劉漢申+王慶華+李鉻+陳威望

摘 要：本文針對國內外紡織車間整經機經軸的人工和半自動化上落運輸方式，利用智能化技術，研發(fā)一種整經機經軸上落運輸智能機器人。介紹了機器人的運動規(guī)劃及工作原理，并研究出基于PLC的控制系統，采用以觸摸屏和無線通信為人機對話窗的控制方案，在導航控制單元中采用模糊PID控制，提高系統的穩(wěn)定性與魯棒性。整經機經軸上落運輸機器人的研發(fā)使智能替代了人工，有助于推動紡織業(yè)提質增效。

關鍵詞：經軸；智能；機器人；PLC；模糊PID

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

0 引言

紡織工業(yè)作為我國基礎產業(yè)，同時也是勞動密集型產業(yè)，工人勞動強度大、自動化程度低。伴隨互聯網+、智能化的大潮，紡織智能化數字車間也必將成為新常態(tài)[1]?？椩焐a過程環(huán)節(jié)較多，智能化車間勢必需要各環(huán)節(jié)間的無縫對接。如整經機經軸上落運輸環(huán)節(jié)如圖1所示，當整經機滿時，工業(yè)機器人從經軸庫調運空軸至整經機車頭，將整經機滿軸更換為空軸，再將滿軸運回經軸庫，完成一次整經機經軸上落運輸過程[2]；同樣，漿紗機的上落軸也由機器人完成；總之，工業(yè)機器人是實現生產互聯的紐帶，因此實現空軸、滿軸的智能化上落與運輸是紡織智能化數字車間的一部分。

整經是織前準備的一道重要工序，在紡織企業(yè)里經軸數量龐大，一臺漿紗機可配置12～20根經軸。但目前國內外整經機經軸的上軸、落軸、運輸過程仍需人工操作，效率低、精度差，自動化程度低[3-4]。隨著我國人口紅利逐漸消失，減少企業(yè)的用工成本、提高生產效率、提升紡織業(yè)的自動化和智能化水平勢在必行。本文針對整經工藝流程研究出可自動上、落、運輸經軸的智能機器人，用智能替代人工，最終實現紡織車間的無人化生產。

1 機器人運動規(guī)劃

機器人配合空軸庫的自動存取系統裝載空軸，沿預定的軌跡運行至整經機車頭位置（此時整經機車頭上已經有一個滿軸），先完成滿軸的落軸再完成空軸的上軸；載著滿軸的機器人再尋跡運行至滿軸庫位，配合滿軸庫的自動存取系統存放滿軸，完成經軸的上落運輸作業(yè)的機器人，運行至等待位，等待下一個工作指令。

2 機器人機械結構與工作流程

經軸上落機器人的整體結構如圖2所示，為了實現滿軸落軸、空軸上軸的一體化，機器人采用上下結構。質量相對較小的空經軸布置在上部，由貨叉5和提升托臂3組成的空軸上落機構實現抓取、提升和下降運動 [5]。質量較大的滿軸置于機器人底部沿固定軌道運行的滿軸小車上，實現滿軸的上落運輸。

經軸上落運輸機器人裝載好空軸沿磁導航運行至整經機車頭前指定位置，此時空軸在提升托臂3和雙層貨叉機構5的配合下停留在圖A位置。整經機滿匹時，車頭的伸縮氣缸動作使外錐齒輪與經軸上的內錐齒輪緩慢脫離；空置的滿軸上落小車9由B位置沿著滿軸上落小車軌道11運行到整經機車頭前D位置并把滿軸自動裝載到小車上，小車沿著軌道退回到B位置。滿軸落軸完成后，提升托臂把空軸從位置A點降到位置C點，雙層貨叉前伸，空軸由C位置運送到D位置，車頭上的伸縮氣缸推出外錐齒輪和經軸上的內錐齒輪緩慢嚙合，完成上軸后，貨叉縮回。隨后機器人運送滿軸至滿軸庫，完成卸載后，回到待機點為下次經軸上落運輸做準備。

3 機器人控制系統

3.1 控制系統結構設計

經軸上落運輸機器人的控制系統硬件結構可分為7個單元：主控單元、行走單元、空軸上落單元、滿軸上落單元、安全防護單元、通訊單元和供電單元。其中主控單元由PLC、觸摸屏和機械按鈕組成[6]。行走單元由磁導航傳感器、避障傳感器、地標傳感器、伺服驅動器和伺服電機組成?？蛰S上落單元由空軸升降電機、伸縮臂電機和接近開關組成。滿軸上落單元由滿軸小車行走電機、滿軸小車托臂電機和接近開關組成。安全防護單元由應急開關、防撞開關、避障傳感器和報警器組成。通訊單元采用無線通訊模塊實現機器人的調度和狀態(tài)信息傳輸。供電單元實時監(jiān)測電池容量，當容量低于設定下限值時向上位機發(fā)出充電請求信號。

3.2 機器人尋跡控制策略

機器人沿磁導航運行中的調速和差速均使用PID控制，但其實際運行過程中的方向、位置、速度的變化率跟運行環(huán)境有關，并非按照期望值變化，常規(guī)的PID控制法很難達到預期的控制效果。由于機器人的運動系統屬于非完整的約束系統，建立精確的運動數學模型相當困難，而模糊控制是基于專家或現場操作人員的專業(yè)知識和操作經驗而形成的模型，無須建立精確數學模型，所以機器人的尋跡運行系統采用模糊PID控制可提高系統的穩(wěn)定性和魯棒性[7]。

本設計選用機器人運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，將被控伺服電機的PWM占空比作為輸出量，建立二維模糊控制器結構如圖3所示。模糊控制器所使用的控制規(guī)則是使用模糊語言來實現的，首先將偏差和位置偏差變化率經過模糊化處理成模糊語言能識別的模糊量E，然后經過語言規(guī)則模糊推理得到模糊量U，再經過清晰化處理得到被控對象伺服系統能夠識別的清晰量u。

4 結語

本文從織造車間實際生產應用出發(fā)，引入現代設計理念，結合互聯網+和智能化技術，研發(fā)出一種整經機經軸上落運輸智能機器人。機器人采用“一車兩軸”的運輸方式，無須人工干預，替代了傳統的人工和半自動化上落運軸方式，提高了整經機的上落軸效率。經軸上落運輸機器人經適配改造同樣適用于漿紗機、織機的上落運軸作業(yè)，實現了工序與工序、車間與倉儲的互聯，提升了傳統紡織行業(yè)的技術面貌，推動紡織智能化車間的進一步發(fā)展，戰(zhàn)略意義重大。

參考文獻：

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[2]蕭漢濱.新型漿紗設備與工藝[M].北京：中國紡織出版社，2006.

[3]陳革，楊建成.紡織機械概論[M].北京：中國紡織出版社，2011（05）.

[4]蔣少軍，周鳴理.整經機的發(fā)展趨勢[J].紡織導報2008（12）.

[5]梁睦.堆垛機3層貨叉直線差動機構的設計[J].起重運輸機械，2005（03）：32-33.

[6]謝麗萍，王占富等.西門子S7-200系列PLC快速入門與實踐[M].北京：人民郵電出版社.2010：214-222.

[7]王志凱，郭宗仁，李琰.基于PLC實現模糊控制的兩種程序設計方法[J].工業(yè)控制計算機，2002.2.

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