整經(jīng)機(jī)經(jīng)軸上落運(yùn)輸智能機(jī)器人研發(fā)

劉漢申+王慶華+李鉻+陳威望

摘 要：本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外紡織車(chē)間整經(jīng)機(jī)經(jīng)軸的人工和半自動(dòng)化上落運(yùn)輸方式，利用智能化技術(shù)，研發(fā)一種整經(jīng)機(jī)經(jīng)軸上落運(yùn)輸智能機(jī)器人。介紹了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及工作原理，并研究出基于PLC的控制系統(tǒng)，采用以觸摸屏和無(wú)線通信為人機(jī)對(duì)話窗的控制方案，在導(dǎo)航控制單元中采用模糊PID控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與魯棒性。整經(jīng)機(jī)經(jīng)軸上落運(yùn)輸機(jī)器人的研發(fā)使智能替代了人工，有助于推動(dòng)紡織業(yè)提質(zhì)增效。

關(guān)鍵詞：經(jīng)軸；智能；機(jī)器人；PLC；模糊PID

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

0 引言

紡織工業(yè)作為我國(guó)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、自動(dòng)化程度低。伴隨互聯(lián)網(wǎng)+、智能化的大潮，紡織智能化數(shù)字車(chē)間也必將成為新常態(tài)[1]。織造生產(chǎn)過(guò)程環(huán)節(jié)較多，智能化車(chē)間勢(shì)必需要各環(huán)節(jié)間的無(wú)縫對(duì)接。如整經(jīng)機(jī)經(jīng)軸上落運(yùn)輸環(huán)節(jié)如圖1所示，當(dāng)整經(jīng)機(jī)滿時(shí)，工業(yè)機(jī)器人從經(jīng)軸庫(kù)調(diào)運(yùn)空軸至整經(jīng)機(jī)車(chē)頭，將整經(jīng)機(jī)滿軸更換為空軸，再將滿軸運(yùn)回經(jīng)軸庫(kù)，完成一次整經(jīng)機(jī)經(jīng)軸上落運(yùn)輸過(guò)程[2]；同樣，漿紗機(jī)的上落軸也由機(jī)器人完成；總之，工業(yè)機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)互聯(lián)的紐帶，因此實(shí)現(xiàn)空軸、滿軸的智能化上落與運(yùn)輸是紡織智能化數(shù)字車(chē)間的一部分。

整經(jīng)是織前準(zhǔn)備的一道重要工序，在紡織企業(yè)里經(jīng)軸數(shù)量龐大，一臺(tái)漿紗機(jī)可配置12～20根經(jīng)軸。但目前國(guó)內(nèi)外整經(jīng)機(jī)經(jīng)軸的上軸、落軸、運(yùn)輸過(guò)程仍需人工操作，效率低、精度差，自動(dòng)化程度低[3-4]。隨著我國(guó)人口紅利逐漸消失，減少企業(yè)的用工成本、提高生產(chǎn)效率、提升紡織業(yè)的自動(dòng)化和智能化水平勢(shì)在必行。本文針對(duì)整經(jīng)工藝流程研究出可自動(dòng)上、落、運(yùn)輸經(jīng)軸的智能機(jī)器人，用智能替代人工，最終實(shí)現(xiàn)紡織車(chē)間的無(wú)人化生產(chǎn)。

1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

機(jī)器人配合空軸庫(kù)的自動(dòng)存取系統(tǒng)裝載空軸，沿預(yù)定的軌跡運(yùn)行至整經(jīng)機(jī)車(chē)頭位置（此時(shí)整經(jīng)機(jī)車(chē)頭上已經(jīng)有一個(gè)滿軸），先完成滿軸的落軸再完成空軸的上軸；載著滿軸的機(jī)器人再尋跡運(yùn)行至滿軸庫(kù)位，配合滿軸庫(kù)的自動(dòng)存取系統(tǒng)存放滿軸，完成經(jīng)軸的上落運(yùn)輸作業(yè)的機(jī)器人，運(yùn)行至等待位，等待下一個(gè)工作指令。

2 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作流程

經(jīng)軸上落機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，為了實(shí)現(xiàn)滿軸落軸、空軸上軸的一體化，機(jī)器人采用上下結(jié)構(gòu)。質(zhì)量相對(duì)較小的空經(jīng)軸布置在上部，由貨叉5和提升托臂3組成的空軸上落機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抓取、提升和下降運(yùn)動(dòng) [5]。質(zhì)量較大的滿軸置于機(jī)器人底部沿固定軌道運(yùn)行的滿軸小車(chē)上，實(shí)現(xiàn)滿軸的上落運(yùn)輸。

經(jīng)軸上落運(yùn)輸機(jī)器人裝載好空軸沿磁導(dǎo)航運(yùn)行至整經(jīng)機(jī)車(chē)頭前指定位置，此時(shí)空軸在提升托臂3和雙層貨叉機(jī)構(gòu)5的配合下停留在圖A位置。整經(jīng)機(jī)滿匹時(shí)，車(chē)頭的伸縮氣缸動(dòng)作使外錐齒輪與經(jīng)軸上的內(nèi)錐齒輪緩慢脫離；空置的滿軸上落小車(chē)9由B位置沿著滿軸上落小車(chē)軌道11運(yùn)行到整經(jīng)機(jī)車(chē)頭前D位置并把滿軸自動(dòng)裝載到小車(chē)上，小車(chē)沿著軌道退回到B位置。滿軸落軸完成后，提升托臂把空軸從位置A點(diǎn)降到位置C點(diǎn)，雙層貨叉前伸，空軸由C位置運(yùn)送到D位置，車(chē)頭上的伸縮氣缸推出外錐齒輪和經(jīng)軸上的內(nèi)錐齒輪緩慢嚙合，完成上軸后，貨叉縮回。隨后機(jī)器人運(yùn)送滿軸至滿軸庫(kù)，完成卸載后，回到待機(jī)點(diǎn)為下次經(jīng)軸上落運(yùn)輸做準(zhǔn)備。

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)軸上落運(yùn)輸機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)可分為7個(gè)單元：主控單元、行走單元、空軸上落單元、滿軸上落單元、安全防護(hù)單元、通訊單元和供電單元。其中主控單元由PLC、觸摸屏和機(jī)械按鈕組成[6]。行走單元由磁導(dǎo)航傳感器、避障傳感器、地標(biāo)傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成?？蛰S上落單元由空軸升降電機(jī)、伸縮臂電機(jī)和接近開(kāi)關(guān)組成。滿軸上落單元由滿軸小車(chē)行走電機(jī)、滿軸小車(chē)托臂電機(jī)和接近開(kāi)關(guān)組成。安全防護(hù)單元由應(yīng)急開(kāi)關(guān)、防撞開(kāi)關(guān)、避障傳感器和報(bào)警器組成。通訊單元采用無(wú)線通訊模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的調(diào)度和狀態(tài)信息傳輸。供電單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池容量，當(dāng)容量低于設(shè)定下限值時(shí)向上位機(jī)發(fā)出充電請(qǐng)求信號(hào)。

3.2 機(jī)器人尋跡控制策略

機(jī)器人沿磁導(dǎo)航運(yùn)行中的調(diào)速和差速均使用PID控制，但其實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的方向、位置、速度的變化率跟運(yùn)行環(huán)境有關(guān)，并非按照期望值變化，常規(guī)的PID控制法很難達(dá)到預(yù)期的控制效果。由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)屬于非完整的約束系統(tǒng)，建立精確的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型相當(dāng)困難，而模糊控制是基于專(zhuān)家或現(xiàn)場(chǎng)操作人員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和操作經(jīng)驗(yàn)而形成的模型，無(wú)須建立精確數(shù)學(xué)模型，所以機(jī)器人的尋跡運(yùn)行系統(tǒng)采用模糊PID控制可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性[7]。

本設(shè)計(jì)選用機(jī)器人運(yùn)行中位置偏差和位置偏差變化率作為模糊控制器的輸入量，將被控伺服電機(jī)的PWM占空比作為輸出量，建立二維模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。模糊控制器所使用的控制規(guī)則是使用模糊語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的，首先將偏差和位置偏差變化率經(jīng)過(guò)模糊化處理成模糊語(yǔ)言能識(shí)別的模糊量E，然后經(jīng)過(guò)語(yǔ)言規(guī)則模糊推理得到模糊量U，再經(jīng)過(guò)清晰化處理得到被控對(duì)象伺服系統(tǒng)能夠識(shí)別的清晰量u。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從織造車(chē)間實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用出發(fā)，引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)+和智能化技術(shù)，研發(fā)出一種整經(jīng)機(jī)經(jīng)軸上落運(yùn)輸智能機(jī)器人。機(jī)器人采用“一車(chē)兩軸”的運(yùn)輸方式，無(wú)須人工干預(yù)，替代了傳統(tǒng)的人工和半自動(dòng)化上落運(yùn)軸方式，提高了整經(jīng)機(jī)的上落軸效率。經(jīng)軸上落運(yùn)輸機(jī)器人經(jīng)適配改造同樣適用于漿紗機(jī)、織機(jī)的上落運(yùn)軸作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了工序與工序、車(chē)間與倉(cāng)儲(chǔ)的互聯(lián)，提升了傳統(tǒng)紡織行業(yè)的技術(shù)面貌，推動(dòng)紡織智能化車(chē)間的進(jìn)一步發(fā)展，戰(zhàn)略意義重大。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：劉漢申（1992-），男，研究生在讀，主要從事新型紡織機(jī)械方向的研究。endprint