魚博，唐新軍

（新疆工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830023）

0 引言

從國家工業(yè)和信息化部等八部門聯(lián)合發(fā)布的《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》中可以看出，我國智能制造領(lǐng)域?qū)⒌玫娇焖侔l(fā)展，未來制造企業(yè)將向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。紡織企業(yè)作為關(guān)系民生的重要企業(yè)，向智能制造發(fā)展也是必然趨勢[1]，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化工廠已成為大勢所趨[2]。由于紡織企業(yè)紡紗車間的噪音大、工作時間長、勞動強(qiáng)度大等問題，造成企業(yè)招工難，人員流動大等問題，迫使企業(yè)需要不斷轉(zhuǎn)型升級提高企業(yè)智能化水平。近幾年紡紗自動化、智能化已經(jīng)成為行業(yè)重點關(guān)注的方向[3]。國內(nèi)最早的全流程智能化紡紗項目，于2017 年7 月在昌吉溢達(dá)紡織有限公司投產(chǎn)，據(jù)了解，該項目不僅為企業(yè)減少三分之二的車間生產(chǎn)人員，提高了生產(chǎn)效率3 倍左右，而且還提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性[4]。無錫一棉通過智能化改造萬錠用工人數(shù)明顯降低，只需要10～15 人，產(chǎn)量提高15%～20%，生產(chǎn)效率提高30%，用工成本降低40%[5]。武漢裕大華紡紗智能工廠使用經(jīng)緯紡機(jī)數(shù)字化棉紡成套裝備基本實現(xiàn)紡紗生產(chǎn)過程與設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)控，萬錠用人控制在15 人以內(nèi)，生產(chǎn)效率提高22.65%[6]。目前，智能改造后對企業(yè)用工、產(chǎn)量提高、效率提升都有較大改善，但也存在成套改造資金投入大、廢舊設(shè)備的處理等問題。國內(nèi)棉紡“智能化紡紗”還處于起步階段，距離真正意義上的“智能化”還需要走很長的一條路，其中自動化檢測和處理技術(shù)以及物料運(yùn)輸是主要研究方向，全流程的無人化運(yùn)輸為智能化改造提供物理基礎(chǔ)。要實現(xiàn)無人物料運(yùn)輸，主要采用直連和間接連兩種方案，直連主要通過管路連、軌道連；間接連則主要采用智能搬運(yùn)小車[7]。

文章主要對間接連的智能搬運(yùn)小車進(jìn)行研究，通過紡織企業(yè)物料搬運(yùn)需求分析，研究智能搬運(yùn)小車的應(yīng)用價值，并對現(xiàn)階段智能小車的研究現(xiàn)狀進(jìn)行整理分析，最后對紡織企業(yè)智能搬運(yùn)小車未來發(fā)展方向進(jìn)行探討。希望為紡紗車間搬運(yùn)方式提供智能化改造建議，對紡織企業(yè)的智能制造轉(zhuǎn)型提供技術(shù)參考。

1 紡織企業(yè)物料搬運(yùn)需求分析

現(xiàn)階段的紡織企業(yè)的主要紡紗方式有普通環(huán)錠紡、精梳緊密環(huán)錠紡、轉(zhuǎn)杯紡和渦流紡。4 種紡紗方式流程相似，這里以生產(chǎn)股線的精梳緊密環(huán)錠紡流程為例進(jìn)行展開分析。其基本流程為原棉—清梳聯(lián)—預(yù)并—條并卷—精梳—末并—粗紗—細(xì)紗—絡(luò)筒—并線—捻線—打包成型。在整個生產(chǎn)過程都需要大量搬運(yùn)過程。原材料，如原棉棉包需要搬運(yùn)清梳聯(lián)車間；半成品，如條筒、棉卷、粗紗、細(xì)紗、單紗筒子、并線筒子、捻線筒子需要向下一道工序搬運(yùn)；成品，打包成型的筒子紗需要運(yùn)輸?shù)絺}庫；輔料，如各工序中的空管需要運(yùn)輸?shù)綄?yīng)工位，設(shè)備材料等需要運(yùn)輸?shù)骄S修部分及機(jī)臺。

棉包的運(yùn)輸主要在原材料的準(zhǔn)備階段，現(xiàn)階段紡織企業(yè)的棉包一般使用標(biāo)準(zhǔn)棉包，由于棉包重量較重，人工搬運(yùn)時費(fèi)時費(fèi)力，有部分企業(yè)嘗試智能搬運(yùn)小車搬運(yùn)技術(shù)，但是暫時并沒有得到推廣使用。條筒的搬運(yùn)，主要在前紡工序，其中包括梳棉到預(yù)并、預(yù)并到條并卷、精梳到粗紗的條桶的運(yùn)輸。一些新興紡織企業(yè)通過采用AGV、軌道運(yùn)輸?shù)确绞綄崿F(xiàn)了條筒智能物流運(yùn)輸[8]，并設(shè)計出專用的載具方便條桶的運(yùn)輸，可以有效提高前紡車間的自動化水平、解決招工難的問題[9]，這些設(shè)備主要在新廠實施，舊廠改造成本和難度較大。棉卷的運(yùn)輸，主要用于開清到梳棉、條并卷到精梳工序之間?，F(xiàn)在紡織企業(yè)基本采用清梳聯(lián)工藝，省去了開清到梳棉的棉卷運(yùn)輸過程。一些新廠房在廠房設(shè)計時，提前預(yù)設(shè)吊筋運(yùn)輸位置，采用空中的全自動棉卷輸送系統(tǒng)將棉卷送至精梳工序[8]。由于對場地和設(shè)備的要求較多，在舊廠房并不適用。粗紗的運(yùn)輸，主要在粗紗到細(xì)紗工序之間。粗紗機(jī)紡出的粗紗收完后一般會存放一段時間，達(dá)到一定數(shù)量后統(tǒng)一送到細(xì)紗機(jī)上，舊廠房一般采用小車推送的方式，落紗和搬運(yùn)過程都需要大量人工；新廠房主要采用粗細(xì)聯(lián)方式，集合落紗運(yùn)輸多功能于一體，采用模塊化配合控制，實現(xiàn)細(xì)紗機(jī)集體粗紗換管需求，從而極大地減少粗紗工序的人工[6，8]。但是粗細(xì)聯(lián)設(shè)備的配套措施和場地要求都比較高，一般還配套有自動落紗，自動清除尾紗管等機(jī)構(gòu)，設(shè)備成本較高。細(xì)紗的運(yùn)輸，主要在細(xì)紗到絡(luò)筒工序之間。落好的管紗需要按類型送到指定的絡(luò)筒機(jī)或者絡(luò)筒機(jī)相關(guān)錠子上，舊廠房一般采用將手動落下的管紗通過紗筐陳放，然后通過拖車等運(yùn)輸?shù)浇j(luò)筒車間。新廠房主要采用細(xì)絡(luò)聯(lián)的方式，極大的降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，但對細(xì)紗機(jī)和絡(luò)筒機(jī)也有一定的要求，細(xì)紗機(jī)需要配備自動落紗設(shè)備、絡(luò)筒機(jī)需配備自動找頭、生頭、托盤運(yùn)輸?shù)裙δ躘6]，并且要求紡紗品種盡量單一。筒紗的運(yùn)輸，主要在絡(luò)筒到并線、捻線到成品工序之間。由于大部分企業(yè)生產(chǎn)的紗線品種并非單一品種，一般通過空管顏色來進(jìn)行分辨紗線品種，筒紗運(yùn)輸時須做好分類管理。舊廠房一般采用專用的筒紗推車，將筒紗運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢?。新廠房一般采用筒紗自動包裝系統(tǒng)，將筒紗的運(yùn)輸和成品結(jié)合在一起，具有托舉機(jī)構(gòu)、抓取機(jī)構(gòu)、檢測包裝機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)高效生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率的效果[10]。但是在小批量、多品種的紗線產(chǎn)品中效果并不理想。并線管的運(yùn)輸，主要在并線到捻線工序之間?，F(xiàn)階段主流并線管運(yùn)輸方式采用人工小車搬運(yùn)的方式，部分新型企業(yè)利用AGV 小車進(jìn)行運(yùn)輸，一般會配備自動換管設(shè)備。

綜合來看，紡紗車間的大部分運(yùn)輸方式都已經(jīng)有了代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力搬運(yùn)的方式，但是主要集中在新建廠房的整機(jī)改造，舊車間的改造相對困難。紡紗車間除了存在大量的半成品運(yùn)輸外，還有很多其他運(yùn)輸，如空筒管、廢棄材料、設(shè)備配件、測試樣品的運(yùn)輸，其中的變動性很多并沒有形成特定的運(yùn)輸方式。相對整體改造，智能搬運(yùn)小車在多變的紡紗車間中就有一定的優(yōu)勢，通過結(jié)合傳感器、射頻識別（RFID）、無線電通訊、圖形檢測、工業(yè)智能機(jī)器人、激光引導(dǎo)、作業(yè)路徑智能規(guī)劃和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)可以滿足大部分的物料運(yùn)輸任務(wù)[11]。伴隨著智能化、自動化水平、制造技術(shù)的提升，零部件的降低，也將大幅度降低智能搬運(yùn)小車的制造成本，所以智能搬運(yùn)小車在紡織企業(yè)智能化改造中具有很好的應(yīng)用前景。

2 智能搬運(yùn)車在紡織企業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

紡織企業(yè)進(jìn)行智能化改造具有巨大前景，改造方向主要可以歸納成以下幾個方面。一方面，通過對設(shè)備主機(jī)的改造升級為自動化運(yùn)輸提供可能，如粗、細(xì)紗的自動落紗裝置，絡(luò)筒機(jī)的自動換筒裝置、找頭裝置、插管裝置、托盤運(yùn)輸裝置、使用筒紗碼垛打包系統(tǒng)等；另一方面，通過增設(shè)專用的運(yùn)輸裝置，如粗細(xì)聯(lián)的運(yùn)輸軌道、細(xì)絡(luò)聯(lián)的自動運(yùn)輸裝置、條筒的軌道運(yùn)輸裝置、AGV小車運(yùn)輸?shù)取Ｄ壳?，紡紗企業(yè)智能搬運(yùn)小車主要研究可以分成兩個方向，一個是設(shè)備方面的研究，一個是執(zhí)行方法的研究。

程隆棣等人[7]對東華大學(xué)與山東魏橋紡織股份有限公司合作建立的第一代棉紡智能化系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，該系統(tǒng)纖維流無人橋接時，在智能化上包過程中設(shè)計了專門的激光導(dǎo)航智能搬運(yùn)小車，可以根據(jù)訂單生成最優(yōu)的配棉方案及排包圖、規(guī)劃最優(yōu)路線、自動導(dǎo)航到指定位置、精準(zhǔn)夾取放置棉包，從而避免人工操作的不確定性，并降低人員的勞動強(qiáng)度；針對并粗工序開發(fā)了專門條筒智能搬運(yùn)小車，通過對條筒位置的精準(zhǔn)獲取，并優(yōu)選置換方式，可以實現(xiàn)4 個條筒的同時推送。

鄭小虎等人[8]對環(huán)錠紡紗全流程機(jī)器人自動化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)分析指出，AGV 小車已經(jīng)成為多道工序的主要連接方式，通過讓配棉小車進(jìn)行多功能集成，可以將配棉時間控制在53 s 以內(nèi)。

除了硬件上的創(chuàng)新，智能搬運(yùn)小車的有效調(diào)度也直接影響著紡紗企業(yè)的生產(chǎn)效率和能源消耗，對生產(chǎn)成本具有較大影響。馬清文等人為解決傳統(tǒng)并條工序中人工搬運(yùn)條筒任務(wù)大，流轉(zhuǎn)周期時間長的問題，考慮在并條工序配備多臺AGV 小車，建立了智能搬運(yùn)小車的調(diào)度模型，采用遺傳算法優(yōu)化了智能搬運(yùn)小車的調(diào)度決策問題，通過仿真模型驗證該方式可以顯著提高并條工序的條筒運(yùn)輸效率[12]。Basit Farooq 等人[13]研究了一種改進(jìn)的遺傳算法應(yīng)用在AGV 小車的路徑優(yōu)化上，用于解決復(fù)雜的多AGV 的調(diào)度和路徑規(guī)劃問題，可以達(dá)到有效縮短總路徑距離。

3 紡織企業(yè)智能搬運(yùn)小車發(fā)展思考

紡織企業(yè)的智能化改造主要是：生產(chǎn)設(shè)備智能化、物流輸送過程智能化、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析智能化、控制系統(tǒng)智能化。根據(jù)前文的研究需求和應(yīng)用現(xiàn)狀可以看出智能搬運(yùn)小車在紡織企業(yè)的智能化改造中有著不可代替的作用，紡織企業(yè)中一些不易進(jìn)行設(shè)備改造和軌道運(yùn)輸?shù)墓ば?，智能搬運(yùn)小車將是主要方案之一，其發(fā)展也將影響紡紗企業(yè)的發(fā)展水平，未來紡織企業(yè)的智能搬運(yùn)小車可能有以下幾個方向。

3.1 分階段逐步實現(xiàn)智能化

智能搬運(yùn)小車的發(fā)展階段大概可以分為三級，初級階段主要依靠人工控制，中級階段自動化控制，高級階段可以實現(xiàn)智能化控制。紡紗企業(yè)的智能搬運(yùn)小車現(xiàn)在還處于中級階段，可以根據(jù)任務(wù)利用傳感器、機(jī)械臂，完成自動化控制設(shè)備完成任務(wù)。未來的紡織企業(yè)的智能搬運(yùn)小車將根據(jù)實際情況自行調(diào)整搬運(yùn)路線和搬運(yùn)方式，通過任務(wù)學(xué)習(xí)和人工智能實現(xiàn)紡織廠材料最優(yōu)的實現(xiàn)搬運(yùn)目標(biāo)。

3.2 設(shè)備功能的多元集成

現(xiàn)階段的搬運(yùn)小車更加偏向固定性工作，針對某項工作的固定執(zhí)行，未來紡織企業(yè)智能搬運(yùn)小車，不再是簡單的完成貨物的搬運(yùn)工作，可以利用加載新型機(jī)械手，完成更多工作。例如配棉智能搬運(yùn)小車，不僅需要完成棉包的搬運(yùn)工作，還可以完成自動配棉，自動拆包，自動清理工作，減少生產(chǎn)過程中的人員2 次參與，降低用工成本。

3.3 智能化信息管理系統(tǒng)

現(xiàn)階段的紡紗車間的智能搬運(yùn)小車，主要是通過人為的優(yōu)化數(shù)據(jù)模型，并通過系統(tǒng)傳輸實現(xiàn)智能搬運(yùn)小車，從而實現(xiàn)智能搬運(yùn)小車要求。伴隨著人工智能水平的不斷提高，通過數(shù)據(jù)模擬和反復(fù)練習(xí)，未來的智能搬運(yùn)小車將具有自己獨立的分析執(zhí)行系統(tǒng)，可根據(jù)實際需求，選擇最優(yōu)執(zhí)行方案并執(zhí)行。

3.4 其他

現(xiàn)階段的紡紗車間的智能搬運(yùn)小車主要集中在地面運(yùn)行，未來可能在空中形成多維軌道實現(xiàn)更好的物料搬運(yùn)工作。

4 結(jié)語

紡織企業(yè)的智能化改造是一個必然趨勢，老廠房的換代升級也是未來小型企業(yè)低投入改造升級的方案之一，整體而言，智能搬運(yùn)小車為實現(xiàn)紡紗車間的智能化提供了有力支持。文章針對紡紗車間智能化改造中的物料搬運(yùn)這一關(guān)鍵技術(shù)分析研究，通過對精梳環(huán)錠紡流程的過程分解，梳理每道工序中物料搬運(yùn)需求，可以發(fā)現(xiàn)在紡紗過程中的原料、半成品、輔料中存在大量的搬運(yùn)需求，智能搬運(yùn)小車作為常用的搬運(yùn)方式之一，在紡織企業(yè)中具有很大的應(yīng)用空間，通過搬運(yùn)需求的研究得到智能搬運(yùn)小車在舊廠房改造和復(fù)雜搬運(yùn)過程中具有一定的優(yōu)勢；通過需求和應(yīng)用現(xiàn)狀的研究，得出未來的智能搬運(yùn)小車將趨向智能化、多功能、多維度更好的服務(wù)紡織企業(yè)。通過梳理，希望為紡織企業(yè)的紗錠智能搬運(yùn)小車的設(shè)計和應(yīng)用提供參考。