碳纖維絲卷自動包裝線設計中的技術難點及解決辦法

徐康俊，尚明柱

(中建材凱盛機器人(上海)有限公司，上海 201601)

近年來，中國碳纖維市場規模一直保持增長趨勢，從2016年的4.82億美元增長至2020年的10.27億美元，年均復合增長率達20.82%。隨著中國風電、光伏等可再生能源裝機規模持續擴大，碳纖維市場需求隨之增長，預計2022年市場規模將進一步增長至14.35億美元[1]。

在智能化工廠迅速發展的今天，碳纖維生產的自動化程度也越來越高[2]。碳纖維絲卷的后道包裝目前自動化程度還不太高，占用人力嚴重，在用工成本越來越高的今天，眾多碳纖維生產企業也開始對碳纖維后道包裝進行自動化升級。該研究根據一個實際的碳纖維包裝自動化產線項目，分析在項目設計中遇到的一些技術難點并給出相應的解決辦法，最終在實際生產中檢驗其效果。

1 碳纖維絲卷人工包裝線工藝簡介

傳統的碳纖維生產線采用人工作業模式，各生產環節獨立運行，需要投入大量人力來貫通整個流程。這種生產模式存在著生產效率低、作業強度大、人工錄入信息易出錯等問題，無法適應大規模工業生產需求[3]。

目前大部分企業的包裝車間所收到的產品來料為一整車由碳化車間生產完成的碳纖維絲卷，在該文實例中為一車懸掛有40卷碳纖維絲卷的鋼結構小車。包裝車間需要完成的工作如圖1所示。

人工生產時，人工先用掃碼槍掃描位于碳纖維絲卷卷芯內測的條碼，如圖2所示，包裝線ERP系統顯示該條碼對應的產品的生產信息：如生產線號、生產時間、米數等。人工觀察外觀，判斷毛絲等級，然后對其進行稱重，根據條碼內的米數，系統自動算出線密度，人工最終根據毛絲等級和線密度等綜合對其判定等級，寫入系統，系統生成標簽，人工將其貼到絲卷內表面中。之后人工將絲卷放入熱縮專機進行熱縮，如圖3所示。然后人工將熱縮完成的絲卷分類裝箱，最終碼成一垛。

2 碳纖維絲卷自動包裝線構成

根據客戶場地，碳纖維自動包裝線規劃為12 m×12 m方形回流線，如圖4所示。

該碳纖維自動包裝線主要由七部分組成，分別是上料、稱重、測卷徑、人檢、打標、熱縮、分揀及裝箱。

上料時需要機器人完成絲卷從來料小車上的抓取、掃碼，并放到產線上的流轉工裝上；稱重時由稱重搬運機構一個個搬運到靜態稱上，稱完后系統記錄數據再由搬運機構搬到工裝上；測卷徑時，工裝在測卷徑工位處停留由測量光柵測量卷徑，并由系統將測得的卷徑和重量進行換算得出線密度，顯示在人檢處電腦上；人檢時由人檢輔助機構，提起絲卷并360°旋轉，方便人工觀察，人工綜合外觀和線密度給出產品等級；貼標時，系統根據人工給出的等級數據，自動打印標簽貼到絲卷的卷芯內表面；熱縮時，工裝通過熱縮機，熱縮機自動覆膜；系統根據絲卷等級在分揀工位自動分成四道；人工在裝箱工位拾取膜卷裝箱。

自動線工藝流程見圖5。

3 碳纖維絲卷自動包裝線設計難點及對策

3.1 產品流轉及可追溯自動化設計難點及對策

為了保證包裝質量、絲卷重量、長度、線密度、等級信息能夠嚴格與產品一一對應，生產線必須設計一套可追溯的運送系統，已知絲卷的條碼位于卷芯內部，不易被掃描，每到一個工藝段，都對其卷芯內部進行掃碼，費時費力，故設計一套流轉工裝，在工裝底部安裝有RFID標簽；無線射頻識別即射頻識別技術(Radio Frequency Identification，RFID)，是自動識別技術的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，利用無線射頻方式對記錄媒體(電子標簽或射頻卡)進行讀寫，從而達到識別目標和數據交換的目的[4]。整套系統只需要在上料時進行一次卷芯內掃碼，同時把卷碼信息寫入對應工裝的RFID標簽內與其綁定，那么產品在每到一個工位時只需要通過讀碼器讀取RFID標簽信息，即可知道產品的信息，大大降低了追溯難度，同時也提高了流轉效率，在稱重、測量、定等完成后，系統也可將信息寫入RFID標簽。自動線設計為環線，系統只需在絲卷下料時把RFID內條碼信息擦除，流轉工裝就可重新投入使用。

3.2 上料工序自動化設計難點及對策

第一，由于碳纖維絲卷表面比較脆弱，對外部觸碰較為敏感，抓取絲卷時無法觸碰產品本身，故抓取只能通過夾指氣缸從卷芯內部撐開抓取；第二，標簽在卷芯中朝向位置不確定，抓取時無法避開條碼抓取，同時掃碼時也無法確定條碼位置，故抓取時機器人抓手從未貼條碼一端進入，并且在抓手上設置由伺服電機驅動的旋轉機構，能保證抓取的每個絲卷可以單獨旋轉掃碼，保證每個條碼都能被掃到；第三，工藝要求，來料條碼和貼標機貼標需要貼在絲卷的同一側，正常流程下機器人抓取絲卷掃碼后，如直接放置于流水線上的工裝上，條碼會在絲卷底部，導致貼標機無法貼到底部一側，故設計采用一個中轉機構對絲卷進行換向，換向后可使條碼一側朝上；第四，單次抓取掃碼換向節拍經仿真約需25 s左右，無法滿足包裝線產量要求，采取一次同時抓取多卷以提高節拍。

3.3 稱重工序自動化設計難點及對策

常規情況下，為了不耽誤生產節拍，用于生產線稱重的設備一般為動態稱，其精度普遍在1/1 000，碳纖維絲卷重量在1～10 kg，動態秤考慮到振動等因素，測量精度在±10 g左右，由于線密度計算對于稱重的精度要求較高，需±1 g，故動態稱無法滿足生產需求。設計考慮采用高精度臺秤PBK-APW-AB15，其經認證可讀性可達±0.5 g，滿足使用需求。由于稱重機構需要抓取絲卷放到臺秤上，待稱重完成再將其取下，動作較多，無法滿足生產節拍，設計采用雙抓取頭，一抓一放的形式，同時完成兩步動作，從而節省了一半的節拍。

3.4 熱縮工序自動化設計難點及對策

業內常用袖口包裝的熱縮機為臥式，即產品平躺著進入機器進行熱縮，最終平躺著出來。由于生產線對絲卷可追溯的要求，絲卷是立著放置于工裝上的，如果采用常用的熱縮機形式，需要額外一臺機器人或者一個換向機構將其變成臥式放置，會耽誤節拍也增加成本，所以設計定制了立式袖口式熱縮機。該熱縮機把兩卷熱縮膜放置于產線兩側，中間通過切刀熱封起來，產品和流轉工裝在鏈板線動力的驅動下，通過該處將熱縮膜拉出一個絲卷的長度，限位機構抱住工裝，防止其移動，切刀動作將熱縮膜切斷。工裝再次前進進入熱縮爐，熱縮膜受熱覆蓋于產品表面完成熱縮。

目前業內采用的熱縮膜主要是PE、PVC膜，這些膜的透光性較差，影響產品外觀，硬度較大，不好撕。根據生產要求，設計將原有PE膜換成POF膜，POF也是一種熱收縮膜，其無毒環保、高透明度、高收縮率、有良好的熱封性能，是傳統PVC熱收縮膜的換代產品，大大提升了產品外觀和可撕性。另外，當切換規格時，一種高度的熱縮膜無法滿足目前所有規格產品的熱縮，目前業內只能多備一臺熱縮機，或者人工換膜才能熱縮其他規格的絲卷，該設計將兩種熱縮膜同時防置于機器上，并可通過系統自動切換，大大減少了切換規格耽誤時間的情況的發生。

4 項目應用

根據上述設計分析及多次探討，設計最終在該碳纖維生產企業落地生產；經過生產測試，實際應用中該設計大大提高了生產效率，用流水線替代了人工搬運減少了人工勞動強度，同時除了人工檢測無法用機器取代之外，將整條線的操作工人從每班7人減少到了每班3人，節約了大量人工成本。

5 結 論

此碳纖維自動化包裝線是自動包裝在一個新領域的應用，可以提高生產效率，減少人工勞動強度，減少操作工人數量，降低人力成本，提升產品質量。在自動線設計過程中遇到了不少困難，該文將各種技術難點和對應的解決辦法進行了總結歸納，可以為今后設計碳纖維自動包裝生產線或者類似行業的自動包裝線的設計提供一些借鑒。