關(guān)于帶式輸送機(jī)防跑偏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

李曉光

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左權(quán)鑫順煤業(yè)有限公司， 山西 晉中 032699）

引言

帶式輸送機(jī)以其獨(dú)特優(yōu)勢在煤礦行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，但在使用過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生跑偏問題，嚴(yán)重制約輸送機(jī)的工作效率[1-2]。為解決帶式輸送機(jī)在工作時(shí)的跑偏問題，很多學(xué)者開展了大量研究工作，并設(shè)計(jì)制造了一些跑偏報(bào)警裝置或糾偏裝置，這些裝置在一定程度上緩解了帶式輸送機(jī)的跑偏問題[3-4]。但這些裝置普遍基于某一種帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)而成，而跑偏問題是受多方面因素影響的，因此這些糾偏裝置很難適應(yīng)所有型號的帶式輸送機(jī)，即當(dāng)前階段的糾偏裝置在使用范圍上存在一定的局限性，使得帶式輸送機(jī)跑偏問題仍未得到徹底解決[5-6]。本文利用先進(jìn)的視覺檢測技術(shù)研究了帶式輸送機(jī)防跑偏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 防跑偏系統(tǒng)基本原理

當(dāng)皮帶出現(xiàn)跑偏問題時(shí)，其與托輥在軸向方向會(huì)出現(xiàn)位置移動(dòng)?；诖隧?xiàng)事實(shí)，本文設(shè)計(jì)的防跑偏系統(tǒng)主要是對托輥與皮帶在軸向方向的相對位置進(jìn)行檢測，通過視覺監(jiān)測系統(tǒng)采集位置數(shù)據(jù)信息，通過該數(shù)據(jù)信息計(jì)算皮帶的偏移量，再將跑偏量傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。控制系統(tǒng)接收到跑偏量數(shù)據(jù)信息后，基于設(shè)定的控制算法計(jì)算得到需要控制的量，輸出一個(gè)控制信號，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成皮帶糾偏動(dòng)作，將皮帶糾正到正確位置。圖1 所示為帶式輸送機(jī)防跑偏系統(tǒng)基本原理圖。

2 防跑偏系統(tǒng)基本構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的帶式輸送機(jī)防跑偏系統(tǒng)主要有三大部分構(gòu)成，分別為在線檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及糾偏系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)皮帶的自動(dòng)糾偏工作，避免由于皮帶跑偏問題影響采煤工作效率。

圖1 帶式輸送機(jī)防跑偏系統(tǒng)基本原理圖

2.1 在線皮帶位置檢測系統(tǒng)

本文研究對象為礦用大型帶式輸送機(jī)，利用先進(jìn)的視覺檢測技術(shù)，對帶式輸送機(jī)皮帶與托輥間的相對位置進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測。輸送機(jī)在正常工作時(shí)，通過高清攝像機(jī)對皮帶邊緣位置進(jìn)行實(shí)時(shí)取像，基于視覺檢測技術(shù)分析皮帶邊緣與托輥邊緣之間的距離，如若兩者之間的間距在系統(tǒng)設(shè)定的合理范圍內(nèi)，則認(rèn)為皮帶沒有發(fā)生跑偏；相反的，若兩者間的距離偏小或偏大，則認(rèn)為皮帶發(fā)生了跑偏，并將跑偏量傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。

具體而言，視覺檢測系統(tǒng)在處理圖像信息時(shí)的步驟可概述如下：首先，對采集到的圖像信息實(shí)施預(yù)處理，主要是去除圖像噪聲，提升圖像質(zhì)量，為后續(xù)分析做好準(zhǔn)備工作；其次，準(zhǔn)確定位圖像信息中的有效區(qū)域，盡可能縮小分析計(jì)算的區(qū)域范圍；最后，在目標(biāo)區(qū)域范圍內(nèi)，提取關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)，計(jì)算皮帶和托輥邊緣間的距離，并與系統(tǒng)設(shè)定值比較分析，得到需要糾偏的具體數(shù)值。該具體數(shù)值作為偏差信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，作為控制的主要依據(jù)。

2.2 皮帶糾偏系統(tǒng)

皮帶糾偏系統(tǒng)由兩個(gè)級別的糾偏機(jī)構(gòu)構(gòu)成，分別稱為A 級機(jī)構(gòu)和B 級機(jī)構(gòu)。A 級糾偏機(jī)構(gòu)為1 套托輥，具備兩自由度調(diào)節(jié)功能，可通過步進(jìn)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)托輥在斜面導(dǎo)軌中上下移動(dòng)，進(jìn)而使得其在水平面內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，另外還可以通過一定的方式使托輥在豎直方向上發(fā)生旋轉(zhuǎn)。因此稱之為兩自由度糾偏，通過該糾偏機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)皮帶位置的有效調(diào)節(jié)。B 級糾偏機(jī)構(gòu)為皮帶張力調(diào)整機(jī)構(gòu)，共有2套，這2 套張力調(diào)整機(jī)構(gòu)分別裝設(shè)在被動(dòng)滾筒兩側(cè)，可以移動(dòng)被動(dòng)滾筒實(shí)現(xiàn)皮帶張力的調(diào)整。帶式輸送機(jī)在工作時(shí)通常遵循跑緊不跑松的規(guī)律，即皮帶容易朝著張力較大的一側(cè)發(fā)生跑偏。本文設(shè)計(jì)的B 級糾偏機(jī)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)被動(dòng)滾筒兩側(cè)的位置實(shí)現(xiàn)皮帶兩側(cè)張力大小的調(diào)節(jié)，保證皮帶在橫向方向的張力平衡，不至于因?yàn)閺埩Σ黄胶舛l(fā)跑偏問題。

在實(shí)際應(yīng)用中，A 級糾偏機(jī)構(gòu)數(shù)量可以結(jié)合具體情況設(shè)置，如果帶式輸送機(jī)傳輸距離較長則需要多設(shè)置幾組糾偏機(jī)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中每兩個(gè)糾偏機(jī)構(gòu)之間的距離為20 m。輸送機(jī)在工作時(shí)如果只是發(fā)生了皮帶的微小偏移，那么通過A 級糾偏機(jī)構(gòu)就能夠快速完成糾偏任務(wù)。如果皮帶的跑偏量較大，則需要啟動(dòng)B 級糾偏機(jī)構(gòu)，通過兩級糾偏能夠快速糾正皮帶跑偏問題。防跑偏系統(tǒng)在工作時(shí)首先會(huì)啟動(dòng)A 級糾偏機(jī)構(gòu)，利用托輥在兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到調(diào)整皮帶位置的目的。如果皮帶跑偏嚴(yán)重，通過A 級糾偏無法完成任務(wù)，就會(huì)啟動(dòng)B 級糾偏機(jī)構(gòu)，通過調(diào)整被動(dòng)滾筒兩側(cè)的位置改變皮帶兩側(cè)的張緊力達(dá)到糾偏的目的。

圖2 所示為礦用大型帶式輸送機(jī)防跑偏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。由A 級糾偏機(jī)構(gòu)和B 級糾偏機(jī)構(gòu)構(gòu)成，A級糾偏機(jī)構(gòu)數(shù)量由傳輸距離決定，B 級糾偏機(jī)構(gòu)裝設(shè)在被動(dòng)滾筒兩側(cè)實(shí)現(xiàn)張力的調(diào)節(jié)進(jìn)而達(dá)到糾偏的目的。本系統(tǒng)通過多級調(diào)節(jié)能夠保證整個(gè)調(diào)節(jié)過程的穩(wěn)定性、可靠性和及時(shí)性。

2.3 控制系統(tǒng)

圖2 帶式輸送機(jī)防跑偏系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由可編程控制器進(jìn)行控制，控制對象為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對其轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間進(jìn)行精準(zhǔn)控制。對于A 級糾偏機(jī)構(gòu)，通過控制電機(jī)進(jìn)而控制托輥的移動(dòng)范圍和角度，實(shí)現(xiàn)A 級糾偏；對于B 級糾偏機(jī)構(gòu)，通過控制電機(jī)，進(jìn)而控制被動(dòng)滾筒兩側(cè)的位置，實(shí)現(xiàn)B 級糾偏。圖3 所示為防跑偏裝置控制系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖。通過視覺檢測技術(shù)，測量得到皮帶邊緣與托輥邊緣間的距離。需要將高清攝像機(jī)拍攝到的高清圖像實(shí)時(shí)輸送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行圖像處理，通過一系列算法，檢測到圖像中皮帶和托輥的邊緣位置并計(jì)算它們之間的距離。將測量結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)定結(jié)果進(jìn)行比較分析，若超過了系統(tǒng)設(shè)定的范圍就會(huì)將偏移量傳輸?shù)竭壿嬁刂破髦凶鳛檩斎肓窟M(jìn)行分析，得到一個(gè)控制量并傳輸?shù)綀?zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)控制量大小系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)決定是否需要啟動(dòng)B 級糾偏機(jī)構(gòu)。如果控制量較小則只需要控制A 級機(jī)構(gòu)電機(jī)，進(jìn)而控制托輥的兩自由度移動(dòng)，如果控制量較大則需要同時(shí)對兩個(gè)級別機(jī)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行控制，使跑偏的皮帶快速回到正確位置。

圖3 防跑偏裝置控制系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)皮帶糾偏過程大致可劃分成為三個(gè)階段，分別為跑偏信號檢測、信號處理、皮帶糾偏。以下分別對這三個(gè)階段進(jìn)行簡要介紹。跑偏信號檢測：在帶式輸送機(jī)處于非工作狀態(tài)時(shí)將皮帶調(diào)整到正確位置，利用高速攝像機(jī)拍攝圖像作為檢測標(biāo)準(zhǔn)。視覺檢測系統(tǒng)檢測皮帶在正常工作時(shí)的位置信息，并與標(biāo)準(zhǔn)位置信息進(jìn)行比較，分析皮帶是否在正確的位置上，并將檢測結(jié)果傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。信號處理：控制系統(tǒng)對傳輸過來的偏移量信號進(jìn)行分析。如果在皮帶縱向方向上連續(xù)200 m 范圍內(nèi)出現(xiàn)了偏移量超過50 mm 的現(xiàn)象，系統(tǒng)判定皮帶出現(xiàn)了小范圍偏移，只需要啟動(dòng)A 級糾偏機(jī)構(gòu)。如果在縱向方向上超過200 m 出現(xiàn)了偏移量超過50 mm 的現(xiàn)象，系統(tǒng)會(huì)判定皮帶出現(xiàn)了較大偏移，需要同時(shí)啟動(dòng)兩級糾偏機(jī)構(gòu)。此外還需要將相關(guān)信息傳輸至上位機(jī)進(jìn)行存儲。皮帶糾偏：基于分析結(jié)果，控制系統(tǒng)會(huì)輸出一個(gè)控制信號驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各項(xiàng)工作，主要是對兩級糾偏機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，最終實(shí)現(xiàn)皮帶位置的調(diào)整，使其回到正確位置，避免出現(xiàn)各類故障問題。上述三個(gè)階段構(gòu)成了一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有嚴(yán)格的先后順序。

3 試驗(yàn)測試結(jié)果分析

為了測試本文研究的防跑偏控制系統(tǒng)的可靠性，對其進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)測試，圖4 所示為試驗(yàn)測試結(jié)果。從圖4 中可以看出，當(dāng)皮帶發(fā)生50 mm 的偏移時(shí)，該皮帶防跑偏系統(tǒng)在5 s 時(shí)間范圍內(nèi)就將皮帶調(diào)整到了正確的位置?？梢姡撓到y(tǒng)能夠完成皮帶糾偏任務(wù)，且具備實(shí)時(shí)性、可靠性特征，將其應(yīng)用到實(shí)際中可有效防止皮帶發(fā)生跑偏問題。

4 結(jié)論

基于視覺檢測技術(shù)設(shè)計(jì)的一套皮帶防跑偏系統(tǒng)，可通過視覺檢測技術(shù)檢測皮帶跑偏量，利用兩級糾偏機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)皮帶位置調(diào)節(jié)，能達(dá)到工程使用中的及時(shí)性和可靠性要求，可對皮帶跑偏現(xiàn)象進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。

圖4 試驗(yàn)測試結(jié)果