基于AGV的棉桶搬运系统设计

陈 翔，袁红兵，姚万里

（1.南京理工大学 机械工程学院，南京 210000；2.昆山同日工业自动化有限公司，昆山 215300）

0 引言

近年来，随着自动化技术的进步，纺织行业的纺织设备自动化、连续化、智能化和高速化程度大大增加[1]。纺织品成型之前需要经过一系列的工艺流程，本纺织车间流程为：棉花被压制成棉块通过管道流入梳棉机，棉块被分解为单纤维状态，同时被清除了一些杂质，在充分均匀混合后被制成连续的棉条存储在底部装有滚轮的棉桶中。然后，搬运工人将多个棉桶拉到并条机处，其将多根棉条并合和牵伸成一根棉条，然后进行下一工序。然而，纺织车间噪声大、粉尘多以及劳动强度大等问题使得人工搬运纺织物料越来越不被看好，并且随着招工难等问题的出现[2]，纺织物料的自动搬运显得越发必要。

本文设计的AGV搬运系统的功能为：将梳棉机生产的满棉桶搬运到并条机处，并从并条机处取空棉桶放回梳棉机处，如此实现空满棉桶的周转运作。为此，针对车间内流转于梳棉机和并条机之间的棉桶以及车间的生产节拍进行分析，同时基于AGV对棉桶的搬运系统进行了设计。

1 纺织车间需求分析

如图1所示，项目一期现场共有16台梳棉机和5台并条机，两种机器之间有墙隔开，梳棉机基本为两排八列分布，并条机为五排一列分布，16台梳棉机生产出的棉条被装入棉桶中用以供应5台并条机。

车间工艺流程为：并条机前方放置2排6列的满桶，每次换桶数为6个，即6个满桶同时供并条机并条，待第1排的6个满桶用完后，第2排的6个满桶继续并条。满桶经并条机并条后变为空桶，空桶经人工继续搬运到梳棉机处装满棉条，然后人工再将满桶送到并条机处并条，如此循环反复周转。

纺织车间工作时间：24小时两班倒，其中停车清洁时间为2小时，每台梳棉机产能40kg/40min/桶（即40分钟装满含40kg棉条的棉桶），并条机需求：一台并条机旁边放置12个棉桶，并条定量4.26g/m，并条速度374m/min，单次换桶数为6（即一次有6个棉桶在并条），可以计算出并条机每换6个棉桶的时间为150min，即在150min之内要将6个满桶送到并条机处。

图1 工艺布局图

2 搬运系统设计

针对纺织车间实际情况，对AGV搬运系统进行了设计，包括搬运方案设计、导航定位设计、硬件设计以及软件设计。

2.1 搬运方案设计

项目一期考虑到两排梳棉机中间的空间以及梳棉机和并条机之间的空间限制以及现场的生产节拍，设计了如图2所示的AGV搬运路线。

为了方便满桶和空桶的取放，在并条机前方放置3排4列共12个满桶缓存，并在并条机旁边根据空间放置了6～8个不等的空桶缓存以方便AGV在送完满桶时取空桶送回梳棉机处，同时规定取空桶的方式：在并条机一侧设置有供空桶下滑的斜坡，每次AGV仅需在斜坡出口处取空桶即可。

在梳棉机区域，共设置了三条通道，而由于并条机处空间较小，只能供一台小车进入，必要时需要设置交通管制以避免发生堵塞和碰撞。

图2 AGV搬运方案图

由表1可知，每台梳棉机出桶速度为40min/桶，则16台梳棉机出桶速度为40min/16桶，在并条机需求时间150min内，梳棉机出桶次数为3次，共出桶48桶，而每台并条机在150min内需求为6桶，5台并条机共需求30桶，可以看出梳棉机出桶速度完全满足并条机需求，AGV只需要满足在150min内搬运48个桶即可。

表1 梳棉机、并条机相关参数

由表2可知，一台AGV搬运一个桶的总时间为：T=T1+T2+T3+T4=11min，在150min之内可以搬运桶数为13，而在这段时间内需要搬运的桶数为48，故总共需要4台AGV才能满足节拍。

2.2 导航定位设计

目前AGV的导航技术主要有磁条导航、色带导航、二维码导航、惯性导航以及激光导航等方式，综合考量项目现场的柔性化搬运以及经济性实施，确定采用磁条导航结合RFID技术进行导航定位。本项目的导航定位原理如图3所示，AGV车体上总共安装了三个磁导航传感器和一个RFID读写器，其中前磁导航传感器1和后磁导航传感器3用于小车在主道路上沿着磁条6做前进和后退的动作，侧磁导航传感器2用于检测横向磁条5以控制AGV小车精确停止，RFID读写器4用于读取路线上的RFID标签[3]，可以实现AGV小车位置信息的实时更新，除此之外，AGV也可以根据RFID标签中的指令实现加速、减速、分叉、旋转90°以及原地等待等动作。

图3 AGV导航定位原理图

2.3 硬件设计

如图4所示，AGV系统硬件包括UPS、服务器、交换机、远程无线I/O、无线AP、AGV等，光电传感器、人体感应器、按钮以及智能充电机等设备与远程无线I/O模块实现远程连接，大大减少接线工作量。其中UPS在车间供电正常的情况下起到稳压的作用，当车间断电时，UPS可以作为备用电源以防止通信数据的丢失而造成安全事故；交换机用于通信数据的交换；无线AP用于组成现场通信局域网；AGV作为搬运的载体，主要由单片机控制板控制，接收来自调度系统的指令，从而完成搬运任务。

表2 AGV相关参数

图4 硬件框架图

2.4 软件设计

AGV系统软件即调度系统，如图5所示，分为权限管理、电子地图、任务下发、路径规划以及交通管制等模块。权限管理模块可以为多个用户设置多个管理权限；电子地图模块可以导入例如DXF格式的地图，方便现场人员查看AGV的位置等信息；任务下发模块分为手动下发和自动下发模式，其中手动下发模式多用于调试阶段以及突发情况；路径规划模块用于合理规划AGV搬运路径以提高系统整体搬运效率；交通管制模块根据现场物流状况，在容易发生碰撞、堵塞的地方设置交通管制组[4]。

图5 AGV软件框架图

3 搬运系统流程

梳棉机共有三个工位，分别为空桶放置区、工作区以及满桶放置区，在空桶放置区和满桶放置区各放置光电传感器用以检测棉桶的有无。如图6所示，当空桶放置区的光电检测不到棉桶时，通信系统通知调度系统该位置还未放置空桶，此时调度系统对就近的AGV下发搬运空桶命令，送完空桶后，当满桶放置区的光电检测到满桶信号时，AGV前往满桶放置区将满桶搬运到并条机处。

并条机处的叫料方式为按钮呼叫方式，即当并条机处需要满桶时，人工按下线边的按钮，此时AGV根据按钮盒所在的机台位置自动将满桶搬运到该机台处。

当出现空闲的时候，AGV会去充电区进行电量补充，当调度系统再次下发任务时，AGV紧接着执行任务。

图6 搬运系统流程图

4 结语

本文针对纺织车间周转于梳棉机和并条机之间的棉桶，对车间需求、生产节拍进行分析，设计了一套基于AGV的棉桶搬运系统，阐述了AGV的搬运方案、导航定位方法、硬件组成和软件组成，最后对整个搬运系统流程的实现进行了梳理。

该系统能够实现棉桶的自动化搬运，大大降低工人的劳动强度，解决招工困难、生产管理混乱等问题。综上所述，在纺织车间应用棉桶搬运系统具有很好的实际应用价值。