碳纤维丝卷自动包装线设计中的技术难点及解决办法

徐康俊，尚明柱

(中建材凯盛机器人(上海)有限公司，上海 201601)

近年来，中国碳纤维市场规模一直保持增长趋势，从2016年的4.82亿美元增长至2020年的10.27亿美元，年均复合增长率达20.82%。随着中国风电、光伏等可再生能源装机规模持续扩大，碳纤维市场需求随之增长，预计2022年市场规模将进一步增长至14.35亿美元[1]。

在智能化工厂迅速发展的今天，碳纤维生产的自动化程度也越来越高[2]。碳纤维丝卷的后道包装目前自动化程度还不太高，占用人力严重，在用工成本越来越高的今天，众多碳纤维生产企业也开始对碳纤维后道包装进行自动化升级。该研究根据一个实际的碳纤维包装自动化产线项目，分析在项目设计中遇到的一些技术难点并给出相应的解决办法，最终在实际生产中检验其效果。

1 碳纤维丝卷人工包装线工艺简介

传统的碳纤维生产线采用人工作业模式，各生产环节独立运行，需要投入大量人力来贯通整个流程。这种生产模式存在着生产效率低、作业强度大、人工录入信息易出错等问题，无法适应大规模工业生产需求[3]。

目前大部分企业的包装车间所收到的产品来料为一整车由碳化车间生产完成的碳纤维丝卷，在该文实例中为一车悬挂有40卷碳纤维丝卷的钢结构小车。包装车间需要完成的工作如图1所示。

人工生产时，人工先用扫码枪扫描位于碳纤维丝卷卷芯内测的条码，如图2所示，包装线ERP系统显示该条码对应的产品的生产信息：如生产线号、生产时间、米数等。人工观察外观，判断毛丝等级，然后对其进行称重，根据条码内的米数，系统自动算出线密度，人工最终根据毛丝等级和线密度等综合对其判定等级，写入系统，系统生成标签，人工将其贴到丝卷内表面中。之后人工将丝卷放入热缩专机进行热缩，如图3所示。然后人工将热缩完成的丝卷分类装箱，最终码成一垛。

2 碳纤维丝卷自动包装线构成

根据客户场地，碳纤维自动包装线规划为12 m×12 m方形回流线，如图4所示。

该碳纤维自动包装线主要由七部分组成，分别是上料、称重、测卷径、人检、打标、热缩、分拣及装箱。

上料时需要机器人完成丝卷从来料小车上的抓取、扫码，并放到产线上的流转工装上；称重时由称重搬运机构一个个搬运到静态称上，称完后系统记录数据再由搬运机构搬到工装上；测卷径时，工装在测卷径工位处停留由测量光栅测量卷径，并由系统将测得的卷径和重量进行换算得出线密度，显示在人检处电脑上；人检时由人检辅助机构，提起丝卷并360°旋转，方便人工观察，人工综合外观和线密度给出产品等级；贴标时，系统根据人工给出的等级数据，自动打印标签贴到丝卷的卷芯内表面；热缩时，工装通过热缩机，热缩机自动覆膜；系统根据丝卷等级在分拣工位自动分成四道；人工在装箱工位拾取膜卷装箱。

自动线工艺流程见图5。

3 碳纤维丝卷自动包装线设计难点及对策

3.1 产品流转及可追溯自动化设计难点及对策

为了保证包装质量、丝卷重量、长度、线密度、等级信息能够严格与产品一一对应，生产线必须设计一套可追溯的运送系统，已知丝卷的条码位于卷芯内部，不易被扫描，每到一个工艺段，都对其卷芯内部进行扫码，费时费力，故设计一套流转工装，在工装底部安装有RFID标签；无线射频识别即射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)，是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体(电子标签或射频卡)进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的[4]。整套系统只需要在上料时进行一次卷芯内扫码，同时把卷码信息写入对应工装的RFID标签内与其绑定，那么产品在每到一个工位时只需要通过读码器读取RFID标签信息，即可知道产品的信息，大大降低了追溯难度，同时也提高了流转效率，在称重、测量、定等完成后，系统也可将信息写入RFID标签。自动线设计为环线，系统只需在丝卷下料时把RFID内条码信息擦除，流转工装就可重新投入使用。

3.2 上料工序自动化设计难点及对策

第一，由于碳纤维丝卷表面比较脆弱，对外部触碰较为敏感，抓取丝卷时无法触碰产品本身，故抓取只能通过夹指气缸从卷芯内部撑开抓取；第二，标签在卷芯中朝向位置不确定，抓取时无法避开条码抓取，同时扫码时也无法确定条码位置，故抓取时机器人抓手从未贴条码一端进入，并且在抓手上设置由伺服电机驱动的旋转机构，能保证抓取的每个丝卷可以单独旋转扫码，保证每个条码都能被扫到；第三，工艺要求，来料条码和贴标机贴标需要贴在丝卷的同一侧，正常流程下机器人抓取丝卷扫码后，如直接放置于流水线上的工装上，条码会在丝卷底部，导致贴标机无法贴到底部一侧，故设计采用一个中转机构对丝卷进行换向，换向后可使条码一侧朝上；第四，单次抓取扫码换向节拍经仿真约需25 s左右，无法满足包装线产量要求，采取一次同时抓取多卷以提高节拍。

3.3 称重工序自动化设计难点及对策

常规情况下，为了不耽误生产节拍，用于生产线称重的设备一般为动态称，其精度普遍在1/1 000，碳纤维丝卷重量在1～10 kg，动态秤考虑到振动等因素，测量精度在±10 g左右，由于线密度计算对于称重的精度要求较高，需±1 g，故动态称无法满足生产需求。设计考虑采用高精度台秤PBK-APW-AB15，其经认证可读性可达±0.5 g，满足使用需求。由于称重机构需要抓取丝卷放到台秤上，待称重完成再将其取下，动作较多，无法满足生产节拍，设计采用双抓取头，一抓一放的形式，同时完成两步动作，从而节省了一半的节拍。

3.4 热缩工序自动化设计难点及对策

业内常用袖口包装的热缩机为卧式，即产品平躺着进入机器进行热缩，最终平躺着出来。由于生产线对丝卷可追溯的要求，丝卷是立着放置于工装上的，如果采用常用的热缩机形式，需要额外一台机器人或者一个换向机构将其变成卧式放置，会耽误节拍也增加成本，所以设计定制了立式袖口式热缩机。该热缩机把两卷热缩膜放置于产线两侧，中间通过切刀热封起来，产品和流转工装在链板线动力的驱动下，通过该处将热缩膜拉出一个丝卷的长度，限位机构抱住工装，防止其移动，切刀动作将热缩膜切断。工装再次前进进入热缩炉，热缩膜受热覆盖于产品表面完成热缩。

目前业内采用的热缩膜主要是PE、PVC膜，这些膜的透光性较差，影响产品外观，硬度较大，不好撕。根据生产要求，设计将原有PE膜换成POF膜，POF也是一种热收缩膜，其无毒环保、高透明度、高收缩率、有良好的热封性能，是传统PVC热收缩膜的换代产品，大大提升了产品外观和可撕性。另外，当切换规格时，一种高度的热缩膜无法满足目前所有规格产品的热缩，目前业内只能多备一台热缩机，或者人工换膜才能热缩其他规格的丝卷，该设计将两种热缩膜同时防置于机器上，并可通过系统自动切换，大大减少了切换规格耽误时间的情况的发生。

4 项目应用

根据上述设计分析及多次探讨，设计最终在该碳纤维生产企业落地生产；经过生产测试，实际应用中该设计大大提高了生产效率，用流水线替代了人工搬运减少了人工劳动强度，同时除了人工检测无法用机器取代之外，将整条线的操作工人从每班7人减少到了每班3人，节约了大量人工成本。

5 结 论

此碳纤维自动化包装线是自动包装在一个新领域的应用，可以提高生产效率，减少人工劳动强度，减少操作工人数量，降低人力成本，提升产品质量。在自动线设计过程中遇到了不少困难，该文将各种技术难点和对应的解决办法进行了总结归纳，可以为今后设计碳纤维自动包装生产线或者类似行业的自动包装线的设计提供一些借鉴。