（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

作為“從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代”的印染產(chǎn)業(yè)被稱(chēng)為“新朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”，其發(fā)展前景極為可觀[1]。而印染企業(yè)中，染色加工又是企業(yè)生產(chǎn)的核心[2]。隨著市場(chǎng)需求對(duì)紡織產(chǎn)品各方面性能要求的不斷提高，筒子紗染色在我國(guó)日益普及。國(guó)外學(xué)者Brahmadeep[3]通過(guò)仿真技術(shù)比較研究了紡織紗線退繞裝置的手動(dòng)和自動(dòng)配紗裝置；國(guó)內(nèi)學(xué)者Yao J[4]對(duì)棉織物靛藍(lán)染色系統(tǒng)的優(yōu)化；Zhou X H[5]對(duì)印染生產(chǎn)過(guò)程中存在的設(shè)備間切換成本和設(shè)備瓶頸等問(wèn)題進(jìn)行了研究分析與優(yōu)化；戴智杰[2]基于遺傳算法研究了浸染生產(chǎn)排缸策略；王婷[1]研究了印染排缸模型并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)軟件；劉琳[6]等研究了筒子紗數(shù)字化自動(dòng)染色成套技術(shù)與設(shè)備。染缸染色加工周期長(zhǎng)、能源消耗大、資源約束多、隨機(jī)性高?，F(xiàn)如今隨著科技水平的發(fā)展，生產(chǎn)線自動(dòng)化程度大大提高，因此全自動(dòng)筒子紗印染生產(chǎn)線也開(kāi)始引入眼簾，我國(guó)第一條全自動(dòng)筒子紗印染生產(chǎn)線現(xiàn)已投產(chǎn)[7]。對(duì)于全新的自動(dòng)化生產(chǎn)線，其工藝研究研究甚少，相關(guān)領(lǐng)域中，孫影慧[8]基于Flexisim對(duì)服裝混合流水線進(jìn)行了研究；延淵淵等[9]對(duì)汽車(chē)連桿生產(chǎn)線進(jìn)行了仿真優(yōu)化研究；Xu Z等[10]基于eM-Plant找到了機(jī)械加工生產(chǎn)線的瓶頸。因此通過(guò)開(kāi)發(fā)仿真平臺(tái)研究生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況進(jìn)而通過(guò)得出的數(shù)據(jù)優(yōu)化并改進(jìn)其生產(chǎn)工藝具有很重要的研究與實(shí)際價(jià)值。

全自動(dòng)筒子紗印染生產(chǎn)線屬于新興生產(chǎn)線，目前鮮有學(xué)者研究其工藝及影響參數(shù)，因此對(duì)于該生產(chǎn)線仍有很多待研究的問(wèn)題。該生產(chǎn)線由于染缸數(shù)量多、染色品種不一等問(wèn)題，存在某時(shí)段天軌機(jī)器人需要處理多臺(tái)待處理的染缸，因而提高天軌機(jī)器人效率，提升染缸利用率對(duì)企業(yè)提高產(chǎn)能具有重要意義。

1 全自動(dòng)筒子紗印染系統(tǒng)

1.1 布局及工藝分析

本文以山東某印染企業(yè)筒子紗印染生產(chǎn)線為對(duì)象進(jìn)行研究分析，其產(chǎn)線的設(shè)備布局如圖1所示。由直行導(dǎo)軌、天軌機(jī)器人、染缸、整裝機(jī)器人、鎖扣機(jī)器人、配色機(jī)、脫水機(jī)、烘干機(jī)、緩存區(qū)等組成。本文對(duì)全自動(dòng)筒子紗印染工藝進(jìn)行功能分析，可將其劃分為備紗，取紗，染紗，送紗、落紗五部分。

圖1 設(shè)備布局俯視圖

備紗：當(dāng)原紗（等待被染色的紗）緩存區(qū)紗的個(gè)數(shù)少于4個(gè)時(shí)，AGV_1將整裝好的紗送至AGV_2處，再由AGV_2將紗運(yùn)送到原紗緩存區(qū)進(jìn)行裝鎖扣。

取紗：當(dāng)有染缸處于空閑狀態(tài)時(shí)，天軌機(jī)器人需要運(yùn)動(dòng)到Home_2（Home_2位置如圖5所示），然后天軌機(jī)器人縱移部件從零位運(yùn)動(dòng)到原紗緩存區(qū)，此時(shí)天軌機(jī)器人升降部件下降取到待染紗線，天軌機(jī)器人升降部件升起隨縱移部件回到零位之后再跟著橫移部件運(yùn)動(dòng)到染缸位置，再由天軌機(jī)器人升降部件將其放置到染缸內(nèi)部。

染紗：籠紗被放置到染缸內(nèi)部后，染缸開(kāi)始準(zhǔn)備染紗，待染缸染色完畢，則等待天軌機(jī)器人來(lái)處理。

送紗：染缸內(nèi)紗線染色完成后，天軌機(jī)器人橫移部件需要運(yùn)動(dòng)到染缸位置，由升降部件將其從染缸內(nèi)部取出，然后橫移部件將其轉(zhuǎn)運(yùn)到Home_2，再由縱移部件將其運(yùn)送到色紗（染好顏色的紗）緩存區(qū)，升降部件完成放置紗線的任務(wù)。

落紗：AGV_3將紗線運(yùn)送到脫水區(qū)進(jìn)行脫水，之后再由AGV_4將脫水完成的紗線運(yùn)送到烘干區(qū)由烘干機(jī)進(jìn)行射頻烘干。

1.2 系統(tǒng)影響參數(shù)分析

全自動(dòng)筒子紗印染生產(chǎn)線影響因素繁多。本文將其概括為生產(chǎn)線參數(shù)、設(shè)備運(yùn)動(dòng)參數(shù)和調(diào)度策略。

生產(chǎn)線參數(shù)：本文研究的參數(shù)主要包括染缸數(shù)量，16臺(tái)、24臺(tái)、36臺(tái)、48臺(tái)，36較為常見(jiàn)；染缸排布間隔，2米、2.5米等；初始染缸排缸間隔（與染缸大小有關(guān)），10分鐘、15分鐘、30分鐘等。

設(shè)備運(yùn)動(dòng)參數(shù)：天軌機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度、鎖扣機(jī)器人速度、整裝機(jī)器人速度、脫水機(jī)速度、烘干機(jī)速度、染缸染色速度、左右交接時(shí)間等。

控制策略：先到先得，即順序處理；按特定順序處理；優(yōu)化路徑處理。

2 仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)

為研究全自動(dòng)筒子紗印染天軌機(jī)器人調(diào)度策略及檢驗(yàn)理論優(yōu)化結(jié)果的可靠性，本文基于Unity3D開(kāi)發(fā)了仿真平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證。對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行功能分析，主要包括以下四個(gè)模塊。

2.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊主要完成生產(chǎn)線相關(guān)模型、變量、場(chǎng)景、邏輯位等的初始化。該模塊通過(guò)參數(shù)輸入面板輸入仿真必要參數(shù)進(jìn)而實(shí)例化真實(shí)的生產(chǎn)線，初始化輸入面板如圖2所示。本文建立的仿真系統(tǒng)根據(jù)研究者輸入的數(shù)據(jù)生成對(duì)應(yīng)規(guī)模的全自動(dòng)筒子紗印染生產(chǎn)線。研究人員可以在輸入面板輸入根據(jù)實(shí)際要研究的參數(shù)，染缸數(shù)量，AGV小車(chē)速度，天軌機(jī)器人速度等，點(diǎn)擊確定之后便會(huì)生成期望的場(chǎng)景，圖1為場(chǎng)景示例圖。

要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生成場(chǎng)景，首先要建立場(chǎng)景中所有物體的位置坐標(biāo)模型，本文建立的染缸坐標(biāo)模型如圖3所示，其中染缸排布方向?yàn)閄軸，垂直染缸排布方向?yàn)閅軸，則Z軸方向垂直于染缸所在平面。由于染缸間距k從輸入面板獲取，所有染缸位置坐標(biāo)隨染缸個(gè)數(shù)變化，函數(shù)x=k*i+b可準(zhǔn)確定位染缸位置，其余物體的場(chǎng)景坐標(biāo)以染缸為參考確定。

根據(jù)場(chǎng)景中物體三維坐標(biāo)模型，使用GameObject.Find（“name”）函數(shù)根據(jù)物體的名字在預(yù)制體庫(kù)中找出對(duì)應(yīng)的預(yù)制體，再使用Instantiate函數(shù)生成物體，最后設(shè)置其相關(guān)屬性，如父子關(guān)系，顏色，旋轉(zhuǎn)角度等。

圖2 初始化輸入面板

圖3 染缸坐標(biāo)模型

2.2 時(shí)間模塊

該生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程中存在大量的交接與等待過(guò)程，因此需要很多定時(shí)操作來(lái)完成相應(yīng)工藝，本文在研究過(guò)程中專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了18個(gè)定時(shí)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)操作。包括整裝機(jī)器人整裝、左交接、右交接、染色、脫水、烘干等過(guò)程。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

建立該生產(chǎn)線主要目的是進(jìn)行工藝分析與優(yōu)化，因此需要保存生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)，所以需要數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊來(lái)記錄運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。本文基于SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)建立了本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)建立了兩個(gè)表格來(lái)存儲(chǔ)重要數(shù)據(jù)信息。

2.4 運(yùn)動(dòng)總控模塊

運(yùn)動(dòng)總控模塊是整個(gè)仿真系統(tǒng)的核心模塊，其負(fù)責(zé)整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)動(dòng)調(diào)度。該模塊主要功能是控制機(jī)器人進(jìn)行任務(wù)處理，更新相關(guān)標(biāo)志位等，該模塊調(diào)用邏輯如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)總控模塊調(diào)用邏輯圖

1）機(jī)器人任務(wù)處理

全自動(dòng)筒子紗印染生產(chǎn)線包括天軌機(jī)器人、整裝機(jī)器人、鎖扣機(jī)器人和四個(gè)AGV小車(chē)。

天軌機(jī)器人：當(dāng)染好信號(hào)任務(wù)隊(duì)列中的任務(wù)個(gè)數(shù)大于0時(shí)，天軌機(jī)器人自動(dòng)取出第一個(gè)任務(wù)編號(hào)并前往對(duì)應(yīng)染缸的位置取出染色完成的紗線，先將其運(yùn)送到色紗緩存區(qū)，天軌機(jī)器人再運(yùn)動(dòng)原紗緩存區(qū)取到待染色的紗線，隨后將取到的紗線運(yùn)送到染缸，即完成一次任務(wù)處理。

整裝機(jī)器人：整裝機(jī)器人負(fù)責(zé)將單卷紗線裝在紗籠上。

鎖扣機(jī)器人：鎖扣機(jī)器人負(fù)責(zé)給整裝完成的籠紗裝上鎖扣。

AGV：AGV_1負(fù)責(zé)將整裝機(jī)器人完成裝籠的紗運(yùn)送到中轉(zhuǎn)區(qū)域；AGV_2負(fù)責(zé)將中轉(zhuǎn)區(qū)的紗運(yùn)送到鎖扣機(jī)器人處；AGV_3負(fù)責(zé)將染色完成的紗線運(yùn)送到制定的脫水機(jī)處；AGV_4負(fù)責(zé)將脫水完成的紗運(yùn)送到烘干機(jī)處。

2）信號(hào)檢測(cè)與更新

信號(hào)檢測(cè)與更新在運(yùn)動(dòng)總控模塊中至關(guān)重要，其確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此處不僅包括任務(wù)隊(duì)列的信號(hào)檢測(cè)與更新，還包括位置標(biāo)志位、定時(shí)標(biāo)志位、運(yùn)動(dòng)標(biāo)志位和相關(guān)變量的更新與刪除。

3 染好信號(hào)調(diào)度仿真實(shí)驗(yàn)

記染缸從染色完成至將紗線取出的時(shí)間為停滯時(shí)間，則所有染缸的停滯時(shí)間總和為總停滯時(shí)間。

3.1 工況數(shù)據(jù)

本文以36臺(tái)染缸為例，染缸間隔2.5米，機(jī)器人速度0.5米/秒，染缸染色時(shí)間140分鐘，配料機(jī)配色時(shí)間為10分鐘，初始觸發(fā)間隔12分鐘，交接時(shí)間為1.5分鐘。

在仿真過(guò)程中本文實(shí)驗(yàn)了兩種初始染好信號(hào)產(chǎn)生模式，第一種：當(dāng)系統(tǒng)首次染好信號(hào)出現(xiàn)的順序?yàn)閺?至35時(shí)（染缸編號(hào)為0～35），系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中某時(shí)段累積了9個(gè)染好信號(hào)，如表一所示。第二種是當(dāng)系統(tǒng)首次染好信號(hào)出現(xiàn)的順序?yàn)殡S機(jī)信號(hào)，如表2所示，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中某時(shí)段累積了9個(gè)染好信號(hào)，如表3所示。

表1 順序染好信號(hào)累積表

表2 隨機(jī)染好信號(hào)順序表

表3 隨機(jī)染好信號(hào)累積表

3.2 結(jié)果分析

針對(duì)兩種初始染好信號(hào)規(guī)則，本文采用10倍速在仿真平臺(tái)上運(yùn)行之后，將對(duì)應(yīng)的染缸編號(hào)、染好時(shí)間、取出時(shí)間、處理次數(shù)記錄如下，表4為順序染好信號(hào)仿真結(jié)果，表5為隨機(jī)染好信號(hào)仿真結(jié)果。

表4 順序染好信號(hào)的仿真結(jié)果

表5 隨機(jī)染好信號(hào)的仿真結(jié)果

表4的總停滯時(shí)間為56分鐘17秒，表5的總停滯時(shí)間為51分鐘14秒。按“先出現(xiàn)先處理”原則，處理完9個(gè)染好信號(hào)天軌機(jī)器人走的總路程較多，導(dǎo)致等待處理的染缸停滯時(shí)間較多，造成染缸利用率較低。

4 總停滯時(shí)間模型

染缸只存在工作和停滯兩種狀態(tài)，印染固定數(shù)量的籠紗，工作時(shí)間是固定的，當(dāng)停滯時(shí)間減少即意味著染缸生產(chǎn)效率提高。

由于印染生產(chǎn)線染缸較多，存在多種紗線種類(lèi)共同印染的工況，不同顏色印染時(shí)間也不相同，且天軌機(jī)器人屬于大慣量機(jī)器人，速度相對(duì)較慢，所以在同一時(shí)刻存在多臺(tái)染缸同時(shí)染色完畢等待被處理的狀況。若天軌機(jī)器人不能及時(shí)將染好的籠紗取出再將新的籠紗送入染缸，將嚴(yán)重影響染缸的效率。所以該問(wèn)題為：某一時(shí)刻天軌機(jī)器人存在較多任務(wù)待處理，通過(guò)路徑優(yōu)化使得處理任務(wù)的效率最高，從而提高生產(chǎn)線的效率與產(chǎn)能。

4.1 建立模型

由于在某個(gè)時(shí)刻均有可能出現(xiàn)n個(gè)染好信號(hào)，為使得天軌機(jī)器人在有限時(shí)間內(nèi)處理更多的染缸染好信號(hào)，本章以最小總停滯時(shí)間為目標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型。天軌機(jī)器人及染缸的設(shè)備位置如圖5所示。首先對(duì)工況做以下假設(shè)：

1）導(dǎo)軌上只有一個(gè)天軌機(jī)器人，并且機(jī)器人每次只能處理一個(gè)染好信號(hào)；

2）天軌機(jī)器人初始零位在Home_1位置；

3）各染缸等間距排列；

4）天軌機(jī)器人在處理某個(gè)染好信號(hào)時(shí)不會(huì)被別的任務(wù)打斷；

5）不考慮AGV小車(chē)送紗和取紗的影響；

6）假設(shè)整裝機(jī)器人可以滿足天軌機(jī)器人的供需。如圖5所示：D為相鄰染缸中心位置的間距，m；V為天軌機(jī)器人移動(dòng)的速度，m/s。

以最小總停滯時(shí)間為目標(biāo)，對(duì)該系統(tǒng)在x1時(shí)刻出現(xiàn)的染好信號(hào)建立數(shù)學(xué)模型，可知：x1時(shí)刻的染好信號(hào)為如式(1)所示。

式中：S為染好信號(hào)向量；si為第i個(gè)染好信號(hào)對(duì)應(yīng)的染缸編號(hào)，si=0，1，2，3，…，i為染好信號(hào)編號(hào)，i=1，2，3，…，n；n為染好信號(hào)個(gè)數(shù)，個(gè)。以上染好信號(hào)在x1時(shí)刻的剩余時(shí)間可由式(2)表示。

在式(2)中T為x1時(shí)刻各染好信號(hào)對(duì)應(yīng)的剩余時(shí)間向量；Ti為第i個(gè)染好信號(hào)對(duì)應(yīng)的剩余時(shí)間。

處理一次染好信號(hào)，天軌機(jī)器人橫移部件需要先從Home_1移動(dòng)到Home_2，天軌機(jī)器人縱移部件再?gòu)腍ome_2移動(dòng)到原紗緩存區(qū)，之后從原紗緩存區(qū)運(yùn)動(dòng)到色紗緩存區(qū)，最后返回Home_2，橫移部件再?gòu)腍ome_2返回Home_1，即天軌機(jī)器人縱移部件在取紗點(diǎn)和送紗點(diǎn)之間往返兩次，記完成此次運(yùn)動(dòng)需要的總時(shí)間為T(mén)h。

圖5 天軌機(jī)器人及染缸示意圖

如按照“先到先得”規(guī)則，即先染好先處理模式，天軌機(jī)器人第一次處理染好信號(hào)時(shí)需要從Home_1前往m1對(duì)應(yīng)的染缸位置，此后處理第mi個(gè)染好信號(hào)需從從第mi-1個(gè)染缸前往第mi個(gè)染缸位置。兩種情況對(duì)應(yīng)的時(shí)間計(jì)算公式分別如式(3)和式(4)所示，Th按式(5)計(jì)算。

在x1+Fi時(shí)刻，仍未被處理的染好信號(hào)停滯時(shí)間為如式(6)所示。

當(dāng)n個(gè)信號(hào)全部處理完畢，所有染缸總停滯時(shí)間如式(7)所示。

4.2 基于蟻群算法的總停滯時(shí)間優(yōu)化

本文使用蟻群算法來(lái)優(yōu)化總停滯時(shí)間，即在已有的染好信號(hào)中找出使得總停滯時(shí)間最短的序列，本質(zhì)仍為尋找“最優(yōu)路徑”。假設(shè)由m只螞蟻，結(jié)點(diǎn)i和j之間的信息素濃度在t時(shí)刻為τij（t），螞蟻選擇下一個(gè)結(jié)點(diǎn)按如下規(guī)則，圖6為適應(yīng)度函數(shù)迭代曲線圖。

圖6 適應(yīng)度函數(shù)迭代曲線圖

1）表1采用蟻群算法優(yōu)化后的任務(wù)序列為：2、4、6、8、1、3、5、7、9。

2）表2采用蟻群算法優(yōu)化后的任務(wù)序列為：7、4、6、3、5、8、2、1、9。

4.3 結(jié)果分析

在仿真平臺(tái)上運(yùn)行蟻群算法優(yōu)化后的調(diào)度順序，其結(jié)果如下。表6為順序染好信號(hào)優(yōu)化后的運(yùn)行結(jié)果，表7為隨機(jī)染好信號(hào)優(yōu)化后的運(yùn)行結(jié)果。

表6 順序染好信號(hào)優(yōu)化后的仿真結(jié)果

表7 隨機(jī)染好信號(hào)優(yōu)化后的仿真結(jié)果

表6的總停滯時(shí)間為47分鐘33秒，表7的總停滯時(shí)間為47分50秒，相比較表4和表5，分別減少了15.5%和6.6%。由于使用了蟻群算法進(jìn)行了路徑優(yōu)化，使得天軌機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的總路程減少，故而染缸總停滯時(shí)間減少。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于Unity3D開(kāi)發(fā)了仿真平臺(tái)來(lái)研究全自動(dòng)筒子紗印染天軌機(jī)器人調(diào)度策略，為提高染缸利用率，提出并建立了總停滯時(shí)間模型，以該模型為基礎(chǔ)使用蟻群算法對(duì)天軌機(jī)器人進(jìn)行了路徑優(yōu)化，得出了局部最優(yōu)調(diào)度順序。最后在仿真平臺(tái)上對(duì)優(yōu)化前后的調(diào)度順序進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明針對(duì)兩種初始染好信號(hào)染缸總停滯時(shí)間分別減少了15.5%和6.6%，即染缸利用率有了小幅提升。