神東錦界礦智能機器人采制樣系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

王波浪，秦 磊

(1.國能神東檢測公司，陜西 榆林 719315；2.上海方酋機器人有限公司，上海 201111)

1 概 述

煤炭是一種由不同粒度及不同化學成分組成的礦物質(zhì)和有機質(zhì)構(gòu)成的散狀物料，其有機質(zhì)和礦物質(zhì)分布不均。采樣是通過某種方法從大量物料中抽取能代表全樣性質(zhì)的樣品。因為煤樣的不均勻性，所以采樣必須具有代表性，才能通過樣品了解全樣的性質(zhì)。統(tǒng)計表明：在煤質(zhì)檢驗的整個環(huán)節(jié)，采樣誤差占80%，制樣誤差占16%，化驗誤差占4%。因此采樣對煤炭質(zhì)量的檢驗至關(guān)重要。

煤炭人工采樣會受到外界多種因素的影響，導(dǎo)致所采煤樣代表性有限，檢測結(jié)果可能會出現(xiàn)一定偏差。近年來，隨著煤炭市場商品化進程的加速，越來越多的煤礦開始采用機械化采樣。機械采樣機可以彌補人工采樣存在的諸多不足，為所采煤樣的準確性提供了有效保證。

目前，煤炭采樣方法分人工采樣和機械化采樣2種。人工采樣容易受樣品粒度、人員素質(zhì)、工具規(guī)格、環(huán)境位置的局限，造成所采煤樣的代表性差。相對而言，機械化采樣能夠適應(yīng)絕大部分工作要求，且能有效降低工人的勞動強度及人工成本，從管理上最大程度地減少了人為因素帶入的誤差。

煤炭的檢驗需要化驗子樣的灰分、全水分、硫分、發(fā)熱量等指標，這些指標決定煤炭的銷售價格，而用戶依據(jù)化驗結(jié)果確定配煤方案，在煤樣的采制化過程中自動采樣機的性能起著決定性作用。

神東檢測公司錦界煤質(zhì)檢測室目前的商品煤還是人工采樣，存在采樣點數(shù)過少，樣品的代表性、精密度、準確度達不到國家標準要求，勞動強度大，傳統(tǒng)采樣機體積大無法安裝到錦界煤質(zhì)檢測室等問題?；诖?，檢測公司立項新增1套智能機器人采制樣系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，設(shè)計思路為：通過采樣機器人與火車行進方向上的相對位置關(guān)系、采樣作業(yè)與火車移動速度間的匹配度及采樣過程中實現(xiàn)隨機布點的系統(tǒng)，實現(xiàn)智能機器人在運動的火車上自動跟隨隨機采樣。同時做到快速采樣，快速制樣，同車棄樣。

2.1 智能采制樣方案設(shè)計

項目運用大型工業(yè)智能機器人針對現(xiàn)場實際要求進行研究開發(fā)，由大型工業(yè)機器人、采樣臂、光電傳感器、控制器、觸摸屏、嵌入式智能控制軟件、自動制樣系統(tǒng)、車廂識別系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成。核心控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場控制器與后臺主機相結(jié)合的設(shè)計，實現(xiàn)無人值守的自動化控制和人工交互集成的作業(yè)模式。能夠進行自動采樣、制樣、集樣、棄樣等操作，實現(xiàn)智能判斷、動態(tài)采樣，解決現(xiàn)有人工采樣的諸多問題。

智能機械臂能夠在車皮采樣范圍內(nèi)多個自由度自由行進，多軸伺服馬達驅(qū)動控制器，對多自由度機械臂進行精準控制。系統(tǒng)依靠控制器根據(jù)車皮狀態(tài)的輸入信號，對多軸伺服馬達、液壓驅(qū)動器進行控制，驅(qū)動多自由度的四節(jié)機械臂精準移位。運動軌跡由控制器在一定范圍內(nèi)隨機標定，滿足不同外形尺寸車皮的采樣要求。

采樣臂是智能采樣系統(tǒng)的最終執(zhí)行裝置，其作用是由機器人控制其姿態(tài)到達采樣點正確位置，再進行采樣，并把煤樣可靠地夾緊，再由機器人移動至放樣點位置，將煤樣全部卸除干凈，完成1次采樣過程。采樣裝置按照煤炭機械化采樣標準，結(jié)合錦界礦火車裝車現(xiàn)場采樣的實際需求，全部采用合金鋼整體CNC加工制造。

智能傳感器系統(tǒng)是在火車道軌一側(cè)裝配多路光電位移、限位傳感器，可實時采集車皮位置、位移狀態(tài)，作為控制器的輸入信號，精準控制采樣臂行進軌跡，確保采樣臂與行進中的車皮采樣點位置相匹配。

人機交互系統(tǒng)根據(jù)智能采樣操作流程對智能傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行運算，規(guī)劃易于操作界面，實現(xiàn)手動/自動2種狀態(tài)，智能判斷機器人機械臂、火車、制樣設(shè)備各種狀態(tài)，對系統(tǒng)實現(xiàn)柔性控制，并對系統(tǒng)可能的各種故障及時報警處理。

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程

當載煤火車進入采樣區(qū)域后，火車車廂定位系統(tǒng)對移動車廂所有位置進行探測，得到車廂在取樣區(qū)域的平面坐標參數(shù)，并傳遞給主控計算機。主控計算機根據(jù)車廂參數(shù)，自動在車廂區(qū)域內(nèi)生成數(shù)個隨機取樣點。主控計算機控制機械取樣裝置在指定的取樣點取樣，并控制制樣設(shè)備自動完成煤樣的破碎、縮分、集樣和棄樣。

工藝流程：自動識別火車位置→隨機布置采樣點→樣品自動采集→放樣→樣品破碎→樣品縮分→留取樣品→棄樣返還車廂。

系統(tǒng)依靠控制器根據(jù)車皮狀態(tài)的輸入信號，對多軸伺服馬達、采樣器進行控制，驅(qū)動多自由度的多節(jié)機械臂精準移位。運動軌跡由控制器標定，并在一定范圍內(nèi)隨機采樣，滿足不同車皮的外形尺寸要求。

2.2 動態(tài)采樣速度設(shè)計

根據(jù)行業(yè)專業(yè)人士的研究結(jié)果，按照國家標準要求的隨機采樣規(guī)則，對于機車牽引的火車快速裝車系統(tǒng)動態(tài)采樣來說，無論是單點采樣還是多點采樣，采樣機的采樣周期不能大于10 s。本系統(tǒng)設(shè)計采樣速度要求為不大于10 s/點。

2.3 系統(tǒng)核心設(shè)備選型及設(shè)計

2.3.1 機械臂選型

為確保能夠在車皮移動裝車過程中自由、安全、精準、可靠采樣，本項目應(yīng)用成熟工業(yè)機器人及其控制技術(shù)，選用6軸多臂工業(yè)機器人，可在移動車廂內(nèi)任意采樣。機械臂長：5.3 m；有效行程：0～4.5 m；軌跡范圍：三維空間移動。

PLC控制器根據(jù)采集信號及采樣標準進行實時分析，伺服控制器對機器人進行精準移動控制，引導(dǎo)動態(tài)采樣。

工業(yè)機器人由主體、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個基本部分組成。特點如下：

(1)可編程。工業(yè)機器人是柔性制造系統(tǒng)中的重要組成部分。

(2)擬人化。工業(yè)機器人在機械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，由電腦進行控制。

(3)工業(yè)機器技術(shù)涉及的學科相當廣泛，歸納起來是機械學和微電子學相結(jié)合的機電一體化技術(shù)。

機器人伺服系統(tǒng)是指精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)，其控制速度達到5 m/s?？刂破鞲鶕?jù)傳感器信號判斷車型、車長、車廂位置、煤堆高度等多路信號，控制器對機械要到達的位移位置準確地輸出位移指令，達到位置的精確控制和軌跡的準確跟蹤。

2.3.2 鉆探式采樣臂設(shè)計

針對神東錦界礦現(xiàn)場采樣實際情況，采樣臂采用柔性機構(gòu)設(shè)計，在各個方向均有足夠的移動變形空間，結(jié)構(gòu)強度高，便于機器人在移動車廂里高速采樣。

鉆探式采樣臂是智能采樣系統(tǒng)的最終執(zhí)行裝置。其作用是機器人控制其姿態(tài)到達采樣點正確位置，將煤樣采取，再由機器人移動至放樣點位置，采樣臂再將煤樣全部卸至放樣點，其基本參數(shù)見表1。

表1 基本參數(shù)

該采樣臂能夠有效確保裝車系統(tǒng)不停車、連續(xù)采樣，結(jié)構(gòu)上設(shè)過載保護裝置，使用壽命不小于10 000 h。采樣過程保證樣品的潔凈，點與點之間、車與車之間不出現(xiàn)交叉污染。

采樣臂工作流程設(shè)計：起始點(運動起始點)1?根據(jù)車輛狀態(tài)移動采樣臂到指定位置上方2?到達下方采樣點3?采樣4?移動采樣臂到指定位置上方5?回到落樣點放樣6?等待信號重復(fù)循環(huán)(circle)。

運動規(guī)劃(Motion profile)1、2、3、4、5、6線路，對時間、速度進行規(guī)劃，自動實現(xiàn)，由于采用隨機點采樣，2、3點位置不同，機器人控制器幾乎每次采樣路徑都有所不同。

2.3.3 采制樣系統(tǒng)防粘、堵措施設(shè)計

常規(guī)制樣系統(tǒng)的破碎、縮分、集樣設(shè)備易粘、堵現(xiàn)象已成為行業(yè)詬病，經(jīng)常需要人工清理。機器人采制樣系統(tǒng)設(shè)計為“智能判斷、動態(tài)采樣、自動制樣、無人值守”，常見的粘、堵現(xiàn)象一旦發(fā)生，根本就無人來清理，會導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作或嚴重事故發(fā)生。因此，粘、堵絕不能在系統(tǒng)里發(fā)生。系統(tǒng)設(shè)計考慮了以下措施。

(1)樣品接觸環(huán)節(jié)的采樣頭、入料漏斗、破碎機、縮分機、溜槽、集樣器等設(shè)備及裝置，均采用304不銹鋼精密加工，不易粘堵、耐腐蝕。

(2)從物料進入漏斗、破碎機到縮分樣品和出料，設(shè)置了5層特制氣嘴，脈沖噴吹，毫秒級精準控制，氣流小、吹力大，物料在尚未粘結(jié)時即被清理，源頭解決細顆粒積聚，讓粘附物無處藏身。

2.4 采制樣間改造設(shè)計

錦界礦原人工采制樣室位于裝車站一側(cè)，2層鋼結(jié)構(gòu)建筑，長6 m、寬4.5 m、一層層高3.6 m。機器人采樣位置設(shè)在此處較為合適。如將原采制樣室拆除新建，因鐵路邊的建筑影響因素較多，審批時間長，難以確保工期。為此，把充分利用現(xiàn)有建筑改造作為首選方案。在原建筑的基礎(chǔ)上進行改造，對周邊不產(chǎn)生任何影響，可做到工期短、見效快。

將原采制樣間一層改為制樣室，二層采用鋼化玻璃隔斷劃分為2 m寬采樣平臺和2.5 m寬的控制室2個區(qū)域，這樣可滿足新機器人采制樣系統(tǒng)的工作需求。

二層層高2.8 m，斗提機棄料高度不夠，增加1臺可移動螺旋運輸機來轉(zhuǎn)載斗提機出料，工作時螺旋運輸機自動伸出到車廂，完成棄料工作。

立面布置見圖2，平面布置見圖3。

圖2 立面布置

圖3 平面布置

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

該系統(tǒng)2021年5月底安裝調(diào)試完畢，2021年6月3日正式投入使用。系統(tǒng)運行1 a以來，性能穩(wěn)定、正常，各項指標滿足現(xiàn)場采樣要求。

2022年1月，系統(tǒng)經(jīng)第三方專業(yè)鑒定：灰分偏倚0.27%，小于允許最大偏倚0.4%；全水分偏倚0.1%，小于允許最大偏倚0.3%；精密度優(yōu)于預(yù)期要求。

該系統(tǒng)的投入使用，完全替代了過去5人的采樣作業(yè)，有效降低了工人的勞動強度，同時從管理上最大程度地減少了人工采制樣帶入的誤差。

4 結(jié) 語

工業(yè)機器人與柔性采樣臂的智能機器人采制樣系統(tǒng)的實施應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)采樣點數(shù)少，樣品代表性、精密度、準確度達不到國標要求，勞動強度大以及傳統(tǒng)采樣機體積大無法安裝到現(xiàn)有場地等一系列問題。實現(xiàn)了邊裝車邊采樣的技術(shù)突破，提高了生產(chǎn)效率與質(zhì)量準確性。做到了所采煤樣具有代表性、真實性，增強了產(chǎn)品指標的可信度，提高了安全性和智能化水平，實現(xiàn)煤炭企業(yè)采制樣系統(tǒng)的自動化和智能化管理。系統(tǒng)對于提升采制化管理水平，具有十分重要意義。