一種紗車二維碼碼牌自動清洗裝置的設計*

尚 前，劉耀宗，趙 亮

(泰山玻璃纖維有限公司 設備動力部， 山東 泰安 271000)

0 引 言

傳統玻璃纖維的生產流程已經成熟，隨著科學技術的發展，越來越智能的自動化生產線應運而生，由傳統生產方式到自動化生產的探索腳步從未停止。紗車是玻璃纖維生產過程中一種連接拉絲現場到制品現場的載具，是一種必不可少的生產的工具。在泰山玻纖，紗車的運輸已經實現了自動化，自動化的物流線流暢是保證紗車運行效率良好的先決條件。而在自動化生產物流線中，紗車二維碼是承載著紗車基本境況的重要標志。讀取二維碼碼牌的效率高低直接決定了自動化物流生產線運作的流暢程度。在此之前，二維碼碼牌的清理一直是抽調專人人工清理，效率低下，安全系數低。

筆者設計的裝置是為了改變現有局面，讓清理二維碼碼牌的工作變得自動化。第一代樣機在2020年年初取得國家實用新型專利證書[1]后，在此基礎上又經過了不斷地修改和試驗，最終產生了目前投入運行的新一代裝置。改良的裝置在經過系統性的試驗之后，得到了推廣和好評。

1 存在的問題及原因分析

紗車所經歷的環境十分惡劣，長時間樹立在空氣濕度大的拉絲現場，會緩慢經過溫度高達130 ℃左右的烘干爐，會和浸潤劑(一種化學添加劑，主要表現形式為粘稠、附著性強，難以清理)等化學原料直接接觸。泰山玻纖自建廠以來，生產的玻璃纖維產品種類眾多，為在自動化運輸過程中防止混紗，于是產生了紗車二維碼。其原理為每輛紗車都有一個固定的二維碼碼牌，通過物流系統在控制電腦上形成詳細的記錄。

紗車二維碼碼牌的清理一直是公司亟待解決的難題之一，在物流線高度自動化的今天，依然會使用人工進行清理。紗車二維碼碼牌會產生污漬，究其原因，首先，紗車在拉絲現場易受到拉絲水霧的影響，從而產生水漬，影響條碼表面光潔，同時因直接接觸拉絲浸潤劑粘膜覆蓋條碼；接著，紗車進入烘干爐，持續在130 ℃左右的高溫環境下工作長達8～12 h，有的甚至會達到16～20 h，容易使紗車二維碼碼牌產生熱變形；其次，玻璃纖維質地細、重量輕、漂浮性高、附著性強，易聚積在紗車二維碼碼牌處，進而遮擋二維碼，影響使用；最后，現場的其他因素也會對紗車二維碼碼牌產生一定的影響，例如工作環境的頻繁改變等。

人工清理會帶來諸多的安全隱患，同時效率也不是很高。紗車在物流線上的高度至少為2.9 m，若人工清理，則屬于登高作業，需要按一定的流程簽訂《危險作業許可證》并必須按照危險作業相關規定嚴格執行，物流線高度自動化，加上生產壓力，所以無法長時間停止，只能進行平行作業；現場紗車眾多，很難保證每一個都會被清理到；加上疲勞系數，每人每天的清掃的個數有限等，種種因素導致了清理效率低下；回流線安全空間小，人員使用扶梯侵占安全空間面積較大，存在較大的安全隱患，導致危險系數高。

2 設計方案

此次設計的目的是清理紗車二維碼碼牌表面的水漬、浸潤劑結皮、玻璃纖維毛絲等影響讀碼效率的障礙物，從根本上提高讀碼效率。通過大量的實際調查，根據現場實際了解工人的清理方式和清理特點，對所設計的裝置制定了以下幾點要求：①所設計裝置應符合清理要求；②所設計裝置應盡量的節省能源；③所設計的裝置應滿足現場空間的要求；④所設計的裝置效率要高，使用周期要長。

考慮到清理要求，在查看現場工人清理紗車二維碼碼牌之后，對所設計的裝置有了一個初步的構想：毛刷固定在紗車正上方，通過電機帶動清理過往紗車頂上的二維碼碼牌。觀察到工人針對不同的障礙物有不同的清理速度，我們在原有構想的基礎上又考慮到采用不同的毛刷速度來清理不同的障礙物，即清理表面毛絲和清理浸潤劑結皮的速度是不同的，通過不同速度的清理，以達到徹底清理的目的。考慮到空間要求，紗車回流線的空間本身就十分狹小，而且富余空間不多，所以，裝置應盡量簡單簡潔以便滿足現場空間的要求。

采用自動化裝置清理到目的就是為了提高效率，降低人工成本。所以在裝置試用后，清理的效率必須要得到較大的提高，且清理的質量也要相應的提升，這就對裝置的設計提出的新的要求。

在考慮到諸多因素之后，對設計有了一個初步的設想：電機通過一種傳動方式帶動兩個毛刷以不同的速度運動，使得通過紗車的二維碼碼牌能得到較好的清理，滿足使用要求，提高讀碼率。

3 主要系統及構件的設計

此設計中，主要系統有：動力系統、傳動系統、工作系統和其他配件系統。主要的構件有：電機、傳動系統相關構件、毛刷輪、軸、軸承、螺栓等。

3.1 動力系統電機的選擇

為落實“降本增效”的理念，電機從公司的舊件庫中選用，并由電氣人員經過專業檢驗，合格后方可使用。電機經過變頻器的調整，達到所需要的轉速。

此設計中選用的電機型號為YX3-80M2-4，生產廠家為徐州統一電機有限公司。參數如表1所列。

表1 電機參數表

選取好電機型號之后，對電機進行理論計算，運用公式，計算出電機實際參數。

3.2 工作系統中毛刷輪的設計

由于毛刷輪在整個機器中屬于易損件，故需要成批量制作以保證有備件可用。毛刷輪的設計參考了現場的實際環境和實際的使用特點。

3.2.1 刷毛的選擇

經調查，泰山玻纖紗車二維碼碼牌采用的材料為1050或1060純鋁板，這種純鋁板價格便宜，易于制作，但是，由于鋁的含量極高(可達99.5%以上)，所以這兩種型號的純鋁板硬度就比較低，表面就比較軟，這就給刷毛材料選型帶來了一定的考驗。又考慮到是自動清理，所以刷毛的材料需要適應長時間工作，這又給選型工作帶來了一定的難題。

人工清理采用的刷毛材料為鋼絲，工人需要控制力道來清潔碼牌，否則很容易就會造成碼牌損壞，從而更換碼牌，增加勞動量。而作為自動化清理裝置來說，工作時的力度基本不變且不易于把握，就需要選擇合適的材料，來幫助毛刷對碼牌有好的清理效果。經過查閱相關資料和實際的試驗，我們發現，采用塑料作為毛刷輪的刷毛材料是一種不錯的選擇。

采用塑料作為刷毛材料，是由于塑料的軟硬度適中，不易對碼牌表面產生較為嚴重的磨損，而且塑料的耐磨性較強，使用周期長。塑料以絲狀附著在毛刷輪上，加大了與碼牌的接觸面積，更有利于提高清理效果。為保證清潔效果，經現場勘驗，絲狀塑料的毛刷總長度不低于55 mm，有效清潔長度不低于30 mm。

3.2.2 毛刷輪的形狀設計

結合上述構想，毛刷輪需要大量定制，且要固定在軸上，考慮到制作工藝和裝配要求，設計的毛刷輪的形狀尺寸參數如圖1和表2所列。

表2 毛刷的尺寸參數 /mm

圖1 毛刷形狀

毛刷輪固定在軸上，徑向固定采用頂絲固定，周向固定采用平鍵固定，鍵的選擇參照軸的設計。

3.2.3 毛刷的速度分配

現場要求毛刷在工作時不能刮傷碼牌表面，還要達到清理效果，故對速度有一定的要求，經過現場實現發現，毛刷轉速在280～320 r/min時對表面毛絲及浮塵的清潔效果好；毛刷轉速在520～580 r/min時對水漬、結皮的清理效果較好。為穩定轉速，確定傳動比，擬采用300 r/min和550 r/min兩種轉速的毛刷。速度慢的在前，負責清理表面毛絲和浮塵；速度快的在后，負責清理水漬和結皮，，以達到最優的清理效果，即n1=300 r/min，n2=550 r/min。

3.3 傳動系統的選擇和設計

考慮到裝置的實際應用情況和條件，對傳動方式提出的具體要求為：有一定的傳動距離，能有效的適應或吸收振動，傳動比要求不高，傳動的經濟性好且易于安裝制作，工作時的噪聲要小，傳動的效率要足夠。在查閱相關設計資料[2]后，本設計采用的傳動方式為V帶傳動。

3.3.1 傳動系統的重要參數計算

通過匯總上述數據，參照相關設計資料，根據相應計算公式，計算出傳動系統的參數數據如表3所列。

表3 傳動系統的計算參數

3.3.2 傳動系統中帶輪的形狀設計

經計算，帶輪的直徑分別為d=75 mm，d1=200 mm，d2=106 mm，結合現場實際，采用實心式帶輪，并依據毛刷孔徑所確定的直徑，以基軸制裝配。通過鍵連接進軸向固定，通過頂絲進行徑向固定，并預留頂絲工作面[3]。經設計，采用的帶輪形狀如圖2和圖3。

圖2 電機軸帶輪

查GB/T 10412-2002標準，可知普通V帶A型帶輪，在基準直徑≤180 mm下，選擇的槽角角度為34°；圓跳動公差為0.2%，電機軸帶輪兩槽基準直徑的最大偏差為0.4 mm。

查《機械設計手冊》[4]普通和窄V帶輪(基準寬度制)直徑系列，可得：帶輪外徑da=80.5 mm，單個輪槽寬度Bmin=18 mm，電機軸帶輪取B=38 mm，毛刷帶輪取B=20 mm。

由于現場需求和實際經驗，電機軸帶輪全長65 mm，毛刷帶輪全長60 mm，統一用M6頂絲進行軸向固定。

3.4 軸承的選擇及軸與鍵的設計

經現場測量，公司內紗車底部寬度為最大850 mm，其中間支撐框架寬度為60 mm，紗車二維碼碼牌長×寬為90 mm×90 mm。

3.4.1 軸承的選擇

在所設計裝置中，毛刷輪和帶輪均固定在軸上，故需要使用軸承來保證軸的轉動，這就需要利用軸承的特性。經現場勘驗，設備安裝的空間有限，為保證帶傳動的中心距，需要適當的調節軸承安裝的位置；工作環境比較惡劣，易受毛絲、灰塵的影響，需要有一定的密封，同時，為了簡化生產流程，降低制造難度，便于維護保養，延長使用周期。經過考慮，決定采用NSK公司生產的帶座外球面軸承，型號為UCP206。

帶座外球面軸承是將滾動軸承與軸承座結合在一起的一種軸承單元。大部分外球面軸承都是將外徑做成球面，與帶有球狀內孔的進口軸承座安裝在一起，結構形式多樣，通用性和互換性好。同時，此類軸承在設計上也具有一定調心性，易于安裝，具有雙重結構的密封裝置，可以在惡劣的環境下工作。軸承座一般是采用鑄造成型。

3.4.2 軸與鍵的設計

在該裝置中，考慮到軸的設計因素，為了方便生產和提高使用壽命，此次對軸的形狀設計的相對簡單：軸不設計階梯，中部和一端設計有鍵槽。

查閱相關資料及設計標準[2-3]，設計出的軸的參數如表5所列。

表4 軸的尺寸參數

充分考慮到此設計時的種種因素，及毛刷輪在軸上的固定情況，綜合考慮使用要求和工作狀況等因素，本次設計選擇采用A型圓頭平鍵連接，該種平鍵連接，定位性能好，適用范圍廣，應用廣泛。

通過設計出軸的尺寸參數，可以得出軸上鍵的尺寸參數，按照標準(GB/T 1096-2003)選出近似的標準鍵寬×標準鍵高為8 mm×6 mm，故得出軸的草圖如圖4。

圖4 軸的形狀

3.5 其他系統及結構的設計

3.5.1 開關的選擇

經現場觀察，紗車在回流線上是一種不連續的運動，首部第一個紗車在被AGV挑走之后才會引起后面的紗車運動，考慮到現場實際，為了節省能源，同時增加整套設備的使用周期，故擬用光電開關作為電機運轉的開關，保證毛刷和碼牌逆方向同步運動，即有紗車經過時，光電開關有載，電機運轉；紗車經過后，光電開關無載，電機停止。

現場的紗車有時會滯留一段時間才會運動，考慮到這一情況，采用時間繼電器進一步控制電機的運轉，即設置電機最長運轉時間。一方面是為了不讓電機持續運轉和空轉，保護電機；另一方面是為了減少碼牌的磨損，延長使用周期。

3.5.2 裝配相關設計

經過現場觀察，紗車在回流線上的實際高度至少需要2.9 m，故架子的高度應至少保證為3 m，采用方管焊接，架子的主體需要根據現場的實際情況，這里不再敘述。固定帶座外球面的位置需預留一定的溝槽長度，以便裝配調整。

電機的固定在架子的上方，以減少整體結構的復雜性，固定方式采用螺栓和螺母固定，并加裝彈簧墊圈。為保證傳動系統的中心距，需要一定的支撐高度，具體的高度視現場情況而定。

帶座外球面軸承的固定采用螺栓和螺母固定，并加裝彈簧墊圈。主動帶輪、從動帶輪和毛刷輪擋圈均采用頂絲和平鍵固定。光電元件固定在合適的位置。

4 電路圖和整體效果圖

4.1 電路圖

經設計，裝置的電路圖如圖5。

圖5 電路圖

電路運行原理如下：

電機運行：紗車經過PH光電開關后，PH光電會使得KA1和KA2得電，KA2得電驅動變頻器開始運轉，電機開始運行。

電機停止：①時間繼電器KT在電機運轉的同時開始計時，到達預定時間后，KT開關斷開，KA2失電，變頻器停止動作，電機停止運行；②在時間繼電器未完成計時，但紗車離開PH光電開關后，PH無載使得KA1和KA2失電，從而使變頻器停止運動，電機停止運轉。

通過使用光電開關PH和時間繼電器KT對整體裝置進行雙路控制，更加適合物流系統的運行特點，也從另一方面延長了裝置的使用周期。

4.2 整體效果圖

經過勘察現場情況，前期設計時設想將裝置安裝在紗車經過地方的正上方，考慮裝配要求，擬定的整體效果圖如圖6。

圖6 整體效果圖

5 推廣效益與總結

經過此次設計的工藝改進并推廣后，主要的經濟指標如下。

(1) 人力薪資方面：現場人員每季度清理一次，清理一條線需要4名工人，至少一周才能完成工作，每人每天薪資150元，公司有6條生產線，人工費每年能節約10萬余元。

(2) 物料方面：紗車用螺栓3*15 mm，每輛4條更換率為75%，每次使用18 000條。每條螺栓價格約為1元，每年能節約7萬余元；每塊二維碼碼牌價值10元左右，每輛紗車上都會有一個二維碼碼牌以廠區目前6 000輛紗車，二維碼碼牌部分能節約6萬元。

(3) 清理工具方面：鋼絲球、去漬粉、噴壺、水盆等，每年消耗約6 000元左右。

(4) 隱形效益：杜絕人力清理時與紗車平行做業，安全效益增加100%。

除節約一定的資金外，還提高了讀碼效率，經試驗，讀碼效率由90%提高到了97%。此外，由于設備是自動化運行，所以減輕了勞動強度，提升了公司自動化程度，排除了安全隱患，提高了安全系數，是全面貫徹落實公司“降本增效”的體現。

自動化是未來提高生產量和生產效率的基礎，通過本裝置的推廣，進一步提高了公司物流系統的自動化程度，解放了部分的生產力，符合公司推行“降本增效”議題，體現了機械設備要從現場實際要求出發，用知識經驗實際落實的特點。