智能上軸機器人的研制及應用效果

何旭平 吉學齊 陶廣川

（山東日發紡織機械有限公司，山東聊城，252000）

隨著信息技術的不斷發展，智能生產模式逐步成為各行業新的發展趨勢［1-2］。作為傳統勞動密集型的紡織行業，對可以明顯減少用工的智能生產模式有著更迫切的需求［3-4］。我們公司開發了一種智能上軸機器人系統，可以實現織軸在漿紗車間和準備車間的運輸，織軸、卷布輥在織機上的裝卸操作等。

1 智能上軸機器人的結構形式與原理

智能上軸機器人是基于AGV運輸車進行二次開發而成的，我們在AGV運輸車上進一步開發了織機定位系統、織軸升降系統、抓取系統等，再通過織造車間內的智能控制系統將多個機器人組網聯接，對整個織造車間內全部機臺進行自動響應，實現織軸自動運輸以及裝卸等操作。具體見圖1。

圖1 智能上軸機器人

AGV即自動導引車，是一種具有高度柔性化和智能化的物流搬運設備，被稱為移動機器人，國外從20世紀50年代在倉儲業開始使用。在國內，AGV在汽車、煙草、印鈔等行業已有大規模應用。AGV的核心技術主要包括傳感器技術、導航技術、伺服驅動技術、系統集成技術等。我們開發的智能上軸機器人主要由6部分組成：車架、運輸行走系統、定位系統、升降系統、抓取系統和智能控制系統。

1.1 車架

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

1.2 運輸行走系統

運輸行走系統主要由萬向輪、舵輪機構、RFID地標識別裝置、磁性導航器、行走安全系統等構成。織造車間內織軸系列較多，幅寬較大時，其質量可達1 t以上。為了保證上軸機器人的適應范圍，采用承重型萬向輪，并將其分布在車身四角，保證車體可平穩行走。

為保證機器人的靈活性，驅動輪采用雙舵輪機構，兩個舵輪同時為上軸機器人提供行進動力，并精確控制行進方向。舵輪機構采用沿中心線兩側布局，同時加裝彈簧，保證舵輪機構可靠觸地，保證車體完成前行、后退、側移、旋轉等動作。

RFID地標識別裝置由RFID電子標簽和RFID讀寫器構成。在智能上軸機器人行走路徑旁放置非接觸電子標簽，由車載讀卡器實時讀取電子標簽里的信息，比如加減速、路徑編號、工位編號、倉庫編號、等待時間等，以便很好地識別運輸行走過程中的各種指令。

磁性導航器的作用是實時找尋磁條位置，以保證車體按照預設路徑運動。

行走安全系統主要由激光雷達和防撞條組成。激光雷達的檢測范圍為-45°～225°，檢測距離0 m～3 m可調，采用非接觸式保護系統，可以根據機器人尺寸大小、運行狀態和路徑狀況實現對障礙物的探測及避撞，確保行走安全。檢測范圍可設置成安全警示區域和危險區域，當檢測到障礙物進入安全警示區域時，機器人減速運行并發出警示聲；當檢測到障礙物進入危險區域時，自動停車，待障礙物移走后自動恢復行走。極端情況下，激光雷達出現故障，導致碰觸到障礙物，防撞條可使AGV運輸車即刻停止，起到雙重保護作用。

1.3 定位系統

定位系統主要由液壓系統、驅動油缸、機械夾手和定位塊等組成。液壓系統布置在車架一端，為驅動油缸提供動力，采用48 V、1.5 kW直流電機，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4 mA～20 mA。驅動油缸固定在AGV車體上，在車體前后各布置一個。定位塊開有V形凹槽，安裝在織機設備上，前后各一個。機械夾手由驅動油缸帶動，可以完成伸出和收縮動作，前后各一個安裝在車架底側。機械夾手頭端設有V形凸臺，與定位塊的凹槽配合定位。

1.4 升降系統

升降系統主要由升降驅動裝置、絲杠導向裝置和升降裝置、絲杠等部分組成。升降驅動裝置安裝在車架頂，是整個升降系統的動力裝置。絲杠導向裝置主要由絲杠導套、直線軸承、導向柱等關鍵部件組合而成，該結構可使升降裝置在升降過程中不受外力影響，升降平穩可靠。升降裝置可隨著絲杠的旋轉而實現上下動作。升降系統的外圍設計了防護罩殼，保護導向柱免受車間飛花棉絮等影響。

1.5 抓取系統

抓取系統主要包括機械臂和夾手機構。機械臂可隨著升降裝置上下動作。夾手機構安裝在機械臂的凹槽內，由驅動電機、夾手、復位拉簧、自鎖板等機構組成，其中自鎖板與驅動電機連接，當驅動電機旋轉使自鎖板呈豎直狀態時，夾手在復位拉簧的作用下呈打開狀態；當驅動電機旋轉使自鎖板呈橫向狀態時，自鎖板會撐開夾手呈閉合狀態，實現夾手的抓取和釋放動作。

抓取系統在實際工作中需要與安裝在織機設備上的附件裝置配合使用。織機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設備上。當機器人拆卸織軸動作時，先由推料氣缸將織軸推至織軸托架位置，然后再利用機器人抓取系統將織軸取走，完成卸軸操作。當機器人執行上機掛軸動作時推料氣缸處于收縮狀態，機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至定位圓弧槽位置。當織機的感應開關檢測到織軸后，織機附件設備的自動鎖緊裝置將織軸定位固定，完成上機操作。

1.6 智能控制系統

控制系統的功能主要有：智能上軸機器人可以根據規劃好的路徑運動，位置誤差±10 mm內；控制剎車裝置按照規劃的加速度和速度及時制動；具備多車之間的通訊功能；滿足多I/O口控制；當檢測到電量達到預警線時，警報燈閃爍并給出信號到主控制系統，控制系統發出指令，小車接收到指令后自動運行至充電站充電。

2 智能上軸機器人的具體工作流程

智能上軸機器人實際工作時，與織造車間內織機及其他設備形成有機整體，需要設計一套物流控制系統，全部織機機臺及上軸機器人都在物流控制系統的統一協調下工作。物流控制系統由硬件系統、軟件系統兩部分組成。硬件系統主要包括工控機、屏幕顯示器、控制盤柜、線纜等，軟件部分主要包括工業采集軟件系統、物流調度軟件系統等。工業采集軟件系統主要采集各織造設備的生產工藝信息、數據分析、報警管理、日志管理等基礎信息。物流調度系統要根據實際生產需求，合理安排規劃各種操作，特別是多臺AGV運輸車之間的協調、最合理運輸路徑的計算、行走過程中安全的保證、AGV運輸車的充電等環節，均需要全面考慮，并整合到系統里［5］。

智能上軸機器人實際工作流程。空軸卸軸操作流程：織機上的織軸紗線用完時發出呼叫信號→車間工業采集軟件系統接收信號→信號上載傳遞到物流控制系統→物流控制系統調度機器人向呼叫織機運行→空載機器人先行→滿載機器人緊跟其后→機器人利用導航系統規劃行走路線→空載機器人通過RFID地標識別器讀取電子標簽到對應織機后停車→機器人定位系統與織機完成精確定位→機器人抓取機構抓住織軸頭端的軸承→升降裝置向上運動使織軸離開織軸托架→空載機器人攜帶空織軸離開織機。織軸上軸操作：機器人完成精確定位→抓取機構抓住滿紗線的織軸抵達預定位置→復位拉簧收縮拉動夾手，夾手打開釋放織軸→織軸沿織軸托架的軌道移動到位→織機自帶氣動裝置鎖緊→滿載機器人離開織機。

3 智能上軸機器人實際應用效果

智能上軸機器人研發成功后投入了實際使用，使用過程中整機運轉穩定可靠，智能上軸機器人與織機定位準確迅速，抓取動作穩定可靠，與車間物流控制系統通訊靈敏可靠，行走安全系統可靠性良好，多機臺工作時協調一致，可以按控制系統的統一規劃路徑穩定行走，安全自停及自動上下軸等功能均完成良好，在機器人缺電時可以自動報警并自動運行到充電區充電。實際運行效果表明智能上軸機器人完全實現了預期功能。

智能上軸機器人的行走區域主要包括倉庫中轉區、織機工作區、自動充電區。由于織造車間織機數量眾多，智能上軸機器人行車路線需要根據織機的具體排布方式以及停車順序，精確邏輯分析計算，合理分布，保證整體效率。使用中也發現智能上軸機器人有不足之處，主要是機器人體積較大，使用智能上軸機器人時織造車間面積需要適當加大，以方便機器人運轉作業。

4 結語

目前織造行業中，織軸在準備車間與織造車間的運輸以及在織機上的掛機操作均要依靠人工進行，整個過程勞動強度大，占用人工時間長，制約了效率的提高。我們公司研發的智能上軸機器人可自動完成織軸的裝卸操作及織軸在織造、準備車間的運輸，改變了織造車間當前的生產組織模式，提高了生產效率，降低了用工成本，為眾多紡織織造企業帶來了生產轉型的機會，應用前景廣闊。