一种多类型落丝机协同的POY落丝转运系统的设计与应用|卷绕机|落丝机|落丝转运系统|转台|齿轮

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摘要：随着化纤行业的持续发展，其高产量及生产环境恶劣的特点使得自动化设备的需求日益增强。化纤生产车间在设计上的差异化与产品需求的多样化，要求自动化设备能够通过多种组合方式来满足实际生产需要。本文采用地面落丝机与悬挂落丝机等多设备协同落丝转运的方式，通过算法设计，从落丝、对接、暂存台存取货、挂丝拆分四方面详细梳理了整个落丝转运流程，实现了多类型丝锭自动区分挂丝位置功能的同时，兼顾了拆分效率。同时，针对现场需求的特殊情况，提出了“结批”操作方式，解决了无法凑足满车下线的痛点，为差异化自动落丝转运系统提供了一种新的调度方案。

关键词：地面落丝机；悬挂落丝机；多设备协同；结批

作者：张文琦台玮吴振强邱野方晨阳

北自所（北京）科技发展股份有限公司

一

引言

近年来，我国化纤行业迅猛发展，在国民经济发展中有着举足轻重的地位。然而，化纤生产车间普遍存在噪音大、油污重、工作条件恶劣等问题，加之车间产量高，导致工人劳动强度大。由于产品需求而带来的设计差异，以及车间整体空间有限，现场往往无法容纳大量空置丝车，因此常需要操作人员进行丝车转运。大量的丝车依赖人工转运不仅增加劳动负荷，还容易因大量交叉作业引发安全隐患。因此，发展自动化设备已成为行业趋势[1]。自动化设备能够将卷绕机生产好的丝锭按照特定顺序拆分至丝车上，替代人工完成繁重的工作，同时能够有效避免因人为因素导致的产品降等、批号混乱以及丝车拆分顺序错误问题[2]，极大增强了产品从生产到转运环节的稳定性和可靠性。

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由于化纤预取向丝（pre-oriented yarn，简称POY）产品需求的差异，化纤生产车间布局均为非标准化现场，自动化设备的选型需要根据现场的实际情况来进行选择[3]。同时，生产车间对设备功能需求也存在差异，例如，纺丝生产车间对丝饼拆分到丝车上的尾丝方向要求不同，不同类型的丝饼拆分顺序也不相同[4]。

为解决生产车间空间有限，丝锭需要翻面处理以及拆分挂丝顺序多样等问题，本文设计了一种多类型落丝机协同的POY落丝转运系统调度方案，可实现丝锭翻面的同时，满足不同顺序的拆分挂丝要求，从而在有限空间内满足现场的生产需求。

二

系统的结构及流程

该系统的主要目标是通过自动化设备将卷绕头生产好的丝饼拆分至丝车上。结合现场生产环境，该系统需使用地面落丝机、悬挂落丝机、暂存台及转台等自动化设备。

图1 地面落丝机及悬挂落丝机

由于生产车间的空间有限，无法满足悬挂落丝机的作业条件，因此选用地面落丝机进行落丝转运工作[5]。地面落丝机是将丝锭从生产车间转运至拆分区域的核心设备[6]。别执行水平运行、轴1横移及推出、轴2平台横移及推出五个动作。地面落丝机采用五轴独立运行方式，分面落丝机及悬挂落丝机如图1所示。水平轴采用齿轮链条传动方式，主动轮组在电机的驱动下沿地面钢轨及斧正轨上行进，无动力的从动轮组用于配合主动轮组维持稳定性。横移轴则采用平台推出机构的传动方式，通过控制变频器带动电机旋转，来调控横移的伸出和收回。推出轴采用滚珠丝杠的传动结构，将传动结构隐藏在地面落丝车内部，从而完成了推出方向的指定动作。

图2 暂存台设备示意图

暂存台设备则是由暂存台底座、承接轴及尾部气缸装置组成。暂存台能够承载悬挂落丝机从地面落丝机转运过来的丝锭。每个暂存台都有推出装置，在电磁阀动作信号的配合下，尾部的气缸带动暂存机构的推板动作，从而将丝锭从暂存台转运至悬挂落丝机。如图2所示，该系统共有4×6共24个暂存台。每个暂存台能够容纳满卷的一杆丝。每杆丝由12锭丝组成，需要拆分至36位的丝车上。因此，每三杆丝为一组，正好满足一辆丝车的满载需求。

拆分区域空间较大，能够容纳悬挂落丝机进行作业。悬挂落丝机由两个作业系统组成，分别为水平运行轴，轴1和轴2的垂直提升轴、横移轴及推出轴共七个动作轴独立运行。悬挂落丝机能够通过提升轴实现升降，使一整杆丝锭能够暂存至暂存架以及拆分至丝车的不同位置。水平轴采用钢轨驱动轮结构，水平电机的驱动主动轮在水平钢轨结构上行进，并通过地轨中的斧正导轮组来保证悬挂落丝机水平方向的稳定性和直线度。提升轴采用钢带滑轮结构，通过钢带缠绕与释放完成升降动作。横移轴采用齿轮齿条结构，推出轴采用链轮链条传动结构，均通过传动结构来完成横移和推出的动作。

三

系统作业工艺流程

本系统的现场设备布局如图3所示。由图3可见，该系统主要由地面落丝机、悬挂落丝机、暂存台以及丝车转台四种设备构成。该系统的工艺流程如图4所示：在接收到卷绕头的自动呼叫后，地面落丝机根据自身状态选定作业轴，并通过水平行走运行至呼叫位置，待卷绕机的卡盘轴旋转停止后，所选定的横移轴伸出，并向卷绕机发出信号，使其推出满卷丝锭。当卷绕机完全推出后，地面落丝机接收信号并收回横移轴，从而完成落丝作业。当地面落丝机满载丝锭时，将水平运行至与悬挂落丝机的对接位置。当对接水平停准后，地面落丝机会伸出满载丝锭的横移轴与悬挂落丝车的承接轴对接，确认无误后推出轴动作，将丝锭转运至悬挂落丝车，并完成存丝作业。

图3 现场设备分布图

悬挂落丝机将丝锭从地面落丝机取出后，根据地面落丝机传递过来的批号信息分析暂存位置，并运行至暂存台对应位置将丝锭暂存。当暂存台上满足满车装载条件时，悬挂落丝机将丝锭从暂存台取出，进行拆分挂丝。为了实现拆分效率最大化，并配合后续的特殊情况处理，采用先取1杆后取2杆的作业方式，三杆丝只需要两杆丝的挂丝时间即可完成。同时，根据暂存台传递过来的批号及丝锭类型来判断具体的挂丝位置。悬挂落丝机在获取挂丝位置后通过水平轴移动到位并垂直下降。停准后配合横移和推出轴的相互协作，将丝锭逐锭拆分至丝车挂架上。在挂完丝车的一面后，悬挂落丝机会避让至安全位置，为转台旋转留足空间。转台旋转到位后，悬挂落丝机会继续拆分挂丝，直至将三杆丝拆分完毕，使得丝车挂架满载。当三杆丝全部拆分完毕后，转台转回原来位置，完成挂丝作业。满载丝车由后续的穿梭车或人工转运下线。

图4 系统工艺流程图

四

系统开发与设计

多类型落丝机协同的POY落丝转运系统的开发与设计主要包括放货地址分析系统、取货地址分析系统、落丝转运调度系统及挂丝位置分析系统。悬挂落丝机从地面落丝机处对接取出的丝饼，必须经过放货地址分析系统生成暂存台的放货位置。经过规律地存放过程，悬挂落丝机能够通过取货地址分析系统生成取货位置，将丝饼取出后再通过挂丝位置分析，生成对应的拆分位置，并进行后续的挂丝工作。

1.放货地址分析系统

悬挂落丝机由地面落丝机处对接取得丝锭后，需要将丝锭放置于暂存台上，待满足拆分要求后，再拆分下线。每杆丝锭均为12颗，丝车为36杆，所以三杆丝正好满载一辆丝车。因此将24轴暂存台划分为6组暂存区域，每组的编号如图5所示。

图5 暂存台分组编号

悬挂落丝机的两轴均能从地面落丝机处获取不同批号的丝锭，每个轴在进行存货作业之前均需要分析本轴所承载丝锭的放货位置。放货地址分析流程如图6所示。当满足对接取丝的条件时，首先查询暂存台是否存在与该批号对应的组。如果组存在，寻找组内是否有空杆能够存放丝锭。如果组不存在或者组内无空闲杆能够存放，则为暂存台的空闲组标记该批号，随后生成该杆丝的放货杆号，供暂存台存货作业时参考使用。

图6 放货地址分析流程图

图7 取货地址分析流程图

2. 取货地址分析系统

当空丝车上线并满足整车挂丝条件时，系统需要为悬挂落丝机生成取货地址。由图5可知，为实现作业效率最大化，悬挂落丝机在进行取丝作业时是先一轴取一杆，而后双轴同时取两杆。悬挂落丝车需要进行两次取货作业，要保证取出同一组的丝饼，需要在第一次取丝前生成三轴丝的取货杆号，再根据已经取过丝的次数来判断对应的作业轴及取丝位置。

以图5中的组1为例，该组中的杆号为1、2、3。当锁定该组丝时，取货系统生成的三个取货杆号分别为1、2、3。当取货次数为0（即第一次取丝前），系统将取货杆号3传递给悬挂落丝机，并使悬挂落丝机的轴1单独生成取货作业。取货完成后，取货次数变为1，也就代表悬挂落丝机已经取过一次丝锭。悬挂落丝机取完丝后进行挂丝作业。当挂丝完成后，悬挂落丝机的双轴同时动作，取货杆号为1和2。悬挂落丝机将两杆丝锭全部取出后，取货次数变为3。随后双轴同时动作进行挂丝拆分作业。当拆分完成后，取货次数及取货杆号均清零，等待下一次作业。取货分析系统的流程如图6所示。

3.落丝转运调度系统

落丝转运调度系统的流程如图8所示。从卷绕头满卷呼叫开始至满卷丝车下线，整个系统经过了落丝、对接、暂存台存取货和挂丝四个过程。系统在接收到卷绕头满卷信息后，调度地面落丝机去进行落丝。在完成作业后，系统根据地面落丝机满载丝锭的批号，查询暂存台是否满足放货条件。系统确认满足对接条件后，地面落丝机和悬挂落丝机进行对接作业。此时，满卷丝锭及其生产信息被传递至悬挂落丝机处暂存。系统也通过对接过程完成了丝锭尾丝翻面的任务。

图8 落丝转运系统整体流程图

悬挂落丝机满载丝锭后，根据系统发送的放货地址进行作业，将丝锭及其信息存放在暂存台。当转台丝车满足空车挂丝条件后，系统会通过取货地址分析系统生成取货位置及更新取货次数。悬挂落丝车收到取货地址后，根据取货次数生成取丝作业，并在取完丝锭后，判断丝锭类型并生成对应的拆分位置，从而完成拆分挂丝作业。

4.挂丝位置分析

由图8可知，挂丝位置由丝锭的类型确定。由于生产工艺不同，丝锭可分为普通型丝锭和合股型丝锭。根据丝锭类型的差异，拆分位置也需要进行区分。丝车分为A、B两面，丝车挂架标号如图9所示。

图9 丝车挂架标号

悬挂落丝机对应的拆分位置为四个浮点型数据（real）组成的“坐标结构”，代表着悬挂落丝车将丝锭拆分至丝车某位置时需要满足的水平、垂直、横移及推出位置。悬挂落丝车两面共需要24个“坐标结构”，英文标号为Array[1]、Array[2]… Array[24]。普通型的丝锭和合股型丝锭的对应挂丝位置根据使用要求存在差别，具体坐标位置参见表1。在挂丝作业前，先根据暂存台上传递的丝锭信息判断丝锭类型。悬挂落丝机根据丝锭的类型及推丝次数，从系统中提取挂丝位置后运行至指定位置进行挂丝作业。

表1 不同类型丝锭推出次数及拆分挂丝位置

5.特殊情况处理

日常生产中，当某个批次的丝锭不满足销售要求时，卷绕生产时会进行批次切换。换批代表着短时间内生产车间不会再有该批号的丝锭。因此可能导致暂存台就会出现该批丝锭因无法凑足满车而无法正常挂丝下线。此外，丝锭品质易受生产环境影响，暂存台上的丝锭不宜存放太久。

因此，本系统在丝锭被存放至暂存台时开始计时，并在超过存放要求时间时进行报警提示。当需要将非满车丝拆分下线时，需要采用人工结批的方式。操作人员在系统中输入需要结批的杆号，系统据此生成取货杆号被并传递给悬挂落丝车。

结批操作分为两种情况：结批一杆下线或结批两杆下线。结批一杆丝锭时，悬挂落丝车轴1根据取货地址取丝，随后开始拆分挂丝，挂丝位置参见表1，当12锭丝拆分完后，完成结批任务，和总控自动验证后转运下线。当结批两杆丝锭时，悬挂落丝车获取取货地址后，分两次分别通过轴1作业接取丝锭并拆分。当A面拆分完毕后，配合转台旋转，拆分B面，直至拆分完成。

五

效果验证

与传统落丝方式相比，该系统通过地面落丝机与悬挂落丝机对接的方式实现了丝锭翻面任务，从而摆脱了丝锭翻面需要翻转机构的限定，使实现丝锭翻面方式更加灵活，同时也减少了人为参与翻面动作而造成的误操作，使得满载丝锭的丝车全部为后续包装需要的翻面类型。同时，系统能够自动区分多种类型的丝锭挂丝方式，挂丝顺序固定，避免了由于人工误操作而产生的挂丝顺序错误问题，保证每锭丝都能拆分至丝车特定的挂架位置。系统拆分挂丝方式统一，悬挂落丝车与丝车在挂丝时相对位置固定，能够消除人工拆分导致的偶发性碰伤行为，保证了产品质量。

该系统适用于落丝空间小而转运空间大的厂区。多组暂存台与悬挂落丝机的配合，能够更好地应对丝锭满卷潮汐性的特点，使暂存区域有更大的冗余度，保证系统的稳定性。

图10 上位机五日单通道自动落丝效率统计图

应用本系统的现场实行12小时换班制。系统会记录卷绕头的呼叫次数（HJCS）以及落丝次数（LSCS），并由上位机在每个班组换班时进行统计。系统记录的自动落丝效率如图10所示。由于现场生产设备分布的缘故，每组通道采用两套落丝转运系统，标号分别为“H01”和“H02”。图中“H01Doffercent”和“H02Doffercent”分别为单通道中每套系统落丝效率，“Doffercent”为单通道两套系统的总落丝效率。经过实际检验，24小时不间断运行后能够满足90%以上的平均落丝率，很好地满足了现场生产的使用需求。该系统使现场工作量大量减少，现场单通道工作人数由原来的8人减少至2人，工人在不需要进行其他操作时可离开现场，待落丝完成后再根据现场需要返回，极大降低了暴露在恶劣工作环境的时长。丝车与人数的减少也显著降低了交叉作业量，从而提高了现场生产的安全性与稳定性。

六

结语

本文设计了一种多类型落丝机协同的POY落丝转运系统，很好地实现了从落丝到挂丝装车的全过程自动化物流，有效地解决了纺丝车间工作强度大、以及人为原因导致的产品损坏和批号混乱等问题。通过程序设计，系统实现了特殊情况下结批作业。相比于落丝转运系统，本系统在实现全部功能的同时，具备占地面积更小，空间适用性更好的特点。地面落丝机和悬挂落丝机的协同作业，是多种自动化设备深度结合的成功案例，为化纤落丝转运向自动化、智能化发展提供了有益借鉴。

参考文献:

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