工業(yè)機器人在煤樣樣品分選中的應用研究

賀禮，喻清華，王皓

（湖南中南智能裝備有限公司，湖南，長沙，410000）

20 世紀90 年代末期，國內煤炭分選技術還處于原始狀態(tài)，其主要工作基本依賴人工操作的方式進行。受勞動強度大、作業(yè)時間長、人為參與多、環(huán)境和樣品污染嚴重、過程管控難等因素的影響，樣品的代表性、真實性難以保證。2000 年，隨著國內外煤炭生產、加工利用和貿易的發(fā)展，各種有利于煤炭分選管理并能滿足自動化、信息化、智能化的機械設備越來越受到社會的關注，同時，也對這些設備系統(tǒng)提出了更高效化、更智能化的要求。運用工業(yè)機器人技術在煤炭樣品分選領域，極大地控制了勞動強度、杜絕了人為參與的影響、避免了環(huán)境和樣品的污染、節(jié)約了人力成本、提高了效能管控。

1 工業(yè)機器人分選技術與應用

工業(yè)機器人分選技術以機器人為核心，綜合了計算機科學技術、機械工程技術、電子工程技術、信息傳感技術、控制理論、機構學、人工智能學、仿生學等多學科而形成的高新技術。運用工業(yè)4.0 創(chuàng)新技術和物聯(lián)網技術，在智能系統(tǒng)的控制下，采用多關節(jié)機械手和多自由度的機械裝置完美替代人工在分選區(qū)域進行作業(yè)。特別適用于煤炭采樣和制樣環(huán)節(jié)的樣品分選工作，并形成了一套獨立的、系統(tǒng)性的智能化產品。

起初，人工和機械采樣最終的留樣通過樣桶封裝后，通過人工搬運和電動三輪車運輸相結合的方式將樣品運送至制樣設備進行制樣。本分選技術自動實現(xiàn)從汽車、火車、皮帶采樣機經破碎、縮分最終獲得的留樣通過皮帶輸送的方式進入到分選區(qū)域內，采用特制不銹鋼煤樣桶進行煤樣收集，動態(tài)稱重，讀寫碼、自動封裝、自動歸批，自動分選，自動卸料至制樣設備進行樣品的制備。其布置模型如圖1。

圖1

2 工業(yè)機器人分選工藝流程

用于本系統(tǒng)的工業(yè)機器人分選技術可靈活滿足機械采樣機和人工采樣獲得的留樣進行分選，可依據(jù)礦點、批次、車種、煤種、粒度、水分、熱值等對采取的留樣進行歸批分選以適應制樣設備。其機械采樣和人工采樣留樣歸批、分選、清洗作業(yè)流程如下：

機械采樣歸批作業(yè)流程：機器人隨機調取清洗備用的樣桶→進入皮帶機下方工位→機器人取蓋歸位→樣桶密封→RFID 讀碼裝置識別芯片→煤樣收集→動態(tài)稱重→達到樣桶容量后寫碼→信息上傳服務器→機器人取桶蓋封桶→機器人調取樣桶歸批到滿桶工位。

人工采樣歸批作業(yè)流程：人工將樣桶放入人工稱重工位→稱重→RFID 讀碼裝置識別芯片→樣桶寫碼→信息上傳服務器→機器人調取樣桶歸批到滿桶工位。

機器人分選作業(yè)流程：上級系統(tǒng)指令→機器人進入滿桶工位進行取桶→編碼識別→機器人將樣桶調入自動卸料工位→機器人取蓋歸位→樣桶自動卸料→皮帶輸送機→制樣設備。

樣桶清洗作業(yè)流程：樣桶自動卸料完成→機器人取蓋封桶→機器人將空桶送至空桶傳送機→傳送空桶至清洗區(qū)域→空桶清洗→空桶烘干→送至空桶傳送機→機器人空桶接收位→機器人將空桶歸位。

3 工業(yè)機器人分選技術系統(tǒng)要求及參數(shù)

機器人分選系統(tǒng)能夠實現(xiàn)來自機械采樣機和人工采取的煤樣進行轉運、裝通、稱重、開蓋、封蓋、讀寫碼、存儲、歸批、分選、清洗、烘干等功能，能夠依據(jù)所存煤樣按照礦點、批次、車種、煤種、粒度、水分、熱值信息原則將煤樣進行分選后將煤樣倒入下一級制樣設備進行制樣。

所有裝桶、稱重、開蓋、封蓋、讀寫碼、樣桶存取、樣桶轉運、倒桶等所有工作均由機器人完成。所有樣桶存放在機器人外圍的地面鋼架上并具有定位功能，環(huán)形布置，數(shù)量可依據(jù)使用現(xiàn)場進行定制。樣桶采用不銹鋼304 及以上材質，厚度不小于1.2mm，形狀為圓形，樣桶底部設有RFID 電子芯片，芯片可采用中高頻和超高頻芯片，其工作頻率為：中高頻工作頻率：13.56MHz，支持協(xié)議：ISO14443A；超高頻頻率定為862（902）～928MHz，支持協(xié)議ISO18000-6C，芯片可重復擦寫，讀寫過程中無密碼認證。

上級采樣機留樣皮帶機是連接機械采樣機和機器人分選系統(tǒng)的輸送設備，包括接料斗、卸料斗、桶口密封裝置，均采用不銹鋼304 及以上材質，厚度不小于1mm。樣桶接料時不灑煤、不漏煤，具有灑煤回收裝置，皮帶具有觀察窗口，運行時不跑偏、不粘煤、不堵煤、不揚塵。

在線稱重和人工離線稱重裝置最大稱重不低于50kg，底部電子標簽讀寫碼裝置讀寫成功率為100%。具有空桶出入工位，能將卸料完成的樣桶送入該工位通過傳送機送入空桶清洗區(qū)域進行清洗和烘干，并將烘干完成的空桶回傳至出入工位，由機器人將空桶進行歸位。

工業(yè)機器人可選用ABB、Fanuc、KUKA、等品牌，機器人臂展不小于6m，能夠承載不小于30kg 的樣桶和機械夾具。

工業(yè)機器人分選系統(tǒng)可以與上級采樣系統(tǒng)、管控系統(tǒng)，下級制樣系統(tǒng)等進行連鎖運行也可獨立運行，可與各系統(tǒng)進行信息互傳和共享并上傳至管控中心，可接受上級管控系統(tǒng)的指令運行。工業(yè)機器人分選系統(tǒng)技術參數(shù)如表1。

表1

4 工業(yè)機器人應用特點

具有滿足120kg 負載能力和50kg 附加臂負載能力，最長可滿足3195mm 的工作范圍，對于特殊性極高的要求，也能應對自如。

替代人工轉運；能迅速提高生產效率和產量，減少人工搬運造成的出錯?？扇旌蛱娲斯ぷ鳂I(yè)，節(jié)約大量人力資源成本，以機器換人，達到減員增效。

具有空心軸腕部，用于電氣、氣動管線敷設于內部，節(jié)省空間。修長、輕巧和緊湊的結構形式確保了較小的干擾輪廓和最佳的抓爪能力；底座纖細，安裝面積小，適合在狹窄的空間有效使用；具有無與倫比的功率密度，可以實現(xiàn)更高的動態(tài)性能、更短的作業(yè)周期和更多的產量；全部控制通過觸摸屏，操作簡單。

專為高標準的轉運作業(yè)而設計，結構簡單，易保養(yǎng)，維修成本低；憑借其力量和動能可毫無問題地執(zhí)行多個作業(yè)任務。

5 機器人分選系統(tǒng)應用設計圖

機器人分選系統(tǒng)以機器人為中心，采用發(fā)散式的整體布局方式，可有效依據(jù)現(xiàn)有場地的實際面積或空間進行定制化設計和規(guī)劃。因機器人具有多維度空間的轉運優(yōu)勢，可實現(xiàn)平鋪式、立體空間式或兩者相結合的方式進行布局。系統(tǒng)設計參考規(guī)劃布局如圖2。

圖2

機器人分選系統(tǒng)在燃料智能化項目中整體規(guī)劃參考圖如圖3。

6 應用效果分析

實現(xiàn)了企業(yè)安全、信息、經濟效益三大提升：

在安全管理方面，突破傳統(tǒng)人工轉運，開創(chuàng)了煤炭樣品分選自動化技術，完美呈現(xiàn)人與樣品安全分離；從原始基礎的手工作業(yè)，轉變?yōu)槿悄軝C器人控制作業(yè)，充分展現(xiàn)了人與信息的人性化隔離；科學有效地解決了原料儲存、分選、轉運各環(huán)節(jié)中存在的人為因素。

圖3

在信息管理方面，由分級傳遞管理，提升至管控全覆蓋。形成了實時有效的管理機制，確保了數(shù)據(jù)的精準追溯，規(guī)范了生產管理的過程控制，準確掌握了樣品管理環(huán)節(jié)至關重要的信息，為商業(yè)結算及企業(yè)運營提供可靠依據(jù)。

在經濟效益方面，由人工作業(yè)實現(xiàn)為自動化作業(yè)，降低了企業(yè)管理工作強度，改善了工作環(huán)境，提升了全員工作效率，降低了人工成本；由人工動態(tài)作業(yè)升級至智能機器人標準化作業(yè)，提升了精細化管理，減少了人為參與因素，杜絕了經濟風險，達到了企業(yè)節(jié)能增效的管理要求。

機器人分選系統(tǒng)為燃料智能化項目整體解決方案開辟了新的管理思路，為企業(yè)把控了經營風險，鞏固了安全保障，優(yōu)化了運營成本。

7 結語

機器人在煤炭樣品分選中的應用有效實現(xiàn)了燃料智能化項目全過程的連續(xù)化、自動化、智能化，減輕了勞動強度，提供了工作效率，完全避免了人為誤差和錯誤。

機器人分選目前已形成完整的運行系統(tǒng)，可與上下級系統(tǒng)連鎖運行，也可獨立運行。將可在煤炭、電力、鋼鐵、有色、化工、礦業(yè)等行業(yè)內進行應用，所以既可以作為作業(yè)工具，又可以作為管理工具的機器人分選系統(tǒng)，將會受到市場的歡迎。