散糧集裝箱卸箱機的智能化研究

陳 藝，趙瑞營

(鄭州中糧科研設(shè)計院有限公司，河南 鄭州 450053)

目前，我國散糧集裝箱裝卸專業(yè)機械缺乏且智能化水平不高。其中，北方產(chǎn)區(qū)散糧集裝箱發(fā)放設(shè)備陳舊，大多采用皮帶輸送機等方式裝糧；南方銷區(qū)散糧集裝箱接收設(shè)備缺乏，多采用吊車卸在場地后用鏟車再轉(zhuǎn)運，無論產(chǎn)區(qū)還是銷區(qū)，目前都沒有特別合適的散糧集裝箱接卸設(shè)備[1]。散糧集裝箱卸箱機是國內(nèi)近幾年新研發(fā)設(shè)備，其專用性強，效率高，揚塵小，在南方銷區(qū)已經(jīng)開展示范應(yīng)用。但在使用過程中也存在部分問題。在散糧集裝箱卸箱機的安全運行方面，當(dāng)其大車或小車運行時，如若出現(xiàn)操作不當(dāng)或疲勞操作，吊具易與集裝箱拖車或設(shè)備本身的支柱發(fā)生碰撞，發(fā)生安全事故的概率就會大大提高，輕則損壞設(shè)備，重則甚至?xí)斐扇藛T傷亡。在散糧集裝箱卸箱機的卸箱效率方面，操作人員需完成從汽車上用吊具卡住集裝箱從汽車上卸下，卸出箱內(nèi)的糧食，再放回汽車上，再完成脫開吊具等一系列操作。操作人員的注意力在整個散糧集裝箱卸箱機的使用過程中都顯得尤為重要，他們需要全程緊盯作業(yè)過程，全神貫注進行集裝箱定位及抓箱和卸箱作業(yè)，勞動強度高；當(dāng)其大車或小車運行機構(gòu)加減速行駛運動時，由于鋼絲繩是柔性的，吊具產(chǎn)生的類似于單擺的晃動會對操作造成不小的影響。在運行機構(gòu)停止時，該現(xiàn)象更加明顯，并且這種晃動會影響吊具擺放集裝箱的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重影響設(shè)備的工作效率。目前大多數(shù)卸箱機中的吊具操作僅依靠操作人員的經(jīng)驗，過度依賴人為因素，無法適應(yīng)卸箱的高效要求。從保障操作人員、設(shè)備安全和提高設(shè)備卸箱效率角度，都急需提升設(shè)備的智能化。

1 散糧集裝箱卸箱機工作原理

散糧集裝箱卸箱機(見圖1)，包括行車和吊具兩部分，行車兩端設(shè)置有導(dǎo)軌，行車可以沿導(dǎo)軌進行移動；行車上面有兩個小車，小車上設(shè)置有卷揚機，卷揚機與吊具的四角相連接；小車可以沿行車上面的軌道進行移動。卷揚機帶動吊具的四個角可以做升降移動，四個卷揚機可以整體聯(lián)動，也可以兩兩聯(lián)動，四個小車也可以聯(lián)動及點動。集裝箱吊具四個轉(zhuǎn)鎖為電動轉(zhuǎn)鎖，四個轉(zhuǎn)鎖裝置聯(lián)動在一起開關(guān)[2]。

圖1 散糧集裝箱卸箱機示意圖

控制系統(tǒng)：散糧集裝箱卸箱機的控制系統(tǒng)主要控制行車、4個小車、吊具、鎖緊機構(gòu)等，且因集裝箱卸糧作業(yè)的特殊性，在作業(yè)過程中有時需要聯(lián)動，有時需要單動。為方便作業(yè)人員操作，采用地操和遙控兩種型式。

控制系統(tǒng)的功能設(shè)計如下：在散糧集裝箱卸箱機定位集裝箱的過程中，先移動行車的操作按鈕，此時，四個小車處于靜止?fàn)顟B(tài)；待行車基本對位后，四個小車兩兩聯(lián)動，操作按鍵，使小車移動帶動吊具對準(zhǔn)集裝箱；之后將主鉤達到聯(lián)動狀態(tài)，操作升降按鈕，升降吊具；待吊具和集裝箱到位后，操作吊具轉(zhuǎn)鎖按鈕，將吊具轉(zhuǎn)鎖和集裝箱鎖緊；然后將主鉤調(diào)整到單動狀態(tài)，此時可以操作集裝箱非箱門一側(cè)按鈕起升吊具，使集裝箱完成傾斜動作，實現(xiàn)卸箱作業(yè)。系統(tǒng)配置有急停和停止按鈕，以防止出現(xiàn)緊急情況。

散糧集裝箱卸箱機已應(yīng)用于生產(chǎn)實際，作業(yè)現(xiàn)場見圖2,經(jīng)過幾年的實際應(yīng)用，還有許多方面急待完善提升。

圖2 散糧集裝箱卸箱機作業(yè)圖

2 智能化研究

2.1 集裝箱視覺識別與定位技術(shù)

機器替代人工完成特定工作時，需要和人一樣具有一定程度的外界環(huán)境感知能力。其中，人類的感知信息能力，80%是通過視覺獲得。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)以及相應(yīng)識別算法的發(fā)展，機器視覺技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)主要是通過高清攝像機拍攝(模擬人的視覺)，然后通過計算機技術(shù)(模擬人的大腦)，進而實現(xiàn)機器對外界的感知。視覺識別在測量、識別和定位等方面具有得天獨厚的優(yōu)勢，如非接觸無損測量、高精度定位等。因此，將視覺識別和定位技術(shù)引入到集裝箱卸箱機的自動化工作過程中具有獨特優(yōu)勢。

散糧集裝箱卸箱機的視覺識別和定位改造，可以在吊具的四個鎖具上面增加固定式攝像頭，做到識別集裝箱的相對位置，可以采用CCD高清攝像頭。其工作過程為：在吊具運行到集裝箱上方一定位置時，攝像頭按照一定頻率拍攝照片，計算機系統(tǒng)通過識別分析，判斷出集裝箱的4個鎖孔位置，并將定位的像素數(shù)偏差與基準(zhǔn)坐標(biāo)對比，再依據(jù)自身位置和焦距等信息，得出吊具與集裝箱的位置偏移量，將數(shù)據(jù)傳到驅(qū)動系統(tǒng)，為自動抓箱提供定位數(shù)據(jù)。

2.2 吊具自動抓箱和卸箱技術(shù)

設(shè)備控制系統(tǒng)通過任務(wù)指令，給散糧集裝箱卸箱機發(fā)出大車或小車運行指令，使吊具自動運行至集裝箱的上方，定位數(shù)據(jù)的精度應(yīng)可以滿足鎖具及轉(zhuǎn)鎖的對準(zhǔn)精度，該值應(yīng)在±3 mm以內(nèi)。如果依據(jù)定位信息的反饋，超過可抓起箱標(biāo)準(zhǔn)，則系統(tǒng)反饋給計算機再次進行位置的調(diào)節(jié)。具體調(diào)節(jié)過程為：控制系統(tǒng)根據(jù)視覺識別和定位的數(shù)據(jù)，計算出來集裝箱位置數(shù)據(jù)，判斷偏移量是否可以滿足系統(tǒng)的設(shè)定值。如果符合設(shè)定值要求，則給出吊具下落及抓箱的命令。不符合設(shè)定值要求時，控制系統(tǒng)再次根據(jù)偏差，向運動機構(gòu)發(fā)送命令調(diào)整位置，直到偏移量滿足設(shè)定值。在調(diào)整到位后，會進行一次校驗，確保偏移量無誤差，然后進行抓箱及閉鎖作業(yè)，抓箱閉鎖完成后，吊具起升，運行到卸箱工作位置進行卸箱作業(yè)。卸箱作業(yè)后，控制系統(tǒng)控制吊具運行到集裝箱拖車的上方，將吊具與集裝箱拖車進行位置比對，完成卸箱動作[3]。

2.3 吊具防碰撞技術(shù)

運用吊具防碰撞技術(shù)，提高散糧集裝箱卸箱機自動化作業(yè)的安全性。防碰撞系統(tǒng)利用激光傳感器沿小車方向和大車方向?qū)崟r掃描前方或下方的障礙物，結(jié)合實時的小車位置建立周圍輪廓信息，實時將小車前進或起升的速度發(fā)送給控制系統(tǒng)PLC，實現(xiàn)起升方向的軟著陸和小車運行方向上的吊具防撞保護功能，司機無需擔(dān)心吊具和周圍障礙物之間的碰撞[4]。

(1)若空吊具底部(吊具無箱) 或集裝箱底部(吊具有箱)的位置在小車運行方向有障礙物時，防碰撞系統(tǒng)會計算小車運行路徑上的障礙物和吊具或集裝箱的間距，并實時輸出小車運行的速度，保證吊具在距離障礙物到設(shè)定的距離時，小車運行速度將減速。

(2)吊具下降方向的軟著陸功能。當(dāng)?shù)蹙呦陆禃r，防碰撞系統(tǒng)會檢測吊具或所抓箱子底部與下方地面或拖車車板的距離，將起升速度值發(fā)送給控制系統(tǒng)中的PLC，控制起升減速。當(dāng)距離達到設(shè)定的距離時，起升速度將會減速，并一直以此速度下降至下方地面或拖車車面。

2.4 吊具防搖擺技術(shù)

運用吊具防搖擺技術(shù)，提升卸箱機操控的方便性。吊具與起升機構(gòu)的連接為鋼絲繩柔性連接，產(chǎn)生搖擺的主要因素來源于運動慣性。可以通過電氣變頻控制速度的手段進行防搖擺的控制。對集裝箱卸箱機的改造，可在吊具上安裝位置、距離等傳感器和檢測元件，在運動過程中收集吊具的擺動角度、角速度等參數(shù)，將以上參數(shù)傳輸至設(shè)備的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過計算，再反饋到變頻器系統(tǒng)，進而控制小車的運行速度，做到在啟動時緩慢啟動，到達位置前，提前進行減速，實現(xiàn)在到達位置時不搖擺的目的。如果對控制系統(tǒng)的算法進行進一步提升，按照單擺減搖的原理進行策略執(zhí)行，也可以控制吊具的擺動角度，使吊具具備防搖擺的能力[5]。

3 結(jié)語

新型散糧集裝箱卸箱機通過采用集裝箱視覺識別與定位技術(shù)、吊具自動抓箱和卸箱技術(shù)可以提高卸箱效率，減少人為操作的差錯。

吊具防碰撞技術(shù)能有效地防止吊具與設(shè)備立柱或人之間的碰撞，司機無需擔(dān)心吊具與設(shè)備立柱或人之間發(fā)生碰撞，使操作人員能在更簡單更安全的環(huán)境中工作，同時也使工作更高效。

吊具防搖擺技術(shù)能夠控制小車到達終點時運動速度，使其在短時間內(nèi)降低擺動幅度，在卸箱機到達指定位置時，減小吊具相對于小車中心豎直平面內(nèi)的擺動角度，增加對位精準(zhǔn)，進而提高作業(yè)效率，減少人員的操作強度，降低作業(yè)過程中的安全隱患。

總之，通過對散糧集裝箱卸箱機進行集裝箱視覺識別與定位技術(shù)，吊具自動抓箱和卸箱技術(shù)，吊具防碰撞技術(shù)及吊具防搖擺技術(shù)等方面研究，能夠提高散糧集裝箱卸箱效率，有效減少安全事故的發(fā)生。