陳 翔，袁紅兵，姚萬里

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210000；2.昆山同日工業(yè)自動化有限公司，昆山 215300）

0 引言

近年來，隨著自動化技術(shù)的進(jìn)步，紡織行業(yè)的紡織設(shè)備自動化、連續(xù)化、智能化和高速化程度大大增加[1]。紡織品成型之前需要經(jīng)過一系列的工藝流程，本紡織車間流程為：棉花被壓制成棉塊通過管道流入梳棉機(jī)，棉塊被分解為單纖維狀態(tài)，同時被清除了一些雜質(zhì)，在充分均勻混合后被制成連續(xù)的棉條存儲在底部裝有滾輪的棉桶中。然后，搬運(yùn)工人將多個棉桶拉到并條機(jī)處，其將多根棉條并合和牽伸成一根棉條，然后進(jìn)行下一工序。然而，紡織車間噪聲大、粉塵多以及勞動強(qiáng)度大等問題使得人工搬運(yùn)紡織物料越來越不被看好，并且隨著招工難等問題的出現(xiàn)[2]，紡織物料的自動搬運(yùn)顯得越發(fā)必要。

本文設(shè)計的AGV搬運(yùn)系統(tǒng)的功能為：將梳棉機(jī)生產(chǎn)的滿棉桶搬運(yùn)到并條機(jī)處，并從并條機(jī)處取空棉桶放回梳棉機(jī)處，如此實現(xiàn)空滿棉桶的周轉(zhuǎn)運(yùn)作。為此，針對車間內(nèi)流轉(zhuǎn)于梳棉機(jī)和并條機(jī)之間的棉桶以及車間的生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行分析，同時基于AGV對棉桶的搬運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。

1 紡織車間需求分析

如圖1所示，項目一期現(xiàn)場共有16臺梳棉機(jī)和5臺并條機(jī)，兩種機(jī)器之間有墻隔開，梳棉機(jī)基本為兩排八列分布，并條機(jī)為五排一列分布，16臺梳棉機(jī)生產(chǎn)出的棉條被裝入棉桶中用以供應(yīng)5臺并條機(jī)。

車間工藝流程為：并條機(jī)前方放置2排6列的滿桶，每次換桶數(shù)為6個，即6個滿桶同時供并條機(jī)并條，待第1排的6個滿桶用完后，第2排的6個滿桶繼續(xù)并條。滿桶經(jīng)并條機(jī)并條后變?yōu)榭胀?，空桶?jīng)人工繼續(xù)搬運(yùn)到梳棉機(jī)處裝滿棉條，然后人工再將滿桶送到并條機(jī)處并條，如此循環(huán)反復(fù)周轉(zhuǎn)。

紡織車間工作時間：24小時兩班倒，其中停車清潔時間為2小時，每臺梳棉機(jī)產(chǎn)能40kg/40min/桶（即40分鐘裝滿含40kg棉條的棉桶），并條機(jī)需求：一臺并條機(jī)旁邊放置12個棉桶，并條定量4.26g/m，并條速度374m/min，單次換桶數(shù)為6（即一次有6個棉桶在并條），可以計算出并條機(jī)每換6個棉桶的時間為150min，即在150min之內(nèi)要將6個滿桶送到并條機(jī)處。

圖1 工藝布局圖

2 搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計

針對紡織車間實際情況，對AGV搬運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，包括搬運(yùn)方案設(shè)計、導(dǎo)航定位設(shè)計、硬件設(shè)計以及軟件設(shè)計。

2.1 搬運(yùn)方案設(shè)計

項目一期考慮到兩排梳棉機(jī)中間的空間以及梳棉機(jī)和并條機(jī)之間的空間限制以及現(xiàn)場的生產(chǎn)節(jié)拍，設(shè)計了如圖2所示的AGV搬運(yùn)路線。

為了方便滿桶和空桶的取放，在并條機(jī)前方放置3排4列共12個滿桶緩存，并在并條機(jī)旁邊根據(jù)空間放置了6～8個不等的空桶緩存以方便AGV在送完滿桶時取空桶送回梳棉機(jī)處，同時規(guī)定取空桶的方式：在并條機(jī)一側(cè)設(shè)置有供空桶下滑的斜坡，每次AGV僅需在斜坡出口處取空桶即可。

在梳棉機(jī)區(qū)域，共設(shè)置了三條通道，而由于并條機(jī)處空間較小，只能供一臺小車進(jìn)入，必要時需要設(shè)置交通管制以避免發(fā)生堵塞和碰撞。

圖2 AGV搬運(yùn)方案圖

由表1可知，每臺梳棉機(jī)出桶速度為40min/桶，則16臺梳棉機(jī)出桶速度為40min/16桶，在并條機(jī)需求時間150min內(nèi)，梳棉機(jī)出桶次數(shù)為3次，共出桶48桶，而每臺并條機(jī)在150min內(nèi)需求為6桶，5臺并條機(jī)共需求30桶，可以看出梳棉機(jī)出桶速度完全滿足并條機(jī)需求，AGV只需要滿足在150min內(nèi)搬運(yùn)48個桶即可。

表1 梳棉機(jī)、并條機(jī)相關(guān)參數(shù)

由表2可知，一臺AGV搬運(yùn)一個桶的總時間為：T=T1+T2+T3+T4=11min，在150min之內(nèi)可以搬運(yùn)桶數(shù)為13，而在這段時間內(nèi)需要搬運(yùn)的桶數(shù)為48，故總共需要4臺AGV才能滿足節(jié)拍。

2.2 導(dǎo)航定位設(shè)計

目前AGV的導(dǎo)航技術(shù)主要有磁條導(dǎo)航、色帶導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航以及激光導(dǎo)航等方式，綜合考量項目現(xiàn)場的柔性化搬運(yùn)以及經(jīng)濟(jì)性實施，確定采用磁條導(dǎo)航結(jié)合RFID技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航定位。本項目的導(dǎo)航定位原理如圖3所示，AGV車體上總共安裝了三個磁導(dǎo)航傳感器和一個RFID讀寫器，其中前磁導(dǎo)航傳感器1和后磁導(dǎo)航傳感器3用于小車在主道路上沿著磁條6做前進(jìn)和后退的動作，側(cè)磁導(dǎo)航傳感器2用于檢測橫向磁條5以控制AGV小車精確停止，RFID讀寫器4用于讀取路線上的RFID標(biāo)簽[3]，可以實現(xiàn)AGV小車位置信息的實時更新，除此之外，AGV也可以根據(jù)RFID標(biāo)簽中的指令實現(xiàn)加速、減速、分叉、旋轉(zhuǎn)90°以及原地等待等動作。

圖3 AGV導(dǎo)航定位原理圖

2.3 硬件設(shè)計

如圖4所示，AGV系統(tǒng)硬件包括UPS、服務(wù)器、交換機(jī)、遠(yuǎn)程無線I/O、無線AP、AGV等，光電傳感器、人體感應(yīng)器、按鈕以及智能充電機(jī)等設(shè)備與遠(yuǎn)程無線I/O模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程連接，大大減少接線工作量。其中UPS在車間供電正常的情況下起到穩(wěn)壓的作用，當(dāng)車間斷電時，UPS可以作為備用電源以防止通信數(shù)據(jù)的丟失而造成安全事故；交換機(jī)用于通信數(shù)據(jù)的交換；無線AP用于組成現(xiàn)場通信局域網(wǎng)；AGV作為搬運(yùn)的載體，主要由單片機(jī)控制板控制，接收來自調(diào)度系統(tǒng)的指令，從而完成搬運(yùn)任務(wù)。

表2 AGV相關(guān)參數(shù)

圖4 硬件框架圖

2.4 軟件設(shè)計

AGV系統(tǒng)軟件即調(diào)度系統(tǒng)，如圖5所示，分為權(quán)限管理、電子地圖、任務(wù)下發(fā)、路徑規(guī)劃以及交通管制等模塊。權(quán)限管理模塊可以為多個用戶設(shè)置多個管理權(quán)限；電子地圖模塊可以導(dǎo)入例如DXF格式的地圖，方便現(xiàn)場人員查看AGV的位置等信息；任務(wù)下發(fā)模塊分為手動下發(fā)和自動下發(fā)模式，其中手動下發(fā)模式多用于調(diào)試階段以及突發(fā)情況；路徑規(guī)劃模塊用于合理規(guī)劃AGV搬運(yùn)路徑以提高系統(tǒng)整體搬運(yùn)效率；交通管制模塊根據(jù)現(xiàn)場物流狀況，在容易發(fā)生碰撞、堵塞的地方設(shè)置交通管制組[4]。

圖5 AGV軟件框架圖

3 搬運(yùn)系統(tǒng)流程

梳棉機(jī)共有三個工位，分別為空桶放置區(qū)、工作區(qū)以及滿桶放置區(qū)，在空桶放置區(qū)和滿桶放置區(qū)各放置光電傳感器用以檢測棉桶的有無。如圖6所示，當(dāng)空桶放置區(qū)的光電檢測不到棉桶時，通信系統(tǒng)通知調(diào)度系統(tǒng)該位置還未放置空桶，此時調(diào)度系統(tǒng)對就近的AGV下發(fā)搬運(yùn)空桶命令，送完空桶后，當(dāng)滿桶放置區(qū)的光電檢測到滿桶信號時，AGV前往滿桶放置區(qū)將滿桶搬運(yùn)到并條機(jī)處。

并條機(jī)處的叫料方式為按鈕呼叫方式，即當(dāng)并條機(jī)處需要滿桶時，人工按下線邊的按鈕，此時AGV根據(jù)按鈕盒所在的機(jī)臺位置自動將滿桶搬運(yùn)到該機(jī)臺處。

當(dāng)出現(xiàn)空閑的時候，AGV會去充電區(qū)進(jìn)行電量補(bǔ)充，當(dāng)調(diào)度系統(tǒng)再次下發(fā)任務(wù)時，AGV緊接著執(zhí)行任務(wù)。

圖6 搬運(yùn)系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)語

本文針對紡織車間周轉(zhuǎn)于梳棉機(jī)和并條機(jī)之間的棉桶，對車間需求、生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行分析，設(shè)計了一套基于AGV的棉桶搬運(yùn)系統(tǒng)，闡述了AGV的搬運(yùn)方案、導(dǎo)航定位方法、硬件組成和軟件組成，最后對整個搬運(yùn)系統(tǒng)流程的實現(xiàn)進(jìn)行了梳理。

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)棉桶的自動化搬運(yùn)，大大降低工人的勞動強(qiáng)度，解決招工困難、生產(chǎn)管理混亂等問題。綜上所述，在紡織車間應(yīng)用棉桶搬運(yùn)系統(tǒng)具有很好的實際應(yīng)用價值。