條筒智能物流輸送系統(tǒng)在棉紡行業(yè)前紡車間的應用研究

饒金海，武名虎，田 闊，丁相棟，楊金鵬

（北自所（北京）科技發(fā)展股份有限公司，北京 100120）

0 引言

中國作為世界上最大的紡織品加工國、消費國和出口國，紗布生產能力及產量均居世界首位，其中棉紡行業(yè)作為我國紡織工業(yè)中規(guī)模最大的支柱產業(yè)，還處在以勞動密集型為主的傳統(tǒng)制造業(yè)模式中，當前我國棉紡行業(yè)對勞動力資源和成本的依賴度較高，產業(yè)利潤率明顯偏低，處于產業(yè)鏈前端和價值鏈低端[1,2]。在《中國制造2025》中，紡織業(yè)作為被重點推進智能化改造的傳統(tǒng)行業(yè)，推動棉紡行業(yè)的自動化、智能化改造，提高行業(yè)勞動生產率，加快行業(yè)技術升級，對提升我國棉紡行業(yè)競爭力具有重要的推動作用[3,4]。

棉紡生產一般可分為前紡粗紗、后紡細紗和后道加工三道工序[5,6]，車間生產主機自動化水平很高，但各主機間的物流輸送一直未實現(xiàn)自動化[7]，特別是前紡車間條筒輸送一直采用人工作業(yè)方式實現(xiàn)，勞動強度大，生產效率低，亟待進行智能化升級改造[8]。目前存在的困難主要包括：

缺乏與工藝融合匹配的物流系統(tǒng)解決方案。棉紡車間生產具有工序環(huán)節(jié)多、作業(yè)過程連續(xù)、供料匹配性高的特點，工藝裝備自動化程度高，物流配送工藝匹配度要求高，且受車間工藝布局影響，物流設備可用空間有限，尚無前紡車間實際使用的物流輸送系統(tǒng)。

缺少高效、兼容性強的條筒物料輸送設備。前紡車間條筒作為棉條的運輸載體在各工序間流通，各工序間條筒的外形尺寸存在差異，且前紡粗紗段主機設備種類多，主機與物流系統(tǒng)的軟硬件接口繁雜，前紡粗紗段環(huán)境中飛絮多、粉塵大，物流輸送設備的開發(fā)難度高。

與工藝相匹配的控制管理系統(tǒng)尚為空白。棉紡行業(yè)為保證固定面積產能最高，車間設備布局緊密，對原料使用率要求嚴格，如何控制設備自動、高效完成與工藝相匹配的供料且最大限度的降低損耗，對整體控制管理系統(tǒng)提出了智能化要求。

本研究針對棉紡行業(yè)前紡車間物流輸送要求，以某知名大型棉紡企業(yè)前紡車間為例，結合生產工藝特點、車間內物流動線布置以及前紡主機的技術參數(shù)，開發(fā)了棉紡行業(yè)前紡車間條筒智能物流輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括條筒專用物流裝備和條筒智能管控系統(tǒng)，涵蓋了開清棉、梳棉機、預并條機、條并卷機、精梳機、末并條機、粗紗機設備之間的條筒輸送，可實現(xiàn)棉紡前紡車間條筒輸送物流的智能化以及生產物料的信息全流程可追溯。

1 棉紡前紡車間物流作業(yè)需求分析

1.1 棉紡前紡車間生產作業(yè)流程

前紡車間生產原料從棉纖維開始，經(jīng)過開清棉、梳棉機、預并條機、條餅卷機、精梳機、并條機、粗紗機到細紗機形成管紗成品，管紗通過細絡聯(lián)輸送系統(tǒng)進入后紡車間，工藝流程如圖1所示。條筒在各個主機間的輸送是雙向的，可分為滿條筒上線至下一級主機和空條筒下線至上一級主機，其中工序1：開清棉到梳棉機工序2：條并卷機到精梳機和工序7：粗紗機到細紗機的物料輸送已經(jīng)由主機實現(xiàn)，其余工序之間空條筒和滿條筒的雙向輸送是本次研究的重點。

圖1 前紡車間生產工藝流程

1.2 作業(yè)對象

棉條（半成品及成品）作為前紡車間的生產物料，一般以棉條筒為載體在各個工序之間進行流通，根據(jù)不同紡機的特點和產量設計，不同工序間流通的棉條筒規(guī)格存在差異。本系統(tǒng)中不同工序涉及棉條筒的直徑分別為500 mm/600mm/1000mm，高度為1000mm，空筒重量約為5kg～20kg，滿筒重量為30kg～80kg左右，棉條筒實物如圖2所示。

圖2 三種不同規(guī)格的棉條筒實物圖

2 棉紡前紡車間物流系統(tǒng)整體方案設計

本前紡車間條筒的物流輸送系統(tǒng)覆蓋了梳棉機、預并條機、條并卷機、精梳機、末并條機、粗紗機等工藝設備，可實現(xiàn)將上一級主機產生的滿筒輸送至下一級主機供料，同時下一級主機產生的空筒輸送至上一級主機供筒[9]。系統(tǒng)中各主機在條筒轉運時的機臺配比關系為：8臺梳棉機與2臺預并條機對應，2臺預并條機與1臺并條機對應，1臺并條機與6臺精梳機對應，6臺精梳機與2臺末并條機對應，2臺末并條機與2臺粗紗機對應，本方案要求45分鐘內單臺192錠粗紗機導條區(qū)的192個條筒完成整體空滿筒轉換，總體方案如圖3所示。

圖3 智能條筒物流輸送系統(tǒng)總體方案布局圖

3 條筒輸送系統(tǒng)關鍵設備研發(fā)

針對前紡車間環(huán)境溫度高、濕度大、飛絮飛花多，設備運行條件復雜，且與各類主機之間接口復雜的作業(yè)環(huán)境，結合條筒的易變形、重心高的外形特點，開發(fā)了包括雙筒輸送工裝載具、側面驅動條筒輸送設備和條筒專用機械抓手在內的關鍵輸送設備。

3.1 雙筒輸送工裝載具

針對粗紗機單次備筒時間要求短、條桶數(shù)量多的需求，發(fā)明了雙筒輸送工裝載具[10]，該設備用于并條機區(qū)與粗紗機區(qū)之間的條筒輸送，可實現(xiàn)條筒以載具為單元快速流轉，并兼容底部帶輪條筒的外形特征。

如圖4所示，雙筒輸送工裝載具能存放2個條筒，通過智能調度系統(tǒng)的優(yōu)化控制，單臺粗紗機條筒整批換筒的時間可從2小時縮短到1個小時，備筒時間縮短了50%?？蓪崿F(xiàn)192錠粗紗機空滿筒轉換時間在30分鐘內完成。

圖4 雙筒輸送工裝載具現(xiàn)場圖

如圖5所示，雙筒輸送工裝載具包括雙鉤氣動步進橫推和單鉤氣動豎推兩種結構，步進輸送行程分別為630 mm和1080mm，為滿足現(xiàn)場惡劣（飛絮）的環(huán)境，該設備采用了全封閉氣動驅動方式，并配置了定制的專用軌道型材，保證了設備運行的可靠性。

圖5 雙筒輸送工裝載具三維圖

3.2 劃槳式條筒輸送設備

針對較大尺寸條筒的快速、連續(xù)輸送需求，發(fā)明了劃槳式條筒輸送設備[11]，該設備用于預并條區(qū)與條并卷區(qū)之間、精梳機區(qū)與末并條機區(qū)之間的條筒輸送。

如圖6所示，該設備設置有推勾組件，推勾組件由具備往復行程的驅動元件驅動，推勾沿輸送方向傾斜設置。于推程時，推勾組件處于水平逆止狀態(tài)，通過驅動力推動條筒向前輸送；于回程時，推勾組件折疊，并通過重力作用從條筒側面自動回位。

圖6 劃槳式條筒輸送設備現(xiàn)場圖

劃槳式條筒輸送設備包括水平單側推筒輸送機和水平雙側推筒輸送機，如圖7所示，步進輸送行程分別為670mm和920mm兩種，其中水平單側推筒輸送機應用于精梳機至末并條機之間的條筒輸送，而雙側推筒輸送機應用于末并條機機械接口處的條筒輸送。

圖7 劃槳式條筒輸送設備三維圖

3.3 條筒專用龍門機械抓手

針對工裝載具上空筒至并條機空筒線轉運，及并條機滿筒線至工裝載具上轉運的需求，基于擺動導桿機構原理發(fā)明了條筒專用龍門機械抓手[12]，該設備用于條筒與載具的結合與分離過程。

如圖8所示，機械抓手與條筒的接觸面柔軟且接觸面積大，可在滿足抓牢條筒的同時避免擠壞條筒，并通過對機械抓手的速度和加速度曲線進行運動控制，在條筒與載具結合和分離過程中可保證條筒高度穩(wěn)定，提高了輸送系統(tǒng)的運行可靠性。

圖8 條筒專用機械抓手現(xiàn)場工作圖

如圖9所示，條筒專用龍門機械手包括龍門架和機械爪手，機械爪手以水平運行速度0～60m/min變頻調速，水平行程為50m，能滿足換筒時抓取40次空滿筒的效率要求。

圖9 條筒專用機械抓手三維圖

4 條筒智能管控系統(tǒng)開發(fā)

針對棉紡前紡車間生產產品具有多品種、少批量和多批次的特點，涉及工藝設備種類多，接口復雜，產品信息需在各設備之間快速、準確傳遞且可追溯的難點，開發(fā)的條筒智能管控系統(tǒng)包括條筒換批智能調度、條筒信息管控和物流監(jiān)控管理子系統(tǒng)，實現(xiàn)了條筒存儲和運輸過程的智能管控，極大提升了物流效率且生產信息全程可追溯。

4.1 條筒換批智能調度系統(tǒng)

開發(fā)的條筒換批智能調度系統(tǒng)行業(yè)內首次實現(xiàn)了粗紗機條筒自動整體換批，可滿足粗紗機所需指定批次的192個（根據(jù)粗紗機品牌和型號會有所調整）滿條筒能準確按時到達指定區(qū)域，為粗紗機換批供料。該系統(tǒng)能夠對條筒換批過程中的條筒輸送進行實時有序和高效規(guī)劃，并且能通過不同工位條筒輸送隊列智能調整有效降低粗紗機在紡紗過程中因棉條牽伸造成的尾紗浪費。

4.2 條筒整體換批智能算法

針對條筒輸送、存儲和分揀物流環(huán)節(jié)多品種、多批次和小批量的特點，基于混合粒子群算法開發(fā)了條筒整體換批智能算法，實現(xiàn)了不同品種和批號條筒在滿筒暫存線和粗紗機暫存區(qū)內按粗紗機工位和開機時間要求進行位置智能排序，以最優(yōu)路徑輸送合格條筒，在最短時間內準確到達指定位置。采用混合粒子群算法替代傳統(tǒng)粒子群算法中的通過跟蹤極值來更新粒子位置的方法，引入遺傳算法中的交叉和變異操作，通過粒子同個體極值和群體極值的交叉以及粒子自身變異的方式來搜索最優(yōu)解，有效解決了按品種、時間、機臺等多條件約束下條筒輸送排序的問題。

如圖10所示，以192錠粗紗機為例，一臺粗紗機一次需要192個滿紗條筒，其中，第1、3、5排條筒個數(shù)為38個，第2、4排條筒個數(shù)為39個，每個托盤可裝載2個條筒，每次換筒第2、4排都需要調度一個只有在左側存在滿條筒的托盤。以條桶為單個粒子，實時采集空滿狀態(tài)。以載體托盤為載體粒子，實時采集位置信息和該位置前后設備粒子的狀態(tài)信息，以便遇到突發(fā)狀況可實時動態(tài)調整自身設備運行策略，提升系統(tǒng)魯棒性。為增強局部搜索策略，將緩存區(qū)分為多個區(qū)域，每個區(qū)域計算自身區(qū)域內混合粒子狀態(tài)，得出最優(yōu)輸送區(qū)域，在不影響輸送效率前提下實現(xiàn)最優(yōu)調度。

圖10 粗紗機處條筒在各排的布置

4.3 條筒信息管控系統(tǒng)

前紡車間內多個并條機同時生產出的熟棉條品種多，下道工序粗紗機生產完成后需及時更換指定批次熟棉條條筒，針對熟棉條批量大、批次的高準確性需求，開發(fā)了條筒信息跟蹤傳遞管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將條筒按質、按量和按時地輸送至指定位置，可避免因送錯棉條造成的產品報廢，保證了生產的連續(xù)性和可靠性。

條筒信息跟蹤傳遞系統(tǒng)主要采用以下技術手段：條筒托盤采用RFID傳遞信息，記錄托盤在每個工位的操作記錄，并通過與主機的信息接口對接，可實現(xiàn)棉條信息的全程信息可追述；條筒輸送線采用氣缸推拉步進式輸送的方式，在換筒過程中保證條筒分批次的自動補給，在補給過程中實時記錄每個條筒的信息，避免條筒的批次混淆；緩存庫的存儲設備采用雙工位貨叉式穿梭車對托盤進行存取，在滿筒入庫時按照條筒的批次進行存放，保證相鄰的遠近排貨物是同一品種，提高換筒效率。

4.4 物流輸送監(jiān)控管理系統(tǒng)

針對前紡車間設備種類多、數(shù)量大、信號點多的情況，開發(fā)了棉紡條筒物流輸送監(jiān)控管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了物流輸送過程中設備的運行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制，包含基礎數(shù)據(jù)、作業(yè)管理、貨位管理、庫存管理、流水查詢、系統(tǒng)維護和幫助等模塊，可實現(xiàn)設備遠程操作、生產狀況智能圖表顯示、多類條筒品種管理、生產機臺品種維護、自動入/出庫作業(yè)處理、暫存條筒自動管理、數(shù)據(jù)查詢以及系統(tǒng)參數(shù)維護等功能，實現(xiàn)生產過程的自動化、數(shù)字化和智能化。

5 工程應用效果

本項目在某棉紡企業(yè)投產后，為用戶突破了前紡車間各工藝環(huán)節(jié)間的物流輸送難題，實現(xiàn)了生產物料在各工序間流通轉運的連續(xù)化、自動化和智能化，改變了棉紡車間的物流作業(yè)模式。把粗紗機的條筒備筒時間從2小時縮短到1小時，備筒時間減少50%，粗紗機開機率從約85%提升到約92%，降低了條筒輸送時間對開機率的影響，降低粗紗機由于牽伸造成的棉條浪費，并把工人從簡單重復的條筒搬運工作中解放出來，有效降低了勞動強度。

6 結語

本文以某棉紡企業(yè)為例，依據(jù)前紡車間的工藝路線，結合系統(tǒng)方案規(guī)劃、物流輸送設備和軟硬件開發(fā)等關鍵技術對條筒智能物流輸送系統(tǒng)進行了介紹和分析，該系統(tǒng)可實現(xiàn)棉紡前紡車間中條筒的智能化輸送、管理以及生產物料的信息全流程可追溯。

條筒智能物流輸送系統(tǒng)在棉紡前紡車間的成功實施，為企業(yè)提供了高效、準確且全流程信息可追溯的車間物流輸送系統(tǒng)，可幫助企業(yè)在提高產品質量的同時降本增效，該項目的成功實施證明智能物流輸送系統(tǒng)對棉紡行業(yè)的智能化改造升級具備極大的推動作用，在棉紡行業(yè)具備一定的行業(yè)推廣和應用價值。