開發應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
機器人已在當今社會許多領域發揮著積極作用,其中工業機器人的應用最為普遍,技術也相對成熟。究其原因主要有兩點:一是近年來第三產業迅速發展,人們的就業機會、就業趨勢、擇業觀念發生了很大變化，鋼鐵、紡織等傳統製造業由於勞動環境、工資待遇等因素出現了招工難、用工成本高的現象；二是諸如信息技術等新興產業對操作人員的熟練程度和精細化操作要求較高，致使培訓成本高、周期長，同樣形成了用工緊缺現象。因此，無論在傳統製造業還是新興產業的生產線上，使用工業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製造業自動化水平的一項重要標誌。以谷歌、英特爾、微軟等為代表的一批信息技術企業瞄準市場先機，悄然布局機器人研發應用領域，把機器人與大數據、物聯網、人工智慧等眾多先進技術融合發展，成為其智能化服務平台的一部分。
機器人是一種高端智能裝備，不僅僅是傳統意義上的機械電子一體化產品，牽涉到計算機技術、傳感器技術、自動控制技術等先進技術，同時還融合了人工智慧等跨學科高新技術。綜合分析國內外工業機器人的應用情況，主要分布在三種場合：一是對產品精準度要求高的工業生產線，人工長時間操作容易產生疲勞，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效率；二是有些行業仍然不同程度地存在勞動強度大、工作環境差、影響操作人員身體健康的現象，使用機器人代替人工操作可以實現文明生產，達到「以人為本」的企業目標；三是出於產品成本因素，降低人工成本方面的考慮。正是由於工業機器人的推廣應用，提高了相關行業的勞動生產率和產品質量，提升了企業的經濟效益，改善了勞動條件，實現了文明生產。
▎機器人應用已具備行業優勢
總體來看,工業機器人在我國的應用水平仍然很低,其中汽車製造業是最先開始嘗試和推廣的行業之一,其標準化的工業流水線非常適合機器人自動化操作。工業機器人在紡織生產中的應用已具備一定行業基礎，筆者認為至少有三點依據。一是基於紡織行業的生產特點，多工序、多機台、連續化、專業化分工細且協作程度高，大多工序實行多人按照相關工作法模式操作，有利於機器人類型設計和配置；二是通過多年來的技術改造和技術升級，提升了紡織生產線的自動化水平，以棉紡行業為例，已推廣應用了自動換筒技術、自動落紗技術、自動清潔技術、自調勻整技術、除塵與溫濕度監控技術等先進技術，這些先進技術為工業機器人的配置應用提供了相應的技術鋪墊；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境的實際問題，採用工業機器人不失為一條行之有效的解決途徑。
▎紡織生產智能發展帶動了機器人的開發應用
近年來，在紡織裝備自動化、紡織生產連續化的基礎上，紡織行業邁入了智能化進程。紡織產業智能化的涵蓋範圍更加寬泛，在生產組織方面，包括智能生產流水線、智能生產車間、智能生產工廠等；在產品流程方面，包括產品智能設計、工藝智能管理、質量智能控制等。結合我國紡織行業現狀，創建新型生產模式，提升智能化製造水平，需要找准切入點。業內專家認為，首先應該從發展智能化裝備入手，研發具有信息化構架下的智能化與數字化高端紡織裝備設計技術平台，開展紡織裝備的「人因工程設計」，實現紡織生產設備的智能化控制。
為適應傳統紡織行業轉型升級需求，推進紡織生產自動化、連續化、智能化水平不斷發展，加快工業機器人的推廣應用勢在必行。隨著工業機器人的廣泛應用，可以有效推動紡織生產進一步智能化。以棉紡企業為例，未來可進一步推廣先進工藝，進一步合理優化縮短工藝流程，通過生產工序的進一步連續化，並在關鍵工序、關鍵操作點位設計應用機器人，以期實現大幅度減少用工，使未來有望建成少用人、甚至無人的棉紡織車間。
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，迅速地發展成為一門新興工業，現在運用一系列高新技術使機器人有了聽覺、視覺、觸覺，產生了具有某種反應能力，使之能完成更接近人的動作，從而使機器人在眾多行業得以迅速發展和應用。「機器人學」之所以能迅速形成一門新興學科,一是因為它的出現恰逢其時,在工業、農業、軍事、醫療、服務等領域的廣泛應用，有力地推動了生產模式的創新與進步，改善了人們的工作環境和生活質量；二是因為它屬於跨學科協同攻關的重大科研成果，技術含量代表著高新技術的發展前沿，其作用和影響引起了國內外學者的高度關注。
關於機器人的定義，從嚴格意義上說，業界至今沒有形成完全一致的解釋。客觀事實是機器人技術的快速發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新之中。「機器人是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器」，這是現階段人們能普遍認同的一種解釋。聯合國標準化組織採納了美國機器人協會對機器人的定義：「一種可編程和多種功能的操作機；或是為了執行不同的任務而具有可用電腦改變和可編動作的專門系統」。國內學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和推廣應用過程中，眾多行業陸續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計開發水平。在這種往復循環過程中，人們逐漸認識到機器人技術的本質是「感知、決策、行動和交互技術的結合」。當代機器人技術進步的重要標誌是智能化技術的引入，徹底改變了早期機器人的技術水平和應用領域，其功能更加符合不同行業的個性化和專業化要求。這種具有「感知、決策、行動和交互能力」的機器人屬於真正意義上的智能機器人，展現出了廣闊的應用領域和發展空間。
▎機器人的分類
從應用行業角度出發,國內將機器人分為工業機器人和特種機器人兩大類。顧名思義，應用於製造業領域的機器人(包括多關節機械手)稱之為工業機器人，用於非製造業並服務人類的機器人則稱為特種機器人，例如軍事用途、醫學用途、農業用途、服務用途的機器人。國外學者同樣是根據應用環境，將機器人分為製造環境下的工業機器人和非製造環境下的服務與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的。
數字化技術和信息化技術的快速發展，使得機器人的研發速度越來越快，智能化程度越來越高，應用範圍也越來越寬，正朝著智能化和多樣化方向發展，智能機器人的定義便應運而生。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生直接聯繫，也就是說可以和操作計算機的人發生直接聯繫，通過人機互動，實現機器人的感覺、思考和運動功能。根據智能化程度，智能機器人可以分為3個層次。
(1)工業機器人。多應用於工業生產線環節,按照預先設計程序一成不變地完成某項工作，不能根據外界條件變化調整相關程序，改變機器人的工作任務時，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，當外界條件發生變化時，能夠根據人們預先設定的程序修改原則，在一定範圍內自行修改程序，並且能根據外界條件變化做出相應調整，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，在沒有人工預先設定修改程序原則的條件下，通過機器人本身的學習總結，獲取修改程序的原則，當外界條件發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。
機器人在棉紡織行業的應用示例
▎細紗自動落紗機器人
當細紗滿管時，落紗機器人在軌道上緩緩運行，抓紗臂準確地抓起管紗並將其放在紗筐中，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。落紗機器人的應用靈活性相對較高，一台機器人可以應用於多台細紗機，完全可以取代傳統的人工拔管、插管工作，有效降低了工人勞動強度，提高了工作效率，減少了生產成本。現階段，一台機器人可以完成8名操作工人的工作量，大約節約勞動成本50%。
▎筒紗自動包裝機器人
筒紗自動包裝機器人應用在絡筒工序之後，對絡筒生產的筒紗進行自動套袋、封口、稱重、標記和流轉。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採用機器視覺對筒紗進行定位，避免了對筒紗的損傷；在稱重標籤環節利用物聯網技術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提供實時信息。
▎粗紗自動落紗機器人
根據相關文獻報道，一種國產粗紗自動落紗機器人已經研製成功，這種機器人主體結構為行走系統、取放機械手、滿紗吊裝機械手、空管輸送系統和軌道系統五個部分，各個部分之間既相對獨立又相互關聯。行走系統依據落紗時序由PLC控制啟動，按照設定的步幅自動到位。取放機械手的定位精度代表著落紗機器人的核心技術，決定了落紗機器人的工作效率與生產水平。滿紗吊裝機械手、空管輸入和滿紗輸送環節通過網絡信息交互構成細化的時序精確運行，使粗紗機自動落紗機器人實現有效、準確、快速的粗紗落紗功能。該技術可以在不改變粗紗機結構的前提下，與紡機製造企業實現新機配套，也可以為棉紡企業正在運行的粗紗機進行技術改造，達到提高企業自動化水平、節約人工成本、提高生產效率的目的。
機器人在紡織行業的發展展望
▎紡織工業用工成本將推動機器人的應用
隨著我國人口結構的老齡化和社會就業選擇的日漸多元化，帶來了企業用工成本的持續高漲。中國棉紡織行業協會通過近五年連續跟蹤近百家行業大中型企業得出的數據，近五年間棉紡織企業工資支出總額年均增長率為7%左右，而5年間企業全部就業人數年平均降幅為5.7%，職工人均工資5年間平均增長率為13%，高於全社會12%的增幅。對此，一方面可以看出企業利潤空間和生存空間受到擠壓，另一方面可以看出傳統紡織行業相對信息技術等新興產業，無論工資水平還是勞動環境都不具備競爭力，出現了不同程度的「用工荒」。在此背景下，工業機器人的應用無疑為紡織行業降低勞動成本、提高生產效率和產品質量，由傳統的批量生產向更加能滿足客戶個性化需求的小批量生產和訂單生產提供了一種新的可能性。可以預見，在紡織行業轉型升級的發展進程中，越來越多的工業機器人將會走進紡織生產車間，從根本上解決困擾紡織企業經營者用工成本持續增加和「用工荒」的難題。
▎機器人在紡織行業的應用還處於初級階段
近年來，隨著科學技術的不斷進步，紡織新技術、新材料、新工藝、新設備取得了快速發展。在自動化方面，實現了梳棉自動換筒、並條自動換筒、精梳自動換筒，粗紗自動落紗、細紗自動落紗、轉杯紡紗自動接頭、噴氣渦流紡紗自動接頭、絡筒自動接頭。在連續化方面，實現了開清棉工序和梳棉工序間的連接(即清梳聯)、細紗工序和絡筒工序間的連接(即細絡聯)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，實現了計算機自動配棉、並條自調勻整、絡筒紗線粗細節自動切除和異纖切除等新技術。
相對以上新技術，工業機器人的應用占比仍然很低，以自動落紗為例，目前國內仍然使用人工落紗方式進行生產或部分生產的企業仍然占多數。在棉紡織生產線中大力推廣機器人，仍有許多技術問題尚未解決，以環錠細紗機的自動接頭為例，需要經過找頭、引紗、穿鋼絲圈、穿導紗鉤等動作，接頭程序複雜，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籲，「集中精力，力爭在較短時間內突破完成環錠細紗機斷頭自動接頭的機器人。」 機器人換人是現代工業發展的必然趨勢，必將成為紡織生產環節現代化的一項重要標誌。
資料來源：標準集團 棉紡織技術新傳媒整理
輪值編輯：郭麗潔