開發(fā)應(yīng)用紡織機器人的必要性

▎機器人代替人工操作已成為大勢所趨

機器人已在當(dāng)今社會許多領(lǐng)域發(fā)揮著積極作用,其中工業(yè)機器人的應(yīng)用最為普遍,技術(shù)也相對成熟。究其原因主要有兩點:

一是近年來第三產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,人們的就業(yè)機會、就業(yè)趨勢、擇業(yè)觀念發(fā)生了很大變化，鋼鐵、紡織等傳統(tǒng)制造業(yè)由于勞動環(huán)境、工資待遇等因素出現(xiàn)了招工難、用工成本高的現(xiàn)象

二是諸如信息技術(shù)等新興產(chǎn)業(yè)對操作人員的熟練程度和精細化操作要求較高，致使培訓(xùn)成本高、周期長，同樣形成了用工緊缺現(xiàn)象。

因此，無論在傳統(tǒng)制造業(yè)還是新興產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)線上，使用工業(yè)機器人代替人工操作將成為大勢所趨，機器人的使用也將成為未來制造業(yè)自動化水平的一項重要標志。以谷歌、英特爾、微軟等為代表的一批信息技術(shù)企業(yè)瞄準市場先機，悄然布局機器人研發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域，把機器人與大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等眾多先進技術(shù)融合發(fā)展，成為其智能化服務(wù)平臺的一部分。

機器人是一種高端智能裝備，不僅僅是傳統(tǒng)意義上的機械電子一體化產(chǎn)品，牽涉到計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)等先進技術(shù)，同時還融合了人工智能等跨學(xué)科高新技術(shù)。

綜合分析國內(nèi)外工業(yè)機器人的應(yīng)用情況，主要分布在三種場合：

一是對產(chǎn)品精準度要求高的工業(yè)生產(chǎn)線，人工長時間操作容易產(chǎn)生疲勞，造成精力不濟，使用機器人可以有效避免這種情況，最大限度地提高正品率和生產(chǎn)效率

二是有些行業(yè)仍然不同程度地存在勞動強度大、工作環(huán)境差、影響操作人員身體健康的現(xiàn)象，使用機器人代替人工操作可以實現(xiàn)文明生產(chǎn)，達到“以人為本”的企業(yè)目標

三是出于產(chǎn)品成本因素，降低人工成本方面的考慮。正是由于工業(yè)機器人的推廣應(yīng)用，提高了相關(guān)行業(yè)的勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，提升了企業(yè)的經(jīng)濟效益，改善了勞動條件，實現(xiàn)了文明生產(chǎn)。

▎機器人應(yīng)用已具備行業(yè)優(yōu)勢

總體來看,工業(yè)機器人在我國的應(yīng)用水平仍然很低,其中汽車制造業(yè)是最先開始嘗試和推廣的行業(yè)之一,其標準化的工業(yè)流水線非常適合機器人自動化操作。

工業(yè)機器人在紡織生產(chǎn)中的應(yīng)用已具備一定行業(yè)基礎(chǔ)，筆者認為至少有三點依據(jù)。

一是基于紡織行業(yè)的生產(chǎn)特點，多工序、多機臺、連續(xù)化、專業(yè)化分工細且協(xié)作程度高，大多工序?qū)嵭卸嗳税凑障嚓P(guān)工作法模式操作，有利于機器人類型設(shè)計和配置

二是通過多年來的技術(shù)改造和技術(shù)升級，提升了紡織生產(chǎn)線的自動化水平，以棉紡行業(yè)為例，已推廣應(yīng)用了自動換筒技術(shù)、自動落紗技術(shù)、自動清潔技術(shù)、自調(diào)勻整技術(shù)、除塵與溫濕度監(jiān)控技術(shù)等先進技術(shù)，這些先進技術(shù)為工業(yè)機器人的配置應(yīng)用提供了相應(yīng)的技術(shù)鋪墊。

三是紡織車間存在噪聲、溫濕度、空氣潔凈度等影響操作人員工作環(huán)境的實際問題，采用工業(yè)機器人不失為一條行之有效的解決途徑。

▎紡織生產(chǎn)智能發(fā)展帶動了機器人的開發(fā)應(yīng)用

近年來，在紡織裝備自動化、紡織生產(chǎn)連續(xù)化的基礎(chǔ)上，紡織行業(yè)邁入了智能化進程。紡織產(chǎn)業(yè)智能化的涵蓋范圍更加寬泛，在生產(chǎn)組織方面，包括智能生產(chǎn)流水線、智能生產(chǎn)車間、智能生產(chǎn)工廠等；在產(chǎn)品流程方面，包括產(chǎn)品智能設(shè)計、工藝智能管理、質(zhì)量智能控制等。

結(jié)合我國紡織行業(yè)現(xiàn)狀，創(chuàng)建新型生產(chǎn)模式，提升智能化制造水平，需要找準切入點。

業(yè)內(nèi)專家認為，首先應(yīng)該從發(fā)展智能化裝備入手，研發(fā)具有信息化構(gòu)架下的智能化與數(shù)字化高端紡織裝備設(shè)計技術(shù)平臺，開展紡織裝備的“人因工程設(shè)計”，實現(xiàn)紡織生產(chǎn)設(shè)備的智能化控制。

為適應(yīng)傳統(tǒng)紡織行業(yè)轉(zhuǎn)型升級需求，推進紡織生產(chǎn)自動化、連續(xù)化、智能化水平不斷發(fā)展，加快工業(yè)機器人的推廣應(yīng)用勢在必行。

隨著工業(yè)機器人的廣泛應(yīng)用，可以有效推動紡織生產(chǎn)進一步智能化。

以棉紡企業(yè)為例，未來可進一步推廣先進工藝，進一步合理優(yōu)化縮短工藝流程，通過生產(chǎn)工序的進一步連續(xù)化，并在關(guān)鍵工序、關(guān)鍵操作點位設(shè)計應(yīng)用機器人，以期實現(xiàn)大幅度減少用工，使未來有望建成少用人、甚至無人的棉紡織車間。

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機器人的定義與分類

▎機器人的定義

20世紀60年代機器人問世以來，迅速地發(fā)展成為一門新興工業(yè)，現(xiàn)在運用一系列高新技術(shù)使機器人有了聽覺、視覺、觸覺，產(chǎn)生了具有某種反應(yīng)能力，使之能完成更接近人的動作，從而使機器人在眾多行業(yè)得以迅速發(fā)展和應(yīng)用。

“機器人學(xué)”之所以能迅速形成一門新興學(xué)科

一是因為它的出現(xiàn)恰逢其時,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療、服務(wù)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，有力地推動了生產(chǎn)模式的創(chuàng)新與進步，改善了人們的工作環(huán)境和生活質(zhì)量

二是因為它屬于跨學(xué)科協(xié)同攻關(guān)的重大科研成果，技術(shù)含量代表著高新技術(shù)的發(fā)展前沿，其作用和影響引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。

關(guān)于機器人的定義，從嚴格意義上說，業(yè)界至今沒有形成完全一致的解釋。

客觀事實是機器人技術(shù)的快速發(fā)展使機器人的功能不斷豐富，其定義也就處在不斷充實與創(chuàng)新之中。

“機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器”，這是現(xiàn)階段人們能普遍認同的一種解釋。聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會對機器人的定義：

“一種可編程和多種功能的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編動作的專門系統(tǒng)”。

國內(nèi)學(xué)者對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”。

在機器人的研究開發(fā)和推廣應(yīng)用過程中，眾多行業(yè)陸續(xù)對機器人的功能提出了更多更具體的要求，這些需求反過來促進了機器人的設(shè)計開發(fā)水平。

在這種往復(fù)循環(huán)過程中，人們逐漸認識到機器人技術(shù)的本質(zhì)是“感知、決策、行動和交互技術(shù)的結(jié)合”。當(dāng)代機器人技術(shù)進步的重要標志是智能化技術(shù)的引入，徹底改變了早期機器人的技術(shù)水平和應(yīng)用領(lǐng)域，其功能更加符合不同行業(yè)的個性化和專業(yè)化要求。

這種具有“感知、決策、行動和交互能力”的機器人屬于真正意義上的智能機器人，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展空間。

▎機器人的分類

從應(yīng)用行業(yè)角度出發(fā),國內(nèi)將機器人分為工業(yè)機器人和特種機器人兩大類。

顧名思義，應(yīng)用于制造業(yè)領(lǐng)域的機器人(包括多關(guān)節(jié)機械手)稱之為工業(yè)機器人，用于非制造業(yè)并服務(wù)人類的機器人則稱為特種機器人，例如軍事用途、醫(yī)學(xué)用途、農(nóng)業(yè)用途、服務(wù)用途的機器人。

國外學(xué)者同樣是根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，將機器人分為制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的。

數(shù)字化技術(shù)和信息化技術(shù)的快速發(fā)展，使得機器人的研發(fā)速度越來越快，智能化程度越來越高，應(yīng)用范圍也越來越寬，正朝著智能化和多樣化方向發(fā)展，智能機器人的定義便應(yīng)運而生。

智能機器人具備了感覺要素、運動要素和思考要素，由中央處理器和外部計算機發(fā)生直接聯(lián)系，也就是說可以和操作計算機的人發(fā)生直接聯(lián)系，通過人機互動，實現(xiàn)機器人的感覺、思考和運動功能。根據(jù)智能化程度，智能機器人可以分為3個層次。

(1)工業(yè)機器人。多應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線環(huán)節(jié),按照預(yù)先設(shè)計程序一成不變地完成某項工作，不能根據(jù)外界條件變化調(diào)整相關(guān)程序，改變機器人的工作任務(wù)時，需要人工修改程序，這種機器人不具備任何智能。

(2)初級智能機器人。具有一定感覺、識別、推理和判斷能力，當(dāng)外界條件發(fā)生變化時，能夠根據(jù)人們預(yù)先設(shè)定的程序修改原則，在一定范圍內(nèi)自行修改程序，并且能根據(jù)外界條件變化做出相應(yīng)調(diào)整，其實這種機器人具有一定智能。

(3)高級智能機器人。具有感覺、識別、推理和判斷能力，在沒有人工預(yù)先設(shè)定修改程序原則的條件下，通過機器人本身的學(xué)習(xí)總結(jié)，獲取修改程序的原則，當(dāng)外界條件發(fā)生變化時能夠自行修改程序。這種機器人具有一定的自動規(guī)劃能力，無需人工管理，完全獨立工作，也稱之為高級自律機器人。

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機器人在棉紡織行業(yè)的應(yīng)用示例

▎細紗自動落紗機器人

當(dāng)細紗滿管時，落紗機器人在軌道上緩緩運行，抓紗臂準確地抓起管紗并將其放在紗筐中，再將一個個空管快速地插到錠子上。落紗機器人是細紗集體落紗裝置的一個有力補充。

落紗機器人的應(yīng)用靈活性相對較高，一臺機器人可以應(yīng)用于多臺細紗機，完全可以取代傳統(tǒng)的人工拔管、插管工作，有效降低了工人勞動強度，提高了工作效率，減少了生產(chǎn)成本。

現(xiàn)階段，一臺機器人可以完成8名操作工人的工作量，大約節(jié)約勞動成本50%。

▎筒紗自動包裝機器人

筒紗自動包裝機器人應(yīng)用在絡(luò)筒工序之后，對絡(luò)筒生產(chǎn)的筒紗進行自動套袋、封口、稱重、標記和流轉(zhuǎn)。該機器人將整個筒紗包裝過程完全自動化，減少了人工操作。

在筒紗的裝袋機械手中采用機器視覺對筒紗進行定位，避免了對筒紗的損傷；在稱重標簽環(huán)節(jié)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對裝袋筒紗的信息進行實時標記，為物流倉儲及銷售管理系統(tǒng)提供實時信息。

▎粗紗自動落紗機器人

根據(jù)相關(guān)文獻報道，一種國產(chǎn)粗紗自動落紗機器人已經(jīng)研制成功，這種機器人主體結(jié)構(gòu)為行走系統(tǒng)、取放機械手、滿紗吊裝機械手、空管輸送系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)五個部分，各個部分之間既相對獨立又相互關(guān)聯(lián)。

行走系統(tǒng)依據(jù)落紗時序由PLC控制啟動，按照設(shè)定的步幅自動到位。取放機械手的定位精度代表著落紗機器人的核心技術(shù)，決定了落紗機器人的工作效率與生產(chǎn)水平。

滿紗吊裝機械手、空管輸入和滿紗輸送環(huán)節(jié)通過網(wǎng)絡(luò)信息交互構(gòu)成細化的時序精確運行，使粗紗機自動落紗機器人實現(xiàn)有效、準確、快速的粗紗落紗功能。

該技術(shù)可以在不改變粗紗機結(jié)構(gòu)的前提下，與紡機制造企業(yè)實現(xiàn)新機配套，也可以為棉紡企業(yè)正在運行的粗紗機進行技術(shù)改造，達到提高企業(yè)自動化水平、節(jié)約人工成本、提高生產(chǎn)效率的目的。

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機器人在紡織行業(yè)的發(fā)展展望

▎紡織工業(yè)用工成本將推動機器人的應(yīng)用

隨著我國人口結(jié)構(gòu)的老齡化和社會就業(yè)選擇的日漸多元化，帶來了企業(yè)用工成本的持續(xù)高漲。

中國棉紡織行業(yè)協(xié)會通過近五年連續(xù)跟蹤近百家行業(yè)大中型企業(yè)得出的數(shù)據(jù)，近五年間棉紡織企業(yè)工資支出總額年均增長率為7%左右，而5年間企業(yè)全部就業(yè)人數(shù)年平均降幅為5.7%，職工人均工資5年間平均增長率為13%，高于全社會12%的增幅。

對此，一方面可以看出企業(yè)利潤空間和生存空間受到擠壓，另一方面可以看出傳統(tǒng)紡織行業(yè)相對信息技術(shù)等新興產(chǎn)業(yè)，無論工資水平還是勞動環(huán)境都不具備競爭力，出現(xiàn)了不同程度的“用工荒”。

在此背景下，工業(yè)機器人的應(yīng)用無疑為紡織行業(yè)降低勞動成本、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，由傳統(tǒng)的批量生產(chǎn)向更加能滿足客戶個性化需求的小批量生產(chǎn)和訂單生產(chǎn)提供了一種新的可能性。

可以預(yù)見，在紡織行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的發(fā)展進程中，越來越多的工業(yè)機器人將會走進紡織生產(chǎn)車間，從根本上解決困擾紡織企業(yè)經(jīng)營者用工成本持續(xù)增加和“用工荒”的難題。

▎機器人在紡織行業(yè)的應(yīng)用還處于初級階段

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，紡織新技術(shù)、新材料、新工藝、新設(shè)備取得了快速發(fā)展。在自動化方面，實現(xiàn)了梳棉自動換筒、并條自動換筒、精梳自動換筒，粗紗自動落紗、細紗自動落紗、轉(zhuǎn)杯紡紗自動接頭、噴氣渦流紡紗自動接頭、絡(luò)筒自動接頭。

在連續(xù)化方面，實現(xiàn)了開清棉工序和梳棉工序間的連接(即清梳聯(lián))、細紗工序和絡(luò)筒工序間的連接(即細絡(luò)聯(lián))及精梳準備至精梳機、粗紗機至細紗機之間半制品的自動運輸。

在智能化方面，實現(xiàn)了計算機自動配棉、并條自調(diào)勻整、絡(luò)筒紗線粗細節(jié)自動切除和異纖切除等新技術(shù)。

相對以上新技術(shù)，工業(yè)機器人的應(yīng)用占比仍然很低，以自動落紗為例，目前國內(nèi)仍然使用人工落紗方式進行生產(chǎn)或部分生產(chǎn)的企業(yè)仍然占多數(shù)。

在棉紡織生產(chǎn)線中大力推廣機器人，仍有許多技術(shù)問題尚未解決，以環(huán)錠細紗機的自動接頭為例，需要經(jīng)過找頭、引紗、穿鋼絲圈、穿導(dǎo)紗鉤等動作，接頭程序復(fù)雜，對機器人的智能性要求很高。

我國著名紡織專家、中國工程院姚穆院士曾呼吁，“集中精力，力爭在較短時間內(nèi)突破完成環(huán)錠細紗機斷頭自動接頭的機器人。” 機器人換人是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，必將成為紡織生產(chǎn)環(huán)節(jié)現(xiàn)代化的一項重要標志。

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