筒子紗自動碼垛系統開發

周鵬飛+呂漢明+謝楠+呂鑫

摘 要：本文開發了筒子紗自動碼垛系統，在筒子紗自動包裝設備中用于將包有筒子紗的編織袋碼垛，碼垛裝置的機械結構采用了4個自由度的交叉碼垛系統，控制系統采用STC15系列單片機為控制器，控制系統軟件使用C語言在KeliC軟件開發環境下編寫，應用結果表明，本系統能夠很好地用于編織袋裝筒子紗的碼垛。

關鍵詞：筒子紗碼垛裝置；交叉碼垛；控制系統；單片機

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

1 引言

目前有多家企業在進行筒子紗自動包裝系統的開發，以解決目前紡紗廠中人工包裝筒子紗勞動強度大、用工量大的問題。筒子紗的包裝形式以編織袋為主[1]，并且筒子紗自動包裝過程中需要對包裝后的筒子紗進行碼垛，而筒子紗自動包裝系統中自動碼垛系統的設計關乎筒子紗自動包裝系統的功能及穩定性，特別是對于編織袋這種包裝形式，如果碼垛時采用簡單的平行碼垛會會導致紗垛不穩定，無法提高碼垛層數，降低倉儲空間的利用率[2]。本文開發了用于筒子紗自動包裝系統中的筒子紗自動碼垛系統，在筒子紗的自動包裝設備中應用本碼垛系統不僅可以碼出穩定的紗垛，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強度。

2 筒子紗自動碼垛裝置的機械設計

目前市場上用于碼垛的裝置主要有關節型機器人自動碼垛機、高位自動碼垛機和低位自動碼垛機。關節型機器人自動碼垛機，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，高位和低位自動碼垛機適用于帶有包裝物品的碼垛，一般在碼放貨物前，利用專門的方向轉換裝置，根據設計的碼放方法，調整貨物方向，然后進行碼垛，此種裝置結構比較復雜[3]。

在紡紗領域的筒子紗自動包裝時，包裝量最大的是編織袋包裝形式，一般情況下每個編織袋內會擺放3～5排筒子紗，每排筒子紗包含2～3個，由于自動包裝系統填充滿一個編織袋需要至少需要幾十秒時間，因此對于編織袋碼垛的速度要求不高，而使用關節型機器人成本較高，在這種情況下，相對于碼垛速度而言，確保碼垛系統所碼出垛的穩定性更為重要[4]。

本文設計的筒子紗碼垛裝置用于將裝滿筒子紗的編織袋碼垛，碼垛裝置的結構示意圖如圖1所示。

如圖中所示，碼垛托盤6上放置一個木質或塑料筒紗托盤，裝有筒子紗的編織袋被碼垛系統放置在塑料或木質筒紗托盤上，木質或塑料筒紗托盤上碼放的紗到達指定層數時用液壓舉升機將其從碼垛托盤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，以減小對于驅動托盤支架4沿鉛錘方向運動的步進電機3扭矩的需求。裝有筒子紗的編織袋被筒子紗自動包裝機的前續包裝設備推到托板5上之后，豎直驅動步進電機3經減速機及齒輪齒條傳動機構驅動托盤支架4沿移動框架2向上移動到超過紗垛當前頂層高度的位置處，移動框架2由步進電機經減速機及齒輪齒條機構驅動沿水平導軌7移動，帶動托板5將裝有筒子紗的編織袋運送至紗垛上放置包裝袋的位置，氣缸8驅動托板5向移動框架方向后撤運動，裝有筒子紗的編織袋被放置在紗垛上，之后碼垛托盤6由步進電機經蝸輪蝸桿減速機構帶動旋轉90度，之后重復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，托盤支架4上升的高度相差一個筒子紗的高度。當在紗垛上放置裝有筒子紗的編織袋時，按圖2所示方式放置，即移動框架2在碼放不同層包有筒子紗的編織袋時移動的距離不同，例如碼放奇數層編制袋時，移動框架2移動至托板5對應于圖2（a）中9的位置處放置包有筒子紗的編織袋，碼放偶數層編織袋時，移動框架2移動至托板5對應于圖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擺放，紗垛穩固，不容易歪倒，經過在紡紗廠近一年的測試，該系統所采用的這種碼垛方式可以非常穩定的保證紗碼放至十余層。

3 筒子紗自動碼垛裝置的控制系統設計

生產現場應用的控制器主要有單片機、工控機、ARM、PLC等，這幾種控制器各具特點，并且技術也越來越成熟[5]。筒子紗自動碼垛裝置的硬件采用STC15系列單片機開發，包括一塊主控板和3塊步進電機控制板，為了提高系統運行的穩定性，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控制板供電。主控板經串口0及串口2采用MAX485芯片擴展了兩路485通信口，分別用于與步進電機控制板及上位機通訊，步進電機控制板將單片機串口2經MAX485芯片轉換之后與主控板進行通訊。

每個步進電機所驅動的運動方向上均在其行程的兩端各安裝一個行程開關，其輸出信號作為該運動方向的左右限位，在其行程中部位置安裝一個表示行程原點的接近開關，步進電機軸上安裝有編碼器。

主控板采用STC15系列單片機開發，其主要負責采集各種傳感器（包括電感式接近開關以及氣缸磁性開關）的信號作為輸入信息，通過485通訊給步進電機控制板發送控制命令控制步進電機運動，并控制氣缸的運動，同時與上位機通訊以接受上位機的命令并將碼垛信息傳輸給上位機。系統上電后主控板控制4個運動方向找原點。主控板收到上位機發來的碼垛命令后，控制碼垛裝置安裝前述碼垛運動方式碼垛。

3塊步進電機控制板采用IAP15系列單片機開發，其接受主控板的命令分別控制三個方向步進電機的運動，步進電機控制板具有用于控制步進電機驅動器的脈沖、方向及使能信號輸出口，以及測量編碼器AB脈沖、左右限位行程開關、原點接近開關信號的輸入口。主控板及步進電機控制板軟件均使用C語言在KeliC軟件開發環境下編寫。

4 結束語

本文設計了筒子紗自動碼垛系統，并將其用于了筒子紗自動包裝機中，本碼垛系統采用笛卡爾坐標系中三個正交方向的運動將包有筒子紗的編織袋運送至托盤上的放紗位置并將其放置在紗垛上，為了提高碼垛的穩定性，為碼垛托盤增加了一個轉動自由度，這樣可以交叉碼垛，使紗垛穩固。控制系統采用了單片機為控制器，由于采用了完善的隔離措施，控制系統運行穩定。試驗結果證明，本筒子紗自動碼垛系統能很好地完成包有筒子紗編織袋的碼垛任務。

參考文獻：

[1]楊江利.紡紗廠生產線末端自動化包裝解決方案的研究與設計[D].山東大學，2016.

[2]王金晨.筒子紗自動包裝系統的設計與研究[D].山東大學，2013.

[3]鄭軍，馬崇啟，呂漢明.分布式筒子紗自動收集與輸送系統開發[J].棉紡織技術，2015（03）.

[4]張德瑞.筒子紗自動包裝成套設備的設計與實現[D].山東大學，2014.

[5]秦嶺.筒子紗自動輸送系統的設計與開發[D].山東大學，2016.

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