于 伶，李海東

（長三角哈特機器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，蕪湖 241007）

我國化纖企業(yè)的傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中，化纖絲錠下線后需經(jīng)絲車轉(zhuǎn)運，推車工人推送絲車至包裝車間，包裝工人首先為絲車上掛載的單個絲錠套上保護袋，再進行碼垛（或裝箱）、打包等步驟，最后轉(zhuǎn)運到成品庫區(qū)。每個絲車上掛載幾十個絲錠之后重量將達到數(shù)百公斤，在溫度高達45～50℃的作業(yè)環(huán)境下，這種作業(yè)方式不僅勞動強度大、危險性高，且生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)品信息追溯困難[1-2]。在“中國制造2025”方針指導下，利用自動控制技術(shù)實現(xiàn)智能物流、自動化包裝系統(tǒng)已成為了必然趨勢，越來越多的廠家開始針對紡織行業(yè)設(shè)計智能包裝及物流輸送系統(tǒng)并投入使用[3-6]。

本文介紹了一種基于Device Net 總線分布式PLC 控制的絲錠自動包裝碼垛控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了從絲車自動上料、自動套袋、碼垛到自動打包、稱重等一系列功能，能夠有效提高生產(chǎn)效率，減輕人工勞作負荷，為化纖生產(chǎn)全流程實現(xiàn)自動化、信息化提供了基礎(chǔ)。

1 車間物流作業(yè)需求分析

1.1 車間作業(yè)流程介紹

滌綸長絲卷裝全流程一般包括卷繞、落筒、轉(zhuǎn)運、加彈、剝絲、緩存、稱重、外觀檢測、單卷套袋、碼垛、打包、入庫等眾多工序。加彈車間加彈工序完成后會形成一種新的DTY 絲錠，DTY 絲錠經(jīng)過剝絲、外檢、織襪工序，隨后入DTY 絲車緩存庫。DTY 緩存庫里的絲車出庫后，絲錠經(jīng)過稱重、套袋、裝箱（碼垛），最終下線入庫。本文設(shè)計的控制系統(tǒng)即為針對此階段的DTY 絲錠的包裝入庫作業(yè)流程。

1.2 作業(yè)對象

本次自動包裝碼垛針對的絲錠產(chǎn)品有2 種規(guī)格，單重分別是8 kg 和10 kg，2 種產(chǎn)品的卷繞內(nèi)筒相同，外徑一致，僅厚度有少許差異。轉(zhuǎn)運絲車分正、反兩面，兩面均掛載有絲錠，分上、中、下3 層分布，每層6 個。設(shè)計托盤放置單個絲錠，方便在各工序間流轉(zhuǎn)。絲錠按照3×3 排列碼放到托盤上，層間加放一層泡沫隔板，碼放的總層數(shù)為9 層。絲錠托盤、碼垛托盤和絲車如圖1 所示。

圖1 絲錠與碼垛托盤與絲車Fig.1 Silk ingot and palletizing tray

2 整體方案設(shè)計

2.1 功能劃分

根據(jù)車間工藝流程與作業(yè)需求，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)包含信息管理與生產(chǎn)控制2 個層面，如圖2 所示。對應控制功能可將生產(chǎn)工位劃分為絲車上線工位、機器人上料工位、套袋工位、碼垛工位、打包工位、稱重貼標工位、裹膜下線工位。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure

2.2 工藝節(jié)拍計算與分析

在企業(yè)中生產(chǎn)線的產(chǎn)量通常以年產(chǎn)量作為衡量標準，根據(jù)年產(chǎn)量和年生產(chǎn)時長可以計算出單個工件的生產(chǎn)節(jié)拍：

式中：Tcycle為單個工件生產(chǎn)時長；TO為每班生產(chǎn)時長；Q 為年產(chǎn)量；S 為每日班次；D 為年有效工作日；P 為生產(chǎn)效率。

根據(jù)生產(chǎn)線功能劃分，可確定關(guān)鍵區(qū)域的目標工作節(jié)拍時長。分析設(shè)備工藝流程，對動作順序一一分解，計算各個工序?qū)嶋H運行時長，對比目標工作節(jié)拍，即可推導設(shè)備各結(jié)構(gòu)運行的目標速度，為機械設(shè)計、選型等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（1）絲錠上料區(qū)域

絲錠上料區(qū)域的節(jié)拍由絲車上線和機器人抓取2 個部分組成。以單臺絲車滿載時的絲錠數(shù)量為基礎(chǔ)計算目標工作節(jié)拍：

式中：N 為絲車滿載絲錠個數(shù)；Tsl為單臺絲車上料目標節(jié)拍時長。

按照1 臺機器人單向取料，1 次抓取絲車1 排絲錠的操作流程，實際工序時間可分解為

式中：T1為絲車上線時長；T2為絲車轉(zhuǎn)動到另一面時長；Tr為機器人抓取上料1 個周期時長；Nr為每臺絲車機器人抓取次數(shù)。

分析以上分解的工序時長，其中T2絲車轉(zhuǎn)動時長屬于無效等待，且占比較大，可設(shè)計成多機位并行作業(yè)方式，盡量減少節(jié)拍損失。

（2）套袋工位

單臺套袋機的工作時長Ttd是固定的，當Ttd>Tcycle時，需要n 臺套袋機并行工作，多臺套袋機的并行工作節(jié)拍：

式中：n 為并行工作設(shè)備數(shù)量；Pn為并行工作效率。

以并行工作節(jié)拍Tdtd

（3）碼垛工位

以每個碼垛i 層，每層j 個絲錠計算，碼垛工位的目標節(jié)拍時長：

碼垛機械手采用龍門桁架結(jié)構(gòu)，分解動作流程，實際有效工作時序計算為

式中：Tt為碼垛托盤上線時長；Tx為絲錠單層碼垛水平方向平均運行時長；Ty為絲錠單層碼垛豎直方向平均運行時長；Tx1為隔板單層碼垛水平方向平均運行時長；Ty1為隔板單層碼垛豎直方向平均運行時長。

根據(jù)碼垛桁架的整體結(jié)構(gòu)和工作流程，可得出碼垛工作流程中抓取絲錠、隔板機械手的水平位移與豎直位移，根據(jù)節(jié)拍時長，最終選取出合適的水平運動及提升運動的最大速度和加速度，進行動力學參數(shù)設(shè)計及伺服電機選型。

2.3 場地布局

各工位的設(shè)備配置與工序、布局聯(lián)系緊密，各個工序復雜程度不同導致各工位設(shè)備的作業(yè)能力不同，當任務分配不均時會出現(xiàn)節(jié)拍誤差，產(chǎn)生無效的等待時間，最終無法達到理論產(chǎn)能。所以在設(shè)備布局時同類型設(shè)備盡量緊密連接，提高場地利用率；物流路線的設(shè)計，則以盡量減少運輸時間并降低成本為目標。

對生產(chǎn)線各工位工作節(jié)拍計算分析后，絲車上線設(shè)計為雙工位并行方式，以減少機器人等待時間；套袋機單機工作時長（4 s）超出生產(chǎn)線目標節(jié)拍，所以配備了2 臺套袋機，在輸送過程中進行分揀合流，實現(xiàn)并行作業(yè)的模式。最終各工位布局規(guī)劃如圖3 所示。

圖3 設(shè)備總體布局Fig.3 Overall layout of equipment

3 分布式系統(tǒng)設(shè)計

Device Net 是一種開放的、多主控的現(xiàn)場總線，Device Net 離散式控制系統(tǒng)憑借其配置靈活、工作穩(wěn)定、線路簡單等特點得到廣泛應用。本系統(tǒng)Device Net控制網(wǎng)絡(luò)選用歐姆龍CJ2M 作為主站、CP1H 從站和DRT2 智能從站，主站PLC 與上位機連接，接收工廠管理系統(tǒng)下達的生產(chǎn)信息后轉(zhuǎn)發(fā)給各從站，實現(xiàn)各工位的集中管理與分散控制，整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)組成Fig.4 Control system composition

絲車上線工位、套袋工位、碼垛工位的功能相對獨立且控制需求明確，選用CP1H 作為從站，獨立進行編程調(diào)試，提高整線設(shè)計與安裝調(diào)試的效率。打包工位和裹膜工位選用的打包機、裹膜機都是通用設(shè)備，以硬接線方式進行基本啟停信號的交互，完成自動打包與裹膜的功能。各個工位之間通過輸送線體前后連接，線體控制由多個DRT2 智能從站完成。

3.1 上料區(qū)域

上料區(qū)域主要包括3 個工位：絲車上線工位、機器人上料工位和絲錠輸送線體。

絲車上線工位由2 臺輸送鏈、轉(zhuǎn)動機構(gòu)、止擋器和傳感器構(gòu)成；上料機器人末端夾具配備6 個夾爪，可一次性抓取絲車上的1 排絲錠；輸送線體由2 排輸送輥筒、分流器、止擋器和傳感器等組成，如圖5所示。機器人上料工作流程如圖6 所示。機器人與絲車上線工位和輸送線體工位通訊信號如表1 所示。

表1 機器人通訊I/O 列表Tab.1 Robot communication I/O list

圖5 機器人作業(yè)三維圖Fig.5 Robot operation 3D model

圖6 機器人作業(yè)流程Fig.6 Robot operation flow chart

3.2 碼垛區(qū)域

碼垛區(qū)域由碼垛機械手、碼垛托盤倉、隔板倉和上蓋板倉幾個工位組成。碼垛機械手采用龍門結(jié)構(gòu)，以伺服電機帶動齒輪齒條傳動，2 個機械手安裝在同一水平軸上，同步進退，可同時升降，分別抓取絲錠和隔板，提高工作效率。碼垛托盤從托盤倉中下料，經(jīng)輸送輥筒線體傳送到碼垛工作區(qū)間。抓取絲錠的機械手末端安裝有9 個夾爪，1 次抓取1 層絲錠，放置在碼垛托盤的泡沫隔板上，空托盤由回流輥筒線返回上料區(qū)域。整體結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 碼垛作業(yè)三維圖Fig.7 Stacking process 3D model

碼垛工位功能獨立且集中，使用CP1H 為Device Net 從站，獨立進行編程設(shè)計與現(xiàn)場調(diào)試。CP1H 標配4 軸脈沖輸出功能，最大100 kHz，最多可擴展7個單元，完全滿足此工位的4 軸定位、多料倉上料等功能需求。CP1H 使用CX-Programmer 編程軟件，其提供多種脈沖指令，方便實現(xiàn)伺服定位等控制功能。碼垛區(qū)控制功能模塊如圖8 所示。

圖8 控制功能結(jié)構(gòu)Fig.8 Control function structure

3.3 輸送線體

3.3.1 輸送線體種類

各生產(chǎn)工位之間的輸送線體有輕載和重載2種規(guī)格，如圖9 所示。轉(zhuǎn)運單個絲錠為輕載輥筒線體，根據(jù)工藝需求不同有單排、雙排和三排的線體。絲錠碼垛之后整個托盤重量約在900 kg 左右，輸送線體為重載輥筒線體。

圖9 輸送線體三維圖Fig.9 Transportation line

3.3.2 作業(yè)調(diào)度

輕載輥筒線體除了輸送絲錠的功能之外，另一個重要功能是實現(xiàn)物流的分揀調(diào)度。例如2 臺套袋機同時工作時，前方物流一分為二，后方合二為一輸送，因分流變向動作影響后續(xù)托盤輸送，使得套袋機的平均等待時間延長，降低了套袋機使用率。需要在作業(yè)中協(xié)調(diào)分流器動作時間與分流個數(shù)間的關(guān)系，尋找套袋機的最佳分流比，以實現(xiàn)最高生產(chǎn)效率。

4 信息管理

滌綸長絲卷裝流程較長，信息管理顯得尤為重要。隨著絲錠在生產(chǎn)過程的流轉(zhuǎn)，信息不斷變化，如何追蹤產(chǎn)品信息成為信息管理的重要部分。手動包裝時，絲錠下線后由工人根據(jù)生產(chǎn)信息進行手寫包裝或粘貼軸標。如果檢測結(jié)果或工藝出現(xiàn)變更時需要返工撕掉重新貼標，即浪費時間又增加工人勞動強度。

自動包裝系統(tǒng)通過工廠管理系統(tǒng)的對接，集成了絲錠的基礎(chǔ)信息、工藝信息、絲車信息等生產(chǎn)要素，如圖10 所示。自動包裝系統(tǒng)信息流沿著工藝流程進行采集跟蹤，實現(xiàn)產(chǎn)品全周期的追溯管控。絲車上線后，絲錠的載體絲車、絲錠托盤綁定RFID卡，在包裝生產(chǎn)過程中，自動記錄每個環(huán)節(jié)的交互信息，如操作時間、操作人員、檢測結(jié)果等，有效地避免了重復勞作。依托收集到的數(shù)據(jù)，可以自動匯總信息，生成各類報表，方便企業(yè)管理人員查看生產(chǎn)情況，及時調(diào)整生產(chǎn)策略。

圖10 信息流程Fig.10 Information flow chart

5 結(jié)語

本文以某紡織化纖企業(yè)的絲錠自動包裝碼垛為研究對象，依據(jù)車間的工藝路線、場地布局，結(jié)合Device Net 總線分布式PLC 進行了系統(tǒng)方案的規(guī)劃與實施。實現(xiàn)了化纖絲錠的智能化輸送、包裝、管理及信息的可追溯等功能。經(jīng)過連續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)，不僅幫助企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率，還降低了工人的勞動強度，有效節(jié)約生產(chǎn)成本，推動了企業(yè)生產(chǎn)模式從勞動密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)化，為企業(yè)擴大生產(chǎn)規(guī)模提供了技術(shù)支撐，具備一定的行業(yè)推廣和應用價值。