智能搬运小车在纺织企业中的应用研究

鱼博，唐新军

（新疆工程学院机电工程学院，新疆乌鲁木齐 830023）

0 引言

从国家工业和信息化部等八部门联合发布的《“十四五”智能制造发展规划》中可以看出，我国智能制造领域将得到快速发展，未来制造企业将向着数字化、网络化、智能化方向发展。纺织企业作为关系民生的重要企业，向智能制造发展也是必然趋势[1]，实现数字化、智能化工厂已成为大势所趋[2]。由于纺织企业纺纱车间的噪音大、工作时间长、劳动强度大等问题，造成企业招工难，人员流动大等问题，迫使企业需要不断转型升级提高企业智能化水平。近几年纺纱自动化、智能化已经成为行业重点关注的方向[3]。国内最早的全流程智能化纺纱项目，于2017 年7 月在昌吉溢达纺织有限公司投产，据了解，该项目不仅为企业减少三分之二的车间生产人员，提高了生产效率3 倍左右，而且还提高了产品的稳定性[4]。无锡一棉通过智能化改造万锭用工人数明显降低，只需要10～15 人，产量提高15%～20%，生产效率提高30%，用工成本降低40%[5]。武汉裕大华纺纱智能工厂使用经纬纺机数字化棉纺成套装备基本实现纺纱生产过程与设备状态在线监控，万锭用人控制在15 人以内，生产效率提高22.65%[6]。目前，智能改造后对企业用工、产量提高、效率提升都有较大改善，但也存在成套改造资金投入大、废旧设备的处理等问题。国内棉纺“智能化纺纱”还处于起步阶段，距离真正意义上的“智能化”还需要走很长的一条路，其中自动化检测和处理技术以及物料运输是主要研究方向，全流程的无人化运输为智能化改造提供物理基础。要实现无人物料运输，主要采用直连和间接连两种方案，直连主要通过管路连、轨道连；间接连则主要采用智能搬运小车[7]。

文章主要对间接连的智能搬运小车进行研究，通过纺织企业物料搬运需求分析，研究智能搬运小车的应用价值，并对现阶段智能小车的研究现状进行整理分析，最后对纺织企业智能搬运小车未来发展方向进行探讨。希望为纺纱车间搬运方式提供智能化改造建议，对纺织企业的智能制造转型提供技术参考。

1 纺织企业物料搬运需求分析

现阶段的纺织企业的主要纺纱方式有普通环锭纺、精梳紧密环锭纺、转杯纺和涡流纺。4 种纺纱方式流程相似，这里以生产股线的精梳紧密环锭纺流程为例进行展开分析。其基本流程为原棉—清梳联—预并—条并卷—精梳—末并—粗纱—细纱—络筒—并线—捻线—打包成型。在整个生产过程都需要大量搬运过程。原材料，如原棉棉包需要搬运清梳联车间；半成品，如条筒、棉卷、粗纱、细纱、单纱筒子、并线筒子、捻线筒子需要向下一道工序搬运；成品，打包成型的筒子纱需要运输到仓库；辅料，如各工序中的空管需要运输到对应工位，设备材料等需要运输到维修部分及机台。

棉包的运输主要在原材料的准备阶段，现阶段纺织企业的棉包一般使用标准棉包，由于棉包重量较重，人工搬运时费时费力，有部分企业尝试智能搬运小车搬运技术，但是暂时并没有得到推广使用。条筒的搬运，主要在前纺工序，其中包括梳棉到预并、预并到条并卷、精梳到粗纱的条桶的运输。一些新兴纺织企业通过采用AGV、轨道运输等方式实现了条筒智能物流运输[8]，并设计出专用的载具方便条桶的运输，可以有效提高前纺车间的自动化水平、解决招工难的问题[9]，这些设备主要在新厂实施，旧厂改造成本和难度较大。棉卷的运输，主要用于开清到梳棉、条并卷到精梳工序之间。现在纺织企业基本采用清梳联工艺，省去了开清到梳棉的棉卷运输过程。一些新厂房在厂房设计时，提前预设吊筋运输位置，采用空中的全自动棉卷输送系统将棉卷送至精梳工序[8]。由于对场地和设备的要求较多，在旧厂房并不适用。粗纱的运输，主要在粗纱到细纱工序之间。粗纱机纺出的粗纱收完后一般会存放一段时间，达到一定数量后统一送到细纱机上，旧厂房一般采用小车推送的方式，落纱和搬运过程都需要大量人工；新厂房主要采用粗细联方式，集合落纱运输多功能于一体，采用模块化配合控制，实现细纱机集体粗纱换管需求，从而极大地减少粗纱工序的人工[6，8]。但是粗细联设备的配套措施和场地要求都比较高，一般还配套有自动落纱，自动清除尾纱管等机构，设备成本较高。细纱的运输，主要在细纱到络筒工序之间。落好的管纱需要按类型送到指定的络筒机或者络筒机相关锭子上，旧厂房一般采用将手动落下的管纱通过纱筐陈放，然后通过拖车等运输到络筒车间。新厂房主要采用细络联的方式，极大的降低了操作人员的劳动强度，但对细纱机和络筒机也有一定的要求，细纱机需要配备自动落纱设备、络筒机需配备自动找头、生头、托盘运输等功能[6]，并且要求纺纱品种尽量单一。筒纱的运输，主要在络筒到并线、捻线到成品工序之间。由于大部分企业生产的纱线品种并非单一品种，一般通过空管颜色来进行分辨纱线品种，筒纱运输时须做好分类管理。旧厂房一般采用专用的筒纱推车，将筒纱运输到指定位置。新厂房一般采用筒纱自动包装系统，将筒纱的运输和成品结合在一起，具有托举机构、抓取机构、检测包装机构，实现高效生产，提高生产效率的效果[10]。但是在小批量、多品种的纱线产品中效果并不理想。并线管的运输，主要在并线到捻线工序之间。现阶段主流并线管运输方式采用人工小车搬运的方式，部分新型企业利用AGV 小车进行运输，一般会配备自动换管设备。

综合来看，纺纱车间的大部分运输方式都已经有了代替传统的人力搬运的方式，但是主要集中在新建厂房的整机改造，旧车间的改造相对困难。纺纱车间除了存在大量的半成品运输外，还有很多其他运输，如空筒管、废弃材料、设备配件、测试样品的运输，其中的变动性很多并没有形成特定的运输方式。相对整体改造，智能搬运小车在多变的纺纱车间中就有一定的优势，通过结合传感器、射频识别（RFID）、无线电通讯、图形检测、工业智能机器人、激光引导、作业路径智能规划和数据库等技术可以满足大部分的物料运输任务[11]。伴随着智能化、自动化水平、制造技术的提升，零部件的降低，也将大幅度降低智能搬运小车的制造成本，所以智能搬运小车在纺织企业智能化改造中具有很好的应用前景。

2 智能搬运车在纺织企业应用现状

纺织企业进行智能化改造具有巨大前景，改造方向主要可以归纳成以下几个方面。一方面，通过对设备主机的改造升级为自动化运输提供可能，如粗、细纱的自动落纱装置，络筒机的自动换筒装置、找头装置、插管装置、托盘运输装置、使用筒纱码垛打包系统等；另一方面，通过增设专用的运输装置，如粗细联的运输轨道、细络联的自动运输装置、条筒的轨道运输装置、AGV小车运输等。目前，纺纱企业智能搬运小车主要研究可以分成两个方向，一个是设备方面的研究，一个是执行方法的研究。

程隆棣等人[7]对东华大学与山东魏桥纺织股份有限公司合作建立的第一代棉纺智能化系统进行了介绍，该系统纤维流无人桥接时，在智能化上包过程中设计了专门的激光导航智能搬运小车，可以根据订单生成最优的配棉方案及排包图、规划最优路线、自动导航到指定位置、精准夹取放置棉包，从而避免人工操作的不确定性，并降低人员的劳动强度；针对并粗工序开发了专门条筒智能搬运小车，通过对条筒位置的精准获取，并优选置换方式，可以实现4 个条筒的同时推送。

郑小虎等人[8]对环锭纺纱全流程机器人自动化生产关键技术分析指出，AGV 小车已经成为多道工序的主要连接方式，通过让配棉小车进行多功能集成，可以将配棉时间控制在53 s 以内。

除了硬件上的创新，智能搬运小车的有效调度也直接影响着纺纱企业的生产效率和能源消耗，对生产成本具有较大影响。马清文等人为解决传统并条工序中人工搬运条筒任务大，流转周期时间长的问题，考虑在并条工序配备多台AGV 小车，建立了智能搬运小车的调度模型，采用遗传算法优化了智能搬运小车的调度决策问题，通过仿真模型验证该方式可以显著提高并条工序的条筒运输效率[12]。Basit Farooq 等人[13]研究了一种改进的遗传算法应用在AGV 小车的路径优化上，用于解决复杂的多AGV 的调度和路径规划问题，可以达到有效缩短总路径距离。

3 纺织企业智能搬运小车发展思考

纺织企业的智能化改造主要是：生产设备智能化、物流输送过程智能化、数据统计分析智能化、控制系统智能化。根据前文的研究需求和应用现状可以看出智能搬运小车在纺织企业的智能化改造中有着不可代替的作用，纺织企业中一些不易进行设备改造和轨道运输的工序，智能搬运小车将是主要方案之一，其发展也将影响纺纱企业的发展水平，未来纺织企业的智能搬运小车可能有以下几个方向。

3.1 分阶段逐步实现智能化

智能搬运小车的发展阶段大概可以分为三级，初级阶段主要依靠人工控制，中级阶段自动化控制，高级阶段可以实现智能化控制。纺纱企业的智能搬运小车现在还处于中级阶段，可以根据任务利用传感器、机械臂，完成自动化控制设备完成任务。未来的纺织企业的智能搬运小车将根据实际情况自行调整搬运路线和搬运方式，通过任务学习和人工智能实现纺织厂材料最优的实现搬运目标。

3.2 设备功能的多元集成

现阶段的搬运小车更加偏向固定性工作，针对某项工作的固定执行，未来纺织企业智能搬运小车，不再是简单的完成货物的搬运工作，可以利用加载新型机械手，完成更多工作。例如配棉智能搬运小车，不仅需要完成棉包的搬运工作，还可以完成自动配棉，自动拆包，自动清理工作，减少生产过程中的人员2 次参与，降低用工成本。

3.3 智能化信息管理系统

现阶段的纺纱车间的智能搬运小车，主要是通过人为的优化数据模型，并通过系统传输实现智能搬运小车，从而实现智能搬运小车要求。伴随着人工智能水平的不断提高，通过数据模拟和反复练习，未来的智能搬运小车将具有自己独立的分析执行系统，可根据实际需求，选择最优执行方案并执行。

3.4 其他

现阶段的纺纱车间的智能搬运小车主要集中在地面运行，未来可能在空中形成多维轨道实现更好的物料搬运工作。

4 结语

纺织企业的智能化改造是一个必然趋势，老厂房的换代升级也是未来小型企业低投入改造升级的方案之一，整体而言，智能搬运小车为实现纺纱车间的智能化提供了有力支持。文章针对纺纱车间智能化改造中的物料搬运这一关键技术分析研究，通过对精梳环锭纺流程的过程分解，梳理每道工序中物料搬运需求，可以发现在纺纱过程中的原料、半成品、辅料中存在大量的搬运需求，智能搬运小车作为常用的搬运方式之一，在纺织企业中具有很大的应用空间，通过搬运需求的研究得到智能搬运小车在旧厂房改造和复杂搬运过程中具有一定的优势；通过需求和应用现状的研究，得出未来的智能搬运小车将趋向智能化、多功能、多维度更好的服务纺织企业。通过梳理，希望为纺织企业的纱锭智能搬运小车的设计和应用提供参考。