環(huán)錠紡紗全流程機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)

鄭小虎， 劉正好， 陳 峰， 劉志峰， 汪俊亮， 侯 曦， 丁司懿

1. 東華大學(xué) 人工智能研究院， 上海 201620； 2. 上海工業(yè)大數(shù)據(jù)與智能系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心， 上海 201620；3. 東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620； 4. 經(jīng)緯紡織機(jī)械股份有限公司， 北京 100176；5. 中國(guó)紡織機(jī)械協(xié)會(huì)， 北京 100028)

環(huán)錠紡紗作為用量最大、最通用的紡紗生產(chǎn)工藝，具有生產(chǎn)流程長(zhǎng)、工序多、多批次、設(shè)備布局復(fù)雜的特點(diǎn)。隨著紡紗生產(chǎn)逐漸從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型的轉(zhuǎn)變，對(duì)于環(huán)錠紡紗生產(chǎn)工藝的自動(dòng)化、智能化要求也逐漸提升，亟需以精準(zhǔn)解決技術(shù)痛點(diǎn)為目標(biāo)的可移植、可參考性強(qiáng)的環(huán)錠紡紗全流程自動(dòng)化生產(chǎn)新模式[1-2]。

國(guó)外紡紗行業(yè)近年來(lái)研究重點(diǎn)是提升紡紗工藝各工序的自動(dòng)化、智能化程度。以細(xì)紗工序?yàn)槔?，瑞士立達(dá)集團(tuán)研發(fā)的細(xì)紗自動(dòng)接頭機(jī)器人(ROBOspin)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器運(yùn)行、落紗過(guò)程中斷頭的自動(dòng)處理；意大利薩維奧公司研發(fā)的轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)(HelioS氣流紡紗機(jī))使用獨(dú)立的全自動(dòng)落紗機(jī)構(gòu)和自動(dòng)接頭小車，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)細(xì)紗機(jī)與絡(luò)筒機(jī)的定制直連。針對(duì)紗線質(zhì)量控制，Haleem等[3]開發(fā)了一種均勻度檢測(cè)系統(tǒng)，基于機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)紗線在線質(zhì)量控制;牟新剛等[4]開發(fā)了一種筒子紗缺陷在線檢測(cè)系統(tǒng)。但目前國(guó)內(nèi)主要紡紗企業(yè)的配棉排包、條并卷與精梳工序間的連接等關(guān)鍵生產(chǎn)工序仍為人工完成，紗線成品缺陷自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的工業(yè)化程度較低。同時(shí)，由于各紡機(jī)企業(yè)信息接口與通信協(xié)議不一致，存在數(shù)字化信息與物理化裝備脫節(jié)、高端紡紗裝備低效運(yùn)轉(zhuǎn)的問(wèn)題。

針對(duì)紡紗生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)及生產(chǎn)線調(diào)度問(wèn)題，Xu等[5]提出了一種基于可編程邏輯控制器(PLC)的工業(yè)紡紗生產(chǎn)線精確控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[6-8]基于模擬退火遺傳算法，建立了紡紗車間多自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(AGV)調(diào)度仿真模型。針對(duì)紡紗企業(yè)生產(chǎn)管控技術(shù)，萬(wàn)由順等[9]提出了以制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)管控為核心，以企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)大數(shù)據(jù)分析為擴(kuò)展的全流程智能紡紗管理系統(tǒng)；殷士勇等[10-12]提出“纖維流-數(shù)據(jù)流-控制流”融合的環(huán)錠紡紗信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)建模方法，研究了基于區(qū)塊鏈的工藝參數(shù)和數(shù)據(jù)指令傳輸技術(shù)，提出了智能車間溫度閉環(huán)精準(zhǔn)控制方法和基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的紗線質(zhì)量控制方法；鄭小虎等[13]基于數(shù)字孿生技術(shù)，提出了紡紗智能工廠參考模型。目前，紡紗生產(chǎn)管控的研究成果實(shí)際轉(zhuǎn)化較為困難，相關(guān)工業(yè)軟件大都選用信息技術(shù)研發(fā)商的通用軟件，多系統(tǒng)業(yè)務(wù)集成下的管理自動(dòng)化程度低。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)環(huán)錠紡紗機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的研究相對(duì)分散，相關(guān)成果難以有效提升生產(chǎn)線整體自動(dòng)化率?，F(xiàn)有的針對(duì)紗線柔性特點(diǎn)的紡紗專用機(jī)器人及其末端執(zhí)行器，難以保證生產(chǎn)線的全流程連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)，環(huán)錠紡紗全流程生產(chǎn)自動(dòng)化、全流程管控運(yùn)維智能化的技術(shù)能力尚未形成。本文圍繞環(huán)錠紡紗全流程機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)，提出了以填補(bǔ)生產(chǎn)線斷點(diǎn)為核心的生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)，研究了生產(chǎn)線多批次任務(wù)調(diào)度方法，重點(diǎn)針對(duì)解決工序間自動(dòng)連接問(wèn)題的關(guān)鍵工藝機(jī)器人展開研究，形成了以信息集成管控技術(shù)為核心的環(huán)錠紡紗生產(chǎn)線全流程管控模式。

1 生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)

面向紡紗行業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化全流程生產(chǎn)要求，以建立具備生產(chǎn)全過(guò)程故障檢測(cè)與診斷、流程信息化、數(shù)據(jù)可追溯功能的高端環(huán)錠紡紗生產(chǎn)線為目標(biāo)，展開紡紗全流程自動(dòng)化生產(chǎn)工藝與工業(yè)機(jī)器人深度集成研究，實(shí)現(xiàn)紡織柔性體專用夾持末端技術(shù)在紡紗生產(chǎn)中的系統(tǒng)應(yīng)用和工序自動(dòng)化連接；設(shè)計(jì)智能物流輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和紡紗單機(jī)設(shè)備集成及紡紗全流程高度自動(dòng)化生產(chǎn)；基于工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場(chǎng)總線，建立紡紗裝備間的互聯(lián)互通模型，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)智能管控；引入面向設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分類需求的大數(shù)據(jù)分析算法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)預(yù)警功能，保障長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障生產(chǎn)。

環(huán)錠紡紗全流程生產(chǎn)線布局配置如圖1所示。環(huán)錠紡紗全流程機(jī)器人生產(chǎn)線以紡紗工藝單機(jī)設(shè)備為基礎(chǔ)，根據(jù)全流程的自動(dòng)化需求優(yōu)化紡紗工藝路線，設(shè)計(jì)工序間連接輸送機(jī)構(gòu)與生產(chǎn)線物流輸送設(shè)備，配置實(shí)現(xiàn)配棉排包、精梳機(jī)自動(dòng)喂棉卷等工序的自動(dòng)化機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)紡紗工藝單機(jī)設(shè)備、工序機(jī)器人之間的互通互聯(lián)、協(xié)同運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線建設(shè)目標(biāo)。

圖1 環(huán)錠紡紗全流程生產(chǎn)線布局配置

1.1 智能化主機(jī)設(shè)備

智能化主機(jī)設(shè)備包含：清梳聯(lián)合機(jī)(含清花設(shè)備、異性纖維分揀機(jī)以及梳棉機(jī))→預(yù)并并條機(jī)→條并卷聯(lián)合機(jī)→精梳機(jī)→末并并條機(jī)→自動(dòng)落紗粗紗機(jī)→集體落紗環(huán)錠細(xì)紗機(jī)→細(xì)絡(luò)聯(lián)型自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)。

1.2 環(huán)錠紡紗關(guān)鍵工藝機(jī)器人

目前，環(huán)錠紡紗部分環(huán)節(jié)尚未實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)，部分關(guān)鍵工序仍依靠人工完成。一是配棉排包，工人要完成取包、割帶、擺放等工作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；二是精梳機(jī)喂棉卷，人工形式無(wú)法實(shí)現(xiàn)非接觸式操作，無(wú)法保證棉卷和精梳質(zhì)量的穩(wěn)定性；三是筒紗成品質(zhì)量檢測(cè)，傳統(tǒng)手段主要依賴人工檢測(cè)與自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備相結(jié)合，而大多數(shù)檢測(cè)設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)，缺陷檢測(cè)取決于工人的受訓(xùn)練程度，準(zhǔn)確率不穩(wěn)定。同時(shí)，行業(yè)內(nèi)專門針對(duì)紡織品柔性特點(diǎn)的紡紗工藝末端執(zhí)行器存在技術(shù)空白。

針對(duì)上述問(wèn)題，基于直角坐標(biāo)系機(jī)器人、關(guān)節(jié)機(jī)器人及AGV等機(jī)器人本體，開發(fā)自動(dòng)配棉排包、精梳機(jī)自動(dòng)喂棉卷、筒紗缺陷自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器人等關(guān)鍵紡紗工藝機(jī)器人，研究尾紗自動(dòng)清除、自動(dòng)接頭等末端執(zhí)行器技術(shù)，填補(bǔ)紡紗工藝斷點(diǎn)，提升生產(chǎn)效率。

1.3 智能物流系統(tǒng)

如圖1所示，在智能化自動(dòng)紡紗生產(chǎn)線上，結(jié)合傳感器、射頻識(shí)別(RFID)、工業(yè)智能機(jī)器人、作業(yè)路徑智能規(guī)劃和數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù),實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能紡紗輸送系統(tǒng)，減少人工使用，無(wú)縫銜接全流程工序，突破生產(chǎn)物料輸送存在斷點(diǎn)的技術(shù)瓶頸。

1)配棉和上包系統(tǒng)對(duì)應(yīng)抓包工序，通過(guò)配棉排包機(jī)器人自動(dòng)確定配棉方案，自動(dòng)輸送棉包。

2)條筒輸送和存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)梳棉至粗紗間的數(shù)個(gè)工序，基于AGV與輸送軌道，實(shí)現(xiàn)條筒自動(dòng)運(yùn)輸、自動(dòng)分列換筒和空滿筒自動(dòng)輸送。

3)全自動(dòng)棉卷輸送系統(tǒng)對(duì)應(yīng)條并卷至精梳工序，喂棉卷機(jī)器人實(shí)現(xiàn)棉卷、空滿管自動(dòng)輸送。

4)粗細(xì)絡(luò)聯(lián)自動(dòng)輸送系統(tǒng)對(duì)應(yīng)粗紗、細(xì)紗和絡(luò)筒工序，基于尾紗清除、粗紗空滿管、絡(luò)筒接頭、自動(dòng)落紗末端執(zhí)行器和輸送軌道，實(shí)現(xiàn)空滿管自動(dòng)交換、粗紗尾紗自動(dòng)清除、絡(luò)筒自動(dòng)接頭、粗紗自動(dòng)落紗和管紗自動(dòng)輸送。

5)筒紗自動(dòng)包裝輸送系統(tǒng)通過(guò)筒紗輸送上下料、碼垛、包裝和質(zhì)檢機(jī)器人，基于倉(cāng)儲(chǔ)智能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)筒紗自動(dòng)抓取擺放、自動(dòng)包裝配重噴碼、自動(dòng)分類碼垛和筒紗外觀質(zhì)量檢測(cè)。

2 生產(chǎn)線多批次任務(wù)調(diào)度方法

紡紗車間內(nèi)的多道工序間存在并行機(jī)，且不同設(shè)備所需原材料的數(shù)量不同，工藝設(shè)備在某個(gè)加工批次中會(huì)生產(chǎn)多種半成品，需構(gòu)建多批次紡紗任務(wù)調(diào)度模型來(lái)提供適用于當(dāng)前紡紗任務(wù)的科學(xué)決策。本文所在團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究了AGV在多階段紡紗作業(yè)中的路徑規(guī)劃和決策問(wèn)題，重點(diǎn)對(duì)比了傳統(tǒng)遺傳算法和模擬退火算法[6]，通過(guò)構(gòu)建改進(jìn)遺傳算法(GA)框架對(duì)并條車間內(nèi)多AGV路徑的路線規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化[7]，解決了混合流車間協(xié)同調(diào)度問(wèn)題，顯著提高了物料配送效率[8]。

2.1 技術(shù)路線

多批次任務(wù)調(diào)度方法技術(shù)路線如圖2所示。其將各生產(chǎn)工序進(jìn)行細(xì)化，研究在多級(jí)工序下多道產(chǎn)品線的AGV調(diào)度方法，建立起結(jié)合唯一性、設(shè)備生產(chǎn)批次、時(shí)間約束等條件的多AGV調(diào)度數(shù)學(xué)模型；同時(shí)，設(shè)置包括時(shí)間相關(guān)、時(shí)間無(wú)關(guān)變量的決策變量，將調(diào)度問(wèn)題分為2步進(jìn)行決策，設(shè)計(jì)多AGV調(diào)度遺傳算法；最后，根據(jù)調(diào)度數(shù)學(xué)模型、調(diào)度遺傳算法和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分別基于跨區(qū)域共享資源池、跨區(qū)域獨(dú)立資源池調(diào)度策略，進(jìn)而研究AGV數(shù)量變化與調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)之間的關(guān)系。

圖2 多批次任務(wù)調(diào)度方法技術(shù)路線

2.2 變量定義

2.2.1 加工設(shè)備定義

處于同一級(jí)的并行工序代表不同的產(chǎn)品生產(chǎn)線，而同一條產(chǎn)品生產(chǎn)線則又由多個(gè)連續(xù)的工序組成，因此，定義生產(chǎn)車間內(nèi)共有I級(jí)工序，第i級(jí)工序中又有Zi條產(chǎn)品生產(chǎn)線，用Piz表示第i級(jí)工序中第z條產(chǎn)品生產(chǎn)線的串行工序數(shù)量。同時(shí)，定義每級(jí)工序下同時(shí)作業(yè)的加工設(shè)備為Kpiz臺(tái)，用kpiz表示進(jìn)行工序piz的第k臺(tái)加工設(shè)備。針對(duì)每臺(tái)加工設(shè)備，定義單位產(chǎn)品的加工時(shí)間、加工原材料的類型及數(shù)量、生產(chǎn)的批次、各批次的總產(chǎn)量、各批次加工起始時(shí)間點(diǎn)和結(jié)束時(shí)間點(diǎn)等6個(gè)設(shè)備屬性。加工時(shí)間、加工原材料的類型及數(shù)量、各批次的總產(chǎn)量等3個(gè)變量為模型的輸入量，其余3個(gè)變量為決策量。

2.2.2 原材料及產(chǎn)品定義

2.2.3 AGV定義

定義并條車間內(nèi)共有V臺(tái)相同的AGV，同時(shí)每臺(tái)AGV可在任意2臺(tái)加工設(shè)備間完成物料運(yùn)輸。物料運(yùn)輸時(shí)間則由加工設(shè)備之間的實(shí)際距離和路線狀況所決定。

定義AGV存在2種運(yùn)行狀態(tài)：一種為空載狀態(tài)，即處于空閑狀態(tài)的小車在接到物料運(yùn)輸任務(wù)信號(hào)后，在不裝載貨物的情況下，從所在位置行駛至加工設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程，同時(shí)定義當(dāng)小車在流水線的初始位置時(shí)，空載距離為0；另一種為負(fù)載，即小車在空載狀態(tài)結(jié)束后，裝載物料運(yùn)行至目標(biāo)加工設(shè)備的距離。同時(shí)定義AGV在空載狀態(tài)下的起始、結(jié)束時(shí)間節(jié)點(diǎn)和運(yùn)輸起始位置，AGV在負(fù)載狀態(tài)的起始、結(jié)束時(shí)間節(jié)點(diǎn)，AGV運(yùn)輸任務(wù)的負(fù)載路線及AGV運(yùn)載的指定原材料等7個(gè)屬性。

2.2.4 總體變量定義

表1 符號(hào)定義

表2 決策變量定義

2.3 模型假設(shè)

針對(duì)加工設(shè)備及工序進(jìn)行假設(shè)，即每臺(tái)加工設(shè)備只生產(chǎn)同種產(chǎn)品,相同工序下的各加工設(shè)備性能一致，最后一級(jí)工序之后無(wú)需AGV參與；針對(duì)AGV及運(yùn)輸路線進(jìn)行假設(shè)，即各臺(tái)小車的運(yùn)輸效率一致，各臺(tái)小車僅能運(yùn)輸單位數(shù)量的原材料，小車的運(yùn)輸時(shí)間包括裝卸料過(guò)程，不考慮小車之間的避讓、故障情況。

2.4 多AGV調(diào)度模型

2.4.1 目標(biāo)函數(shù)

考慮紡紗工藝特點(diǎn)、設(shè)備加工特點(diǎn)、設(shè)備及AGV屬性，進(jìn)行加工設(shè)備及工序假設(shè)、AGV及運(yùn)輸路線假設(shè)，構(gòu)造協(xié)同調(diào)度數(shù)學(xué)模型。建立唯一性、原材料與產(chǎn)/成品數(shù)量約束和時(shí)間約束,構(gòu)造完工時(shí)間最小化目標(biāo)函數(shù)：

(1)

2.4.2 唯一性約束

1)加工原材料唯一性約束。每種加工原材料都與工藝、批次和加工設(shè)備相對(duì)應(yīng)，在這一情況下，決策AGV所運(yùn)物料即可確定小車的運(yùn)輸行進(jìn)路線；同時(shí)，規(guī)定同種工序下的同種批次只能由同一臺(tái)加工設(shè)備負(fù)責(zé)。

?i∈[1,I],z∈[1,Zi],p∈[1,Piz],l∈[1,Lpiz]

(2)

p=1,p′=Pi′z′,i′=i-1,

?i∈[1,I],z∈[1,Zi],z′∈[1,Zi′]

(3)

p>1,p′=piz-1,i′=i,z′=z,

?i∈[1,I],z∈[1,Zi],p∈(1,Piz]

(4)

?i∈[1,I],z∈[1,Zi],p∈[1,Piz],j∈[1,Jpiz]

(5)

式(2)定義了指定工序的輸入原材料，同時(shí)只能由該工序下的同一批次負(fù)責(zé)加工；式(3)對(duì)每級(jí)生產(chǎn)線的首個(gè)工序中，原材料所屬批次問(wèn)題進(jìn)行了約束；式(4)對(duì)每級(jí)生產(chǎn)線的其他工序中，原材料所屬批次問(wèn)題進(jìn)行了約束；式(5)規(guī)定，指定工序的產(chǎn)品只能由該工序下的同一批次進(jìn)行生產(chǎn)。

2)AGV 唯一性約束。原材料j僅在一臺(tái)小車的單次任務(wù)中被運(yùn)輸；如式(6)、(7)所示，同時(shí)對(duì)各級(jí)生產(chǎn)線中的首道工序和其他工序進(jìn)行分類討論。

(6)

p>1,p′=piz-1,i′=i,z′=z,?i∈[1,I],

z∈[1,Zi],p∈(1,Piz],j∈[1,Jpizp′i′z′]

(7)

3)生產(chǎn)設(shè)備唯一性約束。規(guī)定每臺(tái)設(shè)備單次加工只加工1個(gè)原材料。如式(8)、(9)所示，同時(shí)考慮了車間內(nèi)不同工序加工設(shè)備的屬性。當(dāng)p=1時(shí)，加工設(shè)備所需的材料可能來(lái)自不同的生產(chǎn)線；當(dāng)p>1時(shí)，加工設(shè)備所需的材料來(lái)自相同的生產(chǎn)線。此外，規(guī)定每臺(tái)設(shè)備單次加工只能產(chǎn)出1個(gè)產(chǎn)品，處于相同工序的加工設(shè)備的單次產(chǎn)量相同，處于不同工序的加工設(shè)備的單次產(chǎn)量不一定相同，如式(10)所示。

p=1,p′=Pi′z′,i′=i-1,?i∈[1,I],

z∈[1,Zi],z′∈[1,Zi′],l∈[1,Lpiz]

(8)

p>1,p′=piz-1,i′=i,z′=z,?i∈[1,I],

z∈[1,Zi],p∈(1,Piz],l∈[1,Lpiz]

(9)

?i∈[1,I],z∈[1,Zi],p∈(1,Piz],l∈[1,Lpiz]

(10)

2.5 遺傳算法設(shè)計(jì)

基于對(duì)數(shù)學(xué)模型的分析，提出跨區(qū)域共享資源池策略、跨區(qū)域獨(dú)立資源池策略，即對(duì)問(wèn)題進(jìn)行集中決策和分散決策。同時(shí)基于數(shù)學(xué)模型、決策變量特征，將協(xié)同調(diào)度問(wèn)題分2步?jīng)Q策。一是決策非時(shí)間類變量，匹配決策AGV小車與運(yùn)輸任務(wù)；二是決策時(shí)間類變量，進(jìn)行AGV 小車運(yùn)輸任務(wù)集合調(diào)度。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，分析不同加工設(shè)備選擇策略下的調(diào)度模型特征，對(duì)比使用2類資源策略后的調(diào)度系統(tǒng)效率，認(rèn)為當(dāng)AGV小車資源短缺時(shí)，跨區(qū)域共享資源池策略顯著提升了AGV的利用率和系統(tǒng)生產(chǎn)效率；而當(dāng)AGV小車資源充足時(shí)，跨區(qū)域獨(dú)立資源池策略實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)調(diào)度。

3 環(huán)錠紡紗關(guān)鍵工藝機(jī)器人設(shè)計(jì)

3.1 配棉排包機(jī)器人

3.1.1 系統(tǒng)組成

配棉排包系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。傳統(tǒng)上棉包排放由人工完成，工人要完成取包、割帶、擺放等工作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。針對(duì)這一問(wèn)題，根據(jù)紡紗車間網(wǎng)絡(luò)總線和接口信息，建立信息互聯(lián)互通，開發(fā)基于AGV的智能機(jī)器人及控制系統(tǒng)；根據(jù)生產(chǎn)工藝開發(fā)末端執(zhí)行系統(tǒng)，建立激光導(dǎo)航系統(tǒng),設(shè)置安全防護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取料、自動(dòng)配棉、準(zhǔn)確定位、精準(zhǔn)行走、智能放置等功能；結(jié)合上層MES系統(tǒng)，開發(fā)倉(cāng)庫(kù)管理和調(diào)度系統(tǒng)，及時(shí)下達(dá)訂單和反饋實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)配棉機(jī)器人與倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)、紡紗產(chǎn)線數(shù)據(jù)融合分析，形成的配棉排包物流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單次配棉小于53 s。

圖3 配棉排包系統(tǒng)架構(gòu)

3.1.2 激光導(dǎo)航系統(tǒng)

配棉排包機(jī)器人在行駛過(guò)程中，通過(guò)激光掃描器發(fā)射激光束，同時(shí)采集部署在行駛路徑上的反射板反饋的動(dòng)態(tài)信號(hào)，來(lái)確定機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置及航向，結(jié)合高精度幾何路徑規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)駕駛及誤差動(dòng)態(tài)校正，重復(fù)定位精度≤±10 mm；導(dǎo)航系統(tǒng)除反射板外，無(wú)需其他輔助定位裝置，以降低后期設(shè)備部署更新對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)的影響；AGV采用無(wú)線局域網(wǎng)的通信方式，提升通信系統(tǒng)抗干擾能力及通信道容量；車載控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)，方便調(diào)試維修及重組擴(kuò)容。

3.1.3 倉(cāng)庫(kù)管理和調(diào)度系統(tǒng)

配棉排包機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)可根據(jù)生產(chǎn)訂單需求，自動(dòng)完成現(xiàn)場(chǎng)規(guī)劃、任務(wù)調(diào)度和實(shí)時(shí)路線決策，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人任務(wù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

倉(cāng)庫(kù)管理和調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。無(wú)人倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)上建立通用信息模型，實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)互通和紡紗裝備集成，完成對(duì)工藝、計(jì)劃、質(zhì)量、設(shè)備及物流的智能管控。系統(tǒng)集成訂單監(jiān)控、任務(wù)監(jiān)控、故障異常監(jiān)控和棉包出入庫(kù)管理功能為一體，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)、產(chǎn)線數(shù)據(jù)融合分析。

圖4 倉(cāng)庫(kù)管理和調(diào)度系統(tǒng)

3.2 精梳機(jī)自動(dòng)喂棉卷機(jī)器人

3.2.1 自動(dòng)喂棉卷機(jī)器人系統(tǒng)組成

精梳機(jī)自動(dòng)喂棉卷機(jī)器人單元布局如圖5所示。精梳機(jī)自動(dòng)喂棉卷機(jī)器人通過(guò)自動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)和高架行車，將棉卷從精梳準(zhǔn)備機(jī)輸送至精梳機(jī)的承軸架上，將空管自動(dòng)送回供條并卷機(jī)。缺卷精梳機(jī)接收棉卷到位信號(hào)后，結(jié)合全自動(dòng)精梳機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換卷、自動(dòng)接頭、自動(dòng)開車，機(jī)器人作業(yè)過(guò)程為非接觸式操作，保證棉卷和精梳質(zhì)量的穩(wěn)定性。同時(shí)重點(diǎn)針對(duì)精梳機(jī)的鉗板傳動(dòng)系統(tǒng)展開優(yōu)化，攻克了穩(wěn)壓穩(wěn)流控制、牽伸防堵、棉卷找頭及分離技術(shù)，結(jié)合三自動(dòng)功能保障質(zhì)量一致性，可實(shí)現(xiàn)單次運(yùn)輸8個(gè)棉卷，單次喂棉卷時(shí)間小于50 s，減少用工5人。

3.2.2 自動(dòng)退管與換卷技術(shù)

自動(dòng)退空管工作原理如圖6所示。當(dāng)光電開關(guān)檢測(cè)到棉卷補(bǔ)充信號(hào)時(shí)，接頭羅拉加壓皮輥壓緊接頭羅拉，形成1個(gè)鉗持點(diǎn)；拉筒管氣缸向前翻轉(zhuǎn)，壓緊筒管；伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)承卷羅拉反向旋轉(zhuǎn)，切斷棉網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)棉網(wǎng)留頭。系統(tǒng)控制余棉風(fēng)管吸取筒管殘余棉網(wǎng)，待檢測(cè)到所有余棉退繞完成后，程序控制機(jī)械手將空管拉回到筒管架，實(shí)現(xiàn)空管自動(dòng)移位。

1—拉桿機(jī)構(gòu); 2—筒管。

3.2.3 棉條自動(dòng)接頭技術(shù)

1)自動(dòng)接頭原理。棉條自動(dòng)接頭原理如圖7所示。

圖7 棉條自動(dòng)接頭原理

應(yīng)用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)棉卷反向旋轉(zhuǎn)至指定位置，實(shí)現(xiàn)棉網(wǎng)自動(dòng)找頭；程序控制機(jī)械手上抬并開啟，棉卷正向旋轉(zhuǎn)，棉網(wǎng)頭被抓取，到達(dá)設(shè)定值時(shí)機(jī)械手閉合夾緊棉網(wǎng)并下降，棉卷反向旋轉(zhuǎn)將8個(gè)眼的棉網(wǎng)同時(shí)扯斷，實(shí)現(xiàn)棉網(wǎng)頭扯齊。同時(shí)，針對(duì)關(guān)鍵工藝展開優(yōu)化，計(jì)算機(jī)模擬接頭皮輥四連桿機(jī)構(gòu)、吹風(fēng)板四連桿機(jī)構(gòu)，分析皮輥加壓時(shí)羅拉受力的最佳區(qū)域，在即將換卷和換卷后保證皮輥和羅拉夾持棉層，并保持棉網(wǎng)張力，防止意外牽伸。優(yōu)化吹風(fēng)板出氣角度及高低位置，保證棉層順利剝離。

2)牽伸區(qū)防堵裝置。牽伸區(qū)防堵結(jié)構(gòu)如圖8所示。為有效防止棉網(wǎng)自動(dòng)接頭后棉條的堵花概率，精梳機(jī)牽伸區(qū)應(yīng)用喇叭口結(jié)構(gòu), 將輸棉導(dǎo)管由彎管改為直管，降低加工難度，開車時(shí)生頭更加容易；與以往精梳機(jī)相比增加了1對(duì)壓花輥，從喇叭口輸送出的棉條經(jīng)過(guò)2個(gè)壓花輥的鉗口區(qū)，牽引傳送到輸送輥的皮帶上，減少了高速時(shí)喇叭口堵花次數(shù)，自動(dòng)接頭效率大幅提高。

1—扁風(fēng)盒; 2—輸棉導(dǎo)管; 3—喇叭口; 4—喇叭口座; 5—壓花輥A; 6—壓花輥B; 7—輸送輥; 8—緊定螺釘。

3.3 筒紗外觀檢測(cè)系統(tǒng)

3.3.1 圖像識(shí)別系統(tǒng)

筒紗檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。筒紗外觀檢測(cè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)一般筒紗成品的檢測(cè)。筒紗產(chǎn)品由皮帶機(jī)輸送至工業(yè)相機(jī)底端，觸發(fā)光源和工業(yè)相機(jī)圖像采集指令，工業(yè)相機(jī)拍攝筒紗頂、側(cè)面圖像，筒紗瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)處理圖像，判斷筒紗缺陷的種類，同時(shí)不合格的筒紗將被剔除機(jī)構(gòu)取出。

圖9 筒紗檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

筒紗缺陷檢測(cè)圖像如圖10所示。筒紗檢測(cè)系統(tǒng)主要針對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響最大的幾種缺陷進(jìn)行識(shí)別，包括網(wǎng)紗缺陷、油污紗缺陷和多源紗缺陷檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)在筒紗傳送速度為20 m/s的情況下，單個(gè)筒紗檢測(cè)時(shí)間小于10 s，同時(shí)檢測(cè)3類缺陷紗品種。

圖10 主要筒紗缺陷檢測(cè)圖像

3.3.2 筒紗檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

1)圖像預(yù)處理設(shè)計(jì)。預(yù)處理部分主要包括圖像分塊、灰度化、消除光照不均及圖像去噪4個(gè)環(huán)節(jié)，降低圖像采集過(guò)程中的外部干擾。首先將筒紗圖像分成若干128像素×128像素大小的子圖像塊，提升處理效率；隨后采用加權(quán)平均值法，對(duì)彩色圖像進(jìn)行灰度化處理，提升處理速度；然后采用同態(tài)濾波算法，增強(qiáng)圖像對(duì)比度、壓縮亮度范圍，消除光照不均影響；最后采用自適應(yīng)中值濾波方法，去除圖像噪聲，有效保留圖像細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)圖像降噪處理。

2)缺陷檢測(cè)算法設(shè)計(jì)。筒紗缺陷檢測(cè)算法流程如圖11所示。

圖11 筒紗缺陷檢測(cè)算法流程圖

圖像識(shí)別系統(tǒng)在圖像預(yù)處理的基礎(chǔ)上,采用基于多尺度多方向的Gabor 與小波融合的絲餅缺陷檢測(cè)算法，對(duì)預(yù)處理圖像進(jìn)行融合，之后進(jìn)行閾值分割，并根據(jù)門限值對(duì)筒紗圖像是否存在缺陷進(jìn)行判別。同時(shí)，為減小產(chǎn)品型號(hào)識(shí)別的虛警率和誤警率，使用條碼識(shí)別產(chǎn)品的型號(hào)。

4 全流程生產(chǎn)線集成管控

4.1 信息集成管控技術(shù)

紡紗生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)、設(shè)備種類繁多，且大量引入數(shù)字化機(jī)器人以及物流設(shè)備，因此，紡紗裝備間因接口和通信協(xié)議不一致所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題亟待解決。信息互聯(lián)互通原理如圖12所示。在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與其他數(shù)字化紡紗設(shè)備、機(jī)器人之間、機(jī)器人與中控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；構(gòu)建面向生產(chǎn)的裝備間通用信息模型與面向車間的裝備間通用信息模型，實(shí)現(xiàn)紡紗裝備集成；研究紡紗生產(chǎn)線集成管控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工藝、計(jì)劃、質(zhì)量、設(shè)備及物流的智能管控。

圖12 信息互聯(lián)互通原理

4.2 紡紗質(zhì)量追溯技術(shù)

紡紗質(zhì)量追溯技術(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖13所示。

質(zhì)量管理系統(tǒng)通過(guò)安裝在粗紗和空管輸送鏈上的RFID讀取設(shè)備,實(shí)現(xiàn)紡制品種、產(chǎn)量等信息的采集，當(dāng)單臺(tái)紡紗裝備工序結(jié)束時(shí)，數(shù)據(jù)通過(guò)換紗機(jī)械手處安裝的讀卡器上傳至主控中心進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，實(shí)現(xiàn)紡紗全流程質(zhì)量追溯。

1)數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)。安裝在每臺(tái)粗紗機(jī)粗紗和空管交換處的RFID采集設(shè)備在接到落紗信號(hào)后，通過(guò)CAN總線控制方式接受統(tǒng)一管理，同時(shí)通過(guò)RS485接口將采集數(shù)據(jù)上傳至管理軟件內(nèi)。

2)質(zhì)量追溯軟件設(shè)計(jì)。紡織質(zhì)量管理追溯軟件采用B/S架構(gòu)開發(fā)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能,集成生產(chǎn)任務(wù)管理，結(jié)合生產(chǎn)任務(wù)詳細(xì)信息、數(shù)據(jù)采集時(shí)間、粗紗機(jī)編號(hào)、采集錠位等紗管RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行匹配綁定，形成全流程生產(chǎn)位置信息數(shù)據(jù)鏈，實(shí)現(xiàn)單管質(zhì)量精準(zhǔn)追溯。

3)質(zhì)量問(wèn)題統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)根據(jù)質(zhì)量追溯記錄問(wèn)題，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括紗線質(zhì)量問(wèn)題、問(wèn)題成因、落后錠子和機(jī)器問(wèn)題次數(shù)，為管控紗線產(chǎn)量、解決落后錠子、提高工作效率提供大數(shù)據(jù)支持。

4.3 智能管理系統(tǒng)

全流程智能紡紗工廠管理系統(tǒng)構(gòu)造如圖14所示。智能紡紗管理系統(tǒng)與成套設(shè)備和物流系統(tǒng)深度融合，通過(guò)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和生產(chǎn)信息的追溯，信息流、物流協(xié)同管控，實(shí)現(xiàn)紡紗車間的智能管理。將全流程工藝參數(shù)在線設(shè)置、智能調(diào)度、智能傳感、網(wǎng)絡(luò)控制、在線檢測(cè)、質(zhì)量追溯、故障維護(hù)、遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)高度集成，實(shí)現(xiàn)以生產(chǎn)運(yùn)行、產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)時(shí)狀態(tài)為核心的智能化分析，以智能物流、智能調(diào)度和自動(dòng)配棉為核心的協(xié)同化新型生產(chǎn)制造系統(tǒng)。

1)智能生產(chǎn)信息管控。生產(chǎn)管控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車間全流程設(shè)備的開停情況、品種分布情況、生產(chǎn)進(jìn)度情況和環(huán)境情況，實(shí)時(shí)掌握各工序、各設(shè)備的生產(chǎn)情況。同時(shí)，員工通過(guò)與可視化車間看板、平板電腦及手機(jī)的實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)車間在線管理，提高生產(chǎn)效率。

2)智能質(zhì)量管理。工藝-配棉-質(zhì)量管理系統(tǒng)與ERP系統(tǒng)中的原棉數(shù)據(jù)高度集成，實(shí)現(xiàn)工藝路線和歷史工藝在線查詢、配棉設(shè)計(jì)和歷史配棉在線查詢。同時(shí)，采用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量全流程可追溯，通過(guò)絡(luò)筒問(wèn)題、錠子的錠號(hào)對(duì)配棉單號(hào)進(jìn)行追溯。

3)智能訂單排產(chǎn)。根據(jù)設(shè)備產(chǎn)能、生產(chǎn)線配置情況、產(chǎn)品相關(guān)屬性、訂單交期等關(guān)鍵因素實(shí)現(xiàn)智能訂單排產(chǎn)。

本文提出的管理系統(tǒng)結(jié)合智能化成套設(shè)備已在武漢裕大華集團(tuán)股份有限公司等企業(yè)展開實(shí)際應(yīng)用，其生產(chǎn)線自動(dòng)化率提升至97.5%，可持續(xù)無(wú)故障運(yùn)行10 000 h以上，綜合生產(chǎn)效率提升22.65%，產(chǎn)品不良品率降低55%，萬(wàn)錠用工降低71.70%，運(yùn)營(yíng)成本降低40%，單位產(chǎn)值能耗降低14.12%，產(chǎn)品升級(jí)周期縮短30%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文面向紡紗行業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化全流程生產(chǎn)要求，針對(duì)環(huán)錠紡紗全流程自動(dòng)化生產(chǎn)工藝與工業(yè)機(jī)器人的深度集成問(wèn)題展開研究，為紡紗行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型路徑提供有益的補(bǔ)充案例，具有一定的借鑒價(jià)值。

1)針對(duì)環(huán)錠紡紗生產(chǎn)線多批次任務(wù)調(diào)度問(wèn)題，采用最優(yōu)化自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸車(AGV)與原材料的匹配決策和多任務(wù)之間的集合調(diào)度策略，從任務(wù)層面提升紡紗企業(yè)的生產(chǎn)效率。所使用的任務(wù)調(diào)度方法有效提升了作業(yè)車間內(nèi)AGV及相關(guān)工序的生產(chǎn)效率，降低車間運(yùn)輸用工，為紡紗車間的AGV協(xié)同調(diào)度問(wèn)題提供案例參考。

2)針對(duì)環(huán)錠紡紗生產(chǎn)物流優(yōu)化與機(jī)器人自動(dòng)化集成問(wèn)題，基于機(jī)器人本體及控制、機(jī)器人定位及地圖匹配、智能路徑規(guī)劃等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)棉包自動(dòng)配料輸送；基于穩(wěn)壓穩(wěn)流、牽伸防堵、棉卷找頭及分離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)喂棉卷時(shí)的質(zhì)量一致性；基于圖像預(yù)處理、缺陷檢測(cè)算法，研發(fā)基于視覺的筒紗外觀檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)筒紗成品常見缺陷在線監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)的紡紗工藝機(jī)器人均已上線穩(wěn)定運(yùn)行，填補(bǔ)了全流程自動(dòng)化生產(chǎn)斷點(diǎn)。

3)針對(duì)環(huán)錠紡紗生產(chǎn)線集成管控問(wèn)題，基于以信息互聯(lián)互通技術(shù)為核心的集成管控策略，通過(guò)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的動(dòng)態(tài)采集、實(shí)時(shí)追溯，實(shí)現(xiàn)以生產(chǎn)線運(yùn)行、紗線質(zhì)量實(shí)時(shí)狀態(tài)為核心的質(zhì)量追溯；基于以智能化倉(cāng)儲(chǔ)物流和服務(wù)化調(diào)度為基礎(chǔ)的協(xié)同化控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和紡紗單機(jī)設(shè)備集成和紡紗全流程高度自動(dòng)化集中管控。全流程生產(chǎn)線集成管控策略可顯著提升綜合生產(chǎn)效率，為紡紗工廠實(shí)現(xiàn)物流、環(huán)境、成本管控與生產(chǎn)運(yùn)行相集成的智能化管理提供參考。

近年來(lái)，隨著紡紗行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，亟需相關(guān)共性技術(shù)的突破，提升紡紗生產(chǎn)的連續(xù)化和智能化水平，進(jìn)而改善產(chǎn)品品質(zhì)，減少萬(wàn)錠用工，降低生產(chǎn)過(guò)程中的損耗。本文認(rèn)為，以填補(bǔ)全流程自動(dòng)化生產(chǎn)斷點(diǎn)為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)紡紗生產(chǎn)線信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)精準(zhǔn)閉環(huán)控制為核心，打造新一代紡紗智能制造系統(tǒng)是今后的發(fā)展趨勢(shì)。