整经机经轴上落运输智能机器人研发

刘汉申+王庆华+李铬+陈威望

摘 要：本文针对国内外纺织车间整经机经轴的人工和半自动化上落运输方式，利用智能化技术，研发一种整经机经轴上落运输智能机器人。介绍了机器人的运动规划及工作原理，并研究出基于PLC的控制系统，采用以触摸屏和无线通信为人机对话窗的控制方案，在导航控制单元中采用模糊PID控制，提高系統的稳定性与鲁棒性。整经机经轴上落运输机器人的研发使智能替代了人工，有助于推动纺织业提质增效。

关键词：经轴；智能；机器人；PLC；模糊PID

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.020

0 引言

纺织工业作为我国基础产业，同时也是劳动密集型产业，工人劳动强度大、自动化程度低。伴随互联网+、智能化的大潮，纺织智能化数字车间也必将成为新常态[1]。织造生产过程环节较多，智能化车间势必需要各环节间的无缝对接。如整经机经轴上落运输环节如图1所示，当整经机满时，工业机器人从经轴库调运空轴至整经机车头，将整经机满轴更换为空轴，再将满轴运回经轴库，完成一次整经机经轴上落运输过程[2]；同样，浆纱机的上落轴也由机器人完成；总之，工业机器人是实现生产互联的纽带，因此实现空轴、满轴的智能化上落与运输是纺织智能化数字车间的一部分。

整经是织前准备的一道重要工序，在纺织企业里经轴数量庞大，一台浆纱机可配置12～20根经轴。但目前国内外整经机经轴的上轴、落轴、运输过程仍需人工操作，效率低、精度差，自动化程度低[3-4]。随着我国人口红利逐渐消失，减少企业的用工成本、提高生产效率、提升纺织业的自动化和智能化水平势在必行。本文针对整经工艺流程研究出可自动上、落、运输经轴的智能机器人，用智能替代人工，最终实现纺织车间的无人化生产。

1 机器人运动规划

机器人配合空轴库的自动存取系统装载空轴，沿预定的轨迹运行至整经机车头位置（此时整经机车头上已经有一个满轴），先完成满轴的落轴再完成空轴的上轴；载着满轴的机器人再寻迹运行至满轴库位，配合满轴库的自动存取系统存放满轴，完成经轴的上落运输作业的机器人，运行至等待位，等待下一个工作指令。

2 机器人机械结构与工作流程

经轴上落机器人的整体结构如图2所示，为了实现满轴落轴、空轴上轴的一体化，机器人采用上下结构。质量相对较小的空经轴布置在上部，由货叉5和提升托臂3组成的空轴上落机构实现抓取、提升和下降运动 [5]。质量较大的满轴置于机器人底部沿固定轨道运行的满轴小车上，实现满轴的上落运输。

经轴上落运输机器人装载好空轴沿磁导航运行至整经机车头前指定位置，此时空轴在提升托臂3和双层货叉机构5的配合下停留在图A位置。整经机满匹时，车头的伸缩气缸动作使外锥齿轮与经轴上的内锥齿轮缓慢脱离；空置的满轴上落小车9由B位置沿着满轴上落小车轨道11运行到整经机车头前D位置并把满轴自动装载到小车上，小车沿着轨道退回到B位置。满轴落轴完成后，提升托臂把空轴从位置A点降到位置C点，双层货叉前伸，空轴由C位置运送到D位置，车头上的伸缩气缸推出外锥齿轮和经轴上的内锥齿轮缓慢啮合，完成上轴后，货叉缩回。随后机器人运送满轴至满轴库，完成卸载后，回到待机点为下次经轴上落运输做准备。

3 机器人控制系统

3.1 控制系统结构设计

经轴上落运输机器人的控制系统硬件结构可分为7个单元：主控单元、行走单元、空轴上落单元、满轴上落单元、安全防护单元、通讯单元和供电单元。其中主控单元由PLC、触摸屏和机械按钮组成[6]。行走单元由磁导航传感器、避障传感器、地标传感器、伺服驱动器和伺服电机组成。空轴上落单元由空轴升降电机、伸缩臂电机和接近开关组成。满轴上落单元由满轴小车行走电机、满轴小车托臂电机和接近开关组成。安全防护单元由应急开关、防撞开关、避障传感器和报警器组成。通讯单元采用无线通讯模块实现机器人的调度和状态信息传输。供电单元实时监测电池容量，当容量低于设定下限值时向上位机发出充电请求信号。

3.2 机器人寻迹控制策略

机器人沿磁导航运行中的调速和差速均使用PID控制，但其实际运行过程中的方向、位置、速度的变化率跟运行环境有关，并非按照期望值变化，常规的PID控制法很难达到预期的控制效果。由于机器人的运动系统属于非完整的约束系统，建立精确的运动数学模型相当困难，而模糊控制是基于专家或现场操作人员的专业知识和操作经验而形成的模型，无须建立精确数学模型，所以机器人的寻迹运行系统采用模糊PID控制可提高系统的稳定性和鲁棒性[7]。

本设计选用机器人运行中位置偏差和位置偏差变化率作为模糊控制器的输入量，将被控伺服电机的PWM占空比作为输出量，建立二维模糊控制器结构如图3所示。模糊控制器所使用的控制规则是使用模糊语言来实现的，首先将偏差和位置偏差变化率经过模糊化处理成模糊语言能识别的模糊量E，然后经过语言规则模糊推理得到模糊量U，再经过清晰化处理得到被控对象伺服系统能够识别的清晰量u。

4 结语

本文从织造车间实际生产应用出发，引入现代设计理念，结合互联网+和智能化技术，研发出一种整经机经轴上落运输智能机器人。机器人采用“一车两轴”的运输方式，无须人工干预，替代了传统的人工和半自动化上落运轴方式，提高了整经机的上落轴效率。经轴上落运输机器人经适配改造同样适用于浆纱机、织机的上落运轴作业，实现了工序与工序、车间与仓储的互联，提升了传统纺织行业的技术面貌，推动纺织智能化车间的进一步发展，战略意义重大。

参考文献：

[1]邹戬.论我国纺织产业国际竞争力研究[D].上海：东华大学，2014.

[2]萧汉滨.新型浆纱设备与工艺[M].北京：中国纺织出版社，2006.

[3]陈革，杨建成.纺织机械概论[M].北京：中国纺织出版社，2011（05）.

[4]蒋少军，周鸣理.整经机的发展趋势[J].纺织导报2008（12）.

[5]梁睦.堆垛机3层货叉直线差动机构的设计[J].起重运输机械，2005（03）：32-33.

[6]谢丽萍，王占富等.西门子S7-200系列PLC快速入门与实践[M].北京：人民邮电出版社.2010：214-222.

[7]王志凯，郭宗仁，李琰.基于PLC实现模糊控制的两种程序设计方法[J].工业控制计算机，2002.2.

作者简介：刘汉申（1992-），男，研究生在读，主要从事新型纺织机械方向的研究。endprint