鏈條導軌型自動落布小車設計與實踐

李鵬飛 王水明 周賢鋼 王 浩 余聯慶

（1.湖北中煙工業有限責任公司，湖北武漢，430040；2.湖北新業煙草薄片開發有限公司，湖北武漢，430056；3.武漢紡織大學，湖北武漢，430073）

落布工序是指將布輥從織機中卸載并運輸到驗布車間的過程。目前，該工序主要由人工或者液壓輔助方式來完成。常見的布輥質量一般為60 kg～150 kg，運輸距離約為20 m～80 m，存在勞動強度大、效率低下以及用工困難等問題。隨著織機速度的不斷提高，落布和運輸工作量也隨之增長，上述問題日益突出，亟需一種能夠降低勞動強度、提升工作效率的自動落布裝置。

自20 世紀七八十年代開始，國內外專家學者在自動落布和布輥運輸方面進行大量的研究與實踐，提出了不同的技術路線和解決方案，如黃故等人提出的半制品自動運輸系統、原上海第十二棉紡織廠研制的落布自動運輸線、前西德研發的機器人落布小車、美國研發的布輥吊運機器人以及意大利研發的全自動落布機器人系統等［1-4］。落布機器人系統即關節型自動落布小車存在結構復雜，一車只能裝載一個布輥、工作效率較低且價格昂貴等問題；自動運輸系統需要較大的工作空間和占地面積，且系統的柔性不夠。因而上述方案在國內織造車間未能得到推廣應用。

文獻［5-6］中提出了一種結構簡單、占用空間小的自動多載落布小車，其特點是采用落布鉤和鏈條導軌來移載布輥。這種軌道式落布方式雖然避免了關節型機械臂的復雜結構與控制系統，但是其軌道曲線不能適應所有型號的織機與巷道寬度，因此，需要針對不同型號的織機設計軌道曲線。

1 功能需求與導軌形式

機織落布工序的步驟一般包括斷布、松手柄、移載布輥、裝上空軸、將布輥運輸至驗布車間。若將所有人工步驟進行自動化改造升級，將導致系統的復雜程度和制造成本急劇增大。從織機上卸載布卷和搬運布卷是兩個費力耗時的步驟，而斷布、松手柄和安裝空布輥軸這三個步驟比較輕松。為此，可將卸載布卷、搬運布卷由落布小車來自動完成，而斷布、松手柄和安裝空軸則由擋車工人手動操作來完成，這樣既可大大降低設備的復雜程度和造價，又能替代繁重的體力勞動，易于在企業推廣。

自動落布小車的長度依據織機的幅寬而設定，其高度與寬度則需要根據實際工況進行參數化設計。為了提高落布小車對織機巷道的適應性以及運行過程的平穩性，在設計過程中應盡量減小其整體寬度和重心高度。為了保證帶有雙側滾輪的鏈條在導軌槽內的平穩運行以及良好的受力情況，可采用如圖1 所示的兩種曲線形式。

圖1 鏈條導軌的兩種形式

由圖1 可知，在等高、等寬的情況下，采用兩圓弧一直線形式的導軌會導致布輥在提升過程中與AGV 車體發生干涉碰撞。因此，本設計采用三段相切圓弧形式的鏈條導軌。

2 鏈條導軌的優化設計

2.1 鏈條導軌曲線的參數方程

落布小車行走至目標織機，向右側移動靠近織機墻板，建立如圖2 所示的結構尺寸圖。L為織機巷道寬度，W、H為分別為鏈條導軌寬度和高度，w、h分別為AGV 車體的寬度和高度，h1、r1分別為布輥高度和半徑，h2、r2分別為織機前梁高度和半徑。虛曲線表示鏈條運動軌跡，實曲線表示布輥軸心運動軌跡，也就是待求的導軌曲線。

圖2 自動落布小車結構尺寸示意圖

以自動落布小車右側支架中心線與地面交點O為原點，建立地面參考坐標系XOY。第一段圓弧與機架相切于O1點，第二段圓弧與第一段圓弧相切于O2點，第三段圓弧的一端與第二段圓弧相切于O3點，另一端與水平線相切。α1、α2、α3分別為三段圓弧的圓心角，R1、R2、R3分別為三段圓弧的半徑。以三段圓弧的起始端點O1、O2、O3為原點分別建立局部坐標系X1O1Y1、X2O2Y2、X3O3Y3，坐標軸Y1與坐標軸Y重合，坐標軸X1沿水平方向，坐標軸X2、X3分別沿第二、三段圓弧的切線方向。θi為局部坐標系XiOiYi相對于Xi-1Oi-1Yi-1沿軸Zi-1轉動的角度，xi、yi分別為局部坐標系XiOiYi相對于Xi-1Oi-1Yi-1的沿Xi-1軸正向和沿Yi-1軸正向的位移（i=1，2，3）。

設(i x，i y)為局部坐標系XiOiYi中圓弧軌道上任意點的坐標。在局部坐標系X1O1Y1中第一段圓弧軌道的參數方程可表示為式（1）。

式 中：ci=cosαi，si=sinαi(i=1，2，3)。同理，可得到第二段、第三段圓弧軌道在局部坐標系中的參數方程。

為了便于軌道參數優化設計，需要將三段獨立的圓弧軌道參數方程從局部坐標系變換到地面參考坐標系。基于D-H法可得到局部坐標系1、

2、3 相對于參考坐標系的變換矩陣

設i p=[i x，i y，0，1]T為圓弧軌道上任意點在局部坐標系XiOiYi中的齊次坐標，=為圓弧軌道上任意點在參考坐標系XOY中的齊次坐標。根據齊次變換關系式可分別將三段圓弧軌道變換到參考坐標系。

由式（1）和局部坐標系1 相對于參考坐標系的變換矩陣，可得到第一段圓弧軌道在參考坐標系中的參數方程，見式（2）。

式 中：Ci=cosθi，Si=sinθi(i=1，2，3)。同理，可分別獲得第二段、第三段圓弧軌道在參考坐標系中的參數方程02p，03p。

鏈 條 導 軌 參 數 方 程 含 有αi，Ri，θi，xi，yi(i=1，2，3)等15 個設計參數。為了便于后續求解，利用幾何原理對參數之間的關系進行分析。第一段圓弧軌道與參考坐標系Y軸相切，局部坐標系X1O1Y1與參考坐標系平行，因此，其旋轉角θ1=0。由于第一段圓弧軌道與第二段圓弧軌道的公切線q1與兩圓心連線O′1O′2相互垂直，因此，局 部 坐 標 系X2O2Y2的 旋 轉 角θ2=π/2-α1，同理，可求得局部坐標系X3O3Y3的旋轉角θ3。由圖2 可知，局部坐標系X1O1Y1相對于參考坐標系的偏置位移見式（3）。

式 中：Cij=cos(θi+θj) (i，j=1，2，3)。 同理，可得到局部坐標系之間的偏置位移x2、y2、x3、y3。

綜上可知，局部坐標系的旋轉角θi以及偏置位 移(xi，yi)等9 個 參 數 中θ1，x1為0，其 余7 個 參數 以 及α2均 可 由α1、α3、R1、R2、R3等5 個 參 數 來表示。

2.2 鏈條導軌參數優化模型

設向量X=(α1，α3，R1，R2，R3)T為設計變量，由圖2 可得到導軌寬度和高度的表達式，見式（4）和式（5）。

為了提高自動落布小車對織機巷道的適應性，鏈條導軌寬度應盡量偏小；同時，為了提高落布過程和運輸過程的平穩性，鏈條導軌高度盡量偏小。采用目標加權法，通過對各目標賦予一定的權重，從而將多目標優化問題轉化為單目標優化問題［8］，見式（6）。

式中：Y1為導軌寬度權重系數，Y2為導軌高度權重系數，且Y1+Y2=1。

落布過程中布輥依次沿著第三段、第二段和第一段圓弧軌道自下而上移動到機架置布鉤上，布輥可能與AGV 車體、機前梁發生干涉碰撞。落布小車在巷道里行走時，其與織機之間的距離須符合安全標準。因此，軌道參數的優化設計需滿足如下約束條件。

約束條件1：布輥沿著第三段圓弧軌道向上移動過程中，為了避免與AGV 車體的右側面發生干涉，圓弧軌道上任意點到右側面的距離應不小于布輥半徑。

約束條件2：布輥沿著第二段圓弧軌道向上移動過程中，為了避免與AGV 車體棱邊以及織機前梁發生干涉，圓弧軌道上任意點到棱邊的距離應不小于布輥半徑，且到前梁軸心的距離應大于布輥半徑與前梁半徑之和。

約束條件3：布輥沿著第一段圓弧軌道向上移動過程中，為了避免與AGV 車體頂面發生干涉，圓弧軌道上任意點到頂面的距離不小于布輥半徑。

約束條件4：自動落布小車在織機巷道行走過程中，為了防止人員和設備受到撞擊，根據相關安全標準，在小車與織機之間保持一定的安全距離。

于是，鏈條導軌參數優化模型見式（7）。

3 算例

某織造車間的織機為豐田710 型噴氣織機，幅寬為1 900 mm。AGV 小車采用兩套差速輪驅動，在磁條導引下具有全方向移動能力。相關已知工況參數：布輥高度h1=290 mm，布輥半徑r1=200 mm，前梁高度h2=590 mm，前梁半徑r2=40 mm，AGV 車體高度h=290 mm，AGV 車體寬度w=380 mm，織機巷道寬度L=1 350 mm，安全距離l=200 mm。

取權重系數Y1=0.5、Y2=0.5，利用Matlab遺傳算法工具箱對參數優化模型（7）進行求解［9］，得到設計變量X的優化解之后，進而可得到其余的軌道參數，結果如下。第一段圓弧半徑R1=152 mm，第一段圓弧圓心角α1=80.5°，第二段圓弧半徑R2=220 mm，第二段圓弧圓心角α2=60.5°，第三段圓弧半徑R3=105 mm，第三段圓弧圓心角α3=70°，局部坐標系1 的旋轉角θ1=0°，局部坐標系1 的偏置位移x1=0 mm，局部坐標系1的偏置位移y1=325.7 mm，局部坐標系2 的旋轉角θ2=9.5°，局部坐標系2 的偏置位移x2=126.9 mm，局部坐標系2 的偏置位移y2=-149.9 mm，局部坐標系3 的旋轉角θ3=60.5°，局部坐標系3 的偏置位移x3=191.5 mm，局部坐標系3 的偏置位移y3=-28.5 mm。

最后，利用式（4）、式（5）可得到鏈條導軌的高度H=619 mm，寬度W=373 mm。

為了便于針對織機型號以及織造車間巷道工況進行鏈條導軌的參數化設計，在Matlab 中開發了用戶交互界面，如圖3 所示。

圖3 用戶交互界面

用戶在圖形化界面中能夠方便快速地輸入已知參數，而且能夠可視化輸出計算結果和軌道曲線。

4 樣機制作與功能測試效果

自動多載落布小車由AGV 車體和軌道式落布機構組成，整體結構如圖4 所示。AGV 車體的兩側為結構相同的鏈條導軌；帶有雙側滾輪的鏈條上安裝有落布鉤，在驅動單元的作用下沿著導軌移動。鏈條導軌既是布輥移載的軌道，也被作為小車支架，其上安裝有置布鉤1、2，用于存放布輥。由圖4 可知，落布單元由左右兩個鏈條導軌和驅動單元組成。驅動單元由直流無刷電機、蝸輪蝸桿減速器、傳動軸以及鏈輪組成。如果織機巷道較寬，小車可配置兩個落布單元，其上可放置4 個布輥；如果巷道較窄，則配置單個落布單元，其上可放置兩個布輥，從而實現多載功能。

圖4 自動多載落布小車機械結構圖

為確保落布過程中的穩定性，布輥在導軌上的移動速度設定為0.1 m/s。取布輥的最大質量為100 kg，鏈輪的選型為08B-25Z，分度圓半徑約為51 mm，因此，鉤布所需的扭矩為51 N·m。直流電機輸入電壓為24 V，輸出功率為0.24 kW，蝸輪蝸桿減速器的減速比為1∶80。經過校核，驅動單元的元器件配置和選型能夠滿足落布過程的速度和負載要求。

加工制作具有雙落布單元的自動落布小車工程樣機，并在織造車間進行功能測試。試驗流程：織造任務完成之后，由人工進行斷布和松開布輥軸，自動落布小車在導航系統的導引下沿著巷道中線行走到目標織機，如圖5（a）所示；主動電機驅動鏈輪反轉，鏈條和落布鉤依靠重力沿著軌道下滑至軌道末端；接著，小車向織機側移一定距離將落布鉤置于布輥軸附近；然后，主動電機驅動鏈輪正轉，帶動鏈條和落布鉤鉤動布輥軸，并將布輥拖拽至置布鉤上，如圖5（b）所示；小車反向側移一定距離回到巷道中線，如圖5（c）所示；在導航系統的引導下行走到驗布車間，如圖5（d）所示。

圖5 自動落布小車樣機功能測試

落布過程耗時約20 s，運輸過程中小車行走的平均速度為15 m/s，與熟練落布工的用時基本一致。因此，從整體上能夠達到降低勞動強度、減員增效的目的。鏈條導軌型落布小車的一個落布單元只需要一個驅動電機，結構簡單，成本低廉。同時，該小車具有結構可變的特點，可根據巷道寬度選擇配置具有雙落布單元或單落布單元的小車。

5 結束語

針對織造車間落布工序勞動強度大、效率低的問題，本研究通過對鏈條導軌的優化設計，結合實際的工況參數，制作了鏈條導軌式自動多載落布小車樣機，測試結果表明：鏈條導軌式多載落布小車能夠替代人工自動完成勞動強度大的落布、運輸等兩個步驟，具有結構簡單、成本低廉、適應不同巷道寬度的優點，達到了降低勞動強度、減員增效的目的，對織造車間的自動化改造升級具有一定的借鑒作用。然而，由于一種鏈條導軌只能適應一種型號的織機，對于擁有幾種型號織機的中大型織造車間，需要設計和配置不同型號的鏈條導軌型落布小車才能滿足落布工作量，今后將著力解決鏈條導軌式多載落布小車對織機型號適應性不足的缺點。