龚伟明 余联庆（通讯作者） 徐广林
武汉纺织大学 湖北武汉
摘要：为了解决织布车间长短规格不同的布辊的落布和运输问题设计了一种变幅宽自动落布车，可实现在狭窄的织机巷道中穿行对不同长度的布辊进行自动落布和运输。基于ga优化算法对布辊落布过程的轨迹进行了优化并以此确定了链条导轨的结构参数，得到了最终置布高度的最优解分别为496mm和996mm。
关键词：变幅宽自动落布车，ga优化算法，轨迹优化
0 引言
随着科学技术的不断发展，纺织技术也进入新的增长期，机械与自动化的结合成为现代纺织工业的发展方向。[1-2]在织布车间中，生产完的布辊需运送到验布缓存架上，由于卷装布辊的质量一般都比较大，往往需要多人合作才能搬运，费时费力，并且人工搬运存在着很大的安全隐患，更重要的是，织布车间中可能存在着规格长短不同的布辊且织机间的巷道过于狭窄，若是单单依靠人工落布以及搬运，工作效率明显很低。
为了解决上述问题，本文基于对某车间实地测量的数据研究并设计了一款幅宽可变的自动落布车，可针对不同长短布辊的自动落布和运输问题，实现布辊的智能化运输，通过智能优化算法（ga）和有限元分析方法对其关键部位的结构进行了优化设计，从而达到最终置布高度最小以及结构轻量化的目标。
1 变幅宽自动落布小车的整体结构和工作原理
1.1 变幅宽自动落布小车的整体结构
变幅宽自动落布小车的机械结构主要包括行走单元和自动落布单元，行走单元主要是由AGV小车依靠磁条导航精准移动到目标位置实现行走功能，自动落布单元包括变幅宽机构和落布机构，可实现自动落布的功能。变幅宽自动落布小车的整体结构示意图如图1所示
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1.AGV小车；2.变幅宽机构；3.钩布动力单元；4.可移动链条导轨；5.置布钩；6.落布钩
图1 变幅宽自动落布小车的整体结构示意图
由图1可知，变幅宽机构主要由直流电机驱动丝杆带动两边的钩布架移动从而达到变幅宽以对不同规格长度的布辊落布的目的。落布机构主要是由可滑动的链条导轨和钩布机构组成。其中可滑动的链条导轨主要是由电推缸驱动连杆从而带动下链条导轨移动，当自动落布车在车间中移动时，电推缸拉动连杆从而拉动下链条导轨收缩，可完全缩回车体内，以适应织机间狭窄的巷道；当自动落布车处于落布状态时，电推缸推动连杆从而推动下链条导轨伸出，当连杆与地面垂直时，连杆与下链条导轨上的阻挡块接触并保持当前姿态继续推动下链条导轨，同时连杆下端的滚轮触地，对下链条导轨起到支撑作用。钩布机构由非闭合且带有侧滚轮的链条、落布钩和带弹簧可复位的置布钩组成。其中落布钩位于非闭合链条的末端，可钩住布辊的芯轴将布辊从织机中钩出并随链条一起在链条导轨上移动，当布辊芯轴触碰到置布钩时可将其顶起并继续上移，当芯轴完全通过置布钩时，置布钩在弹簧弹力的作用下复位，此时布辊随落布钩一起下移将布辊落在置布钩上，其运动流程如图2所示。
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图2 落布钩置布流程图
1.2 变幅宽自动落布车的工作流程
变幅宽自动落布车的工作流程图如图3所示，变幅宽自动落布车移动到与织布机1平行的位置并根据布辊的长度自动调节幅宽，通过电推缸推动连杆进而推动下链条导轨伸出与上链条导轨组成完整的链条导轨。此时落布钩在链条的带动下沿移动到下链条导轨末端的位置，然后整个自动落布车向织布机方向移动靠近并最终将落布钩置于布辊芯轴下方。接着落布钩钩住布辊芯轴将布辊从织机中钩出并带着布辊一起沿链条导轨向上移动，最终将织机1中的布辊落在置布钩1上。重复上述操作，将织布机2中的布辊落在置布钩2上完成落布。完成落布后，自动落布车将两卷布辊落到缓存车上完成一个工作周期。
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图3 自动落布车工作流程图
2 链条导轨的优化设计
自动落布车落布时的平面示意图如图4所示，以布辊的初始中点O1为原点建立平面直角坐标系，令布辊中心的运动轨迹线为L1，L2的倾斜角为θ，与L1平行且与圆O相切的两条线分别为L2和L3，根据此次实际项目的设计相关参数可知，织机中两滚轴中心的坐标分别为z1（-127，470），z2（245，600），Rz1=43mm,Rz2=30mm，分别设L1，L2，L3，的方程为：
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图4 自动落布车落布时的平面示意图
为了保证布辊在钩布过程中不会碰撞到织机，即L2不与圆z1相交，根据几何学公式可知：
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根据实际测量可知，该织布车间布辊直径一般不大于400mm，为了满足最大直径布辊的钩布要求，将R布=400mm带入公式中计算可得：
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接着以AGV车体中线与地面的交点O为圆心建立直角坐标系，如图6所示，设AGV车体上表面到地面的距离为h=250mm，AGV车体与织机的间距为s，AGV车体的宽度为t=400mm，L3与AGV车体的交点为P（xp，yp），L3与圆O1的交点为p2，根据几何关系可知布辊初始位置的圆心坐标为O1（180+s+t/2，280），由于布辊在移动过程中不能与AGV车体发生碰撞，故有：
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布辊在落布时的运动简图如图5所示，其中点O2为布辊开始越过AGV车体时布辊中心点的位置，O3为布辊完全越过AGV车体时布辊中心点的位置，O4点为最终的置布点，α为布辊完全越过AGV车体后第二段轨迹线的倾斜角，根据图中几何关系可得：
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图5 布辊落布时的运动简图
为了使自动落布车能更加平稳、安全的工作，应尽量降低其在输运时布辊的重心，即布辊最终的置布高度应尽可能减小，故以最终置布高度为优化目标函数，以公式（7）和公式（8）为约束条件，建立优化数学模型为：
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式中：θ为第一段轨迹的倾斜角，α为第二段轨迹的倾斜角，s为织机与自动落布车的间距。
根据织造车间管理人员的要求，自动落布车进行落布作业时AGV车体距织机距离在75mm—110mm之间，即s的取值区间为75mm—110mm。将该范围代入优化方程，并利用Matlab工具箱智能优化算法中的遗传算法（ga）对优化方程进行求解，在取不同值的情况下，目标函数的变化如图所示：
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从图（6）中可知，目标函数f随s的增大而减小，又由于s的取值区间为75mm—110mm，故当s=110mm时，目标函数f取得最优解fmin=573.2mm，此时θ=37.41°，α=9.63°。并最终得出第一卷布辊的最终置布高度为496mm，钩的第二卷布辊的最终置布高度为996mm。
3 结束语
本文设计了一种可变幅宽的自动落布车，使用Solidworks对其进行了三维建模，并基于ga优化算法对布辊落布过程中的轨迹进行了优化，并以此确定了链条导轨结构参数。研究结果表明：基于ga优化算法以最终置布高度为优化目标对布辊落布过程的轨迹进行了优化，得出第一卷布辊和和第二卷布辊的最终置布高度分别为496mm和996mm。并基于确定了链条导轨的结构参数。
参考文献
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作者简介：龚伟明（1995—），男，汉族，湖北咸宁，工学硕士，武汉纺织大学机械工程与自动化学院，研究方向：机器人技术。
通信作者：余联庆（1972-），男，教授、博士。研究方向：机器人结构学、移动机器人技术与应用等。