智能上軸機(jī)器人的研制及應(yīng)用效果

何旭平 吉學(xué)齊 陶廣川

（山東日發(fā)紡織機(jī)械有限公司，山東聊城，252000）

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能生產(chǎn)模式逐步成為各行業(yè)新的發(fā)展趨勢(shì)［1-2］。作為傳統(tǒng)勞動(dòng)密集型的紡織行業(yè)，對(duì)可以明顯減少用工的智能生產(chǎn)模式有著更迫切的需求［3-4］。我們公司開(kāi)發(fā)了一種智能上軸機(jī)器人系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)織軸在漿紗車間和準(zhǔn)備車間的運(yùn)輸，織軸、卷布輥在織機(jī)上的裝卸操作等。

1 智能上軸機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式與原理

智能上軸機(jī)器人是基于AGV運(yùn)輸車進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)而成的，我們?cè)贏GV運(yùn)輸車上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了織機(jī)定位系統(tǒng)、織軸升降系統(tǒng)、抓取系統(tǒng)等，再通過(guò)織造車間內(nèi)的智能控制系統(tǒng)將多個(gè)機(jī)器人組網(wǎng)聯(lián)接，對(duì)整個(gè)織造車間內(nèi)全部機(jī)臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)織軸自動(dòng)運(yùn)輸以及裝卸等操作。具體見(jiàn)圖1。

圖1 智能上軸機(jī)器人

AGV即自動(dòng)導(dǎo)引車，是一種具有高度柔性化和智能化的物流搬運(yùn)設(shè)備，被稱為移動(dòng)機(jī)器人，國(guó)外從20世紀(jì)50年代在倉(cāng)儲(chǔ)業(yè)開(kāi)始使用。在國(guó)內(nèi)，AGV在汽車、煙草、印鈔等行業(yè)已有大規(guī)模應(yīng)用。AGV的核心技術(shù)主要包括傳感器技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等。我們開(kāi)發(fā)的智能上軸機(jī)器人主要由6部分組成：車架、運(yùn)輸行走系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、抓取系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。

1.1 車架

車架采用T形鋼、H形鋼，通過(guò)X形和三角形組合焊接而成，整體穩(wěn)定可靠。車架前后兩側(cè)留有安裝驅(qū)動(dòng)輪組的空腔，整體造型采用中間高、兩端低的模式，為中間運(yùn)輸織軸留出充足空間。

1.2 運(yùn)輸行走系統(tǒng)

運(yùn)輸行走系統(tǒng)主要由萬(wàn)向輪、舵輪機(jī)構(gòu)、RFID地標(biāo)識(shí)別裝置、磁性導(dǎo)航器、行走安全系統(tǒng)等構(gòu)成?？椩燔囬g內(nèi)織軸系列較多，幅寬較大時(shí)，其質(zhì)量可達(dá)1 t以上。為了保證上軸機(jī)器人的適應(yīng)范圍，采用承重型萬(wàn)向輪，并將其分布在車身四角，保證車體可平穩(wěn)行走。

為保證機(jī)器人的靈活性，驅(qū)動(dòng)輪采用雙舵輪機(jī)構(gòu)，兩個(gè)舵輪同時(shí)為上軸機(jī)器人提供行進(jìn)動(dòng)力，并精確控制行進(jìn)方向。舵輪機(jī)構(gòu)采用沿中心線兩側(cè)布局，同時(shí)加裝彈簧，保證舵輪機(jī)構(gòu)可靠觸地，保證車體完成前行、后退、側(cè)移、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。

RFID地標(biāo)識(shí)別裝置由RFID電子標(biāo)簽和RFID讀寫器構(gòu)成。在智能上軸機(jī)器人行走路徑旁放置非接觸電子標(biāo)簽，由車載讀卡器實(shí)時(shí)讀取電子標(biāo)簽里的信息，比如加減速、路徑編號(hào)、工位編號(hào)、倉(cāng)庫(kù)編號(hào)、等待時(shí)間等，以便很好地識(shí)別運(yùn)輸行走過(guò)程中的各種指令。

磁性導(dǎo)航器的作用是實(shí)時(shí)找尋磁條位置，以保證車體按照預(yù)設(shè)路徑運(yùn)動(dòng)。

行走安全系統(tǒng)主要由激光雷達(dá)和防撞條組成。激光雷達(dá)的檢測(cè)范圍為-45°～225°，檢測(cè)距離0 m～3 m可調(diào)，采用非接觸式保護(hù)系統(tǒng)，可以根據(jù)機(jī)器人尺寸大小、運(yùn)行狀態(tài)和路徑狀況實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的探測(cè)及避撞，確保行走安全。檢測(cè)范圍可設(shè)置成安全警示區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域，當(dāng)檢測(cè)到障礙物進(jìn)入安全警示區(qū)域時(shí)，機(jī)器人減速運(yùn)行并發(fā)出警示聲；當(dāng)檢測(cè)到障礙物進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，自動(dòng)停車，待障礙物移走后自動(dòng)恢復(fù)行走。極端情況下，激光雷達(dá)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致碰觸到障礙物，防撞條可使AGV運(yùn)輸車即刻停止，起到雙重保護(hù)作用。

1.3 定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)油缸、機(jī)械夾手和定位塊等組成。液壓系統(tǒng)布置在車架一端，為驅(qū)動(dòng)油缸提供動(dòng)力，采用48 V、1.5 kW直流電機(jī)，6 mL齒輪泵，最高壓力8 MPa，油箱有效容積28 L，電磁閥控制電壓24 V，壓力變送器輸出信號(hào)4 mA～20 mA。驅(qū)動(dòng)油缸固定在AGV車體上，在車體前后各布置一個(gè)。定位塊開(kāi)有V形凹槽，安裝在織機(jī)設(shè)備上，前后各一個(gè)。機(jī)械夾手由驅(qū)動(dòng)油缸帶動(dòng)，可以完成伸出和收縮動(dòng)作，前后各一個(gè)安裝在車架底側(cè)。機(jī)械夾手頭端設(shè)有V形凸臺(tái)，與定位塊的凹槽配合定位。

1.4 升降系統(tǒng)

升降系統(tǒng)主要由升降驅(qū)動(dòng)裝置、絲杠導(dǎo)向裝置和升降裝置、絲杠等部分組成。升降驅(qū)動(dòng)裝置安裝在車架頂，是整個(gè)升降系統(tǒng)的動(dòng)力裝置。絲杠導(dǎo)向裝置主要由絲杠導(dǎo)套、直線軸承、導(dǎo)向柱等關(guān)鍵部件組合而成，該結(jié)構(gòu)可使升降裝置在升降過(guò)程中不受外力影響，升降平穩(wěn)可靠。升降裝置可隨著絲杠的旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)上下動(dòng)作。升降系統(tǒng)的外圍設(shè)計(jì)了防護(hù)罩殼，保護(hù)導(dǎo)向柱免受車間飛花棉絮等影響。

1.5 抓取系統(tǒng)

抓取系統(tǒng)主要包括機(jī)械臂和夾手機(jī)構(gòu)。機(jī)械臂可隨著升降裝置上下動(dòng)作。夾手機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)械臂的凹槽內(nèi)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、夾手、復(fù)位拉簧、自鎖板等機(jī)構(gòu)組成，其中自鎖板與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)使自鎖板呈豎直狀態(tài)時(shí)，夾手在復(fù)位拉簧的作用下呈打開(kāi)狀態(tài)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)使自鎖板呈橫向狀態(tài)時(shí)，自鎖板會(huì)撐開(kāi)夾手呈閉合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)夾手的抓取和釋放動(dòng)作。

抓取系統(tǒng)在實(shí)際工作中需要與安裝在織機(jī)設(shè)備上的附件裝置配合使用。織機(jī)附件裝置主要包括織軸托架、推料氣缸，兩者均固定安裝在織機(jī)設(shè)備上。當(dāng)機(jī)器人拆卸織軸動(dòng)作時(shí)，先由推料氣缸將織軸推至織軸托架位置，然后再利用機(jī)器人抓取系統(tǒng)將織軸取走，完成卸軸操作。當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行上機(jī)掛軸動(dòng)作時(shí)推料氣缸處于收縮狀態(tài)，機(jī)器人將織軸放置在織軸托架邊緣位置后釋放，織軸由于自重原因沿著織軸托架的坡度軌道滾動(dòng)至定位圓弧槽位置。當(dāng)織機(jī)的感應(yīng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到織軸后，織機(jī)附件設(shè)備的自動(dòng)鎖緊裝置將織軸定位固定，完成上機(jī)操作。

1.6 智能控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的功能主要有：智能上軸機(jī)器人可以根據(jù)規(guī)劃好的路徑運(yùn)動(dòng)，位置誤差±10 mm內(nèi)；控制剎車裝置按照規(guī)劃的加速度和速度及時(shí)制動(dòng)；具備多車之間的通訊功能；滿足多I/O口控制；當(dāng)檢測(cè)到電量達(dá)到預(yù)警線時(shí)，警報(bào)燈閃爍并給出信號(hào)到主控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，小車接收到指令后自動(dòng)運(yùn)行至充電站充電。

2 智能上軸機(jī)器人的具體工作流程

智能上軸機(jī)器人實(shí)際工作時(shí)，與織造車間內(nèi)織機(jī)及其他設(shè)備形成有機(jī)整體，需要設(shè)計(jì)一套物流控制系統(tǒng)，全部織機(jī)機(jī)臺(tái)及上軸機(jī)器人都在物流控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下工作。物流控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)主要包括工控機(jī)、屏幕顯示器、控制盤柜、線纜等，軟件部分主要包括工業(yè)采集軟件系統(tǒng)、物流調(diào)度軟件系統(tǒng)等。工業(yè)采集軟件系統(tǒng)主要采集各織造設(shè)備的生產(chǎn)工藝信息、數(shù)據(jù)分析、報(bào)警管理、日志管理等基礎(chǔ)信息。物流調(diào)度系統(tǒng)要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，合理安排規(guī)劃各種操作，特別是多臺(tái)AGV運(yùn)輸車之間的協(xié)調(diào)、最合理運(yùn)輸路徑的計(jì)算、行走過(guò)程中安全的保證、AGV運(yùn)輸車的充電等環(huán)節(jié)，均需要全面考慮，并整合到系統(tǒng)里［5］。

智能上軸機(jī)器人實(shí)際工作流程。空軸卸軸操作流程：織機(jī)上的織軸紗線用完時(shí)發(fā)出呼叫信號(hào)→車間工業(yè)采集軟件系統(tǒng)接收信號(hào)→信號(hào)上載傳遞到物流控制系統(tǒng)→物流控制系統(tǒng)調(diào)度機(jī)器人向呼叫織機(jī)運(yùn)行→空載機(jī)器人先行→滿載機(jī)器人緊跟其后→機(jī)器人利用導(dǎo)航系統(tǒng)規(guī)劃行走路線→空載機(jī)器人通過(guò)RFID地標(biāo)識(shí)別器讀取電子標(biāo)簽到對(duì)應(yīng)織機(jī)后停車→機(jī)器人定位系統(tǒng)與織機(jī)完成精確定位→機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)抓住織軸頭端的軸承→升降裝置向上運(yùn)動(dòng)使織軸離開(kāi)織軸托架→空載機(jī)器人攜帶空織軸離開(kāi)織機(jī)。織軸上軸操作：機(jī)器人完成精確定位→抓取機(jī)構(gòu)抓住滿紗線的織軸抵達(dá)預(yù)定位置→復(fù)位拉簧收縮拉動(dòng)夾手，夾手打開(kāi)釋放織軸→織軸沿織軸托架的軌道移動(dòng)到位→織機(jī)自帶氣動(dòng)裝置鎖緊→滿載機(jī)器人離開(kāi)織機(jī)。

3 智能上軸機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用效果

智能上軸機(jī)器人研發(fā)成功后投入了實(shí)際使用，使用過(guò)程中整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，智能上軸機(jī)器人與織機(jī)定位準(zhǔn)確迅速，抓取動(dòng)作穩(wěn)定可靠，與車間物流控制系統(tǒng)通訊靈敏可靠，行走安全系統(tǒng)可靠性良好，多機(jī)臺(tái)工作時(shí)協(xié)調(diào)一致，可以按控制系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃路徑穩(wěn)定行走，安全自停及自動(dòng)上下軸等功能均完成良好，在機(jī)器人缺電時(shí)可以自動(dòng)報(bào)警并自動(dòng)運(yùn)行到充電區(qū)充電。實(shí)際運(yùn)行效果表明智能上軸機(jī)器人完全實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

智能上軸機(jī)器人的行走區(qū)域主要包括倉(cāng)庫(kù)中轉(zhuǎn)區(qū)、織機(jī)工作區(qū)、自動(dòng)充電區(qū)。由于織造車間織機(jī)數(shù)量眾多，智能上軸機(jī)器人行車路線需要根據(jù)織機(jī)的具體排布方式以及停車順序，精確邏輯分析計(jì)算，合理分布，保證整體效率。使用中也發(fā)現(xiàn)智能上軸機(jī)器人有不足之處，主要是機(jī)器人體積較大，使用智能上軸機(jī)器人時(shí)織造車間面積需要適當(dāng)加大，以方便機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)。

4 結(jié)語(yǔ)

目前織造行業(yè)中，織軸在準(zhǔn)備車間與織造車間的運(yùn)輸以及在織機(jī)上的掛機(jī)操作均要依靠人工進(jìn)行，整個(gè)過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度大，占用人工時(shí)間長(zhǎng)，制約了效率的提高。我們公司研發(fā)的智能上軸機(jī)器人可自動(dòng)完成織軸的裝卸操作及織軸在織造、準(zhǔn)備車間的運(yùn)輸，改變了織造車間當(dāng)前的生產(chǎn)組織模式，提高了生產(chǎn)效率，降低了用工成本，為眾多紡織織造企業(yè)帶來(lái)了生產(chǎn)轉(zhuǎn)型的機(jī)會(huì)，應(yīng)用前景廣闊。