尚 前，劉耀宗，趙 亮

(泰山玻璃纖維有限公司 設(shè)備動力部， 山東 泰安 271000)

0 引 言

傳統(tǒng)玻璃纖維的生產(chǎn)流程已經(jīng)成熟，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越智能的自動化生產(chǎn)線應(yīng)運而生，由傳統(tǒng)生產(chǎn)方式到自動化生產(chǎn)的探索腳步從未停止。紗車是玻璃纖維生產(chǎn)過程中一種連接拉絲現(xiàn)場到制品現(xiàn)場的載具，是一種必不可少的生產(chǎn)的工具。在泰山玻纖，紗車的運輸已經(jīng)實現(xiàn)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(chǎn)物流線中，紗車二維碼是承載著紗車基本境況的重要標(biāo)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(chǎn)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(diào)專人人工清理，效率低下，安全系數(shù)低。

筆者設(shè)計的裝置是為了改變現(xiàn)有局面，讓清理二維碼碼牌的工作變得自動化。第一代樣機(jī)在2020年年初取得國家實用新型專利證書[1]后，在此基礎(chǔ)上又經(jīng)過了不斷地修改和試驗，最終產(chǎn)生了目前投入運行的新一代裝置。改良的裝置在經(jīng)過系統(tǒng)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(jīng)歷的環(huán)境十分惡劣，長時間樹立在空氣濕度大的拉絲現(xiàn)場，會緩慢經(jīng)過溫度高達(dá)130 ℃左右的烘干爐，會和浸潤劑(一種化學(xué)添加劑，主要表現(xiàn)形式為粘稠、附著性強(qiáng)，難以清理)等化學(xué)原料直接接觸。泰山玻纖自建廠以來，生產(chǎn)的玻璃纖維產(chǎn)品種類眾多，為在自動化運輸過程中防止混紗，于是產(chǎn)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(tǒng)在控制電腦上形成詳細(xì)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(jìn)行清理。紗車二維碼碼牌會產(chǎn)生污漬，究其原因，首先，紗車在拉絲現(xiàn)場易受到拉絲水霧的影響，從而產(chǎn)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(jìn)入烘干爐，持續(xù)在130 ℃左右的高溫環(huán)境下工作長達(dá)8～12 h，有的甚至?xí)_(dá)到16～20 h，容易使紗車二維碼碼牌產(chǎn)生熱變形；其次，玻璃纖維質(zhì)地細(xì)、重量輕、漂浮性高、附著性強(qiáng)，易聚積在紗車二維碼碼牌處，進(jìn)而遮擋二維碼，影響使用；最后，現(xiàn)場的其他因素也會對紗車二維碼碼牌產(chǎn)生一定的影響，例如工作環(huán)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(yè)，需要按一定的流程簽訂《危險作業(yè)許可證》并必須按照危險作業(yè)相關(guān)規(guī)定嚴(yán)格執(zhí)行，物流線高度自動化，加上生產(chǎn)壓力，所以無法長時間停止，只能進(jìn)行平行作業(yè)；現(xiàn)場紗車眾多，很難保證每一個都會被清理到；加上疲勞系數(shù)，每人每天的清掃的個數(shù)有限等，種種因素導(dǎo)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(dǎo)致危險系數(shù)高。

2 設(shè)計方案

此次設(shè)計的目的是清理紗車二維碼碼牌表面的水漬、浸潤劑結(jié)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(diào)查，根據(jù)現(xiàn)場實際了解工人的清理方式和清理特點，對所設(shè)計的裝置制定了以下幾點要求：①所設(shè)計裝置應(yīng)符合清理要求；②所設(shè)計裝置應(yīng)盡量的節(jié)省能源；③所設(shè)計的裝置應(yīng)滿足現(xiàn)場空間的要求；④所設(shè)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(xiàn)場工人清理紗車二維碼碼牌之后，對所設(shè)計的裝置有了一個初步的構(gòu)想：毛刷固定在紗車正上方，通過電機(jī)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(gòu)想的基礎(chǔ)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(jié)皮的速度是不同的，通過不同速度的清理，以達(dá)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(yīng)盡量簡單簡潔以便滿足現(xiàn)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(zhì)量也要相應(yīng)的提升，這就對裝置的設(shè)計提出的新的要求。

在考慮到諸多因素之后，對設(shè)計有了一個初步的設(shè)想：電機(jī)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(tǒng)及構(gòu)件的設(shè)計

此設(shè)計中，主要系統(tǒng)有：動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、工作系統(tǒng)和其他配件系統(tǒng)。主要的構(gòu)件有：電機(jī)、傳動系統(tǒng)相關(guān)構(gòu)件、毛刷輪、軸、軸承、螺栓等。

3.1 動力系統(tǒng)電機(jī)的選擇

為落實“降本增效”的理念，電機(jī)從公司的舊件庫中選用，并由電氣人員經(jīng)過專業(yè)檢驗，合格后方可使用。電機(jī)經(jīng)過變頻器的調(diào)整，達(dá)到所需要的轉(zhuǎn)速。

此設(shè)計中選用的電機(jī)型號為YX3-80M2-4，生產(chǎn)廠家為徐州統(tǒng)一電機(jī)有限公司。參數(shù)如表1所列。

表1 電機(jī)參數(shù)表

選取好電機(jī)型號之后，對電機(jī)進(jìn)行理論計算，運用公式，計算出電機(jī)實際參數(shù)。

3.2 工作系統(tǒng)中毛刷輪的設(shè)計

由于毛刷輪在整個機(jī)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(shè)計參考了現(xiàn)場的實際環(huán)境和實際的使用特點。

3.2.1 刷毛的選擇

經(jīng)調(diào)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(dá)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(yīng)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(jīng)過查閱相關(guān)資料和實際的試驗，我們發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損，而且塑料的耐磨性較強(qiáng)，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(jīng)現(xiàn)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(shè)計

結(jié)合上述構(gòu)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(shè)計的毛刷輪的形狀尺寸參數(shù)如圖1和表2所列。

表2 毛刷的尺寸參數(shù) /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(shè)計。

3.2.3 毛刷的速度分配

現(xiàn)場要求毛刷在工作時不能刮傷碼牌表面，還要達(dá)到清理效果，故對速度有一定的要求，經(jīng)過現(xiàn)場實現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，毛刷轉(zhuǎn)速在280～320 r/min時對表面毛絲及浮塵的清潔效果好；毛刷轉(zhuǎn)速在520～580 r/min時對水漬、結(jié)皮的清理效果較好。為穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，確定傳動比，擬采用300 r/min和550 r/min兩種轉(zhuǎn)速的毛刷。速度慢的在前，負(fù)責(zé)清理表面毛絲和浮塵；速度快的在后，負(fù)責(zé)清理水漬和結(jié)皮，，以達(dá)到最優(yōu)的清理效果，即n1=300 r/min，n2=550 r/min。

3.3 傳動系統(tǒng)的選擇和設(shè)計

考慮到裝置的實際應(yīng)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(yīng)或吸收振動，傳動比要求不高，傳動的經(jīng)濟(jì)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(guān)設(shè)計資料[2]后，本設(shè)計采用的傳動方式為V帶傳動。

3.3.1 傳動系統(tǒng)的重要參數(shù)計算

通過匯總上述數(shù)據(jù)，參照相關(guān)設(shè)計資料，根據(jù)相應(yīng)計算公式，計算出傳動系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)據(jù)如表3所列。

表3 傳動系統(tǒng)的計算參數(shù)

3.3.2 傳動系統(tǒng)中帶輪的形狀設(shè)計

經(jīng)計算，帶輪的直徑分別為d=75 mm，d1=200 mm，d2=106 mm，結(jié)合現(xiàn)場實際，采用實心式帶輪，并依據(jù)毛刷孔徑所確定的直徑，以基軸制裝配。通過鍵連接進(jìn)軸向固定，通過頂絲進(jìn)行徑向固定，并預(yù)留頂絲工作面[3]。經(jīng)設(shè)計，采用的帶輪形狀如圖2和圖3。

圖2 電機(jī)軸帶輪

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

查《機(jī)械設(shè)計手冊》[4]普通和窄V帶輪(基準(zhǔn)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(jī)軸帶輪取B=38 mm，毛刷帶輪取B=20 mm。

由于現(xiàn)場需求和實際經(jīng)驗，電機(jī)軸帶輪全長65 mm，毛刷帶輪全長60 mm，統(tǒng)一用M6頂絲進(jìn)行軸向固定。

3.4 軸承的選擇及軸與鍵的設(shè)計

經(jīng)現(xiàn)場測量，公司內(nèi)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(shè)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(zhuǎn)動，這就需要利用軸承的特性。經(jīng)現(xiàn)場勘驗，設(shè)備安裝的空間有限，為保證帶傳動的中心距，需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)軸承安裝的位置；工作環(huán)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(chǎn)流程，降低制造難度，便于維護(hù)保養(yǎng)，延長使用周期。經(jīng)過考慮，決定采用NSK公司生產(chǎn)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(jié)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(nèi)孔的進(jìn)口軸承座安裝在一起，結(jié)構(gòu)形式多樣，通用性和互換性好。同時，此類軸承在設(shè)計上也具有一定調(diào)心性，易于安裝，具有雙重結(jié)構(gòu)的密封裝置，可以在惡劣的環(huán)境下工作。軸承座一般是采用鑄造成型。

3.4.2 軸與鍵的設(shè)計

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

查閱相關(guān)資料及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[2-3]，設(shè)計出的軸的參數(shù)如表5所列。

表4 軸的尺寸參數(shù)

充分考慮到此設(shè)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(shè)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(yīng)用廣泛。

通過設(shè)計出軸的尺寸參數(shù)，可以得出軸上鍵的尺寸參數(shù)，按照標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 1096-2003)選出近似的標(biāo)準(zhǔn)鍵寬×標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)及結(jié)構(gòu)的設(shè)計

3.5.1 開關(guān)的選擇

經(jīng)現(xiàn)場觀察，紗車在回流線上是一種不連續(xù)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(xiàn)場實際，為了節(jié)省能源，同時增加整套設(shè)備的使用周期，故擬用光電開關(guān)作為電機(jī)運轉(zhuǎn)的開關(guān)，保證毛刷和碼牌逆方向同步運動，即有紗車經(jīng)過時，光電開關(guān)有載，電機(jī)運轉(zhuǎn)；紗車經(jīng)過后，光電開關(guān)無載，電機(jī)停止。

現(xiàn)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(jìn)一步控制電機(jī)的運轉(zhuǎn)，即設(shè)置電機(jī)最長運轉(zhuǎn)時間。一方面是為了不讓電機(jī)持續(xù)運轉(zhuǎn)和空轉(zhuǎn)，保護(hù)電機(jī)；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(guān)設(shè)計

經(jīng)過現(xiàn)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(yīng)至少保證為3 m，采用方管焊接，架子的主體需要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，這里不再敘述。固定帶座外球面的位置需預(yù)留一定的溝槽長度，以便裝配調(diào)整。

電機(jī)的固定在架子的上方，以減少整體結(jié)構(gòu)的復(fù)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(tǒng)的中心距，需要一定的支撐高度，具體的高度視現(xiàn)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(jīng)設(shè)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(jī)運行：紗車經(jīng)過PH光電開關(guān)后，PH光電會使得KA1和KA2得電，KA2得電驅(qū)動變頻器開始運轉(zhuǎn)，電機(jī)開始運行。

電機(jī)停止：①時間繼電器KT在電機(jī)運轉(zhuǎn)的同時開始計時，到達(dá)預(yù)定時間后，KT開關(guān)斷開，KA2失電，變頻器停止動作，電機(jī)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(guān)后，PH無載使得KA1和KA2失電，從而使變頻器停止運動，電機(jī)停止運轉(zhuǎn)。

通過使用光電開關(guān)PH和時間繼電器KT對整體裝置進(jìn)行雙路控制，更加適合物流系統(tǒng)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(jīng)過勘察現(xiàn)場情況，前期設(shè)計時設(shè)想將裝置安裝在紗車經(jīng)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(jié)

經(jīng)過此次設(shè)計的工藝改進(jìn)并推廣后，主要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下。

(1) 人力薪資方面：現(xiàn)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(chǎn)線，人工費每年能節(jié)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(jié)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(qū)目前6 000輛紗車，二維碼碼牌部分能節(jié)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(yè)，安全效益增加100%。

除節(jié)約一定的資金外，還提高了讀碼效率，經(jīng)試驗，讀碼效率由90%提高到了97%。此外，由于設(shè)備是自動化運行，所以減輕了勞動強(qiáng)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(shù)，是全面貫徹落實公司“降本增效”的體現(xiàn)。

自動化是未來提高生產(chǎn)量和生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)，通過本裝置的推廣，進(jìn)一步提高了公司物流系統(tǒng)的自動化程度，解放了部分的生產(chǎn)力，符合公司推行“降本增效”議題，體現(xiàn)了機(jī)械設(shè)備要從現(xiàn)場實際要求出發(fā)，用知識經(jīng)驗實際落實的特點。