正鉤機(jī)器人在翻車(chē)機(jī)的應(yīng)用

魏春雷 姜海波 陳忠文 馬 強(qiáng) 王海濤

通遼第二發(fā)電有限責(zé)任公司 上海 201600

0 引言

目前國(guó)內(nèi)的火電廠大多由翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)對(duì)敞車(chē)進(jìn)行翻卸，近年來(lái)隨著科技的發(fā)展，完全自動(dòng)化是目前各個(gè)企業(yè)的整改趨勢(shì)。在翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)中，牽車(chē)、翻車(chē)、空車(chē)轉(zhuǎn)移并完成連掛等各個(gè)作業(yè)流程均已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但牽車(chē)前的重車(chē)摘鉤解列、空車(chē)對(duì)撞前的復(fù)鉤以及翻卸后的歪鉤扶正都需要人工完成，存在可能發(fā)生的人身傷害事故隱患。

在翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，當(dāng)翻車(chē)機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，敞車(chē)會(huì)隨同翻車(chē)機(jī)進(jìn)行接近160°的翻轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于重力作用，有一部分敞車(chē)的車(chē)鉤鉤體會(huì)歪斜一定角度，使得后續(xù)推車(chē)和連掛時(shí)車(chē)鉤無(wú)法對(duì)中，車(chē)鉤不能準(zhǔn)確地與前車(chē)對(duì)接。發(fā)生這種情況就需要人工進(jìn)行鉤體扶正，但在人工扶正的過(guò)程中，翻車(chē)機(jī)依舊在運(yùn)行，存在非常大的安全隱患，為了進(jìn)一步提高翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化，消除安全隱患，本文對(duì)正鉤機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

1 背景

1.1 翻車(chē)系統(tǒng)

翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)通過(guò)機(jī)械自動(dòng)化的方式對(duì)不同型號(hào)的敞車(chē)進(jìn)行卸煤，其中，翻車(chē)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。目前的翻車(chē)機(jī)可分為轉(zhuǎn)筒式、側(cè)卸式、端卸式以及復(fù)合式4種，轉(zhuǎn)筒式又稱(chēng)C形翻車(chē)機(jī)，是目前翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)中主流使用的類(lèi)型。C形翻車(chē)機(jī)如圖1所示，其工作原理是撥車(chē)機(jī)拉動(dòng)敞車(chē)，將敞車(chē)運(yùn)送至C形轉(zhuǎn)子中，然后將敞車(chē)進(jìn)行180°的旋轉(zhuǎn)，在重力的作用下，敞車(chē)中的煤落入至儲(chǔ)煤空間中。

圖1 C形翻車(chē)機(jī)

1.2 存在的典型問(wèn)題

火車(chē)頭和敞車(chē)或敞車(chē)與敞車(chē)之間通過(guò)火車(chē)鉤連接，車(chē)鉤兩兩相扣，使敞車(chē)之間保持了一定的距離。敞車(chē)的兩邊都有鏡像方式安裝的車(chē)鉤，在運(yùn)輸過(guò)程中路況復(fù)雜，車(chē)鉤與敞車(chē)的連接可在一定的范圍內(nèi)活動(dòng)。國(guó)內(nèi)鐵路系統(tǒng)中絕大部分采用自動(dòng)車(chē)鉤，自動(dòng)車(chē)鉤是先將一個(gè)車(chē)鉤的提桿提起后，再用機(jī)車(chē)?yán)_(kāi)車(chē)廂或與另一車(chē)車(chē)廂鉤碰撞時(shí)，能自動(dòng)完成摘構(gòu)或掛鉤的動(dòng)作的車(chē)鉤。

由于車(chē)鉤相對(duì)鉤尾框一定范圍內(nèi)可左右擺動(dòng)，在翻車(chē)機(jī)工作過(guò)程中，可擺動(dòng)的車(chē)鉤會(huì)由于重力的作用向一側(cè)傾斜，在推車(chē)或連掛前必須擺正歸位，即正鉤。目前的正鉤方法是在敞車(chē)兩端各站一名工人實(shí)施人工正鉤。

人工歸位方式存在多種弊端：操作位置危險(xiǎn)，人進(jìn)入軌道線內(nèi)，容易絆倒；人工操作需借助撬棍進(jìn)行扶正，勞動(dòng)強(qiáng)度大；人工操作在系統(tǒng)設(shè)備作業(yè)間隙中進(jìn)行，此時(shí)翻車(chē)機(jī)、調(diào)車(chē)機(jī)程序未中斷，易造成卷入和撞傷；火車(chē)來(lái)煤晝夜不停，工人長(zhǎng)時(shí)間工作精力不足，夜間工作環(huán)境視野差、工作效率降低；翻車(chē)機(jī)卸煤區(qū)域粉塵大，對(duì)工人健康產(chǎn)生影響。

1.3 目前發(fā)展情況及難點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)正鉤部分機(jī)器人的研究還處在接近空白的階段，已有研究大多是針對(duì)敞車(chē)如何卸煤，隨著翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)的成熟以及科技的發(fā)展，現(xiàn)在的重點(diǎn)聚焦于摘鉤、復(fù)鉤、正鉤等多個(gè)環(huán)節(jié)更多細(xì)節(jié)方面的研究。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有正鉤機(jī)器人生產(chǎn)制造投入運(yùn)行的實(shí)例，亟需在幾個(gè)難點(diǎn)進(jìn)行突破：

1）將正鉤機(jī)器人完美安裝到翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)中 在不影響翻車(chē)機(jī)正常結(jié)構(gòu)、正常工作流程的情況下將正鉤機(jī)器人安裝在翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)中；

2）由于敞車(chē)的車(chē)型過(guò)多，不同車(chē)型的車(chē)鉤位置也有不同，所以正鉤機(jī)器人需要識(shí)別出各種敞車(chē)的車(chē)型，并根據(jù)不同車(chē)型準(zhǔn)確找到車(chē)鉤的位置。

3）翻車(chē)機(jī)作業(yè)時(shí)周?chē)姆蹓m、水汽大，對(duì)于機(jī)器人的防塵防水等級(jí)需嚴(yán)格的要求，防止煤粉顆粒進(jìn)入到機(jī)器人機(jī)體內(nèi)；

4）機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的清潔 由于惡劣的翻車(chē)環(huán)境，視覺(jué)系統(tǒng)的攝像頭易受到污染進(jìn)而影響正鉤的正常作業(yè)，故機(jī)器人還需解決攝像頭清潔問(wèn)題；

5）程序的開(kāi)發(fā) 開(kāi)發(fā)出一套可與翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)配合的程序。

基于上述得這些難點(diǎn)，正鉤機(jī)器人項(xiàng)目一直停留在理論的層面，沒(méi)有被重點(diǎn)開(kāi)發(fā)，為了實(shí)現(xiàn)翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)在自動(dòng)化的道路上更進(jìn)一步，本文在正鉤機(jī)器人的設(shè)計(jì)上以及上述難點(diǎn)的攻克上做了詳細(xì)的表述。

2 正鉤機(jī)器人

基于翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)作業(yè)特點(diǎn)和正鉤環(huán)節(jié)作業(yè)流程，研究設(shè)計(jì)一款正鉤機(jī)器人，用于進(jìn)一步提高翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。正鉤機(jī)器人安裝在翻車(chē)機(jī)本體結(jié)構(gòu)上，靠車(chē)板側(cè)縱梁位置，位于車(chē)廂出入口端，采用吊掛形式安裝。正鉤機(jī)器人可通過(guò)直線運(yùn)動(dòng)模塊控制作業(yè)臂抵近車(chē)鉤，通過(guò)推動(dòng)車(chē)鉤實(shí)現(xiàn)自動(dòng)正鉤工作。

2.1 正鉤機(jī)器人技術(shù)方案

正鉤機(jī)器人由直線模組模塊、主臂托架、主臂、伸縮臂、擋板、傳感系統(tǒng)、車(chē)型識(shí)別系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成?？蛇m應(yīng)C60，C70，C80以及C90等各種型號(hào)敞車(chē)的正鉤作業(yè)。在翻車(chē)機(jī)前端適當(dāng)位置安裝車(chē)號(hào)識(shí)別裝置。敞車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)識(shí)別車(chē)號(hào)，根據(jù)車(chē)號(hào)判斷出車(chē)型進(jìn)而得到敞車(chē)的幾何尺寸。系統(tǒng)計(jì)算出敞車(chē)進(jìn)入翻車(chē)機(jī)定位后車(chē)鉤的理論坐標(biāo)值，直線模塊根據(jù)車(chē)鉤位置理論值進(jìn)行移動(dòng)。直線模塊模組安裝于翻車(chē)機(jī)結(jié)構(gòu)縱梁下方，其滑塊上安裝主臂托架，主臂安裝于托架上。主臂內(nèi)部嵌套安裝有推動(dòng)器和伸縮臂，伸縮臂頭部安裝擋板結(jié)構(gòu)裝置。根據(jù)結(jié)構(gòu)需可調(diào)整主臂與主臂托架的安裝角度，以保證伸縮臂推出后，伸縮臂頭部的擋板可正對(duì)車(chē)鉤高度中心。在翻車(chē)機(jī)的外部安裝有高清攝像頭以進(jìn)一步確定敞車(chē)的具體位置。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別出車(chē)鉤的實(shí)際位置，控制直線模組根據(jù)實(shí)際坐標(biāo)值進(jìn)行微調(diào)。擋板頭部?jī)?nèi)嵌觸發(fā)板及傳感器，擋板觸及到車(chē)鉤側(cè)面時(shí)，觸發(fā)板內(nèi)壓至止口位置，同時(shí)觸發(fā)傳感器動(dòng)作，用于指示擋板抵靠車(chē)鉤動(dòng)作到位完成。此時(shí)，機(jī)器人發(fā)訊至翻車(chē)機(jī)控制系統(tǒng)，允許翻車(chē)機(jī)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)作業(yè)。正鉤機(jī)器人如圖2所示。

圖2 正鉤機(jī)器人

2.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

此正鉤機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作較少，有利于保證在惡劣工況下高可靠性；機(jī)器人搭載了高精度伺服控制系統(tǒng)，可保證運(yùn)動(dòng)位置準(zhǔn)確可控、故障信息易反饋和讀??；機(jī)器人同時(shí)搭載了傳感系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化運(yùn)行提供了保障。

2.1.2 非作業(yè)位置

非作業(yè)時(shí)，機(jī)器人處于待機(jī)位置，如圖3所示，主臂內(nèi)裝有推桿，擋板頂住車(chē)鉤，伸縮臂狀語(yǔ)主臂內(nèi)。動(dòng)作1輔臂縮至最短位置，動(dòng)作2直線模組移動(dòng)到最右邊。此時(shí)，機(jī)器人作業(yè)裝置輪廓位于車(chē)廂安全邊界距離之外，不影響敞車(chē)通行出入翻車(chē)機(jī)。

圖3 正鉤機(jī)器人待機(jī)位置

2.1.3 正鉤

敞車(chē)進(jìn)入翻車(chē)機(jī)停穩(wěn)后，翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)給予正鉤機(jī)器人啟動(dòng)作業(yè)信號(hào)。正鉤機(jī)器人按動(dòng)作2直線模組移動(dòng)至車(chē)鉤位置，攝像頭及機(jī)器視覺(jué)軟件系統(tǒng)同步捕獲車(chē)鉤位置信息，引導(dǎo)直線運(yùn)動(dòng)模塊停止在正對(duì)位置。隨后，按動(dòng)作1輔臂伸長(zhǎng)，至傳感器觸發(fā)后頂住車(chē)鉤。翻車(chē)結(jié)束后，系統(tǒng)收到翻車(chē)機(jī)傳來(lái)的信號(hào)，輔臂收回，直線模組歸位。正鉤機(jī)器人作業(yè)位置如圖4所示。

圖4 正鉤機(jī)器人作業(yè)位置

2.1.4 初步設(shè)計(jì)選型

主臂、輔臂以及主臂托架采用鋁合金材料，既防銹又有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。同時(shí)，以利于保障機(jī)器人的快速響應(yīng)和動(dòng)作性能。主臂規(guī)格120×120×10-2 300；輔臂規(guī)格100×100×6-2 155；主臂托架規(guī)格275×432×10-336；最大伸出時(shí)重合度為300 mm；正鉤機(jī)器人作業(yè)時(shí)受到的載荷約為3 000 N。

如圖5所示，進(jìn)行數(shù)據(jù)模型分析，根據(jù)分析結(jié)果，大小臂初步選型的整體強(qiáng)度和剛度可承受假設(shè)載荷，主臂托架初步選型可正常完成正鉤作業(yè)。

圖5 輔臂和托架等效應(yīng)力及位移分析

2.2 正鉤機(jī)器人工作流程

正鉤機(jī)器人布置在轉(zhuǎn)子上，對(duì)翻卸敞車(chē)的車(chē)鉤實(shí)現(xiàn)正鉤作業(yè)，正鉤機(jī)器人工作流程如圖6所示。

圖6 正鉤機(jī)器工作流程

當(dāng)敞車(chē)進(jìn)入翻車(chē)機(jī)之前，車(chē)型識(shí)別裝置對(duì)敞車(chē)進(jìn)行識(shí)別，此時(shí)智能管控系統(tǒng)對(duì)車(chē)型識(shí)別信息進(jìn)行處理，根據(jù)不同的車(chē)型計(jì)算出車(chē)鉤的理論坐標(biāo)值，之后對(duì)正鉤機(jī)器人下達(dá)指令，啟動(dòng)直線模組使正鉤機(jī)器人到達(dá)理論正鉤位置，接下來(lái)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集確定車(chē)鉤實(shí)際位置。系統(tǒng)控制直線模組進(jìn)行微調(diào)，正鉤機(jī)器人進(jìn)行正鉤動(dòng)作，機(jī)械臂觸碰到車(chē)鉤后翻車(chē)機(jī)進(jìn)行翻車(chē)作業(yè)，待翻車(chē)完成后，正鉤臂縮回，直線模組復(fù)位，此過(guò)程正鉤機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了與翻車(chē)機(jī)以及機(jī)器人控制系統(tǒng)安全聯(lián)動(dòng)。

2.3 正鉤機(jī)器人控制系統(tǒng)

正鉤機(jī)器人的控制系統(tǒng)分手動(dòng)控制和自動(dòng)控制2部分。手動(dòng)控制系統(tǒng)是為了現(xiàn)場(chǎng)精確調(diào)試，故障手動(dòng)退出，場(chǎng)內(nèi)測(cè)試實(shí)驗(yàn)等而安裝的控制系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)器人因?yàn)橥饨缫蛩赜绊?，或程序異常，自?dòng)操作系統(tǒng)故障等問(wèn)題出現(xiàn)的時(shí)候，工作人員可通過(guò)遙控器進(jìn)行手動(dòng)推出復(fù)位，從而不影響翻車(chē)作業(yè)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。自動(dòng)控制系統(tǒng)是在進(jìn)行全面調(diào)試階段，正式投入運(yùn)行階段機(jī)器人所使用的系統(tǒng)，當(dāng)投入自動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，正鉤機(jī)器人會(huì)根據(jù)程序指令做出相應(yīng)的動(dòng)作與翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)精準(zhǔn)配合進(jìn)行正鉤作業(yè)。

2.4 供電系統(tǒng)

此正鉤機(jī)器人工作電壓為220 V，通過(guò)拖鏈系統(tǒng)，將電源引至正鉤機(jī)器人處，正鉤機(jī)器人供電系統(tǒng)還配備調(diào)試線，接線盒，穿線管，供電支架等裝置，安全可靠的供電系統(tǒng)保證了正鉤機(jī)器人正常運(yùn)行。

2.5 安全防護(hù)系統(tǒng)完善

正鉤機(jī)器人作為翻車(chē)機(jī)作業(yè)線全自動(dòng)無(wú)人值守系統(tǒng)重要的部分，與翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)安全聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)了車(chē)廂車(chē)鉤智能檢測(cè)與全自動(dòng)自主運(yùn)行。其作業(yè)過(guò)程、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、正鉤結(jié)果判定等信息在翻車(chē)機(jī)控制室監(jiān)控畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示，控制室操作臺(tái)設(shè)有機(jī)器人投用、停機(jī)等按鈕功能。正鉤機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)全面安全防護(hù)下的機(jī)器代人正鉤作業(yè)。

正鉤機(jī)器人機(jī)體使用質(zhì)量輕強(qiáng)度高的鋁合金制成，重要器件部分放置在特殊結(jié)構(gòu)中，具有較高的防塵防水等級(jí)，此結(jié)構(gòu)既可防止翻車(chē)作業(yè)中粉塵的進(jìn)入，也可防止液體的進(jìn)入。

3 日常維護(hù)及保養(yǎng)

正鉤機(jī)器人在翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)中工作環(huán)境極其惡劣，故對(duì)于正鉤機(jī)器人的維護(hù)保養(yǎng)是非常必要的。由于周?chē)h(huán)境粉塵過(guò)多，需定時(shí)對(duì)攝像頭進(jìn)行清潔；電動(dòng)機(jī)軸承等部件要定期注滿潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油要根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境采用不同的潤(rùn)滑油；因?yàn)榉?chē)機(jī)系統(tǒng)在作業(yè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)，故要對(duì)機(jī)器人的各個(gè)緊固件進(jìn)行定期檢查。

4 在工程應(yīng)用及注意的問(wèn)題

正鉤機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)完成試驗(yàn)平臺(tái)的模擬測(cè)試，可精準(zhǔn)地在翻車(chē)前將車(chē)鉤進(jìn)行固定，具有良好的穩(wěn)定性。根據(jù)設(shè)計(jì)的此種工作原理，在場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行了連續(xù)一周共1 000次的正鉤測(cè)試，在工廠內(nèi)接近正常翻車(chē)作業(yè)的情況下，正鉤機(jī)器人的工作成功率達(dá)到了100%，經(jīng)過(guò)場(chǎng)內(nèi)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，在工廠環(huán)境中正鉤機(jī)器人從正鉤動(dòng)作開(kāi)始到正鉤動(dòng)作結(jié)束整個(gè)動(dòng)作流程平均用時(shí)10 s，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的效果，正鉤機(jī)器人無(wú)論在空間上還是在時(shí)間上，對(duì)整個(gè)翻車(chē)機(jī)作業(yè)效率的影響非常小。此次測(cè)試的過(guò)程中，還包括推桿力的檢測(cè)，推桿使用次數(shù)的估算，攝像頭清晰度的保證工作以及與翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)的配合程度。通過(guò)測(cè)試，推桿的推力完全達(dá)到了理想正鉤作業(yè)的效果，并可達(dá)到約20 a的使用壽命。對(duì)于攝像頭的清晰程度方面，設(shè)置了自動(dòng)清洗裝置，目前具有良好的效果。

當(dāng)前該正鉤機(jī)器人即將安裝在某電廠正式投入使用，預(yù)期在實(shí)際工作情況下正鉤的成功率可達(dá)到99%或以上，將獲得較好的效果。

機(jī)器人系統(tǒng)的成功、可靠應(yīng)用需要良好的設(shè)計(jì)、優(yōu)質(zhì)的配置、先進(jìn)的算法、充分的調(diào)試以及必要的維護(hù)。在翻車(chē)機(jī)附近尤其是在正鉤機(jī)器人待機(jī)位置，煤粉濃度、濕度指標(biāo)極高，煤粉顆粒、水汽等會(huì)進(jìn)入到機(jī)器人設(shè)備中，對(duì)機(jī)械設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害。在正鉤機(jī)器人的設(shè)計(jì)中需采用IP65的防塵防水等級(jí)，將煤粉水汽等對(duì)機(jī)器人本體的影響降到最小。同時(shí)，正鉤機(jī)器人安裝于翻車(chē)機(jī)本體上，受翻車(chē)機(jī)車(chē)廂振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)影響，加上車(chē)鉤重達(dá)數(shù)百公斤，作業(yè)載荷較大。機(jī)器人投用后，應(yīng)建立機(jī)器人日常檢查規(guī)范，以保證正鉤機(jī)器人可以安全、可靠的運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

在翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)投入正鉤機(jī)器人代替人工實(shí)現(xiàn)了正鉤作業(yè)，消除了人工正鉤安全隱患，進(jìn)一步提高了翻車(chē)機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，推動(dòng)了人工智能技術(shù)在燃煤電廠的應(yīng)用，切實(shí)提高了電廠安全生產(chǎn)水平。