筒子纱自动码垛系统开发

周鹏飞+吕汉明+谢楠+吕鑫

摘 要：本文开发了筒子纱自动码垛系统，在筒子纱自动包装设备中用于将包有筒子纱的编织袋码垛，码垛装置的机械结构采用了4个自由度的交叉码垛系统，控制系统采用STC15系列单片机为控制器，控制系统软件使用C语言在KeliC软件开发环境下编写，应用结果表明，本系统能够很好地用于编织袋装筒子纱的码垛。

关键词：筒子纱码垛装置；交叉码垛；控制系统；单片机

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

1 引言

目前有多家企业在进行筒子纱自动包装系统的开发，以解决目前纺纱厂中人工包装筒子纱劳动强度大、用工量大的问题。筒子纱的包装形式以编织袋为主[1]，并且筒子纱自动包装过程中需要对包装后的筒子纱进行码垛，而筒子纱自动包装系统中自动码垛系统的设计关乎筒子纱自动包装系统的功能及稳定性，特别是对于编织袋这种包装形式，如果码垛时采用简单的平行码垛会会导致纱垛不稳定，无法提高码垛层数，降低仓储空间的利用率[2]。本文开发了用于筒子纱自动包装系统中的筒子纱自动码垛系统，在筒子纱的自动包装设备中应用本码垛系统不仅可以码出稳定的纱垛，并且码放高度大于人工码垛的高度，能有效地减轻操作人员的劳动强度。

2 筒子纱自动码垛装置的机械设计

目前市场上用于码垛的装置主要有关节型机器人自动码垛机、高位自动码垛机和低位自动码垛机。关节型机器人自动码垛机，成本较高，适用于速度要求较低、精度要求较高、多线码垛的场合，高位和低位自动码垛机适用于带有包装物品的码垛，一般在码放货物前，利用专门的方向转换装置，根据设计的码放方法，调整货物方向，然后进行码垛，此种装置结构比较复杂[3]。

在纺纱领域的筒子纱自动包装时，包装量最大的是编织袋包装形式，一般情况下每个编织袋内会摆放3～5排筒子纱，每排筒子纱包含2～3个，由于自动包装系统填充满一个编织袋需要至少需要几十秒时间，因此对于编织袋码垛的速度要求不高，而使用关节型机器人成本较高，在这种情况下，相对于码垛速度而言，确保码垛系统所码出垛的稳定性更为重要[4]。

本文设计的筒子纱码垛装置用于将装满筒子纱的编织袋码垛，码垛装置的结构示意图如图1所示。

如图中所示，码垛托盘6上放置一个木质或塑料筒纱托盘，装有筒子纱的编织袋被码垛系统放置在塑料或木质筒纱托盘上，木质或塑料筒纱托盘上码放的纱到达指定层数时用液压举升机将其从码垛托盘6上取下；配重1与托盘支架4之间用钢丝绳连接并悬挂在移动框架2顶部的滑轮上，配重用于平衡托盘支架4的重量，以减小对于驱动托盘支架4沿铅锤方向运动的步进电机3扭矩的需求。装有筒子纱的编织袋被筒子纱自动包装机的前续包装设备推到托板5上之后，竖直驱动步进电机3经减速机及齿轮齿条传动机构驱动托盘支架4沿移动框架2向上移动到超过纱垛当前顶层高度的位置處，移动框架2由步进电机经减速机及齿轮齿条机构驱动沿水平导轨7移动，带动托板5将装有筒子纱的编织袋运送至纱垛上放置包装袋的位置，气缸8驱动托板5向移动框架方向后撤运动，装有筒子纱的编织袋被放置在纱垛上，之后码垛托盘6由步进电机经蜗轮蜗杆减速机构带动旋转90度，之后重复放下一袋装有筒子纱的编织袋。

向纱垛上放置相邻两层包有筒子纱的编织袋时，托盘支架4上升的高度相差一个筒子纱的高度。当在纱垛上放置装有筒子纱的编织袋时，按图2所示方式放置，即移动框架2在码放不同层包有筒子纱的编织袋时移动的距离不同，例如码放奇数层编制袋时，移动框架2移动至托板5对应于图2（a）中9的位置处放置包有筒子纱的编织袋，码放偶数层编织袋时，移动框架2移动至托板5对应于图2（b）中9的位置处放置包有筒子纱的编织袋，这样纱垛中的每袋装有筒子纱的编织袋均互相压着交错摆放，纱垛稳固，不容易歪倒，经过在纺纱厂近一年的测试，该系统所采用的这种码垛方式可以非常稳定的保证纱码放至十余层。

3 筒子纱自动码垛装置的控制系统设计

生产现场应用的控制器主要有单片机、工控机、ARM、PLC等，这几种控制器各具特点，并且技术也越来越成熟[5]。筒子纱自动码垛装置的硬件采用STC15系列单片机开发，包括一块主控板和3块步进电机控制板，为了提高系统运行的稳定性，两种电路板所有输入输出均采用了光电隔离，并采用了隔离电源给单片机控制板供电。主控板经串口0及串口2采用MAX485芯片扩展了两路485通信口，分别用于与步进电机控制板及上位机通讯，步进电机控制板将单片机串口2经MAX485芯片转换之后与主控板进行通讯。

每个步进电机所驱动的运动方向上均在其行程的两端各安装一个行程开关，其输出信号作为该运动方向的左右限位，在其行程中部位置安装一个表示行程原点的接近开关，步进电机轴上安装有编码器。

主控板采用STC15系列单片机开发，其主要负责采集各种传感器（包括电感式接近开关以及气缸磁性开关）的信号作为输入信息，通过485通讯给步进电机控制板发送控制命令控制步进电机运动，并控制气缸的运动，同时与上位机通讯以接受上位机的命令并将码垛信息传输给上位机。系统上电后主控板控制4个运动方向找原点。主控板收到上位机发来的码垛命令后，控制码垛装置安装前述码垛运动方式码垛。

3块步进电机控制板采用IAP15系列单片机开发，其接受主控板的命令分别控制三个方向步进电机的运动，步进电机控制板具有用于控制步进电机驱动器的脉冲、方向及使能信号输出口，以及测量编码器AB脉冲、左右限位行程开关、原点接近开关信号的输入口。主控板及步进电机控制板软件均使用C语言在KeliC软件开发环境下编写。

4 结束语

本文设计了筒子纱自动码垛系统，并将其用于了筒子纱自动包装机中，本码垛系统采用笛卡尔坐标系中三个正交方向的运动将包有筒子纱的编织袋运送至托盘上的放纱位置并将其放置在纱垛上，为了提高码垛的稳定性，为码垛托盘增加了一个转动自由度，这样可以交叉码垛，使纱垛稳固。控制系统采用了单片机为控制器，由于采用了完善的隔离措施，控制系统运行稳定。试验结果证明，本筒子纱自动码垛系统能很好地完成包有筒子纱编织袋的码垛任务。

参考文献：

[1]杨江利.纺纱厂生产线末端自动化包装解决方案的研究与设计[D].山东大学，2016.

[2]王金晨.筒子纱自动包装系统的设计与研究[D].山东大学，2013.

[3]郑军，马崇启，吕汉明.分布式筒子纱自动收集与输送系统开发[J].棉纺织技术，2015（03）.

[4]张德瑞.筒子纱自动包装成套设备的设计与实现[D].山东大学，2014.

[5]秦岭.筒子纱自动输送系统的设计与开发[D].山东大学，2016.

作者简介：周鹏飞（1992-），男，山东潍坊人，研究生在读，研究方向：数字化纺织。endprint