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(guó)作為世界上最大的紡織品加工國(guó)、消費(fèi)國(guó)和出口國(guó)，紗布生產(chǎn)能力及產(chǎn)量均居世界首位，其中棉紡行業(yè)作為我國(guó)紡織工業(yè)中規(guī)模最大的支柱產(chǎn)業(yè)，還處在以勞動(dòng)密集型為主的傳統(tǒng)制造業(yè)模式中，當(dāng)前我國(guó)棉紡行業(yè)對(duì)勞動(dòng)力資源和成本的依賴度較高，產(chǎn)業(yè)利潤(rùn)率明顯偏低，處于產(chǎn)業(yè)鏈前端和價(jià)值鏈低端[1,2]。在《中國(guó)制造2025》中，紡織業(yè)作為被重點(diǎn)推進(jìn)智能化改造的傳統(tǒng)行業(yè)，推動(dòng)棉紡行業(yè)的自動(dòng)化、智能化改造，提高行業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快行業(yè)技術(shù)升級(jí)，對(duì)提升我國(guó)棉紡行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的推動(dòng)作用[3,4]。

棉紡生產(chǎn)一般可分為前紡粗紗、后紡細(xì)紗和后道加工三道工序[5,6]，車間生產(chǎn)主機(jī)自動(dòng)化水平很高，但各主機(jī)間的物流輸送一直未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，亟待進(jìn)行智能化升級(jí)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(chǎn)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(diǎn)，工藝裝備自動(dòng)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(shè)備可用空間有限，尚無(wú)前紡車間實(shí)際使用的物流輸送系統(tǒng)。

缺少高效、兼容性強(qiáng)的條筒物料輸送設(shè)備。前紡車間條筒作為棉條的運(yùn)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(jī)設(shè)備種類多，主機(jī)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(shè)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(chǎn)能最高，車間設(shè)備布局緊密，對(duì)原料使用率要求嚴(yán)格，如何控制設(shè)備自動(dòng)、高效完成與工藝相匹配的供料且最大限度的降低損耗，對(duì)整體控制管理系統(tǒng)提出了智能化要求。

本研究針對(duì)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(jié)合生產(chǎn)工藝特點(diǎn)、車間內(nèi)物流動(dòng)線布置以及前紡主機(jī)的技術(shù)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(jī)、預(yù)并條機(jī)、條并卷機(jī)、精梳機(jī)、末并條機(jī)、粗紗機(jī)設(shè)備之間的條筒輸送，可實(shí)現(xiàn)棉紡前紡車間條筒輸送物流的智能化以及生產(chǎn)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(chǎn)作業(yè)流程

前紡車間生產(chǎn)原料從棉纖維開始，經(jīng)過開清棉、梳棉機(jī)、預(yù)并條機(jī)、條餅卷機(jī)、精梳機(jī)、并條機(jī)、粗紗機(jī)到細(xì)紗機(jī)形成管紗成品，管紗通過細(xì)絡(luò)聯(lián)輸送系統(tǒng)進(jìn)入后紡車間，工藝流程如圖1所示。條筒在各個(gè)主機(jī)間的輸送是雙向的，可分為滿條筒上線至下一級(jí)主機(jī)和空條筒下線至上一級(jí)主機(jī)，其中工序1：開清棉到梳棉機(jī)工序2：條并卷機(jī)到精梳機(jī)和工序7：粗紗機(jī)到細(xì)紗機(jī)的物料輸送已經(jīng)由主機(jī)實(shí)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(diǎn)。

圖1 前紡車間生產(chǎn)工藝流程

1.2 作業(yè)對(duì)象

棉條（半成品及成品）作為前紡車間的生產(chǎn)物料，一般以棉條筒為載體在各個(gè)工序之間進(jìn)行流通，根據(jù)不同紡機(jī)的特點(diǎn)和產(chǎn)量設(shè)計(jì)，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(shí)物如圖2所示。

圖2 三種不同規(guī)格的棉條筒實(shí)物圖

2 棉紡前紡車間物流系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本前紡車間條筒的物流輸送系統(tǒng)覆蓋了梳棉機(jī)、預(yù)并條機(jī)、條并卷機(jī)、精梳機(jī)、末并條機(jī)、粗紗機(jī)等工藝設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)將上一級(jí)主機(jī)產(chǎn)生的滿筒輸送至下一級(jí)主機(jī)供料，同時(shí)下一級(jí)主機(jī)產(chǎn)生的空筒輸送至上一級(jí)主機(jī)供筒[9]。系統(tǒng)中各主機(jī)在條筒轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)的機(jī)臺(tái)配比關(guān)系為：8臺(tái)梳棉機(jī)與2臺(tái)預(yù)并條機(jī)對(duì)應(yīng)，2臺(tái)預(yù)并條機(jī)與1臺(tái)并條機(jī)對(duì)應(yīng)，1臺(tái)并條機(jī)與6臺(tái)精梳機(jī)對(duì)應(yīng)，6臺(tái)精梳機(jī)與2臺(tái)末并條機(jī)對(duì)應(yīng)，2臺(tái)末并條機(jī)與2臺(tái)粗紗機(jī)對(duì)應(yīng)，本方案要求45分鐘內(nèi)單臺(tái)192錠粗紗機(jī)導(dǎo)條區(qū)的192個(gè)條筒完成整體空滿筒轉(zhuǎn)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(guān)鍵設(shè)備研發(fā)

針對(duì)前紡車間環(huán)境溫度高、濕度大、飛絮飛花多，設(shè)備運(yùn)行條件復(fù)雜，且與各類主機(jī)之間接口復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，結(jié)合條筒的易變形、重心高的外形特點(diǎn)，開發(fā)了包括雙筒輸送工裝載具、側(cè)面驅(qū)動(dòng)條筒輸送設(shè)備和條筒專用機(jī)械抓手在內(nèi)的關(guān)鍵輸送設(shè)備。

3.1 雙筒輸送工裝載具

針對(duì)粗紗機(jī)單次備筒時(shí)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(shè)備用于并條機(jī)區(qū)與粗紗機(jī)區(qū)之間的條筒輸送，可實(shí)現(xiàn)條筒以載具為單元快速流轉(zhuǎn)，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(gè)條筒，通過智能調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)化控制，單臺(tái)粗紗機(jī)條筒整批換筒的時(shí)間可從2小時(shí)縮短到1個(gè)小時(shí)，備筒時(shí)間縮短了50%?？蓪?shí)現(xiàn)192錠粗紗機(jī)空滿筒轉(zhuǎn)換時(shí)間在30分鐘內(nèi)完成。

圖4 雙筒輸送工裝載具現(xiàn)場(chǎng)圖

如圖5所示，雙筒輸送工裝載具包括雙鉤氣動(dòng)步進(jìn)橫推和單鉤氣動(dòng)豎推兩種結(jié)構(gòu)，步進(jìn)輸送行程分別為630 mm和1080mm，為滿足現(xiàn)場(chǎng)惡劣（飛絮）的環(huán)境，該設(shè)備采用了全封閉氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，并配置了定制的專用軌道型材，保證了設(shè)備運(yùn)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(shè)備

針對(duì)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(shè)備[11]，該設(shè)備用于預(yù)并條區(qū)與條并卷區(qū)之間、精梳機(jī)區(qū)與末并條機(jī)區(qū)之間的條筒輸送。

如圖6所示，該設(shè)備設(shè)置有推勾組件，推勾組件由具備往復(fù)行程的驅(qū)動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)，推勾沿輸送方向傾斜設(shè)置。于推程時(shí)，推勾組件處于水平逆止?fàn)顟B(tài)，通過驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)條筒向前輸送；于回程時(shí)，推勾組件折疊，并通過重力作用從條筒側(cè)面自動(dòng)回位。

圖6 劃槳式條筒輸送設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)圖

劃槳式條筒輸送設(shè)備包括水平單側(cè)推筒輸送機(jī)和水平雙側(cè)推筒輸送機(jī)，如圖7所示，步進(jìn)輸送行程分別為670mm和920mm兩種，其中水平單側(cè)推筒輸送機(jī)應(yīng)用于精梳機(jī)至末并條機(jī)之間的條筒輸送，而雙側(cè)推筒輸送機(jī)應(yīng)用于末并條機(jī)機(jī)械接口處的條筒輸送。

圖7 劃槳式條筒輸送設(shè)備三維圖

3.3 條筒專用龍門機(jī)械抓手

針對(duì)工裝載具上空筒至并條機(jī)空筒線轉(zhuǎn)運(yùn)，及并條機(jī)滿筒線至工裝載具上轉(zhuǎn)運(yùn)的需求，基于擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)原理發(fā)明了條筒專用龍門機(jī)械抓手[12]，該設(shè)備用于條筒與載具的結(jié)合與分離過程。

如圖8所示，機(jī)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(shí)避免擠壞條筒，并通過對(duì)機(jī)械抓手的速度和加速度曲線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，在條筒與載具結(jié)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(yùn)行可靠性。

圖8 條筒專用機(jī)械抓手現(xiàn)場(chǎng)工作圖

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

圖9 條筒專用機(jī)械抓手三維圖

4 條筒智能管控系統(tǒng)開發(fā)

針對(duì)棉紡前紡車間生產(chǎn)產(chǎn)品具有多品種、少批量和多批次的特點(diǎn)，涉及工藝設(shè)備種類多，接口復(fù)雜，產(chǎn)品信息需在各設(shè)備之間快速、準(zhǔn)確傳遞且可追溯的難點(diǎn)，開發(fā)的條筒智能管控系統(tǒng)包括條筒換批智能調(diào)度、條筒信息管控和物流監(jiān)控管理子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了條筒存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程的智能管控，極大提升了物流效率且生產(chǎn)信息全程可追溯。

4.1 條筒換批智能調(diào)度系統(tǒng)

開發(fā)的條筒換批智能調(diào)度系統(tǒng)行業(yè)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了粗紗機(jī)條筒自動(dòng)整體換批，可滿足粗紗機(jī)所需指定批次的192個(gè)（根據(jù)粗紗機(jī)品牌和型號(hào)會(huì)有所調(diào)整）滿條筒能準(zhǔn)確按時(shí)到達(dá)指定區(qū)域，為粗紗機(jī)換批供料。該系統(tǒng)能夠?qū)l筒換批過程中的條筒輸送進(jìn)行實(shí)時(shí)有序和高效規(guī)劃，并且能通過不同工位條筒輸送隊(duì)列智能調(diào)整有效降低粗紗機(jī)在紡紗過程中因棉條牽伸造成的尾紗浪費(fèi)。

4.2 條筒整體換批智能算法

針對(duì)條筒輸送、存儲(chǔ)和分揀物流環(huán)節(jié)多品種、多批次和小批量的特點(diǎn)，基于混合粒子群算法開發(fā)了條筒整體換批智能算法，實(shí)現(xiàn)了不同品種和批號(hào)條筒在滿筒暫存線和粗紗機(jī)暫存區(qū)內(nèi)按粗紗機(jī)工位和開機(jī)時(shí)間要求進(jìn)行位置智能排序，以最優(yōu)路徑輸送合格條筒，在最短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確到達(dá)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(lái)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(gè)體極值和群體極值的交叉以及粒子自身變異的方式來(lái)搜索最優(yōu)解，有效解決了按品種、時(shí)間、機(jī)臺(tái)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(jī)為例，一臺(tái)粗紗機(jī)一次需要192個(gè)滿紗條筒，其中，第1、3、5排條筒個(gè)數(shù)為38個(gè)，第2、4排條筒個(gè)數(shù)為39個(gè)，每個(gè)托盤可裝載2個(gè)條筒，每次換筒第2、4排都需要調(diào)度一個(gè)只有在左側(cè)存在滿條筒的托盤。以條桶為單個(gè)粒子，實(shí)時(shí)采集空滿狀態(tài)。以載體托盤為載體粒子，實(shí)時(shí)采集位置信息和該位置前后設(shè)備粒子的狀態(tài)信息，以便遇到突發(fā)狀況可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整自身設(shè)備運(yùn)行策略，提升系統(tǒng)魯棒性。為增強(qiáng)局部搜索策略，將緩存區(qū)分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域計(jì)算自身區(qū)域內(nèi)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(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)度。

圖10 粗紗機(jī)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(nèi)多個(gè)并條機(jī)同時(shí)生產(chǎn)出的熟棉條品種多，下道工序粗紗機(jī)生產(chǎn)完成后需及時(shí)更換指定批次熟棉條條筒，針對(duì)熟棉條批量大、批次的高準(zhǔn)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(zhì)、按量和按時(shí)地輸送至指定位置，可避免因送錯(cuò)棉條造成的產(chǎn)品報(bào)廢，保證了生產(chǎn)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(shù)手段：條筒托盤采用RFID傳遞信息，記錄托盤在每個(gè)工位的操作記錄，并通過與主機(jī)的信息接口對(duì)接，可實(shí)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(jìn)式輸送的方式，在換筒過程中保證條筒分批次的自動(dòng)補(bǔ)給，在補(bǔ)給過程中實(shí)時(shí)記錄每個(gè)條筒的信息，避免條筒的批次混淆；緩存庫(kù)的存儲(chǔ)設(shè)備采用雙工位貨叉式穿梭車對(duì)托盤進(jìn)行存取，在滿筒入庫(kù)時(shí)按照條筒的批次進(jìn)行存放，保證相鄰的遠(yuǎn)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(duì)前紡車間設(shè)備種類多、數(shù)量大、信號(hào)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了物流輸送過程中設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制，包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、作業(yè)管理、貨位管理、庫(kù)存管理、流水查詢、系統(tǒng)維護(hù)和幫助等模塊，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程操作、生產(chǎn)狀況智能圖表顯示、多類條筒品種管理、生產(chǎn)機(jī)臺(tái)品種維護(hù)、自動(dòng)入/出庫(kù)作業(yè)處理、暫存條筒自動(dòng)管理、數(shù)據(jù)查詢以及系統(tǒng)參數(shù)維護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化。

5 工程應(yīng)用效果

本項(xiàng)目在某棉紡企業(yè)投產(chǎn)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(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)物料在各工序間流通轉(zhuǎn)運(yùn)的連續(xù)化、自動(dòng)化和智能化，改變了棉紡車間的物流作業(yè)模式。把粗紗機(jī)的條筒備筒時(shí)間從2小時(shí)縮短到1小時(shí)，備筒時(shí)間減少50%，粗紗機(jī)開機(jī)率從約85%提升到約92%，降低了條筒輸送時(shí)間對(duì)開機(jī)率的影響，降低粗紗機(jī)由于牽伸造成的棉條浪費(fèi)，并把工人從簡(jiǎn)單重復(fù)的條筒搬運(yùn)工作中解放出來(lái)，有效降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以某棉紡企業(yè)為例，依據(jù)前紡車間的工藝路線，結(jié)合系統(tǒng)方案規(guī)劃、物流輸送設(shè)備和軟硬件開發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)對(duì)條筒智能物流輸送系統(tǒng)進(jìn)行了介紹和分析，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)棉紡前紡車間中條筒的智能化輸送、管理以及生產(chǎn)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(shí)施，為企業(yè)提供了高效、準(zhǔn)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(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)降本增效，該項(xiàng)目的成功實(shí)施證明智能物流輸送系統(tǒng)對(duì)棉紡行業(yè)的智能化改造升級(jí)具備極大的推動(dòng)作用，在棉紡行業(yè)具備一定的行業(yè)推廣和應(yīng)用價(jià)值。