智能上轴机器人的研制及应用效果

何旭平 吉学齐 陶广川

（山东日发纺织机械有限公司，山东聊城，252000）

随着信息技术的不断发展，智能生产模式逐步成为各行业新的发展趋势［1-2］。作为传统劳动密集型的纺织行业，对可以明显减少用工的智能生产模式有着更迫切的需求［3-4］。我们公司开发了一种智能上轴机器人系统，可以实现织轴在浆纱车间和准备车间的运输，织轴、卷布辊在织机上的装卸操作等。

1 智能上轴机器人的结构形式与原理

智能上轴机器人是基于AGV运输车进行二次开发而成的，我们在AGV运输车上进一步开发了织机定位系统、织轴升降系统、抓取系统等，再通过织造车间内的智能控制系统将多个机器人组网联接，对整个织造车间内全部机台进行自动响应，实现织轴自动运输以及装卸等操作。具体见图1。

图1 智能上轴机器人

AGV即自动导引车，是一种具有高度柔性化和智能化的物流搬运设备，被称为移动机器人，国外从20世纪50年代在仓储业开始使用。在国内，AGV在汽车、烟草、印钞等行业已有大规模应用。AGV的核心技术主要包括传感器技术、导航技术、伺服驱动技术、系统集成技术等。我们开发的智能上轴机器人主要由6部分组成：车架、运输行走系统、定位系统、升降系统、抓取系统和智能控制系统。

1.1 车架

车架采用T形钢、H形钢，通过X形和三角形组合焊接而成，整体稳定可靠。车架前后两侧留有安装驱动轮组的空腔，整体造型采用中间高、两端低的模式，为中间运输织轴留出充足空间。

1.2 运输行走系统

运输行走系统主要由万向轮、舵轮机构、RFID地标识别装置、磁性导航器、行走安全系统等构成。织造车间内织轴系列较多，幅宽较大时，其质量可达1 t以上。为了保证上轴机器人的适应范围，采用承重型万向轮，并将其分布在车身四角，保证车体可平稳行走。

为保证机器人的灵活性，驱动轮采用双舵轮机构，两个舵轮同时为上轴机器人提供行进动力，并精确控制行进方向。舵轮机构采用沿中心线两侧布局，同时加装弹簧，保证舵轮机构可靠触地，保证车体完成前行、后退、侧移、旋转等动作。

RFID地标识别装置由RFID电子标签和RFID读写器构成。在智能上轴机器人行走路径旁放置非接触电子标签，由车载读卡器实时读取电子标签里的信息，比如加减速、路径编号、工位编号、仓库编号、等待时间等，以便很好地识别运输行走过程中的各种指令。

磁性导航器的作用是实时找寻磁条位置，以保证车体按照预设路径运动。

行走安全系统主要由激光雷达和防撞条组成。激光雷达的检测范围为-45°～225°，检测距离0 m～3 m可调，采用非接触式保护系统，可以根据机器人尺寸大小、运行状态和路径状况实现对障碍物的探测及避撞，确保行走安全。检测范围可设置成安全警示区域和危险区域，当检测到障碍物进入安全警示区域时，机器人减速运行并发出警示声；当检测到障碍物进入危险区域时，自动停车，待障碍物移走后自动恢复行走。极端情况下，激光雷达出现故障，导致碰触到障碍物，防撞条可使AGV运输车即刻停止，起到双重保护作用。

1.3 定位系统

定位系统主要由液压系统、驱动油缸、机械夹手和定位块等组成。液压系统布置在车架一端，为驱动油缸提供动力，采用48 V、1.5 kW直流电机，6 mL齿轮泵，最高压力8 MPa，油箱有效容积28 L，电磁阀控制电压24 V，压力变送器输出信号4 mA～20 mA。驱动油缸固定在AGV车体上，在车体前后各布置一个。定位块开有V形凹槽，安装在织机设备上，前后各一个。机械夹手由驱动油缸带动，可以完成伸出和收缩动作，前后各一个安装在车架底侧。机械夹手头端设有V形凸台，与定位块的凹槽配合定位。

1.4 升降系统

升降系统主要由升降驱动装置、丝杠导向装置和升降装置、丝杠等部分组成。升降驱动装置安装在车架顶，是整个升降系统的动力装置。丝杠导向装置主要由丝杠导套、直线轴承、导向柱等关键部件组合而成，该结构可使升降装置在升降过程中不受外力影响，升降平稳可靠。升降装置可随着丝杠的旋转而实现上下动作。升降系统的外围设计了防护罩壳，保护导向柱免受车间飞花棉絮等影响。

1.5 抓取系统

抓取系统主要包括机械臂和夹手机构。机械臂可随着升降装置上下动作。夹手机构安装在机械臂的凹槽内，由驱动电机、夹手、复位拉簧、自锁板等机构组成，其中自锁板与驱动电机连接，当驱动电机旋转使自锁板呈竖直状态时，夹手在复位拉簧的作用下呈打开状态；当驱动电机旋转使自锁板呈横向状态时，自锁板会撑开夹手呈闭合状态，实现夹手的抓取和释放动作。

抓取系统在实际工作中需要与安装在织机设备上的附件装置配合使用。织机附件装置主要包括织轴托架、推料气缸，两者均固定安装在织机设备上。当机器人拆卸织轴动作时，先由推料气缸将织轴推至织轴托架位置，然后再利用机器人抓取系统将织轴取走，完成卸轴操作。当机器人执行上机挂轴动作时推料气缸处于收缩状态，机器人将织轴放置在织轴托架边缘位置后释放，织轴由于自重原因沿着织轴托架的坡度轨道滚动至定位圆弧槽位置。当织机的感应开关检测到织轴后，织机附件设备的自动锁紧装置将织轴定位固定，完成上机操作。

1.6 智能控制系统

控制系统的功能主要有：智能上轴机器人可以根据规划好的路径运动，位置误差±10 mm内；控制刹车装置按照规划的加速度和速度及时制动；具备多车之间的通讯功能；满足多I/O口控制；当检测到电量达到预警线时，警报灯闪烁并给出信号到主控制系统，控制系统发出指令，小车接收到指令后自动运行至充电站充电。

2 智能上轴机器人的具体工作流程

智能上轴机器人实际工作时，与织造车间内织机及其他设备形成有机整体，需要设计一套物流控制系统，全部织机机台及上轴机器人都在物流控制系统的统一协调下工作。物流控制系统由硬件系统、软件系统两部分组成。硬件系统主要包括工控机、屏幕显示器、控制盘柜、线缆等，软件部分主要包括工业采集软件系统、物流调度软件系统等。工业采集软件系统主要采集各织造设备的生产工艺信息、数据分析、报警管理、日志管理等基础信息。物流调度系统要根据实际生产需求，合理安排规划各种操作，特别是多台AGV运输车之间的协调、最合理运输路径的计算、行走过程中安全的保证、AGV运输车的充电等环节，均需要全面考虑，并整合到系统里［5］。

智能上轴机器人实际工作流程。空轴卸轴操作流程：织机上的织轴纱线用完时发出呼叫信号→车间工业采集软件系统接收信号→信号上载传递到物流控制系统→物流控制系统调度机器人向呼叫织机运行→空载机器人先行→满载机器人紧跟其后→机器人利用导航系统规划行走路线→空载机器人通过RFID地标识别器读取电子标签到对应织机后停车→机器人定位系统与织机完成精确定位→机器人抓取机构抓住织轴头端的轴承→升降装置向上运动使织轴离开织轴托架→空载机器人携带空织轴离开织机。织轴上轴操作：机器人完成精确定位→抓取机构抓住满纱线的织轴抵达预定位置→复位拉簧收缩拉动夹手，夹手打开释放织轴→织轴沿织轴托架的轨道移动到位→织机自带气动装置锁紧→满载机器人离开织机。

3 智能上轴机器人实际应用效果

智能上轴机器人研发成功后投入了实际使用，使用过程中整机运转稳定可靠，智能上轴机器人与织机定位准确迅速，抓取动作稳定可靠，与车间物流控制系统通讯灵敏可靠，行走安全系统可靠性良好，多机台工作时协调一致，可以按控制系统的统一规划路径稳定行走，安全自停及自动上下轴等功能均完成良好，在机器人缺电时可以自动报警并自动运行到充电区充电。实际运行效果表明智能上轴机器人完全实现了预期功能。

智能上轴机器人的行走区域主要包括仓库中转区、织机工作区、自动充电区。由于织造车间织机数量众多，智能上轴机器人行车路线需要根据织机的具体排布方式以及停车顺序，精确逻辑分析计算，合理分布，保证整体效率。使用中也发现智能上轴机器人有不足之处，主要是机器人体积较大，使用智能上轴机器人时织造车间面积需要适当加大，以方便机器人运转作业。

4 结语

目前织造行业中，织轴在准备车间与织造车间的运输以及在织机上的挂机操作均要依靠人工进行，整个过程劳动强度大，占用人工时间长，制约了效率的提高。我们公司研发的智能上轴机器人可自动完成织轴的装卸操作及织轴在织造、准备车间的运输，改变了织造车间当前的生产组织模式，提高了生产效率，降低了用工成本，为众多纺织织造企业带来了生产转型的机会，应用前景广阔。