李鵬飛 王水明 周賢鋼 王 浩 余聯(lián)慶

（1.湖北中煙工業(yè)有限責任公司，湖北武漢，430040；2.湖北新業(yè)煙草薄片開發(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中卸載并運輸?shù)津灢架囬g的過程。目前，該工序主要由人工或者液壓輔助方式來完成。常見的布輥質(zhì)量一般為60 kg～150 kg，運輸距離約為20 m～80 m，存在勞動強度大、效率低下以及用工困難等問題。隨著織機速度的不斷提高，落布和運輸工作量也隨之增長，上述問題日益突出，亟需一種能夠降低勞動強度、提升工作效率的自動落布裝置。

自20 世紀七八十年代開始，國內(nèi)外專家學(xué)者在自動落布和布輥運輸方面進行大量的研究與實踐，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運輸系統(tǒng)、原上海第十二棉紡織廠研制的落布自動運輸線、前西德研發(fā)的機器人落布小車、美國研發(fā)的布輥吊運機器人以及意大利研發(fā)的全自動落布機器人系統(tǒng)等［1-4］。落布機器人系統(tǒng)即關(guān)節(jié)型自動落布小車存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一車只能裝載一個布輥、工作效率較低且價格昂貴等問題；自動運輸系統(tǒng)需要較大的工作空間和占地面積，且系統(tǒng)的柔性不夠。因而上述方案在國內(nèi)織造車間未能得到推廣應(yīng)用。

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

1 功能需求與導(dǎo)軌形式

機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、將布輥運輸至驗布車間。若將所有人工步驟進行自動化改造升級，將導(dǎo)致系統(tǒng)的復(fù)雜程度和制造成本急劇增大。從織機上卸載布卷和搬運布卷是兩個費力耗時的步驟，而斷布、松手柄和安裝空布輥軸這三個步驟比較輕松。為此，可將卸載布卷、搬運布卷由落布小車來自動完成，而斷布、松手柄和安裝空軸則由擋車工人手動操作來完成，這樣既可大大降低設(shè)備的復(fù)雜程度和造價，又能替代繁重的體力勞動，易于在企業(yè)推廣。

自動落布小車的長度依據(jù)織機的幅寬而設(shè)定，其高度與寬度則需要根據(jù)實際工況進行參數(shù)化設(shè)計。為了提高落布小車對織機巷道的適應(yīng)性以及運行過程的平穩(wěn)性，在設(shè)計過程中應(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)軌會導(dǎo)致布輥在提升過程中與AGV 車體發(fā)生干涉碰撞。因此，本設(shè)計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

2.1 鏈條導(dǎo)軌曲線的參數(shù)方程

落布小車行走至目標織機，向右側(cè)移動靠近織機墻板，建立如圖2 所示的結(jié)構(gòu)尺寸圖。L為織機巷道寬度，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分別為織機前梁高度和半徑。虛曲線表示鏈條運動軌跡，實曲線表示布輥軸心運動軌跡，也就是待求的導(dǎo)軌曲線。

圖2 自動落布小車結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

以自動落布小車右側(cè)支架中心線與地面交點O為原點，建立地面參考坐標系XOY。第一段圓弧與機架相切于O1點，第二段圓弧與第一段圓弧相切于O2點，第三段圓弧的一端與第二段圓弧相切于O3點，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O1、O2、O3為原點分別建立局部坐標系X1O1Y1、X2O2Y2、X3O3Y3，坐標軸Y1與坐標軸Y重合，坐標軸X1沿水平方向，坐標軸X2、X3分別沿第二、三段圓弧的切線方向。θi為局部坐標系XiOiYi相對于Xi-1Oi-1Yi-1沿軸Zi-1轉(zhuǎn)動的角度，xi、yi分別為局部坐標系XiOiYi相對于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)為局部坐標系XiOiYi中圓弧軌道上任意點的坐標。在局部坐標系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系中的參數(shù)方程。

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

2、3 相對于參考坐標系的變換矩陣

設(shè)i p=[i x，i y，0，1]T為圓弧軌道上任意點在局部坐標系XiOiYi中的齊次坐標，=為圓弧軌道上任意點在參考坐標系XOY中的齊次坐標。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系。

由式（1）和局部坐標系1 相對于參考坐標系的變換矩陣，可得到第一段圓弧軌道在參考坐標系中的參數(shù)方程，見式（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 個設(shè)計參數(shù)。為了便于后續(xù)求解，利用幾何原理對參數(shù)之間的關(guān)系進行分析。第一段圓弧軌道與參考坐標系Y軸相切，局部坐標系X1O1Y1與參考坐標系平行，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 系X2O2Y2的 旋 轉(zhuǎn) 角θ2=π/2-α1，同理，可求得局部坐標系X3O3Y3的旋轉(zhuǎn)角θ3。由圖2 可知，局部坐標系X1O1Y1相對于參考坐標系的偏置位移見式（3）。

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

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

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)計變量，由圖2 可得到導(dǎo)軌寬度和高度的表達式，見式（4）和式（5）。

為了提高自動落布小車對織機巷道的適應(yīng)性，鏈條導(dǎo)軌寬度應(yīng)盡量偏??；同時，為了提高落布過程和運輸過程的平穩(wěn)性，鏈條導(dǎo)軌高度盡量偏小。采用目標加權(quán)法，通過對各目標賦予一定的權(quán)重，從而將多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化問題［8］，見式（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到機架置布鉤上，布輥可能與AGV 車體、機前梁發(fā)生干涉碰撞。落布小車在巷道里行走時，其與織機之間的距離須符合安全標準。因此，軌道參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計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過程中，為了避免與AGV 車體的右側(cè)面發(fā)生干涉，圓弧軌道上任意點到右側(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過程中，為了避免與AGV 車體棱邊以及織機前梁發(fā)生干涉，圓弧軌道上任意點到棱邊的距離應(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過程中，為了避免與AGV 車體頂面發(fā)生干涉，圓弧軌道上任意點到頂面的距離不小于布輥半徑。

約束條件4：自動落布小車在織機巷道行走過程中，為了防止人員和設(shè)備受到撞擊，根據(jù)相關(guān)安全標準，在小車與織機之間保持一定的安全距離。

于是，鏈條導(dǎo)軌參數(shù)優(yōu)化模型見式（7）。

3 算例

某織造車間的織機為豐田710 型噴氣織機，幅寬為1 900 mm。AGV 小車采用兩套差速輪驅(qū)動，在磁條導(dǎo)引下具有全方向移動能力。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 車體高度h=290 mm，AGV 車體寬度w=380 mm，織機巷道寬度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遺傳算法工具箱對參數(shù)優(yōu)化模型（7）進行求解［9］，得到設(shè)計變量X的優(yōu)化解之后，進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°，局部坐標系1 的旋轉(zhuǎn)角θ1=0°，局部坐標系1 的偏置位移x1=0 mm，局部坐標系1的偏置位移y1=325.7 mm，局部坐標系2 的旋轉(zhuǎn)角θ2=9.5°，局部坐標系2 的偏置位移x2=126.9 mm，局部坐標系2 的偏置位移y2=-149.9 mm，局部坐標系3 的旋轉(zhuǎn)角θ3=60.5°，局部坐標系3 的偏置位移x3=191.5 mm，局部坐標系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。

為了便于針對織機型號以及織造車間巷道工況進行鏈條導(dǎo)軌的參數(shù)化設(shè)計，在Matlab 中開發(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算結(jié)果和軌道曲線。

4 樣機制作與功能測試效果

自動多載落布小車由AGV 車體和軌道式落布機構(gòu)組成，整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。AGV 車體的兩側(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)動單元的作用下沿著導(dǎo)軌移動。鏈條導(dǎo)軌既是布輥移載的軌道，也被作為小車支架，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鏈條導(dǎo)軌和驅(qū)動單元組成。驅(qū)動單元由直流無刷電機、蝸輪蝸桿減速器、傳動軸以及鏈輪組成。如果織機巷道較寬，小車可配置兩個落布單元，其上可放置4 個布輥；如果巷道較窄，則配置單個落布單元，其上可放置兩個布輥，從而實現(xiàn)多載功能。

圖4 自動多載落布小車機械結(jié)構(gòu)圖

為確保落布過程中的穩(wěn)定性，布輥在導(dǎo)軌上的移動速度設(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)過校核，驅(qū)動單元的元器件配置和選型能夠滿足落布過程的速度和負載要求。

加工制作具有雙落布單元的自動落布小車工程樣機，并在織造車間進行功能測試。試驗流程：織造任務(wù)完成之后，由人工進行斷布和松開布輥軸，自動落布小車在導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)引下沿著巷道中線行走到目標織機，如圖5（a）所示；主動電機驅(qū)動鏈輪反轉(zhuǎn)，鏈條和落布鉤依靠重力沿著軌道下滑至軌道末端；接著，小車向織機側(cè)移一定距離將落布鉤置于布輥軸附近；然后，主動電機驅(qū)動鏈輪正轉(zhuǎn)，帶動鏈條和落布鉤鉤動布輥軸，并將布輥拖拽至置布鉤上，如圖5（b）所示；小車反向側(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)下行走到驗布車間，如圖5（d）所示。

圖5 自動落布小車樣機功能測試

落布過程耗時約20 s，運輸過程中小車行走的平均速度為15 m/s，與熟練落布工的用時基本一致。因此，從整體上能夠達到降低勞動強度、減員增效的目的。鏈條導(dǎo)軌型落布小車的一個落布單元只需要一個驅(qū)動電機，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。同時，該小車具有結(jié)構(gòu)可變的特點，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。

5 結(jié)束語

針對織造車間落布工序勞動強度大、效率低的問題，本研究通過對鏈條導(dǎo)軌的優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合實際的工況參數(shù)，制作了鏈條導(dǎo)軌式自動多載落布小車樣機，測試結(jié)果表明：鏈條導(dǎo)軌式多載落布小車能夠替代人工自動完成勞動強度大的落布、運輸?shù)葍蓚€步驟，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、適應(yīng)不同巷道寬度的優(yōu)點，達到了降低勞動強度、減員增效的目的，對織造車間的自動化改造升級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)一種型號的織機，對于擁有幾種型號織機的中大型織造車間，需要設(shè)計和配置不同型號的鏈條導(dǎo)軌型落布小車才能滿足落布工作量，今后將著力解決鏈條導(dǎo)軌式多載落布小車對織機型號適應(yīng)性不足的缺點。