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机器人代替人工操作已成为大势所趋


一、开发应用纺织机器人的必要性


1、机器人代替人工操作已成为大势所趋


机器人已在当今社会许多领域发挥着积极作用,其中工业机器人的应用最为普遍,技术也相对成熟。究其原因主要有两点:一是近年来第三产业迅速发展,人们的就业机会、就业趋势、择业观念发生了很大变化,钢铁、纺织等传统制造业由于劳动环境、工资待遇等因素出现了招工难、用工成本高的现象;二是诸如信息技术等新兴产业对操作人员的熟练程度和精细化操作要求较高,致使培训成本高、周期长,同样形成了用工紧缺现象因此,无论在传统制造业还是新兴产业的生产线上,使用工业机器人代替人工操作将成为大势所趋,机器人的使用也将成为未来制造业自动化水平的一项重要标志。以谷歌、英特尔、微软等为代表的一批信息技术企业瞄准市场先机,悄然布局机器人研发应用领域,把机器人与大数据、物联网、人工智能等众多先进技术融合发展,成为其智能化服务平台的一部分。


机器人是一种高端智能装备,不仅仅是传统意义上的机械电子一体化产品,牵涉到计算机技术、传感器技术、自动控制技术等先进技术,同时还融合了人工智能等跨学科高新技术。综合分析国内外工业机器人的应用情况,主要分布在三种场合:一是对产品精准度要求高的工业生产线,人工长时间操作容易产生疲劳,造成精力不济,使用机器人可以有效避免这种情况,最大限度地提高正品率和生产效率;二是有些行业仍然不同程度地存在劳动强度大、工作环境差、影响操作人员身体健康的现象,使用机器人代替人工操作可以实现文明生产,达到“以人为本”的企业目标;三是出于产品成本因素,降低人工成本方面的考虑。正是由于工业机器人的推广应用,提高了相关行业的劳动生产率和产品质量,提升了企业的经济效益,改善了劳动条件,实现了文明生产。



2、机器人应用已具备行业优势


总体来看,工业机器人在我国的应用水平仍然很低,其中汽车制造业是最先开始尝试和推广的行业之一,其标准化的工业流水线非常适合机器人自动化操作。工业机器人在纺织生产中的应用已具备一定行业基础,笔者认为至少有三点依据。一是基于纺织行业的生产特点,多工序、多机台、连续化、专业化分工细且协作程度高,大多工序实行多人按照相关工作法模式操作,有利于机器人类型设计和配置;二是通过多年来的技术改造和技术升级,提升了纺织生产线的自动化水平,以棉纺行业为例,已推广应用了自动换筒技术、自动落纱技术、自动清洁技术、自调匀整技术、除尘与温湿度监控技术等先进技术,这些先进技术为工业机器人的配置应用提供了相应的技术铺垫;三是纺织车间存在噪声、温湿度、空气洁净度等影响操作人员工作环境的实际问题,采用工业机器人不失为一条行之有效的解决途径。


3、纺织生产智能发展带动了机器人的开发应用


近年来,在纺织装备自动化、纺织生产连续化的基础上,纺织行业迈入了智能化进程。纺织产业智能化的涵盖范围更加宽泛,在生产组织方面,包括智能生产流水线、智能生产车间、智能生产工厂等;在产品流程方面,包括产品智能设计、工艺智能管理、质量智能控制等。结合我国纺织行业现状,创建新型生产模式,提升智能化制造水平,需要找准切入点。业内专家认为,首先应该从发展智能化装备入手,研发具有信息化构架下的智能化与数字化高端纺织装备设计技术平台,开展纺织装备的“人因工程设计”,实现纺织生产设备的智能化控制。


为适应传统纺织行业转型升级需求,推进纺织生产自动化、连续化、智能化水平不断发展,加快工业机器人的推广应用势在必行。随着工业机器人的广泛应用,可以有效推动纺织生产进一步智能化。以棉纺企业为例,未来可进一步推广先进工艺,进一步合理优化缩短工艺流程,通过生产工序的进一步连续化,并在关键工序、关键操作点位设计应用机器人,以期实现大幅度减少用工,使未来有望建成少用人、甚至无人的棉纺织车间。



二、机器人的定义与分类


1、机器人的定义


20世纪60年代机器人问世以来,迅速地发展成为一门新兴工业,现在运用一系列高新技术使机器人有了听觉、视觉、触觉,产生了具有某种反应能力,使之能完成更接近人的动作,从而使机器人在众多行业得以迅速发展和应用。“机器人学”之所以能迅速形成一门新兴学科,一是因为它的出现恰逢其时,在工业、农业、军事、医疗、服务等领域的广泛应用,有力地推动了生产模式的创新与进步,改善了人们的工作环境和生活质量;二是因为它属于跨学科协同攻关的重大科研成果,技术含量代表着高新技术的发展前沿,其作用和影响引起了国内外学者的高度关注。


关于机器人的定义,从严格意义上说,业界至今没有形成完全一致的解释。客观事实是机器人技术的快速发展使机器人的功能不断丰富,其定义也就处在不断充实与创新之中。“机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器”,这是现阶段人们能普遍认同的一种解释。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会对机器人的定义:“一种可编程和多种功能的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编动作的专门系统”。国内学者对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器,所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器”。在机器人的研究开发和推广应用过程中,众多行业陆续对机器人的功能提出了更多更具体的要求,这些需求反过来促进了机器人的设计开发水平。在这种往复循环过程中,人们逐渐认识到机器人技术的本质是“感知、决策、行动和交互技术的结合”。当代机器人技术进步的重要标志是智能化技术的引入,彻底改变了早期机器人的技术水平和应用领域,其功能更加符合不同行业的个性化和专业化要求。这种具有“感知、决策、行动和交互能力”的机器人属于真正意义上的智能机器人,展现出了广阔的应用领域和发展空间。


2、机器人的分类


从应用行业角度出发,国内将机器人分为工业机器人和特种机器人两大类。顾名思义,应用于制造业领域的机器人(包括多关节机械手)称之为工业机器人,用于非制造业并服务人类的机器人则称为特种机器人,例如军事用途、医学用途、农业用途、服务用途的机器人。国外学者同样是根据应用环境,将机器人分为制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人,这和我国的分类是一致的。


数字化技术和信息化技术的快速发展,使得机器人的研发速度越来越快,智能化程度越来越高,应用范围也越来越宽,正朝着智能化和多样化方向发展,智能机器人的定义便应运而生。智能机器人具备了感觉要素、运动要素和思考要素,由中央处理器和外部计算机发生直接联系,也就是说可以和操作计算机的人发生直接联系,通过人机互动,实现机器人的感觉、思考和运动功能。根据智能化程度,智能机器人可以分为3个层次。


(1)工业机器人。多应用于工业生产线环节,按照预先设计程序一成不变地完成某项工作,不能根据外界条件变化调整相关程序,改变机器人的工作任务时,需要人工修改程序,这种机器人不具备任何智能。


(2)初级智能机器人。具有一定感觉、识别、推理和判断能力,当外界条件发生变化时,能够根据人们预先设定的程序修改原则,在一定范围内自行修改程序,并且能根据外界条件变化做出相应调整,其实这种机器人具有一定智能。


(3)高级智能机器人。具有感觉、识别、推理和判断能力,在没有人工预先设定修改程序原则的条件下,通过机器人本身的学习总结,获取修改程序的原则,当外界条件发生变化时能够自行修改程序。这种机器人具有一定的自动规划能力,无需人工管理,完全独立工作,也称之为高级自律机器人。



三、机器人在棉纺织行业的应用示例


1、细纱自动落纱机器人


当细纱满管时,落纱机器人在轨道上缓缓运行,抓纱臂准确地抓起管纱并将其放在纱筐中,再将一个个空管快速地插到锭子上。落纱机器人是细纱集体落纱装置的一个有力补充。落纱机器人的应用灵活性相对较高,一台机器人可以应用于多台细纱机,完全可以取代传统的人工拔管、插管工作,有效降低了工人劳动强度,提高了工作效率,减少了生产成本。现阶段,一台机器人可以完成8名操作工人的工作量,大约节约劳动成本50%。目前国内有数家单位研究开发细纱落纱机器人,而投入实际生产应用的主要有三家。


铜陵松宝机械智能装备股份有限公司推出的自动落纱机器人在业内被称为松宝智能落纱机,在自动落纱和插管方法、结构和控制方面应用了专利技术。为了实现垂直拔管,采用了两项关键技术:一是飞剪子程序,在拔管阶段从轴跟踪主轴运动,在主轴伺服电机传动小车匀速向前移动的同时,从轴伺服电机跟踪主轴使拔纱管装置反向匀速移动,这样就能使拔纱管装置同正在拔的管纱保持相对静止;二是协同控制装置,配置两台伺服电机协同控制拔纱装置,使其按规定路线弧线插补,以保证定位快速精准,运行稳定可靠。


江阴华方新技术科研有限公司推出的细纱落纱小车采用人工辅助移动形式,两台落纱小车为一组,可同时供多台细纱机使用。拔管时采用模拟人工旋转的方式对管纱进行预松,其搓旋受力部位在筒管顶部或筒管底部,避免直接接触纱条,所以预松过程中纱条不会受到损伤。另外搓旋时使用较小的外力能使纱管和锭杆脱离,拔纱偏心轮盘适时将管纱带出,完成落纱任务。为做到不损伤锭子和筒纱,偏心轮盘与锭子及管纱表面接触部位采用软橡胶包覆。


无锡集聚纺织器械有限公司推出了两代机器人,两者设计思路不同,机器结构、拔纱方法具有明显差异。前者在拔纱时,拔纱机械手柔和地接触管纱,而后者采用了类似集体落纱装置的拔纱方式,拔纱器于龙筋顶面垂直,在落纱过程既不损伤纱条,又不损伤锭子。每次拔纱数量与两个罗拉之间锭数和落纱机器人的外形尺寸有关,可以选择每次拔6个、8个或12个。该机在拔纱时,落纱小车是完全静止的,所以更易实现垂直拔纱。


2、筒纱自动包装机器人


筒纱传送装置利用皮带传送方式将络筒机生产的筒纱导入筒纱自动包装机器人;装袋机械手在机器视觉辅助下,利用液压机械手自动提起筒纱装入内层薄膜袋和外层纤维袋;封袋机械手利用超声波缝纫机械手将筒纱包装袋封口;称重喷码机将纱袋自动传送到称重台称重;喷码机将包含品种、重量及物流周转等信息喷印在纱袋表面;纱袋传送装置将完成的纱袋送到下一个周转处。该机器人将整个筒纱包装过程完全自动化,减少了人工操作;在筒纱的装袋机械手中采用机器视觉对筒纱进行定位,避免了对筒纱的损伤;在称重标签环节利用物联网技术对装袋筒纱的信息进行实时标记,为物流仓储及销售管理系统提供实时信息。


3.粗纱自动落纱机器人


根据相关文献报道,一种国产粗纱自动落纱机器人已经研制成功,这种机器人主体结构为行走系统、取放机械手、满纱吊装机械手、空管输送系统和轨道系统五个部分,各个部分之间既相对独立又相互关联。行走系统依据落纱时序由PLC控制启动,按照设定的步幅自动到位。取放机械手的定位精度代表着落纱机器人的核心技术,决定了落纱机器人的工作效率与生产水平。满纱吊装机械手、空管输入和满纱输送环节通过网络信息交互构成细化的时序精确运行,使粗纱机自动落纱机器人实现有效、准确、快速的粗纱落纱功能。该技术可以在不改变粗纱机结构的前提下,与纺机制造企业实现新机配套,也可以为棉纺企业正在运行的粗纱机进行技术改造,达到提高企业自动化水平、节约人工成本、提高生产效率的目的。



四、机器人在纺织行业的发展展望


1、纺织工业用工成本将推动机器人的应用


随着我国人口结构的老龄化和社会就业选择的日渐多元化,带来了企业用工成本的持续高涨。中国棉纺织行业协会通过近五年连续跟踪近百家行业大中型企业得出的数据,近五年间棉纺织企业工资支出总额年均增长率为7%左右,而5年间企业全部就业人数年平均降幅为5.7%,职工人均工资5年间平均增长率为13%,高于全社会12%的增幅。对此,一方面可以看出企业利润空间和生存空间受到挤压,另一方面可以看出传统纺织行业相对信息技术等新兴产业,无论工资水平还是劳动环境都不具备竞争力,出现了不同程度的“用工荒”。在此背景下,工业机器人的应用无疑为纺织行业降低劳动成本、提高生产效率和产品质量,由传统的批量生产向更加能满足客户个性化需求的小批量生产和订单生产提供了一种新的可能性。可以预见,在纺织行业转型升级的发展进程中,越来越多的工业机器人将会走进纺织生产车间,从根本上解决困扰纺织企业经营者用工成本持续增加和“用工荒”的难题。


2、机器人在纺织行业的应用还处于初级阶段


近年来,随着科学技术的不断进步,纺织新技术、新材料、新工艺、新设备取得了快速发展。在自动化方面,实现了梳棉自动换筒、并条自动换筒、精梳自动换筒,粗纱自动落纱、细纱自动落纱、转杯纺纱自动接头、喷气涡流纺纱自动接头、络筒自动接头。在连续化方面,实现了开清棉工序和梳棉工序间的连接(即清梳联)、细纱工序和络筒工序间的连接(即细络联)及精梳准备至精梳机、粗纱机至细纱机之间半制品的自动运输。在智能化方面,实现了计算机自动配棉、并条自调匀整、络筒纱线粗细节自动切除和异纤切除等新技术。相对以上新技术,工业机器人的应用占比仍然很低,以自动落纱为例,目前国内仍然使用人工落纱方式进行生产或部分生产的企业仍然占多数。在棉纺织生产线中大力推广机器人,仍有许多技术问题尚未解决,以环锭细纱机的自动接头为例,需要经过找头、引纱、穿钢丝圈、穿导纱钩等动作,接头程序复杂,对机器人的智能性要求很高。我国着名纺织专家、中国工程院姚穆院士曾呼吁,“集中精力,力争在较短时间内突破完成环锭细纱机断头自动接头的机器人。” 机器人换人是现代工业发展的必然趋势,必将成为纺织生产环节现代化的一项重要标志。

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