行穩(wěn)定，效率高；但受系統(tǒng)前后模塊銜接、生產(chǎn)品種多少和批量大小、耗材更換頻率和時(shí)間、報(bào)警處理速度等影響。全自動(dòng)筒紗輸送與包裝系統(tǒng)日產(chǎn)量能達(dá)32 t。為能更好提高生產(chǎn)水平，在輸送線中增加下紗緩沖通道數(shù)量能大幅提高下紗效率，在打包線中及時(shí)添加耗材可減少系統(tǒng)停滯時(shí)間；此外，對(duì)員工進(jìn)行培訓(xùn)，提高員工處理故障的能力，不僅能減少生產(chǎn)線的停工時(shí)間，還能減少不必要的生產(chǎn)成本，使設(shè)備效能得到充分發(fā)揮。