智能化卸船機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

徐米清

浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司

1 引言

隨著技術(shù)飛速發(fā)展，對于貨物裝卸效率和質(zhì)量有了更高的要求，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成電路技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)卸船機(jī)智能化操作，使操作更加準(zhǔn)確，運(yùn)行效率更高，能夠有效改善操作人員的工作環(huán)境。加強(qiáng)智能化卸船機(jī)技術(shù)的研究對于港口發(fā)展具有重要意義。

2 智能化卸船機(jī)工作流程

抓斗式裝卸船機(jī)目前有手動(dòng)卸船機(jī)、半自動(dòng)卸船機(jī)和全自動(dòng)卸船機(jī)3種。手動(dòng)卸船在貨物的裝卸過程中，由操作人員手動(dòng)控制裝卸機(jī)操作聯(lián)動(dòng)臺(tái)的手柄來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和抓斗開合[1]，對于技術(shù)人員的操作經(jīng)驗(yàn)和專注度要求非常高。半自動(dòng)卸船機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)了貨物抓點(diǎn)和抓斗的開合自動(dòng)化[2]，實(shí)現(xiàn)裝卸船操作中兩個(gè)最為關(guān)鍵步驟的智能化和自動(dòng)化，減少技術(shù)人員的誤操作，提升裝卸船裝卸貨物效率。

全自動(dòng)裝卸船是指整個(gè)貨物的裝卸過程完全由系統(tǒng)自行完成，該方式需要經(jīng)過物料位置定位、行走機(jī)構(gòu)控制、取料控制、抓斗下放距離控制等過程。首先對抓取的貨物位置進(jìn)行定位，同時(shí)采集船艙內(nèi)貨物的物料特性、分布情況等，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，獲取分布在不同區(qū)域貨物三維坐標(biāo)值，控制系統(tǒng)控制抓斗抓取貨物，最后將貨物放置于指定位置。整個(gè)過程需要卸船機(jī)大車行走機(jī)構(gòu)，小車行走機(jī)構(gòu)和抓斗機(jī)構(gòu)共同協(xié)作完成。

3 各關(guān)鍵流程的實(shí)現(xiàn)

3.1 物料位置定位

物料位置定位采用三維成像技術(shù)，采集船艙內(nèi)貨物的物料特性、分布情況等，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，獲取分布在不同區(qū)域貨物三維坐標(biāo)值。假設(shè)掃描步長取d(方向與大車行走相同)，則初始步長d0可表示為[3]：

(1)

式中，h1表示激光掃描儀至船甲板高度；h2表示船艙的深度；θ表示掃描夾角。

3.2 行走機(jī)構(gòu)的控制

本設(shè)計(jì)的抓斗裝卸船主要是用于煤炭、礦石資源的裝卸，這些物料在堆放時(shí)凹凸不平，造成在激光掃描時(shí)，較高區(qū)域會(huì)遮擋其他料堆區(qū)域，導(dǎo)致掃描數(shù)據(jù)不全，無法對全部的物料位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

為解決這個(gè)問題，根據(jù)獲取的當(dāng)前列料堆恢復(fù)率情況動(dòng)態(tài)調(diào)整大車移動(dòng)距離，如果恢復(fù)率較低，說明當(dāng)前行表面起伏較大，起伏的表面遮擋了激光光束，造成部分區(qū)域無法獲取相應(yīng)的距離信息，要提高掃描精度，則需要減小掃描步長，減小大車的移動(dòng)距離；反之過低的掃描步長會(huì)使得整個(gè)過程非常耗時(shí)，則可以增加掃描步長即增加大車移動(dòng)距離來提高掃描效率。經(jīng)過動(dòng)態(tài)調(diào)整得到大車逐步向另一端推進(jìn)每次移動(dòng)的距離，設(shè)為d1,d2,…,dn，在每一個(gè)位置處，小車往復(fù)掃描料堆，大車移動(dòng)到終止端，掃描結(jié)束。

3.3 取料控制

卸載開始大車按照相反方向移動(dòng)，逐步向另一端推進(jìn)，在每一個(gè)有效位置處停下來等待小車往復(fù)取料。待大車移動(dòng)回起始點(diǎn)，第一層剝?nèi)⊥戤?。大車再向終止端移動(dòng)并開始第二層剝?nèi)。敝恋诙觿內(nèi)⊥戤?。再反向進(jìn)行第三層剝?nèi)。钡叫洞戤?，取料控制算法見圖1。

圖1 取料控制算法

3.4 抓斗下放距離控制

在智能化卸船機(jī)的控制過程中，抓斗的抓取控制作業(yè)很大程度上影響著作業(yè)效率。過長的起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩將會(huì)導(dǎo)致抓斗松弛于料堆表面，浪費(fèi)收放繩時(shí)間；過短的起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩將導(dǎo)致抓斗抓料效率過低。抓斗最大效率工作時(shí)，抓斗下放距離應(yīng)為抓斗達(dá)到最大浸入深度時(shí)底端與初始抓斗底端距離差。最大浸入深度受3個(gè)因素影響[4-5]：①抓斗自身重量及形狀特性；②頂部橫梁與料堆頂部間距；③最大取料層深、抓斗盲區(qū)距離。

抓斗下放長度存在一個(gè)極限Z，避免抓斗底部與船體發(fā)生碰撞，此時(shí)抓斗下邊緣到船底距離定義為盲區(qū)距離。無論任何情況下，抓斗下放的長度都被約束到Z以內(nèi)[6]。抓斗所能抓取的料堆為抓斗盲區(qū)距離之上部分。設(shè)初始抓斗底端距離船底高度為Z0，抓斗達(dá)到最大浸入時(shí)抓斗底端距離船底高度為Z1，橫梁與料堆頂部接觸時(shí)抓斗底端距離船底高度為Z2，當(dāng)前層抓取到的目標(biāo)深度為L。因此，纜繩下放長度R為[7]：

R=min(Z0-min(Z1,Z2),Z)

(2)

4 智能化卸船的應(yīng)用效果

4.1 抓取區(qū)域預(yù)處理效果

選擇區(qū)域過程中首先移動(dòng)大車和小車，對整個(gè)料堆進(jìn)行全局掃描，建立初始料堆結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的料堆、不同的數(shù)據(jù)特性，對掃描到的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，從而進(jìn)行料堆表面重建，其中越亮的區(qū)域表示該處料堆越高(見圖2)。按照每一層抓取厚L對料堆重建表面做闕值分割處理，白色區(qū)域是超過第一層深度的料堆分布區(qū)域，即散貨料堆剝?nèi)^(qū)域。圓型標(biāo)記的區(qū)域是超過分層深度的散貨料堆分布區(qū)域。

圖2 剝?nèi)^(qū)域位置分布

4.2 物料抓取效果

散貨料堆對浸入的抓斗存在較大阻力導(dǎo)致抓斗不能完全沉入料堆中，所以抓斗浸入深度與抓斗自重及形狀有關(guān)系。相同浸入深度情況下，表面隆起的地方顯然可以抓到更多的料，從而獲得更高的抓取效率。同時(shí)需要考慮抓斗頂部橫梁的影響，需要根據(jù)橫梁與料堆距離來對抓斗浸入深度進(jìn)行修正。由于頂部配重橫梁的存在，使得抓斗并不能夠完全達(dá)到額定的浸入深度，因此模擬實(shí)際抓取情況如圖3中從左至右第2個(gè)與第4個(gè)抓斗位置所示。第4個(gè)抓斗對應(yīng)的料堆峰值點(diǎn)較高，而第2個(gè)抓斗料堆峰值點(diǎn)較低，但是相同的浸入距離第2個(gè)抓斗卻可以獲得更高的抓取量，因此效率更高。

圖3 目標(biāo)區(qū)域分布

抓斗需要從左到右逐個(gè)位置比較，計(jì)算該位置可以獲得的抓取量，從而選擇最大量所對應(yīng)的地方作為目標(biāo)位置。

4.3 取料點(diǎn)位置輸出效果

取料點(diǎn)需要確定3個(gè)量來定位，橫向、豎向坐標(biāo)以及料堆高度。這3個(gè)量分別對應(yīng)于大車位置、小車位置以及下放纜繩長度。目標(biāo)區(qū)域確定后，輸出根據(jù)網(wǎng)格處理后的坐標(biāo)結(jié)果作為取料點(diǎn)的三維坐標(biāo)值(x,y,z)，其中x為大車的位置，y為小車的位置，z為抓斗的抓取高度。同時(shí)顯示大車、小車和抓斗高度的測量位置和系統(tǒng)的狀態(tài)，便于工作人員辨別卸船機(jī)的整體工作狀態(tài)。

5 結(jié)語

智能化卸船機(jī)降低了貨物卸載對人工的依賴，可提升貨物尤其是散貨卸船的效率和質(zhì)量，應(yīng)該進(jìn)一步研究智能化抓斗卸船機(jī)，突破技術(shù)難關(guān)，推動(dòng)我國海運(yùn)事業(yè)的發(fā)展。