粉料自動(dòng)投料裝置的研制

王向榮，王 庫，付海鵬，顧紅超

(中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021)

地浸鈾礦山水冶生產(chǎn)中存在一些需要投加粉料的崗位，如反萃取劑配制崗位需要投加碳酸鈉、碳酸氫鈉，鈾沉淀崗位需要投加氫氧化鈉。目前，這些崗位采用人工投料方式，投料過程包括人工搬運(yùn)料袋、轉(zhuǎn)移、拆包、粉料投放、廢袋收集等，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)環(huán)境差；而且需配備大量操作人員，降低了水冶廠的勞動(dòng)生產(chǎn)率，也增加了運(yùn)行成本。

國內(nèi)其他行業(yè)對(duì)粉料自動(dòng)投料裝置有相關(guān)研究與應(yīng)用報(bào)道。馬杰等研制的粉料氣力自動(dòng)加料裝置由料桶、真空泵、輸送管、料斗機(jī)構(gòu)等組成，可以實(shí)現(xiàn)聚四氟乙烯粉料的自動(dòng)投料[1]。楊凱等研制的粉料配料輸送稱量系統(tǒng)，由解包站、壓送罐、儲(chǔ)倉、緩沖罐、羅茨風(fēng)機(jī)等構(gòu)成，用于粉狀涂料的自動(dòng)計(jì)量與投放[2]。以上裝置都是利用氣力輸送原理實(shí)現(xiàn)粉狀物料的自動(dòng)投放，在一定程度上降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境；但仍需要人工上料或人工拆袋。白俊研制的粉料自控上料裝置由氣力輸送單元、儲(chǔ)料單元、計(jì)量輸送單元以及控制系統(tǒng)組成，同樣利用了氣力輸送原理來實(shí)現(xiàn)聚合物粉料的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和連續(xù)下料;在裝置上料時(shí)，需將拖船運(yùn)來的移動(dòng)儲(chǔ)料罐與裝置的固定儲(chǔ)料罐通過快接頭對(duì)接實(shí)現(xiàn)粉料轉(zhuǎn)移，上料過程也需要人工干預(yù)[3]。

地浸鈾礦山投料環(huán)節(jié)的粉料都是袋裝物料，料袋的拆包環(huán)節(jié)耗費(fèi)了大量的人力，因此研制粉料自動(dòng)投料裝置的重點(diǎn)之一是實(shí)現(xiàn)拆包環(huán)節(jié)的自動(dòng)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)投料過程的自動(dòng)化，為地浸鈾礦山全面實(shí)現(xiàn)無人值守提供保障。

1 粉料自動(dòng)投料裝置研制原則

粉料自動(dòng)投料裝置研制原則包括：1)粉料自動(dòng)投料裝置可實(shí)現(xiàn)25、40、50 kg規(guī)格袋裝物料的識(shí)別、抓取、轉(zhuǎn)移、拆包、粉料輸送和廢袋收集功能；2)實(shí)現(xiàn)就地控制與遠(yuǎn)程控制；3)具有計(jì)數(shù)功能，按照設(shè)定的料袋數(shù)量抓取完成后可以自動(dòng)停機(jī)；4)具有多重安全防護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)操作人員與誤入人員，防止造成傷害；5)各設(shè)備模塊小型化，粉料投料裝置布置緊湊、占地面積小。

2 粉料自動(dòng)投料裝置設(shè)計(jì)方案

2.1 工作流程

叉車將碼放區(qū)的整垛物料轉(zhuǎn)運(yùn)至粉料自動(dòng)投料裝置區(qū)域的特定位置，機(jī)器人從料垛上抓取料袋，運(yùn)行至小型拆包機(jī)刀具處，完成停止前進(jìn)、下放、上提、旋轉(zhuǎn)至廢袋收集桶處、下放廢袋等一系列動(dòng)作后，返回抓取下一袋物料，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。拆包后的粉料經(jīng)管鏈輸送機(jī)運(yùn)送至配制槽。機(jī)器人按照設(shè)定的料袋數(shù)量進(jìn)行抓取料袋，完成后停機(jī)，然后其他單元設(shè)備依次停機(jī)。

2.2 粉料自動(dòng)投料裝置組成

設(shè)計(jì)采用行業(yè)先進(jìn)的3D視覺掃描成像技術(shù)，引導(dǎo)工業(yè)機(jī)器人智能、自主地定位抓取料袋，配合拆包機(jī)、輸送機(jī)、廢袋收集桶等單元設(shè)備完成自動(dòng)投料作業(yè)任務(wù)。

粉料自動(dòng)投料裝置由拆垛模塊、小型拆包機(jī)、輸送模塊、廢袋收集模塊、安全防護(hù)模塊及自動(dòng)控制模塊等組成。

2.2.1 拆垛模塊

在物流倉儲(chǔ)、煙草工業(yè)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域用機(jī)器人進(jìn)行拆垛作業(yè)[4-6]，在機(jī)器人碼垛方面也有大量研究報(bào)道[7-10]。本裝置研究的目的是對(duì)袋裝粉料進(jìn)行拆垛，來料為人工碼好的整垛物料，料袋表面不規(guī)則，與煙箱、鋁板等的拆垛機(jī)器人相比，機(jī)器人本體、機(jī)器人抓手及控制系統(tǒng)等都有很大的不同。

本裝置的拆垛模塊由機(jī)器人本體、機(jī)器人底座、機(jī)器人控制柜、3D視覺識(shí)別系統(tǒng)、機(jī)器人抓手、真空發(fā)生系統(tǒng)等組成。

2.2.1.1 機(jī)器人本體

選用五關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)圖及運(yùn)動(dòng)范圍如圖1所示。

圖1 五關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍

機(jī)器人采用地面安裝方式，手臂負(fù)載180 kg，最大工作半徑3 195 mm，有效工作半徑2 845 mm，重復(fù)定位精度±1 mm。通過計(jì)數(shù)功能完成料袋的定量投放。通過安全空間功能建立安全工作范圍，設(shè)置機(jī)器人禁出空間范圍，保證人機(jī)安全。

2.2.1.2 機(jī)器人抓手

由研制的不銹鋼抓手與真空吸盤組成二合一吸盤抓手，作為機(jī)器人的末端執(zhí)行器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。選用2臺(tái)漩渦式高壓風(fēng)機(jī)串聯(lián)，配合真空吸盤，當(dāng)真空度為-0.05 MPa時(shí)，料袋能被快速穩(wěn)定抓取。

1—真空吸盤；2—不銹鋼抓手。

在抓取物料袋時(shí)，先打開抓手，吸盤下降并吸附料袋后再上升；然后抓手合攏，抱住料袋防止掉落。抓手與吸盤均為氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，吸盤的最大吸附負(fù)載能力約80 kg。

2.2.1.3 3D視覺識(shí)別系統(tǒng)

利用結(jié)構(gòu)光三維成像原理，3D視覺識(shí)別系統(tǒng)可快速對(duì)料袋進(jìn)行三維掃描定位，獲取料袋的3D空間位置數(shù)據(jù)。它由3D相機(jī)、3D控制器、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等組成，3D相機(jī)安裝于機(jī)器人末端，引導(dǎo)機(jī)器人準(zhǔn)確定位并抓取料袋。顯示器可顯示3D成像效果，掃描五花垛時(shí)的成像如圖3所示。

圖3 3D視覺識(shí)別系統(tǒng)五花垛成像圖

3D視覺識(shí)別系統(tǒng)能準(zhǔn)確識(shí)別料垛高度，引導(dǎo)機(jī)器人按照先高后低的順序分層抓取。

2.2.2 小型拆包機(jī)

拆包機(jī)主要通過機(jī)械方式將粉料包裝袋切割開，實(shí)現(xiàn)袋料分離。目前市場上銷售的拆包機(jī)處理量大，自動(dòng)化程度高，人工參與度少，粉塵控制效果好，環(huán)境污染少；但設(shè)備占地面積大，其處理規(guī)模遠(yuǎn)大于鈾水冶生產(chǎn)中粉料投加崗位的需求。因此，根據(jù)鈾水冶生產(chǎn)的實(shí)際需求，利用機(jī)器人動(dòng)作靈活的優(yōu)勢，研制了與機(jī)器人配套應(yīng)用的小型拆包機(jī)，使前后工序設(shè)備處理能力匹配，滿足了鈾水冶廠的特殊需求。

小型拆包機(jī)采用鋸齒狀刀具破袋，并集成了破碎機(jī)構(gòu)，可將200 mm的結(jié)塊物料破碎至6 mm以下，防止結(jié)塊物料堵塞管鏈輸送機(jī)。研制的小型拆包機(jī)長×寬×高為1.0 m×0.7 m×1.75 m，鋸齒狀刀具固定于拆包機(jī)的頂部，電機(jī)帶動(dòng)的兩級(jí)對(duì)輥狀破碎機(jī)構(gòu)位于鋸齒狀刀具的下方。工作時(shí)，料袋在拆包機(jī)上方以自由落體方式落在刀具上，料袋被切割開，沒有結(jié)塊的粉料經(jīng)拆包機(jī)殼體后直接到達(dá)出料口，結(jié)塊的物料經(jīng)破碎機(jī)構(gòu)破碎后到達(dá)出料口。小型拆包機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，操作簡單可靠，可滿足絕大部分工況的生產(chǎn)需要。

2.2.3 輸送模塊

采用體積小、布置靈活的管鏈輸送機(jī)作為粉料輸送設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

粉料經(jīng)管鏈輸送機(jī)進(jìn)料口進(jìn)入密閉管道內(nèi)，在運(yùn)動(dòng)鏈片的帶動(dòng)下沿管道運(yùn)動(dòng)，最后經(jīng)出料口進(jìn)入配制槽，入槽質(zhì)量大于99.6%。管鏈輸送機(jī)屬于容積式輸送設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)物料的輸送和計(jì)量，從進(jìn)料口到出料口均處于封閉狀態(tài)，輸送過程中無粉塵產(chǎn)生。另外，管鏈輸送機(jī)可以三維改變輸送方向，尤其適用于多個(gè)配制槽且不在一條軸線的輸送要求。

2.2.4 廢袋收集模塊

研制的廢袋收集模塊由廢袋收集桶和防掛袋組件組成，防掛袋組件結(jié)構(gòu)簡單，上方為由圓鋼等焊接而成的耙型組件，耙型組件固定于四根角鋼立柱上，立柱通過地腳板固定于地面。廢料收集桶筒體采用PE材料制作，底部設(shè)置腳輪方便人工轉(zhuǎn)運(yùn)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1—防掛袋組件；2—廢袋收集桶。

機(jī)器人末端抓手通過插入廢袋并抱攏的方式，抓取廢袋后轉(zhuǎn)移至廢袋收集桶。抓手打開并上升時(shí)，廢袋有時(shí)不能自動(dòng)脫離抓手，這時(shí)防掛袋組件便可輔助完成抓手與廢袋的分離，使廢袋落入收集桶內(nèi)。

2.2.5 安全防護(hù)模塊

研制的安全防護(hù)模塊由安全圍欄和安全光柵組成，防止設(shè)備在運(yùn)行過程中對(duì)操作人員產(chǎn)生危害。當(dāng)操作人員需要進(jìn)入安全圍欄內(nèi)進(jìn)行更換托盤或轉(zhuǎn)運(yùn)物料等操作時(shí)，在總控制柜上點(diǎn)擊停止按鈕，機(jī)器人及其他設(shè)備即停止動(dòng)作。在安全圍欄進(jìn)口處設(shè)置急停按鈕及光柵，與總控制柜上的停止按鈕組成三重安全防護(hù)，確保人員安全。

2.2.6 自動(dòng)控制模塊

自動(dòng)控制模塊的中央處理單元采用PLC及觸摸屏；PLC通過與觸摸屏連接既可實(shí)現(xiàn)面板控制系統(tǒng)開啟、停止、投料袋數(shù)設(shè)定、運(yùn)行速度調(diào)節(jié)等功能，又可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警原因等內(nèi)部數(shù)據(jù)。PLC與機(jī)器人通訊連接，可以控制機(jī)器人的啟停，同時(shí)在觸摸屏實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人工作狀態(tài)。3D視覺識(shí)別系統(tǒng)與機(jī)器人連接，用于檢測料袋的位置并將相關(guān)信息發(fā)送至機(jī)器人控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)具有多種保護(hù)、報(bào)警功能，可實(shí)現(xiàn)全過程的自動(dòng)控制，可通過光纖將數(shù)據(jù)傳至水冶廠的集中控制室，實(shí)現(xiàn)就地控制與遠(yuǎn)程控制。粉料自動(dòng)投料裝置控制流程如圖6所示。

圖6 粉料自動(dòng)投料裝置控制流程圖

3 粉料自動(dòng)投料裝置運(yùn)行

使用粉料自動(dòng)投料裝置樣機(jī)開展了落料高度、吸取料袋、3D視覺識(shí)別及試運(yùn)行等試驗(yàn)。

3.1 落料高度試驗(yàn)

針對(duì)3種物料袋，進(jìn)行了不同高度的拆袋試驗(yàn)，找出最合適的拆袋高度。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同落料高度的拆包試驗(yàn)結(jié)果

從表1可看出，當(dāng)25、40、50 kg料袋的落料高度分別為300、200、200 mm時(shí)，料袋中粉料的殘留率<0.5%，粉料殘留率較低。

3.2 吸取料袋試驗(yàn)

采用雙漩渦式高壓風(fēng)機(jī)串聯(lián)，配合真空吸盤，開展了25、40、50 kg料袋的吸取試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中吸盤吸取牢固，各規(guī)格料袋均無掉落現(xiàn)象。

3.3 3D視覺識(shí)別試驗(yàn)

開展了單袋、單層和多層料袋的3D視覺識(shí)別試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。圖7(a)為單袋物料的識(shí)別效果，圖7(b)為單層料袋的識(shí)別效果，圖7(c)為多層料袋的識(shí)別效果。試驗(yàn)表明，3D視覺識(shí)別系統(tǒng)對(duì)光線敏感，光線直射時(shí)識(shí)別效率低，甚至無法識(shí)別；采取遮光措施后，達(dá)到了滿意的識(shí)別效果，抓手也可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確抓取。

圖7 各種組合料袋的識(shí)別效果

3.4 粉料自動(dòng)投料裝置試運(yùn)行

粉料自動(dòng)投料裝置布置緊湊，集成各單元設(shè)備后的占地面積約為8.0 m×6.6 m，所需安裝高度約為5 m，設(shè)備布置如圖8所示。

1—總控制柜；2—配制槽；3—管鏈輸送機(jī)；4—小型拆包機(jī)；5—廢袋收集桶；6—防掛袋裝置；7—機(jī)器人；8—機(jī)器人底座槽；9—料袋；10—托盤；11—機(jī)器人控制柜；12—空壓機(jī)；13—安全光柵；14—安全門；15—安全圍欄。

人工使用叉車將物料放至拆垛指定位置，等待抓取。操作機(jī)器人示教器選定程序，將設(shè)備總控制柜就地、遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)至遠(yuǎn)程位置，設(shè)定投料袋數(shù)，點(diǎn)擊初始化和啟動(dòng)按鈕，依次啟動(dòng)管鏈輸送機(jī)、小型拆包機(jī)、機(jī)器人、3D視覺識(shí)別系統(tǒng)。3D視覺識(shí)別系統(tǒng)對(duì)袋裝物料的位置進(jìn)行掃描，機(jī)器人精確抓取袋裝物料到小型拆包機(jī)上方一定位置后，自動(dòng)與吸盤抓手脫離；料袋依靠重力掉落至小型拆包機(jī)的割刀位置，粉料經(jīng)小型拆包機(jī)進(jìn)入管鏈輸送機(jī)；機(jī)器人抓手再次提起料袋并在小型拆包機(jī)上方進(jìn)行抖動(dòng)，以抖落殘留粉料；落料完成后，機(jī)器人將廢袋送入廢袋收集桶。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)有安全防護(hù)欄、安全門，安全門內(nèi)設(shè)有安全光柵，在安全門被打開或安全光柵被遮擋時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止工作。

在粉料自動(dòng)投料裝置的試運(yùn)行試驗(yàn)中，共試驗(yàn)物料80袋，其中：25 kg規(guī)格物料10袋；40 kg規(guī)格物料30袋；50 kg規(guī)格物料40袋。在試驗(yàn)中，重點(diǎn)觀察和記錄料袋的識(shí)別與抓取效果，料袋在轉(zhuǎn)移過程中的穩(wěn)定性，拆包效果，管鏈輸送機(jī)運(yùn)行效果，安全防護(hù)效果，廢袋收集效果，裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的輸送量等。試驗(yàn)結(jié)果表明：研制的粉料自動(dòng)投料裝置可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)對(duì)各規(guī)格料袋的識(shí)別、抓取、轉(zhuǎn)移和拆包等操作，機(jī)器人完成1個(gè)循環(huán)用時(shí)≤40 s，安全光柵靈敏、可靠，探測到有物體或人員闖入防護(hù)圍欄時(shí)，機(jī)器人立刻停止動(dòng)作。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)：管鏈輸送機(jī)噪音較大；在廢袋轉(zhuǎn)移至廢袋收集桶的過程中，廢袋中殘留的粉料有灑落現(xiàn)象，造成一定的粉塵污染；廢袋收集桶沒有設(shè)置便捷的取廢袋裝置，不方便取出廢袋。

4 結(jié)論

研制的粉料自動(dòng)投料裝置可以取代投料崗位的人工操作，實(shí)現(xiàn)袋裝物料的搬運(yùn)、拆包及粉料輸送全過程自動(dòng)運(yùn)行，可為地浸鈾礦山實(shí)現(xiàn)無人值守提供強(qiáng)有力的支撐。

該裝置可遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了人與粉料的完全隔離；機(jī)器人完成1個(gè)循環(huán)用時(shí)≤40 s，投料速度達(dá)2 t/h；吸盤抓手可穩(wěn)定抓取25、40、50 kg的袋裝物料，搬運(yùn)過程中無掉袋現(xiàn)象；廢袋中的粉料殘留率≤0.5%。該裝置存在噪音大、有粉塵、取廢袋不方便等問題，需要進(jìn)一步優(yōu)化和驗(yàn)證。