鏈條導(dǎo)軌型自動(dòng)落布小車(chē)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

李鵬飛 王水明 周賢鋼 王 浩 余聯(lián)慶

（1.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北武漢，430040；2.湖北新業(yè)煙草薄片開(kāi)發(fā)有限公司，湖北武漢，430056；3.武漢紡織大學(xué)，湖北武漢，430073）

落布工序是指將布輥從織機(jī)中卸載并運(yùn)輸?shù)津?yàn)布車(chē)間的過(guò)程。目前，該工序主要由人工或者液壓輔助方式來(lái)完成。常見(jiàn)的布輥質(zhì)量一般為60 kg～150 kg，運(yùn)輸距離約為20 m～80 m，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下以及用工困難等問(wèn)題。隨著織機(jī)速度的不斷提高，落布和運(yùn)輸工作量也隨之增長(zhǎng)，上述問(wèn)題日益突出，亟需一種能夠降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提升工作效率的自動(dòng)落布裝置。

自20 世紀(jì)七八十年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在自動(dòng)落布和布輥運(yùn)輸方面進(jìn)行大量的研究與實(shí)踐，提出了不同的技術(shù)路線和解決方案，如黃故等人提出的半制品自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)、原上海第十二棉紡織廠研制的落布自動(dòng)運(yùn)輸線、前西德研發(fā)的機(jī)器人落布小車(chē)、美國(guó)研發(fā)的布輥吊運(yùn)機(jī)器人以及意大利研發(fā)的全自動(dòng)落布機(jī)器人系統(tǒng)等［1-4］。落布機(jī)器人系統(tǒng)即關(guān)節(jié)型自動(dòng)落布小車(chē)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一車(chē)只能裝載一個(gè)布輥、工作效率較低且價(jià)格昂貴等問(wèn)題；自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)需要較大的工作空間和占地面積，且系統(tǒng)的柔性不夠。因而上述方案在國(guó)內(nèi)織造車(chē)間未能得到推廣應(yīng)用。

文獻(xiàn)［5-6］中提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小的自動(dòng)多載落布小車(chē)，其特點(diǎn)是采用落布鉤和鏈條導(dǎo)軌來(lái)移載布輥。這種軌道式落布方式雖然避免了關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的復(fù)雜結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)，但是其軌道曲線不能適應(yīng)所有型號(hào)的織機(jī)與巷道寬度，因此，需要針對(duì)不同型號(hào)的織機(jī)設(shè)計(jì)軌道曲線。

1 功能需求與導(dǎo)軌形式

機(jī)織落布工序的步驟一般包括斷布、松手柄、移載布輥、裝上空軸、將布輥運(yùn)輸至驗(yàn)布車(chē)間。若將所有人工步驟進(jìn)行自動(dòng)化改造升級(jí)，將導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜程度和制造成本急劇增大。從織機(jī)上卸載布卷和搬運(yùn)布卷是兩個(gè)費(fèi)力耗時(shí)的步驟，而斷布、松手柄和安裝空布輥軸這三個(gè)步驟比較輕松。為此，可將卸載布卷、搬運(yùn)布卷由落布小車(chē)來(lái)自動(dòng)完成，而斷布、松手柄和安裝空軸則由擋車(chē)工人手動(dòng)操作來(lái)完成，這樣既可大大降低設(shè)備的復(fù)雜程度和造價(jià)，又能替代繁重的體力勞動(dòng)，易于在企業(yè)推廣。

自動(dòng)落布小車(chē)的長(zhǎng)度依據(jù)織機(jī)的幅寬而設(shè)定，其高度與寬度則需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。為了提高落布小車(chē)對(duì)織機(jī)巷道的適應(yīng)性以及運(yùn)行過(guò)程的平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量減小其整體寬度和重心高度。為了保證帶有雙側(cè)滾輪的鏈條在導(dǎo)軌槽內(nèi)的平穩(wěn)運(yùn)行以及良好的受力情況，可采用如圖1 所示的兩種曲線形式。

圖1 鏈條導(dǎo)軌的兩種形式

由圖1 可知，在等高、等寬的情況下，采用兩圓弧一直線形式的導(dǎo)軌會(huì)導(dǎo)致布輥在提升過(guò)程中與AGV 車(chē)體發(fā)生干涉碰撞。因此，本設(shè)計(jì)采用三段相切圓弧形式的鏈條導(dǎo)軌。

2 鏈條導(dǎo)軌的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 鏈條導(dǎo)軌曲線的參數(shù)方程

落布小車(chē)行走至目標(biāo)織機(jī)，向右側(cè)移動(dòng)靠近織機(jī)墻板，建立如圖2 所示的結(jié)構(gòu)尺寸圖。L為織機(jī)巷道寬度，W、H為分別為鏈條導(dǎo)軌寬度和高度，w、h分別為AGV 車(chē)體的寬度和高度，h1、r1分別為布輥高度和半徑，h2、r2分別為織機(jī)前梁高度和半徑。虛曲線表示鏈條運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)曲線表示布輥軸心運(yùn)動(dòng)軌跡，也就是待求的導(dǎo)軌曲線。

圖2 自動(dòng)落布小車(chē)結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

以自動(dòng)落布小車(chē)右側(cè)支架中心線與地面交點(diǎn)O為原點(diǎn)，建立地面參考坐標(biāo)系XOY。第一段圓弧與機(jī)架相切于O1點(diǎn)，第二段圓弧與第一段圓弧相切于O2點(diǎn)，第三段圓弧的一端與第二段圓弧相切于O3點(diǎn)，另一端與水平線相切。α1、α2、α3分別為三段圓弧的圓心角，R1、R2、R3分別為三段圓弧的半徑。以三段圓弧的起始端點(diǎn)O1、O2、O3為原點(diǎn)分別建立局部坐標(biāo)系X1O1Y1、X2O2Y2、X3O3Y3，坐標(biāo)軸Y1與坐標(biāo)軸Y重合，坐標(biāo)軸X1沿水平方向，坐標(biāo)軸X2、X3分別沿第二、三段圓弧的切線方向。θi為局部坐標(biāo)系XiOiYi相對(duì)于Xi-1Oi-1Yi-1沿軸Zi-1轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，xi、yi分別為局部坐標(biāo)系XiOiYi相對(duì)于Xi-1Oi-1Yi-1的沿Xi-1軸正向和沿Yi-1軸正向的位移（i=1，2，3）。

設(shè)(i x，i y)為局部坐標(biāo)系XiOiYi中圓弧軌道上任意點(diǎn)的坐標(biāo)。在局部坐標(biāo)系X1O1Y1中第一段圓弧軌道的參數(shù)方程可表示為式（1）。

式 中：ci=cosαi，si=sinαi(i=1，2，3)。同理，可得到第二段、第三段圓弧軌道在局部坐標(biāo)系中的參數(shù)方程。

為了便于軌道參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要將三段獨(dú)立的圓弧軌道參數(shù)方程從局部坐標(biāo)系變換到地面參考坐標(biāo)系?；贒-H法可得到局部坐標(biāo)系1、

2、3 相對(duì)于參考坐標(biāo)系的變換矩陣

設(shè)i p=[i x，i y，0，1]T為圓弧軌道上任意點(diǎn)在局部坐標(biāo)系XiOiYi中的齊次坐標(biāo)，=為圓弧軌道上任意點(diǎn)在參考坐標(biāo)系XOY中的齊次坐標(biāo)。根據(jù)齊次變換關(guān)系式可分別將三段圓弧軌道變換到參考坐標(biāo)系。

由式（1）和局部坐標(biāo)系1 相對(duì)于參考坐標(biāo)系的變換矩陣，可得到第一段圓弧軌道在參考坐標(biāo)系中的參數(shù)方程，見(jiàn)式（2）。

式 中：Ci=cosθi，Si=sinθi(i=1，2，3)。同理，可分別獲得第二段、第三段圓弧軌道在參考坐標(biāo)系中的參數(shù)方程02p，03p。

鏈 條 導(dǎo) 軌 參 數(shù) 方 程 含 有αi，Ri，θi，xi，yi(i=1，2，3)等15 個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。為了便于后續(xù)求解，利用幾何原理對(duì)參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析。第一段圓弧軌道與參考坐標(biāo)系Y軸相切，局部坐標(biāo)系X1O1Y1與參考坐標(biāo)系平行，因此，其旋轉(zhuǎn)角θ1=0。由于第一段圓弧軌道與第二段圓弧軌道的公切線q1與兩圓心連線O′1O′2相互垂直，因此，局 部 坐 標(biāo) 系X2O2Y2的 旋 轉(zhuǎn) 角θ2=π/2-α1，同理，可求得局部坐標(biāo)系X3O3Y3的旋轉(zhuǎn)角θ3。由圖2 可知，局部坐標(biāo)系X1O1Y1相對(duì)于參考坐標(biāo)系的偏置位移見(jiàn)式（3）。

式 中：Cij=cos(θi+θj) (i，j=1，2，3)。 同理，可得到局部坐標(biāo)系之間的偏置位移x2、y2、x3、y3。

綜上可知，局部坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角θi以及偏置位 移(xi，yi)等9 個(gè) 參 數(shù) 中θ1，x1為0，其 余7 個(gè) 參數(shù) 以 及α2均 可 由α1、α3、R1、R2、R3等5 個(gè) 參 數(shù) 來(lái)表示。

2.2 鏈條導(dǎo)軌參數(shù)優(yōu)化模型

設(shè)向量X=(α1，α3，R1，R2，R3)T為設(shè)計(jì)變量，由圖2 可得到導(dǎo)軌寬度和高度的表達(dá)式，見(jiàn)式（4）和式（5）。

為了提高自動(dòng)落布小車(chē)對(duì)織機(jī)巷道的適應(yīng)性，鏈條導(dǎo)軌寬度應(yīng)盡量偏?。煌瑫r(shí)，為了提高落布過(guò)程和運(yùn)輸過(guò)程的平穩(wěn)性，鏈條導(dǎo)軌高度盡量偏小。采用目標(biāo)加權(quán)法，通過(guò)對(duì)各目標(biāo)賦予一定的權(quán)重，從而將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題［8］，見(jiàn)式（6）。

式中：Y1為導(dǎo)軌寬度權(quán)重系數(shù)，Y2為導(dǎo)軌高度權(quán)重系數(shù)，且Y1+Y2=1。

落布過(guò)程中布輥依次沿著第三段、第二段和第一段圓弧軌道自下而上移動(dòng)到機(jī)架置布鉤上，布輥可能與AGV 車(chē)體、機(jī)前梁發(fā)生干涉碰撞。落布小車(chē)在巷道里行走時(shí)，其與織機(jī)之間的距離須符合安全標(biāo)準(zhǔn)。因此，軌道參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需滿足如下約束條件。

約束條件1：布輥沿著第三段圓弧軌道向上移動(dòng)過(guò)程中，為了避免與AGV 車(chē)體的右側(cè)面發(fā)生干涉，圓弧軌道上任意點(diǎn)到右側(cè)面的距離應(yīng)不小于布輥半徑。

約束條件2：布輥沿著第二段圓弧軌道向上移動(dòng)過(guò)程中，為了避免與AGV 車(chē)體棱邊以及織機(jī)前梁發(fā)生干涉，圓弧軌道上任意點(diǎn)到棱邊的距離應(yīng)不小于布輥半徑，且到前梁軸心的距離應(yīng)大于布輥半徑與前梁半徑之和。

約束條件3：布輥沿著第一段圓弧軌道向上移動(dòng)過(guò)程中，為了避免與AGV 車(chē)體頂面發(fā)生干涉，圓弧軌道上任意點(diǎn)到頂面的距離不小于布輥半徑。

約束條件4：自動(dòng)落布小車(chē)在織機(jī)巷道行走過(guò)程中，為了防止人員和設(shè)備受到撞擊，根據(jù)相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，在小車(chē)與織機(jī)之間保持一定的安全距離。

于是，鏈條導(dǎo)軌參數(shù)優(yōu)化模型見(jiàn)式（7）。

3 算例

某織造車(chē)間的織機(jī)為豐田710 型噴氣織機(jī)，幅寬為1 900 mm。AGV 小車(chē)采用兩套差速輪驅(qū)動(dòng)，在磁條導(dǎo)引下具有全方向移動(dòng)能力。相關(guān)已知工況參數(shù)：布輥高度h1=290 mm，布輥半徑r1=200 mm，前梁高度h2=590 mm，前梁半徑r2=40 mm，AGV 車(chē)體高度h=290 mm，AGV 車(chē)體寬度w=380 mm，織機(jī)巷道寬度L=1 350 mm，安全距離l=200 mm。

取權(quán)重系數(shù)Y1=0.5、Y2=0.5，利用Matlab遺傳算法工具箱對(duì)參數(shù)優(yōu)化模型（7）進(jìn)行求解［9］，得到設(shè)計(jì)變量X的優(yōu)化解之后，進(jìn)而可得到其余的軌道參數(shù)，結(jié)果如下。第一段圓弧半徑R1=152 mm，第一段圓弧圓心角α1=80.5°，第二段圓弧半徑R2=220 mm，第二段圓弧圓心角α2=60.5°，第三段圓弧半徑R3=105 mm，第三段圓弧圓心角α3=70°，局部坐標(biāo)系1 的旋轉(zhuǎn)角θ1=0°，局部坐標(biāo)系1 的偏置位移x1=0 mm，局部坐標(biāo)系1的偏置位移y1=325.7 mm，局部坐標(biāo)系2 的旋轉(zhuǎn)角θ2=9.5°，局部坐標(biāo)系2 的偏置位移x2=126.9 mm，局部坐標(biāo)系2 的偏置位移y2=-149.9 mm，局部坐標(biāo)系3 的旋轉(zhuǎn)角θ3=60.5°，局部坐標(biāo)系3 的偏置位移x3=191.5 mm，局部坐標(biāo)系3 的偏置位移y3=-28.5 mm。

最后，利用式（4）、式（5）可得到鏈條導(dǎo)軌的高度H=619 mm，寬度W=373 mm。

為了便于針對(duì)織機(jī)型號(hào)以及織造車(chē)間巷道工況進(jìn)行鏈條導(dǎo)軌的參數(shù)化設(shè)計(jì)，在Matlab 中開(kāi)發(fā)了用戶交互界面，如圖3 所示。

圖3 用戶交互界面

用戶在圖形化界面中能夠方便快速地輸入已知參數(shù)，而且能夠可視化輸出計(jì)算結(jié)果和軌道曲線。

4 樣機(jī)制作與功能測(cè)試效果

自動(dòng)多載落布小車(chē)由AGV 車(chē)體和軌道式落布機(jī)構(gòu)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。AGV 車(chē)體的兩側(cè)為結(jié)構(gòu)相同的鏈條導(dǎo)軌；帶有雙側(cè)滾輪的鏈條上安裝有落布鉤，在驅(qū)動(dòng)單元的作用下沿著導(dǎo)軌移動(dòng)。鏈條導(dǎo)軌既是布輥移載的軌道，也被作為小車(chē)支架，其上安裝有置布鉤1、2，用于存放布輥。由圖4 可知，落布單元由左右兩個(gè)鏈條導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)單元組成。驅(qū)動(dòng)單元由直流無(wú)刷電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、傳動(dòng)軸以及鏈輪組成。如果織機(jī)巷道較寬，小車(chē)可配置兩個(gè)落布單元，其上可放置4 個(gè)布輥；如果巷道較窄，則配置單個(gè)落布單元，其上可放置兩個(gè)布輥，從而實(shí)現(xiàn)多載功能。

圖4 自動(dòng)多載落布小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

為確保落布過(guò)程中的穩(wěn)定性，布輥在導(dǎo)軌上的移動(dòng)速度設(shè)定為0.1 m/s。取布輥的最大質(zhì)量為100 kg，鏈輪的選型為08B-25Z，分度圓半徑約為51 mm，因此，鉤布所需的扭矩為51 N·m。直流電機(jī)輸入電壓為24 V，輸出功率為0.24 kW，蝸輪蝸桿減速器的減速比為1∶80。經(jīng)過(guò)校核，驅(qū)動(dòng)單元的元器件配置和選型能夠滿足落布過(guò)程的速度和負(fù)載要求。

加工制作具有雙落布單元的自動(dòng)落布小車(chē)工程樣機(jī)，并在織造車(chē)間進(jìn)行功能測(cè)試。試驗(yàn)流程：織造任務(wù)完成之后，由人工進(jìn)行斷布和松開(kāi)布輥軸，自動(dòng)落布小車(chē)在導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)引下沿著巷道中線行走到目標(biāo)織機(jī)，如圖5（a）所示；主動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪反轉(zhuǎn)，鏈條和落布鉤依靠重力沿著軌道下滑至軌道末端；接著，小車(chē)向織機(jī)側(cè)移一定距離將落布鉤置于布輥軸附近；然后，主動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鏈條和落布鉤鉤動(dòng)布輥軸，并將布輥拖拽至置布鉤上，如圖5（b）所示；小車(chē)反向側(cè)移一定距離回到巷道中線，如圖5（c）所示；在導(dǎo)航系統(tǒng)的引導(dǎo)下行走到驗(yàn)布車(chē)間，如圖5（d）所示。

圖5 自動(dòng)落布小車(chē)樣機(jī)功能測(cè)試

落布過(guò)程耗時(shí)約20 s，運(yùn)輸過(guò)程中小車(chē)行走的平均速度為15 m/s，與熟練落布工的用時(shí)基本一致。因此，從整體上能夠達(dá)到降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減員增效的目的。鏈條導(dǎo)軌型落布小車(chē)的一個(gè)落布單元只需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。同時(shí)，該小車(chē)具有結(jié)構(gòu)可變的特點(diǎn)，可根據(jù)巷道寬度選擇配置具有雙落布單元或單落布單元的小車(chē)。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)織造車(chē)間落布工序勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低的問(wèn)題，本研究通過(guò)對(duì)鏈條導(dǎo)軌的優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際的工況參數(shù)，制作了鏈條導(dǎo)軌式自動(dòng)多載落布小車(chē)樣機(jī)，測(cè)試結(jié)果表明：鏈條導(dǎo)軌式多載落布小車(chē)能夠替代人工自動(dòng)完成勞動(dòng)強(qiáng)度大的落布、運(yùn)輸?shù)葍蓚€(gè)步驟，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、適應(yīng)不同巷道寬度的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減員增效的目的，對(duì)織造車(chē)間的自動(dòng)化改造升級(jí)具有一定的借鑒作用。然而，由于一種鏈條導(dǎo)軌只能適應(yīng)一種型號(hào)的織機(jī)，對(duì)于擁有幾種型號(hào)織機(jī)的中大型織造車(chē)間，需要設(shè)計(jì)和配置不同型號(hào)的鏈條導(dǎo)軌型落布小車(chē)才能滿足落布工作量，今后將著力解決鏈條導(dǎo)軌式多載落布小車(chē)對(duì)織機(jī)型號(hào)適應(yīng)性不足的缺點(diǎn)。