智能搬運小車在紡織企業中的應用研究

魚博，唐新軍

（新疆工程學院機電工程學院，新疆烏魯木齊 830023）

0 引言

從國家工業和信息化部等八部門聯合發布的《“十四五”智能制造發展規劃》中可以看出，我國智能制造領域將得到快速發展，未來制造企業將向著數字化、網絡化、智能化方向發展。紡織企業作為關系民生的重要企業，向智能制造發展也是必然趨勢[1]，實現數字化、智能化工廠已成為大勢所趨[2]。由于紡織企業紡紗車間的噪音大、工作時間長、勞動強度大等問題，造成企業招工難，人員流動大等問題，迫使企業需要不斷轉型升級提高企業智能化水平。近幾年紡紗自動化、智能化已經成為行業重點關注的方向[3]。國內最早的全流程智能化紡紗項目，于2017 年7 月在昌吉溢達紡織有限公司投產，據了解，該項目不僅為企業減少三分之二的車間生產人員，提高了生產效率3 倍左右，而且還提高了產品的穩定性[4]。無錫一棉通過智能化改造萬錠用工人數明顯降低，只需要10～15 人，產量提高15%～20%，生產效率提高30%，用工成本降低40%[5]。武漢裕大華紡紗智能工廠使用經緯紡機數字化棉紡成套裝備基本實現紡紗生產過程與設備狀態在線監控，萬錠用人控制在15 人以內，生產效率提高22.65%[6]。目前，智能改造后對企業用工、產量提高、效率提升都有較大改善，但也存在成套改造資金投入大、廢舊設備的處理等問題。國內棉紡“智能化紡紗”還處于起步階段，距離真正意義上的“智能化”還需要走很長的一條路，其中自動化檢測和處理技術以及物料運輸是主要研究方向，全流程的無人化運輸為智能化改造提供物理基礎。要實現無人物料運輸，主要采用直連和間接連兩種方案，直連主要通過管路連、軌道連；間接連則主要采用智能搬運小車[7]。

文章主要對間接連的智能搬運小車進行研究，通過紡織企業物料搬運需求分析，研究智能搬運小車的應用價值，并對現階段智能小車的研究現狀進行整理分析，最后對紡織企業智能搬運小車未來發展方向進行探討。希望為紡紗車間搬運方式提供智能化改造建議，對紡織企業的智能制造轉型提供技術參考。

1 紡織企業物料搬運需求分析

現階段的紡織企業的主要紡紗方式有普通環錠紡、精梳緊密環錠紡、轉杯紡和渦流紡。4 種紡紗方式流程相似，這里以生產股線的精梳緊密環錠紡流程為例進行展開分析。其基本流程為原棉—清梳聯—預并—條并卷—精梳—末并—粗紗—細紗—絡筒—并線—捻線—打包成型。在整個生產過程都需要大量搬運過程。原材料，如原棉棉包需要搬運清梳聯車間；半成品，如條筒、棉卷、粗紗、細紗、單紗筒子、并線筒子、捻線筒子需要向下一道工序搬運；成品，打包成型的筒子紗需要運輸到倉庫；輔料，如各工序中的空管需要運輸到對應工位，設備材料等需要運輸到維修部分及機臺。

棉包的運輸主要在原材料的準備階段，現階段紡織企業的棉包一般使用標準棉包，由于棉包重量較重，人工搬運時費時費力，有部分企業嘗試智能搬運小車搬運技術，但是暫時并沒有得到推廣使用。條筒的搬運，主要在前紡工序，其中包括梳棉到預并、預并到條并卷、精梳到粗紗的條桶的運輸。一些新興紡織企業通過采用AGV、軌道運輸等方式實現了條筒智能物流運輸[8]，并設計出專用的載具方便條桶的運輸，可以有效提高前紡車間的自動化水平、解決招工難的問題[9]，這些設備主要在新廠實施，舊廠改造成本和難度較大。棉卷的運輸，主要用于開清到梳棉、條并卷到精梳工序之間。現在紡織企業基本采用清梳聯工藝，省去了開清到梳棉的棉卷運輸過程。一些新廠房在廠房設計時，提前預設吊筋運輸位置，采用空中的全自動棉卷輸送系統將棉卷送至精梳工序[8]。由于對場地和設備的要求較多，在舊廠房并不適用。粗紗的運輸，主要在粗紗到細紗工序之間。粗紗機紡出的粗紗收完后一般會存放一段時間，達到一定數量后統一送到細紗機上，舊廠房一般采用小車推送的方式，落紗和搬運過程都需要大量人工；新廠房主要采用粗細聯方式，集合落紗運輸多功能于一體，采用模塊化配合控制，實現細紗機集體粗紗換管需求，從而極大地減少粗紗工序的人工[6，8]。但是粗細聯設備的配套措施和場地要求都比較高，一般還配套有自動落紗，自動清除尾紗管等機構，設備成本較高。細紗的運輸，主要在細紗到絡筒工序之間。落好的管紗需要按類型送到指定的絡筒機或者絡筒機相關錠子上，舊廠房一般采用將手動落下的管紗通過紗筐陳放，然后通過拖車等運輸到絡筒車間。新廠房主要采用細絡聯的方式，極大的降低了操作人員的勞動強度，但對細紗機和絡筒機也有一定的要求，細紗機需要配備自動落紗設備、絡筒機需配備自動找頭、生頭、托盤運輸等功能[6]，并且要求紡紗品種盡量單一。筒紗的運輸，主要在絡筒到并線、捻線到成品工序之間。由于大部分企業生產的紗線品種并非單一品種，一般通過空管顏色來進行分辨紗線品種，筒紗運輸時須做好分類管理。舊廠房一般采用專用的筒紗推車，將筒紗運輸到指定位置。新廠房一般采用筒紗自動包裝系統，將筒紗的運輸和成品結合在一起，具有托舉機構、抓取機構、檢測包裝機構，實現高效生產，提高生產效率的效果[10]。但是在小批量、多品種的紗線產品中效果并不理想。并線管的運輸，主要在并線到捻線工序之間。現階段主流并線管運輸方式采用人工小車搬運的方式，部分新型企業利用AGV 小車進行運輸，一般會配備自動換管設備。

綜合來看，紡紗車間的大部分運輸方式都已經有了代替傳統的人力搬運的方式，但是主要集中在新建廠房的整機改造，舊車間的改造相對困難。紡紗車間除了存在大量的半成品運輸外，還有很多其他運輸，如空筒管、廢棄材料、設備配件、測試樣品的運輸，其中的變動性很多并沒有形成特定的運輸方式。相對整體改造，智能搬運小車在多變的紡紗車間中就有一定的優勢，通過結合傳感器、射頻識別（RFID）、無線電通訊、圖形檢測、工業智能機器人、激光引導、作業路徑智能規劃和數據庫等技術可以滿足大部分的物料運輸任務[11]。伴隨著智能化、自動化水平、制造技術的提升，零部件的降低，也將大幅度降低智能搬運小車的制造成本，所以智能搬運小車在紡織企業智能化改造中具有很好的應用前景。

2 智能搬運車在紡織企業應用現狀

紡織企業進行智能化改造具有巨大前景，改造方向主要可以歸納成以下幾個方面。一方面，通過對設備主機的改造升級為自動化運輸提供可能，如粗、細紗的自動落紗裝置，絡筒機的自動換筒裝置、找頭裝置、插管裝置、托盤運輸裝置、使用筒紗碼垛打包系統等；另一方面，通過增設專用的運輸裝置，如粗細聯的運輸軌道、細絡聯的自動運輸裝置、條筒的軌道運輸裝置、AGV小車運輸等。目前，紡紗企業智能搬運小車主要研究可以分成兩個方向，一個是設備方面的研究，一個是執行方法的研究。

程隆棣等人[7]對東華大學與山東魏橋紡織股份有限公司合作建立的第一代棉紡智能化系統進行了介紹，該系統纖維流無人橋接時，在智能化上包過程中設計了專門的激光導航智能搬運小車，可以根據訂單生成最優的配棉方案及排包圖、規劃最優路線、自動導航到指定位置、精準夾取放置棉包，從而避免人工操作的不確定性，并降低人員的勞動強度；針對并粗工序開發了專門條筒智能搬運小車，通過對條筒位置的精準獲取，并優選置換方式，可以實現4 個條筒的同時推送。

鄭小虎等人[8]對環錠紡紗全流程機器人自動化生產關鍵技術分析指出，AGV 小車已經成為多道工序的主要連接方式，通過讓配棉小車進行多功能集成，可以將配棉時間控制在53 s 以內。

除了硬件上的創新，智能搬運小車的有效調度也直接影響著紡紗企業的生產效率和能源消耗，對生產成本具有較大影響。馬清文等人為解決傳統并條工序中人工搬運條筒任務大，流轉周期時間長的問題，考慮在并條工序配備多臺AGV 小車，建立了智能搬運小車的調度模型，采用遺傳算法優化了智能搬運小車的調度決策問題，通過仿真模型驗證該方式可以顯著提高并條工序的條筒運輸效率[12]。Basit Farooq 等人[13]研究了一種改進的遺傳算法應用在AGV 小車的路徑優化上，用于解決復雜的多AGV 的調度和路徑規劃問題，可以達到有效縮短總路徑距離。

3 紡織企業智能搬運小車發展思考

紡織企業的智能化改造主要是：生產設備智能化、物流輸送過程智能化、數據統計分析智能化、控制系統智能化。根據前文的研究需求和應用現狀可以看出智能搬運小車在紡織企業的智能化改造中有著不可代替的作用，紡織企業中一些不易進行設備改造和軌道運輸的工序，智能搬運小車將是主要方案之一，其發展也將影響紡紗企業的發展水平，未來紡織企業的智能搬運小車可能有以下幾個方向。

3.1 分階段逐步實現智能化

智能搬運小車的發展階段大概可以分為三級，初級階段主要依靠人工控制，中級階段自動化控制，高級階段可以實現智能化控制。紡紗企業的智能搬運小車現在還處于中級階段，可以根據任務利用傳感器、機械臂，完成自動化控制設備完成任務。未來的紡織企業的智能搬運小車將根據實際情況自行調整搬運路線和搬運方式，通過任務學習和人工智能實現紡織廠材料最優的實現搬運目標。

3.2 設備功能的多元集成

現階段的搬運小車更加偏向固定性工作，針對某項工作的固定執行，未來紡織企業智能搬運小車，不再是簡單的完成貨物的搬運工作，可以利用加載新型機械手，完成更多工作。例如配棉智能搬運小車，不僅需要完成棉包的搬運工作，還可以完成自動配棉，自動拆包，自動清理工作，減少生產過程中的人員2 次參與，降低用工成本。

3.3 智能化信息管理系統

現階段的紡紗車間的智能搬運小車，主要是通過人為的優化數據模型，并通過系統傳輸實現智能搬運小車，從而實現智能搬運小車要求。伴隨著人工智能水平的不斷提高，通過數據模擬和反復練習，未來的智能搬運小車將具有自己獨立的分析執行系統，可根據實際需求，選擇最優執行方案并執行。

3.4 其他

現階段的紡紗車間的智能搬運小車主要集中在地面運行，未來可能在空中形成多維軌道實現更好的物料搬運工作。

4 結語

紡織企業的智能化改造是一個必然趨勢，老廠房的換代升級也是未來小型企業低投入改造升級的方案之一，整體而言，智能搬運小車為實現紡紗車間的智能化提供了有力支持。文章針對紡紗車間智能化改造中的物料搬運這一關鍵技術分析研究，通過對精梳環錠紡流程的過程分解，梳理每道工序中物料搬運需求，可以發現在紡紗過程中的原料、半成品、輔料中存在大量的搬運需求，智能搬運小車作為常用的搬運方式之一，在紡織企業中具有很大的應用空間，通過搬運需求的研究得到智能搬運小車在舊廠房改造和復雜搬運過程中具有一定的優勢；通過需求和應用現狀的研究，得出未來的智能搬運小車將趨向智能化、多功能、多維度更好的服務紡織企業。通過梳理，希望為紡織企業的紗錠智能搬運小車的設計和應用提供參考。