碼頭集裝箱機(jī)械臂的研究與設(shè)計(jì)

袁梓祥

摘 要：本文敘述了在傳統(tǒng)碼頭集裝箱的裝卸作業(yè)中，大工作量的重復(fù)人工勞動(dòng)往往存在局限和困難的現(xiàn)狀。通過介紹機(jī)械臂在現(xiàn)實(shí)生活的應(yīng)用實(shí)例，分析碼頭集裝箱機(jī)械臂的控制系統(tǒng)的環(huán)節(jié)和操作與可行性，以及碼頭集裝箱機(jī)械臂投入與傳統(tǒng)的繁瑣體力重復(fù)勞動(dòng)的效益對(duì)比。研究了碼頭集裝箱機(jī)械臂在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用和解決問題，指出碼頭集裝箱機(jī)械臂替代人力勞動(dòng)，解放人的現(xiàn)實(shí)作用與幫助生產(chǎn)生活的現(xiàn)實(shí)作用的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：碼頭集裝箱；機(jī)械臂；自動(dòng)化

中圖分類號(hào)：TN941.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）03-0055-02

1 應(yīng)用背景

目前我國(guó)正處于高速發(fā)展時(shí)期，經(jīng)濟(jì)快速上升階段，因此碼頭集裝箱的需求量越來越大，運(yùn)輸量的大小也呈正比例增長(zhǎng)。在這重要的發(fā)展時(shí)期，碼頭集裝箱等大宗貨物是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要支撐。

從去年的數(shù)據(jù)可以看出，碼頭集裝箱在不斷增長(zhǎng)，相關(guān)港口泊位也對(duì)應(yīng)出現(xiàn)明顯的擴(kuò)大。2015年末全國(guó)港口擁有生產(chǎn)用碼頭泊位31259個(gè)，比上年末減少446個(gè)。其中，沿海港口生產(chǎn)用碼頭泊位5899個(gè)，增加65個(gè)；內(nèi)河港口生產(chǎn)用碼頭泊位25360個(gè)，減少511個(gè)。全國(guó)港口擁有萬(wàn)噸級(jí)及以上泊位2221個(gè)，比上年末增加111個(gè)。其中，沿海港口萬(wàn)噸級(jí)及以上泊位1807個(gè)，增加103個(gè)；內(nèi)河港口萬(wàn)噸級(jí)及以上泊位414個(gè)，增加8個(gè)。全國(guó)萬(wàn)噸級(jí)及以上泊位中，專業(yè)化泊位1173個(gè)，通用散貨泊位473個(gè)，通用件雜貨泊位371個(gè)，比上年末分別增加59個(gè)、32個(gè)和11個(gè)。我國(guó)貨運(yùn)吞吐量保持連年穩(wěn)定增長(zhǎng)。[1]

在當(dāng)前碼頭集裝箱大力發(fā)展的情況下，碼頭集裝箱抓取自動(dòng)化勢(shì)在必行，主要有以下兩個(gè)方面的需求：一方面，為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需要，在全國(guó)范圍內(nèi)的港口數(shù)量日益增加，集裝箱吞吐量連年攀升，隨之而來的人力成本不可忽視，發(fā)展集裝箱吊具的全自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠極大壓縮現(xiàn)階段人力勞動(dòng)和半自動(dòng)化下人力成本，并能大大提高裝卸效率。另一方面，貨物吞吐量的攀升，帶來港口能源消耗量的大幅需求。利用全自動(dòng)化的技術(shù)能有效提高能源的利用率并于一定程度上減少貨物損失與環(huán)境污染，保證了裝卸作業(yè)的環(huán)境需求。[2]

2 工業(yè)機(jī)械臂及其特性

由于碼頭集裝箱方面的大力發(fā)展，伴隨而來的環(huán)境和人力成本問題待需解決，碼頭工業(yè)機(jī)械臂則就是一種很好的選擇。工業(yè)機(jī)械臂是一種由操作機(jī)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，用來模仿人類作業(yè)，可以搬運(yùn)物料、零件、工具等多項(xiàng)操作功能，具有可自動(dòng)控制、可重復(fù)編程特征，可在三維空間完成下達(dá)作業(yè)的自主自動(dòng)化設(shè)備。[3]可通俗理解為按照程序、無人操作下的無休止重復(fù)工作勞動(dòng)力，當(dāng)然它也可以根據(jù)不同調(diào)整來執(zhí)行不同功能。

根據(jù)碼頭集裝箱工業(yè)機(jī)械臂的定義，可知它具有精確性，穩(wěn)定性，可重復(fù)性等特點(diǎn)，因此十分適合于碼頭集裝箱作業(yè)。首先工業(yè)機(jī)械臂具有極強(qiáng)的可重復(fù)性，在提高勞動(dòng)效率上具有十分重要的作用。其次不可忽視的是工業(yè)機(jī)械臂的穩(wěn)定性和精確性，這使它特別適合于多品種，變批量的生產(chǎn)。而且機(jī)械臂能在設(shè)定好的程序中精確的感知作業(yè)對(duì)象所在的空間位置，以電信號(hào)的形式反饋給自身的自動(dòng)化系統(tǒng)，從而精準(zhǔn)地對(duì)目標(biāo)鎖定抓取并實(shí)現(xiàn)作業(yè)。同時(shí)，機(jī)械臂還可以根據(jù)作業(yè)需要選擇和設(shè)定合理的機(jī)械來完成所需工作即保證其穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)成本壓縮。所以在大型碼頭，萬(wàn)噸級(jí)及以上泊位中，全自動(dòng)化下機(jī)械臂的推廣與使用對(duì)其在快速發(fā)展下要求完美符合，在穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品快速更新?lián)Q代等方面中起著至關(guān)重要的作用，這也是在裝卸作業(yè)中利用機(jī)械臂的原因。

3 集裝箱碼頭機(jī)械臂吊具模型

根據(jù)機(jī)械臂的特性與理想應(yīng)用范圍，現(xiàn)給出如下機(jī)械臂吊具系統(tǒng)模型以完成抓取工作。該集裝箱吊具是適用于集裝箱裝卸轉(zhuǎn)運(yùn)的大型專用機(jī)具，適合貨運(yùn)倉(cāng)儲(chǔ)、水運(yùn)港口和碼頭。它具有可靠性高、運(yùn)行平穩(wěn)、作業(yè)效率高等特點(diǎn)，是起重設(shè)備重要的輔助機(jī)具。機(jī)械臂吊具系統(tǒng)模型如圖1所示。

如圖1所示，該模型由吊索、吊環(huán)、解鎖箱總成、導(dǎo)板裝置、聯(lián)桿總成、牽引系統(tǒng)、托輥總成、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、吊架、解鎖指示器構(gòu)成。[4]其工作原理為：通過位置檢測(cè)器的傳輸紅外線信號(hào)來得出集裝箱的擺放位置與高度，繼而操作吊具達(dá)到目標(biāo)地即信號(hào)傳輸所指的位置，然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)使其降至適當(dāng)高度的正確位置，再利用彈性拉鎖控制系統(tǒng)，使吊具與集裝箱穩(wěn)固連接達(dá)到裝卸的目的。

集裝箱吊具通常與岸邊集裝箱起重機(jī)、輪胎式集裝箱門式起重機(jī)、軌道式集裝箱門式起重機(jī)、集裝箱跨式運(yùn)輸車和門座起重機(jī)等裝卸設(shè)備配合使用。它具有與集裝箱箱體相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)鎖與箱體的箱角件連接進(jìn)行起吊作業(yè)。機(jī)械臂吊具的使用很大程度上減少了人力勞動(dòng)的支出和避免了意外發(fā)生，利用這種吊具的進(jìn)行作業(yè)，很大程度上解決了面對(duì)了大型集裝箱裝卸的難題。諸如大型的重量體積過大，或者在惡劣條件天氣等客觀因素導(dǎo)致人工作業(yè)的無法進(jìn)行和進(jìn)行緩慢等問題。

就碼頭集裝箱的裝卸來講，機(jī)械臂是一項(xiàng)極其富有現(xiàn)實(shí)效益的先進(jìn)技術(shù)：它能在很大程度上減少大量的重復(fù)的機(jī)械勞動(dòng)作業(yè)，將勞動(dòng)成本極大的降至機(jī)械的成本和維修上，并摒棄以往的繁重緩慢不安全等不良因素，從而實(shí)現(xiàn)降低人力成本的目的。在能極大提高效率與作業(yè)的同時(shí)，改善目前的困擾，使集裝箱能更快更穩(wěn)更好的完成裝卸工作，并配合快捷的運(yùn)輸使碼頭的效益進(jìn)一步得到提升，讓集裝箱的產(chǎn)品的價(jià)值得到多方面的保證。

4 碼頭機(jī)械臂控制系統(tǒng)

上文給出了集裝箱抓取采用的機(jī)械臂吊具物理結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)集裝箱抓取的全自動(dòng)運(yùn)行，還需要利用控制器對(duì)吊具進(jìn)行控制，以保證整個(gè)抓取系統(tǒng)能夠自動(dòng)化運(yùn)行。圖2給出了抓取系統(tǒng)的閉環(huán)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2中給出了抓取系統(tǒng)各部分子系統(tǒng)的組成，包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及位置檢測(cè)裝置等。

根據(jù)設(shè)計(jì)的集裝箱抓取物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，控制系統(tǒng)框圖中各部分選取為：

（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：固定式吊具，其特性在上文中已給出。（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，液壓驅(qū)動(dòng)具有推力大、體積小、調(diào)速方便等特點(diǎn)，因此常被用來驅(qū)動(dòng)此類大型機(jī)械臂。同時(shí)，采用的液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)減少了其他動(dòng)力的依賴，也減少了各類能源的環(huán)境問題而引發(fā)效益矛盾，符合作業(yè)環(huán)境的綠色友好需求。其工作平穩(wěn)更好的保障了工業(yè)機(jī)械臂集裝箱吊具的穩(wěn)定性，適應(yīng)于碼頭大型或中小型集裝箱的裝卸作業(yè)中。（3）控制系統(tǒng)：大型帶操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，常用比如集中控制系統(tǒng)或大型PLC控制器。（4）傳感器檢測(cè)裝置：位置檢測(cè)裝置傳感器，位置檢測(cè)裝置傳感器既簡(jiǎn)單也完善的提高整個(gè)系統(tǒng)的精確性，此類傳感器具有的高靈敏度特性保障了整個(gè)作業(yè)的有序協(xié)調(diào)進(jìn)行。位置檢測(cè)裝置傳感器減少了集裝箱裝卸過程中因?yàn)樽ト∥恢玫腻e(cuò)誤而到裝卸中止的情況，而且安裝維修方便，成本低廉，符合整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)要求和環(huán)保需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文面對(duì)現(xiàn)實(shí)碼頭的現(xiàn)狀，進(jìn)行了碼頭集裝箱機(jī)械臂抓取系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。分析了其實(shí)際需求與機(jī)械的可行性以及操作控制系統(tǒng)。盡可能地降低人力成本，實(shí)現(xiàn)到全自動(dòng)化的管理與作業(yè)。利用自動(dòng)化碼頭集裝箱機(jī)械臂抓取系統(tǒng)可以有效提高經(jīng)濟(jì)效益與安全性，使其可以做到自動(dòng)化控制下，無停歇的裝卸工作。其抓取系統(tǒng)還可以根據(jù)實(shí)際要求轉(zhuǎn)換類型規(guī)格對(duì)各種體積大小的集裝箱進(jìn)行裝卸工作，適用各類大小碼頭，因此有極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中幫助人類生產(chǎn)生活的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]交通運(yùn)輸部網(wǎng)站.2015年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[K].

[2]趙溦，趙憲花.散貨碼頭智能化裝卸工藝技術(shù)研究[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2015，15（7）：121-122.

[3]董硯秋.智能機(jī)器人概述[J].網(wǎng)絡(luò)與信息，2007，（7）：68-69.

[4]集裝箱吊具.MBA知度百科[K].