全智能筒紗輸送與包裝系統的流程及效率分析

董相杰 黃克華,2 易 臻 王福瑞 李惠軍

（1.新疆大學，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物與織造首道工序的材料，起著“紡”和“織”的橋梁作用。傳統的筒紗打包多為人工包裝，用工量大，由于工作環境差、強度高、時間長等原因，紡織行業工人工資比其他行業高500 元/人~1 000 元/人，增加了企業的用工成本［4］。當前，市場上出現了一些全自動打包機，但是從絡筒機到打包機之間的運輸，往往還是靠人工通過周轉車來實現［5-6］。本研究研制的全智能筒紗輸送與包裝系統完成了從絡筒取紗到整袋碼垛全流程的無人化操作。以下就該系統的流程進行探究，找出影響該系統整體效率的關鍵，以便進行優化，使設備效能得到充分發揮。

1 筒紗輸送與包裝系統模塊分析

1.1 總體設計

筒紗輸送與包裝系統采用模塊化設計思維，該系統總體流程如圖1 所示。根據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。筒紗自絡筒機生產出來，經過上紗機械手、空中鏈式掛架輸送線、下紗機械手，落入下紗緩沖區，配重完成后進入打包線打包。打包線實現筒紗的套膜、裝袋、貼標、縫口、捆扎、碼垛等功能。

圖1 筒紗輸送與包裝系統流程圖

1.2 上紗機械手

上紗機械手（如圖2 所示）通常需要與導紗裝置配合。絡筒機生產出筒紗后，經皮帶輸送到頭端的導紗裝置，導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送至主控系統。上紗機械手檢測到導紗裝置的信號后即執行一次上紗操作，將筒紗掛到空中輸送線上。

圖2 上紗機械手

上紗機械手完成一次取紗并送到輸送線掛架上的時間約為15 s。但是遇到沒有空掛架的情況下，上紗機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下紗工序的影響。

1.3 空中鏈式掛架輸送線

空中輸送線的功能是將筒紗從絡筒機送至包裝區。輸送線上相鄰兩個筒紗的時間間隔為3.5 s，連續不間斷運行。在進行筒紗輸送的同時，會進行筒紗的配重與驗紗操作。配重即根據導紗裝置和上紗機械手發送的筒紗品種、重量信息，由主控系統完成篩選組合，選出同一品種內滿足整包重量要求的筒紗組合，并向下紗機械手發送命令使這一組合筒紗在同一個下紗緩沖皮帶卸下，待筒紗數量達到每包數量時運送至下一流程。

專欄小編：歡迎三位專家做客“深度”欄目。在2018年行將結束時，我們做2019年第一期的“深度”，我曾經考慮過談些廣度深度更大一些的內容，但是又一想，物流業內更關注的是自己的事情，因此我們今天還是來談物流，談經濟。我們先來看看2018年物流業內最驚艷的“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在2019年會有更好的表現。

驗紗操作即在空中完成一次筒紗品種的校驗，是對該紗被放入空中輸送線時所上傳信息的又一次核驗，確保筒紗信息無誤，若出現錯誤將在后續的剔除區由下紗機械手卸下。當前紡紗廠多采用“多品種，小批量”的生產模式，為了避免筒紗品種裝混，對筒紗品種進行校驗是非常必要的［7］。筒紗驗紗程序應用圖像檢測技術，使用工業CCD相機在輸送線運行狀態下進行拍照，耗時2 ms，不影響輸送線的運輸效率。

1.4 下紗機械手及下紗緩沖區

下紗機械手按照主控系統的調度，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。機械手每卸下一個筒紗用時15 s。為了降低空中輸送線的負載，下紗機械手并不是等待主控系統在空中完成一組筒紗的配重后再卸下，而是先將幾個筒紗隨機卸下后，再通過主控系統結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（8 個下紗機械手）不同時間連續5 min 內的配重情況如表1 所示。通過表1 中進紗總數結合輸送線的線速度，可以得知輸送線幾乎處于滿載，即進入下紗區的掛架幾乎都為有紗狀態。以表1 中的下紗效率計算，會有20%~40%的筒紗繼續在輸送線等待配重，這一部分筒紗降低了筒紗輸送效率。

表1 不同時間段連續5 min 內下紗效率

輸送效率受配重、緩沖區滿無法及時出紗、絡筒機筒紗生產速度3 個因素的影響。當生產的筒紗重量波動較大或品種較多，無法及時湊出滿足整包重量要求的筒紗組合時，筒紗將一直在輸送線中等待，導致輸送效率下降；打包線由于更換耗材、驗紗報警處理等原因效率降低時，輸送線中的筒紗會大量存入下紗緩沖區，當下紗緩沖區存滿后輸送線將無法下紗；當生產變緩，筒紗生產速度較慢時，輸送線掛架將出現大量空閑。這些情況都會影響輸送效率。

通常筒紗輸送與包裝系統配有多臺下紗機械手，每臺下紗機械手可配兩個下紗緩沖皮帶，如圖3 所示。紡織廠往往同時生產多個品種的筒紗，每種筒紗可能有幾組在同時配重，每組筒紗配重需單獨占用一個下紗緩沖皮帶進行存儲，因此適當增加下紗機械手與下紗緩沖皮帶的數量，可以提高下紗效率，進而提高輸送線的輸送效率。

圖3 下紗機械手與下紗緩沖皮帶

1.5 出紗準備區

出紗準備區由一條皮帶組成，與下紗緩沖皮帶垂直，如圖4 所示。當下紗緩沖皮帶上的筒紗配重完成后，皮帶向出紗準備區運動，將筒紗逐個送至出紗準備區，出紗準備區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會翻轉90°，實現筒紗姿態調整，使小頭朝上、大頭朝下，為驗紗環節做準備。

圖4 下紗緩沖皮帶與出紗準備區

出紗準備區將排列好的筒紗送至下一包裝環節，每個筒紗送出時間為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間沒有規律，不相鄰的下紗緩沖皮帶出紗的時間間隔降低了出紗準備區的效率。以圖4 為例，為避免筒紗裝混，當一個下紗緩沖皮帶出紗完成后，其他皮帶才可繼續出紗。例如：當下紗緩沖皮帶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 進行出紗，那么在出紗準備區的皮帶上，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 的間隔用于系統對產品確認。

1.6 地面驗紗及管內貼標模塊

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

紙管識別采集筒紗紙管顏色標識端的正面圖像，能對比較復雜的紙管顏色和花紋進行識別，發現打包品種錯亂的情況，及時有效地避免“錯支”情況流入下游用戶。

當筒紗檢測沒有問題后，將會被夾持裝置夾起并翻轉90°，內貼標機將會將該筒紗的品種、支數等信息以標簽形式貼到紙管內側，內貼標機如圖5 所示。

圖5 內貼標機模塊

內貼標機的耗材為標簽紙與碳帶，每個筒紗的貼標時間約為3.5 s。打印機最多可添加約9 000 張標簽（30 mm×20 mm）耗材，可供打印機不間斷運行9 h。一卷碳帶可打印上萬個標簽，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。套膜模塊可以實現自動放卷、自動成袋和自動封切，套膜模塊如圖6 所示。

圖6 套膜模塊

在生產中，前后兩個筒紗并不是緊緊連在一起，實際套膜速度約3.5 s/個，其中筒紗行進及套膜耗時2.5 s，封切耗時1 s。套膜模塊的耗材為膜卷，單個膜卷最高能裝15 000 個筒紗，在連續不間斷運行情況下，一次耗材添加可用15 h。

1.8 編織袋包裝（打包）模塊

當筒紗套膜之后，將會被裝入編織袋。該模塊有自動料卷上袋、吸盤上袋、人工上袋3 種方式。

1.8.1自動料卷上袋

自動料卷上袋裝置如圖7 所示，該裝置使用的耗材是長筒狀的料卷，可以按照包裝所需長度自由剪裁。裝置可自動進行剪裁、縫底、撐口，待筒紗裝完后可自動縫包。自動料卷上袋裝置每打一包筒紗耗時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，撐口裝置通過吸盤將編織袋吸入內部并撐口，該裝置與推紗機械手配合，自動將筒紗裝入編織袋內，然后運輸到下一工位進行縫包。吸盤上袋打包裝置每打一包耗時50 s，如果連續不間斷進行打包，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1 min 左右，需要人工及時套袋，否則會影響打包效率。

1.9 縫口、稱重貼標及捆扎模塊

使用吸盤上袋或人工上袋裝置每裝滿一包筒紗后，需要到下一工位進行縫包。自動料卷上袋打包裝置內有自動縫包功能，不需要此單獨工位。縫包耗時10 s，一卷縫包線可用數天。自動縫包機如圖9 所示。

圖9 自動縫包機

稱重模塊是對整包筒紗進行稱重，在配重的基礎上再進行一次校驗，確保整包筒紗的重量是合格的，撐口完成后進行貼標操作，貼標機將此包筒紗的重量、批次等信息貼在編織袋底部。

捆扎機由兩個工位組成，每個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分與異常處理。根據需求，可以選擇兩道或三道捆扎，每道捆扎耗時約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。碼垛裝置的抓紗機械手抓取整包筒紗后，通過碼垛機械臂的移動達到工位上方，按照碼垛要求，旋轉袋子朝向，放入工位。因托盤擺放位置的遠近、碼垛層數不同，機械臂移動距離不同，一包筒紗碼垛耗時30 s~60 s 不等。

圖10 碼垛模塊

2 影響生產效率的因素

2.1 前后銜接因素

生產中前后環節的銜接會影響到生產效率。如打包線耗材用盡未及時更換而停滯，會導致筒紗堆積在下紗緩沖區，使輸送線的效率逐漸降低；當耗材填充后，因緩沖區筒紗供應充足，打包線短時間內會高效運行，直至緩沖區出現大量未滿皮帶，此時打包線效率下降、輸送線效率逐漸提升。這種前后環節配合問題使輸送線與打包線效率維持在此起彼伏的狀態，使兩邊不能同時高效運行，拉低整體輸送效率約10%。

2.2 品種因素

筒紗品種的多少、單個品種的批量也會影響到生產效率。當同時生產多個品種筒紗時，每個品種都需要單獨占用下紗緩沖皮帶進行配重，下紗緩沖區有限，品種增多則每個品種可分的組數越少，配重越慢，下紗效率降低，從而影響前端輸送線的效率。當同時生產大批量品種與小批量品種時，小批量品種配重較慢，降低了出紗準備區的出紗速度，又會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，進一步降低了出紗速度。

不同品種筒紗要分開碼垛，碼垛托盤沿機械臂導軌單排擺放，品種越多，托盤擺放越多，位置也越遠，碼垛機械臂往復運動距離增加，耗時延長，整體效率將會降低。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 報警處理

通常產生報警是因為耗材用盡需要更換，為了縮短耗材更換時間，往往會在用盡之前將新耗材準備好，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）要按照生產情況及時添加耗材，所采用的耗材更換簡單，對連續生產的影響較小。表2 為主要模塊所需耗材及更換用時情況表。表2 中，最短使用時間為裝置滿速連續不停工作理論使用時間；未填寫項為耗材更換頻率很低；打包模塊A 為自動料卷上袋打包裝置，打包模塊B 為吸盤上袋打包裝置，不同時使用。

表2 主要模塊所需耗材及更換時間

產生報警頻次較多的模塊還有驗紗，驗紗能檢出筒紗外觀缺陷等問題，及時將問題筒紗處理。根據在某紡織廠的統計，一天內驗紗報警達百余次，絕大部分報警能在30 s 甚至20 s 內處理，但是也存在不能及時發現報警的情況，耽誤生產10 min 以上。另外，工人在交接班時對當時的報警處理不及時。因報警處理、更換耗材以及其他原因產生的延誤，每天約對產量造成10% 的影響。

2.4 效率總結

在輸送線部分，不用更換耗材，以80%下紗效率計算，每小時能下紗800 余個，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 的時間間隔進行系統校驗與耗材添加（平均每包間隔約8 s），理論極限日產量也可以達到40 t。但由于輸送的最高產量在下紗緩沖區較空閑時出現，打包最高產量在下紗緩沖區筒紗較滿時出現，兩邊此消彼長，對產量造成10%的影響。打包線耗材的按時添加和驗紗的報警處理也會對產量造成10%的影響。在絡筒機100%供應充足時，考慮這些因素后，理論產量約32 t。筒紗的輸送與包裝環節也受前道工序絡筒的影響。絡筒的效率也會影響筒紗的輸送與打包效率。

經過現場實測，該筒紗輸送與包裝系統日產量最高能達到32 t，與理論分析相符。

3 結語

本研究以筒紗輸送與包裝系統中筒紗行進方向為主線，對上紗機械手、空中鏈式掛架輸送線、下紗機械手及下紗緩沖區、出紗準備區、地面驗紗及管內貼標、套膜、編織袋包裝（打包）、縫口和稱重貼標、捆扎碼垛等子模塊的工作原理及生產效率進行了分析。結果表明：該系統輸送線和打包線運行穩定，效率高；但受系統前后模塊銜接、生產品種多少和批量大小、耗材更換頻率和時間、報警處理速度等影響。全自動筒紗輸送與包裝系統日產量能達32 t。為能更好提高生產水平，在輸送線中增加下紗緩沖通道數量能大幅提高下紗效率，在打包線中及時添加耗材可減少系統停滯時間；此外，對員工進行培訓，提高員工處理故障的能力，不僅能減少生產線的停工時間，還能減少不必要的生產成本，使設備效能得到充分發揮。