基于AGV的棉桶搬運系統(tǒng)設計

陳 翔，袁紅兵，姚萬里

（1.南京理工大學 機械工程學院，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，隨著自動化技術的進步，紡織行業(yè)的紡織設備自動化、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，棉塊被分解為單纖維狀態(tài)，同時被清除了一些雜質，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，搬運工人將多個棉桶拉到并條機處，其將多根棉條并合和牽伸成一根棉條，然后進行下一工序。然而，紡織車間噪聲大、粉塵多以及勞動強度大等問題使得人工搬運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顯得越發(fā)必要。

本文設計的AGV搬運系統(tǒng)的功能為：將梳棉機生產(chǎn)的滿棉桶搬運到并條機處，并從并條機處取空棉桶放回梳棉機處，如此實現(xiàn)空滿棉桶的周轉運作。為此，針對車間內(nèi)流轉于梳棉機和并條機之間的棉桶以及車間的生產(chǎn)節(jié)拍進行分析，同時基于AGV對棉桶的搬運系統(tǒng)進行了設計。

1 紡織車間需求分析

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

車間工藝流程為：并條機前方放置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)并條機并條后變?yōu)榭胀?，空桶?jīng)人工繼續(xù)搬運到梳棉機處裝滿棉條，然后人工再將滿桶送到并條機處并條，如此循環(huán)反復周轉。

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，每臺梳棉機產(chǎn)能40kg/40min/桶（即40分鐘裝滿含40kg棉條的棉桶），并條機需求：一臺并條機旁邊放置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個滿桶送到并條機處。

圖1 工藝布局圖

2 搬運系統(tǒng)設計

針對紡織車間實際情況，對AGV搬運系統(tǒng)進行了設計，包括搬運方案設計、導航定位設計、硬件設計以及軟件設計。

2.1 搬運方案設計

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

為了方便滿桶和空桶的取放，在并條機前方放置3排4列共12個滿桶緩存，并在并條機旁邊根據(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處，同時規(guī)定取空桶的方式：在并條機一側設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。

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

圖2 AGV搬運方案圖

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

表1 梳棉機、并條機相關參數(shù)

由表2可知，一臺AGV搬運一個桶的總時間為：T=T1+T2+T3+T4=11min，在150min之內(nèi)可以搬運桶數(shù)為13，而在這段時間內(nèi)需要搬運的桶數(shù)為48，故總共需要4臺AGV才能滿足節(jié)拍。

2.2 導航定位設計

目前AGV的導航技術主要有磁條導航、色帶導航、二維碼導航、慣性導航以及激光導航等方式，綜合考量項目現(xiàn)場的柔性化搬運以及經(jīng)濟性實施，確定采用磁條導航結合RFID技術進行導航定位。本項目的導航定位原理如圖3所示，AGV車體上總共安裝了三個磁導航傳感器和一個RFID讀寫器，其中前磁導航傳感器1和后磁導航傳感器3用于小車在主道路上沿著磁條6做前進和后退的動作，側磁導航傳感器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標簽中的指令實現(xiàn)加速、減速、分叉、旋轉90°以及原地等待等動作。

圖3 AGV導航定位原理圖

2.3 硬件設計

如圖4所示，AGV系統(tǒng)硬件包括UPS、服務器、交換機、遠程無線I/O、無線AP、AGV等，光電傳感器、人體感應器、按鈕以及智能充電機等設備與遠程無線I/O模塊實現(xiàn)遠程連接，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作為搬運的載體，主要由單片機控制板控制，接收來自調(diào)度系統(tǒng)的指令，從而完成搬運任務。

表2 AGV相關參數(shù)

圖4 硬件框架圖

2.4 軟件設計

AGV系統(tǒng)軟件即調(diào)度系統(tǒng)，如圖5所示，分為權限管理、電子地圖、任務下發(fā)、路徑規(guī)劃以及交通管制等模塊。權限管理模塊可以為多個用戶設置多個管理權限；電子地圖模塊可以導入例如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搬運路徑以提高系統(tǒng)整體搬運效率；交通管制模塊根據(jù)現(xiàn)場物流狀況，在容易發(fā)生碰撞、堵塞的地方設置交通管制組[4]。

圖5 AGV軟件框架圖

3 搬運系統(tǒng)流程

梳棉機共有三個工位，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)搬運空桶命令，送完空桶后，當滿桶放置區(qū)的光電檢測到滿桶信號時，AGV前往滿桶放置區(qū)將滿桶搬運到并條機處。

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

當出現(xiàn)空閑的時候，AGV會去充電區(qū)進行電量補充，當調(diào)度系統(tǒng)再次下發(fā)任務時，AGV緊接著執(zhí)行任務。

圖6 搬運系統(tǒng)流程圖

4 結語

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

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