基于視覺機(jī)器人的球磨機(jī)自動(dòng)加球系統(tǒng)

盧智峰，張友旺

1深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司凡口鉛鋅礦 廣東韶關(guān) 512325

2中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410083

球 磨機(jī)筒體轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，因受到離心力和摩擦力作用，磨球附在筒體襯板上，到達(dá)一定的高度后被拋落，利用磨球動(dòng)能將物料擊碎或磨削成粉末。磨球在使用過程中因磨削而逐步消耗，需要進(jìn)行適量的補(bǔ)球。為保證球磨機(jī)內(nèi)整體球荷的連續(xù)精確，必須進(jìn)行連續(xù)精確化的裝補(bǔ)球[1]。因此，球磨機(jī)自動(dòng)加球技術(shù)得到了廣泛研究，對(duì)該技術(shù)有了以下共識(shí)。

(1)可顯著提高磨礦細(xì)度達(dá)標(biāo)率[2]。

(2)可明顯降低磨礦生產(chǎn)中與充填率關(guān)系密切的能量消耗。充填率過高，驅(qū)動(dòng)功率增大，耗能升高；充填率過小，磨礦效率降低，相應(yīng)的單位磨礦量電耗也升高[3]。對(duì)于人工加球方式，剛加完磨球的一段時(shí)間充填率過高，隨后充填率逐漸變小，最后很難達(dá)到最佳的充填效果[4]，無(wú)法保證球磨機(jī)鋼球充填率的最佳狀態(tài)[5]。

(3)對(duì)其他工藝指標(biāo)的改善也較為明顯，如某鐵礦廠自動(dòng)加球系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分時(shí)均量補(bǔ)加球方式后，其半自磨機(jī)的原礦處理量和磨礦量均得到了明顯提高，球磨機(jī)襯板的延展變形問題得到改善，使用壽命延長(zhǎng)約5.27%[6]。

從礦物的磨削效果、節(jié)能效果和工藝效果等方面分析，實(shí)現(xiàn)磨球的自動(dòng)添加非常必要。自動(dòng)加球系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)球倉(cāng)、獲取機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、輸送提升機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)，有滾筒式、轉(zhuǎn)盤式、輥輪(輥筒)式、帶式、球爪手式和磁吸式等多種工作方式[7-8]。其中，滾筒式、轉(zhuǎn)盤式、輥輪(輥筒)式、帶式、球爪手式加球系統(tǒng)，利用磨球的重力和分球機(jī)構(gòu)(由滾筒、轉(zhuǎn)盤、滾輪、輸送帶和球爪等構(gòu)成)分取磨球，輸送設(shè)備將被分取的磨球送入球磨機(jī)；但磨球表面較為粗糙，會(huì)使球倉(cāng)內(nèi)的磨球互相擠壓而不能克服自身重力下落或被分球機(jī)構(gòu)卡住，造成自動(dòng)加球系統(tǒng)失效。磁吸式加球系統(tǒng)在磨球獲取時(shí)克服了以上問題，但磁鐵吸球個(gè)數(shù)不確定，且磨球運(yùn)輸中會(huì)因磨球間復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生被卡住的現(xiàn)象。

目前，礦山自動(dòng)加球系統(tǒng)普遍采用滾筒和轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的分球機(jī)構(gòu)，堵球和卡球現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，特別是球倉(cāng)中磨球因互相擠壓而堵在漏斗處，甚至形成懸空，即使采用振動(dòng)器也難以處理，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)此類設(shè)備基本被擱置。

為解決上述問題，筆者提出視覺機(jī)器人自動(dòng)加球系統(tǒng)，采用視覺匹配并識(shí)別磨球堆的表層磨球，獲取匹配到的磨球坐標(biāo)，再利用機(jī)械臂將其從球堆表層單個(gè)吸起并逐一連續(xù)輸送，以消除現(xiàn)有自動(dòng)加球系統(tǒng)堵球或卡球而導(dǎo)致系統(tǒng)失效的弊端。

1 視覺機(jī)器人自動(dòng)加球系統(tǒng)介紹

視覺機(jī)器人自動(dòng)加球系統(tǒng)由以相機(jī)為主體的磨球識(shí)別系統(tǒng)、以機(jī)械臂為主體的磨球抓取系統(tǒng)、以行車和電動(dòng)葫蘆為主體的磨球補(bǔ)球系統(tǒng)、以傳送鏈條為主體的磨球輸送系統(tǒng)等組成，如圖1 所示。

圖1 視覺機(jī)器人自動(dòng)加球系統(tǒng)Fig.1 Automatic ball-adding system by visual robot

磨球抓取系統(tǒng)和磨球補(bǔ)球系統(tǒng)利用磁鐵從磨球的上層吸取磨球，避免了利用磨球重力和分球機(jī)構(gòu)的磨球分取技術(shù)所帶來(lái)的磨球卡球或堵球問題。當(dāng)機(jī)械臂抓球倉(cāng)內(nèi)磨球不多時(shí)，磨球補(bǔ)球系統(tǒng)為其補(bǔ)充磨球，以確保機(jī)械臂抓球系統(tǒng)的連續(xù)加球工作。視覺系統(tǒng)通過激光掃描獲取機(jī)械臂抓球倉(cāng)內(nèi)的磨球圖像信息，從中識(shí)別滿足要求的磨球，給出其坐標(biāo)。磨球抓取系統(tǒng)將視覺系統(tǒng)給出坐標(biāo)的磨球抓取，送至磨球輸送系統(tǒng)鏈條帶上方的相應(yīng)位置，由磨球輸送系統(tǒng)輸送到球磨機(jī)的入口，重力使磨球通過引導(dǎo)裝置進(jìn)入球磨機(jī)中。該加球系統(tǒng)是一個(gè)相互銜接、有機(jī)統(tǒng)一體，除將磨球由運(yùn)輸工具卸載到磨球儲(chǔ)倉(cāng)的工作由人工完成外，其他工作都由系統(tǒng)自動(dòng)完成。

2 磨球識(shí)別系統(tǒng)

磨球識(shí)別系統(tǒng)是自動(dòng)加球系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，用于確定機(jī)械臂抓球倉(cāng)內(nèi)的某個(gè)磨球作為被抓取對(duì)象，并將其坐標(biāo)通過以太網(wǎng)傳送給機(jī)械臂抓球系統(tǒng)。本系統(tǒng)的視覺機(jī)器人位于工廠的儲(chǔ)球區(qū)，距離球磨機(jī)較遠(yuǎn)；且礦料進(jìn)入球磨機(jī)前均已濕透，粉塵稀少；同時(shí)相機(jī)鏡頭朝下，粉塵積聚程度甚微。在近一年的應(yīng)用后，相機(jī)未做任何處理仍能正常進(jìn)行圖像識(shí)別，說明利用相機(jī)掃描進(jìn)行磨球識(shí)別的方案是可行的。

考慮自動(dòng)加球系統(tǒng)日夜加球的工作機(jī)制，以及磨球所處環(huán)境的光強(qiáng)度變化對(duì)圖像灰度的影響，系統(tǒng)選用激光振鏡 3D 相機(jī)，輸出 tiff 格式的圖像，以像素點(diǎn)的數(shù)值反映磨球的垂直高度。圖像經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到抓球倉(cāng)內(nèi)磨球的幾何形狀，再利用給定球狀模型進(jìn)行匹配，計(jì)算出抓球倉(cāng)內(nèi)被匹配到的表層磨球的位置坐標(biāo)，機(jī)器人將按此坐標(biāo)進(jìn)行定位并抓取磨球。磨球識(shí)別系統(tǒng)接收到控制系統(tǒng)發(fā)出的掃描命令后，觸發(fā)相機(jī)掃描機(jī)械臂抓球倉(cāng)，獲取機(jī)械臂抓球倉(cāng)內(nèi)的圖像信息，與預(yù)存的單個(gè)磨球圖像匹配模型進(jìn)行匹配，獲取到機(jī)械臂抓球倉(cāng)內(nèi)所有與單個(gè)磨球圖像匹配模型近似的各個(gè)磨球的位置，分析計(jì)算后得出其坐標(biāo)值，再將坐標(biāo)值發(fā)送給機(jī)械臂抓球系統(tǒng)。圖像信息識(shí)別的程序采用 V C++編寫，利用相機(jī)廠家提供的相機(jī) S DK開發(fā)的接口函數(shù)和編制的圖像處理算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)的操控、磨球的識(shí)別和位置的確定。

3 磨球抓取系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)精確提供磨球坐標(biāo)，機(jī)械臂末端準(zhǔn)確定位電永磁鐵位置，電永磁鐵可靠抓取磨球，都是自動(dòng)加球系統(tǒng)的重要保障。磨球抓取系統(tǒng)(見圖2)主要由4 自由度的機(jī)械臂、安裝在機(jī)械臂末端的緩沖裝置和電永磁鐵等部件組成。

圖2 磨球抓取系統(tǒng)Fig.2 Pick-up system of grinding ball

與傳統(tǒng)的電磁技術(shù)相比，電永磁技術(shù)具有節(jié)能、性能穩(wěn)定、可靠、安全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、吸力均勻、吸重比高等諸多優(yōu)點(diǎn)[9]。為減輕機(jī)械臂的負(fù)載又保證足夠的吸力，磨球抓取系統(tǒng)有必要采用電永磁鐵。為保證電永磁鐵具有足夠的吸力，應(yīng)盡可能增大電永磁鐵與磨球之間的接觸面積，因此將電永磁鐵與磨球的接觸面設(shè)計(jì)成球冠狀。機(jī)械臂將電永磁鐵驅(qū)動(dòng)到視覺系統(tǒng)提供的坐標(biāo)位置處時(shí)，電永磁鐵得電激磁，將磨球吸取，將電永磁鐵連同被吸取的磨球驅(qū)動(dòng)到鏈條輸送系統(tǒng)鏈條上方的指定位置處，電永磁鐵失電退磁，將磨球釋放到鏈條輸送機(jī)上。

3.1 緩沖裝置

機(jī)械臂高速運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)沖擊和抖動(dòng)，如果沒有很好的緩沖措施，將影響抓取動(dòng)作的準(zhǔn)確性和速度[10]。在機(jī)器人抓取磨球時(shí)，電永磁鐵在機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)下靠近磨球，磨球鑄造時(shí)保留的澆口突出或z坐標(biāo)定位誤差等原因，可能導(dǎo)致磨球與電永磁鐵發(fā)生撞擊，引起磨球的振動(dòng)移位，使電永磁鐵吸取磨球失敗。因此，在電永磁鐵與機(jī)械臂末端之間設(shè)計(jì)緩沖裝置，如圖3 所示。

圖3 緩沖裝置Fig.3 Buffering device

緩沖裝置允許電永磁鐵到達(dá)磨球位置后繼續(xù)運(yùn)行一段位移，對(duì)磨球形成一定壓力，提高電永磁鐵對(duì)磨球的吸力，從而可靠地抓取磨球。法蘭盤 1 與機(jī)械臂末端用螺釘連接固定；與法蘭盤 2 通過 1 根連接軸、緊定螺釘和 4 個(gè)內(nèi)六角螺釘連接固定為一體；活動(dòng)銷通過螺紋與電永磁鐵固定為一體，且可在滑動(dòng)軸承內(nèi)上下移動(dòng)?；顒?dòng)銷通過彈簧與法蘭盤 1 連接，可以使電永磁鐵與法蘭盤 1 之間實(shí)現(xiàn)彈性運(yùn)動(dòng)。

3.2 磨球的計(jì)量

磨球的添加速度和數(shù)量必須滿足礦漿粒度的控制要求，系統(tǒng)采用磨球計(jì)量裝置(見圖4)，結(jié)合PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)磨球的計(jì)量。該裝置的關(guān)鍵部件為安裝在鏈條輸送機(jī)側(cè)板上的光發(fā)射器和光接收器組成的光電開關(guān)。磨球從機(jī)械臂末端被電永磁鐵釋放后，在重力作用下自由下落，經(jīng)過光發(fā)射器和接收器之間時(shí)，光發(fā)射器的光線被擋住，使接收器集成的光敏開關(guān)在磨球落下的過程中發(fā)出一個(gè)脈沖，利用 PLC的計(jì)數(shù)器對(duì)該脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲得磨球的實(shí)際加球數(shù)量。

4 磨球補(bǔ)球系統(tǒng)

相機(jī)的掃描范圍和機(jī)械臂的工作范圍均有限，不能識(shí)別和抓取稍遠(yuǎn)的磨球，限制了機(jī)械臂抓球倉(cāng)的容積，而球磨機(jī)每天需添加的磨球數(shù)量較大，約為3 000～5 000 kg。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂抓球系統(tǒng)不間斷地工作，保證球磨機(jī)內(nèi)填充率的穩(wěn)定，在機(jī)械臂抓球倉(cāng)內(nèi)的磨球較少或沒有磨球時(shí)，補(bǔ)球系統(tǒng)能自動(dòng)將一定數(shù)量的磨球從磨球儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)吸取并轉(zhuǎn)移到機(jī)械臂抓球倉(cāng)內(nèi)，供機(jī)械臂抓取。

補(bǔ)球系統(tǒng)的工作原理：視覺系統(tǒng)在識(shí)別到機(jī)械臂抓球倉(cāng)內(nèi)磨球的數(shù)量小于一定量時(shí)，發(fā)出指令給補(bǔ)球系統(tǒng)，控制行車運(yùn)行到指定位置；電動(dòng)葫蘆釋放電永磁鐵，使電永磁鐵下落到磨球儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)的磨球上；給電永磁鐵通電激磁，吸取一定數(shù)量的磨球；電動(dòng)葫蘆提升到指定高度，控制行車攜帶電永磁鐵和被吸取的磨球運(yùn)行到補(bǔ)球漏斗上方；將電永磁鐵釋放到補(bǔ)球漏斗上，電永磁鐵失電退磁，被吸取的磨球在重力作用下通過補(bǔ)球漏斗沿溜槽進(jìn)入機(jī)械臂抓球倉(cāng)內(nèi)。溜槽截面在磨球運(yùn)動(dòng)方向上沒有收縮，所以不會(huì)發(fā)生被磨球堵住的情況。

根據(jù)測(cè)得的電動(dòng)葫蘆吊繩張力，判斷電永磁鐵是否落在磨球上，并綜合電動(dòng)葫蘆上升和釋放電永磁鐵的時(shí)間，分析計(jì)算出儲(chǔ)球倉(cāng)內(nèi)磨球堆放的高度。在每次收到補(bǔ)球指令時(shí)，根據(jù)以往補(bǔ)球時(shí)磨球堆放的高度情況，控制電動(dòng)葫蘆攜帶電永磁鐵隨行車運(yùn)動(dòng)到磨球堆放的最高位置，確保磨球儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)不同位置的磨球比較均衡地被吸取和轉(zhuǎn)移。磨球儲(chǔ)倉(cāng)的容積根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以滿足一定時(shí)間的加球需求。

5 磨球輸送系統(tǒng)

磨球輸送系統(tǒng)(鏈條輸送機(jī))中，機(jī)械臂將磨球釋放后，磨球在重力作用下落在鏈條的連接板上，隨電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的鏈條運(yùn)動(dòng)，最終被送至球磨機(jī)的入口，再由磨球引導(dǎo)裝置引入球磨機(jī)。在鏈條上設(shè)計(jì)磨球擋板，一方面可防止磨球在輸送過程中大幅度竄動(dòng)，另一方面可在提升段托舉磨球完成提升動(dòng)作。

6 系統(tǒng)工作流程

6.1 預(yù)備工作

系統(tǒng)工作之前，還需做好如下兩項(xiàng)預(yù)備工作。

(1)根據(jù)日加球量、磨球尺寸和磨球密度，計(jì)算相鄰 2 個(gè)磨球添加的時(shí)間間隔，作為工作循環(huán)的定時(shí)時(shí)間。

式中：t為相鄰 2 個(gè)磨球添加的時(shí)間間隔，s；R為磨球直徑，m；ρ為磨球密度，kg/m3；m為日加球質(zhì)量，kg。

(2)用相機(jī)掃描機(jī)械臂球倉(cāng)內(nèi)的磨球，獲取其圖像。在該圖像中截取某單個(gè)磨球的模型，作為匹配模型，用于磨球的匹配與識(shí)別。

6.2 工作循環(huán)

定時(shí)設(shè)置，到時(shí)間后會(huì)觸發(fā)相機(jī)對(duì)機(jī)械臂球倉(cāng)內(nèi)的磨球進(jìn)行掃描，獲取圖像信息；與匹配模型進(jìn)行運(yùn)算，匹配到幾何特征相近的磨球；計(jì)算成功匹配的磨球中心的像素坐標(biāo)(u，v，z)；通過相機(jī)內(nèi)部標(biāo)定，獲取該像素坐標(biāo)點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(Cx，Cy，Cz)；通過手眼標(biāo)定，獲取該坐標(biāo)點(diǎn)在機(jī)械臂坐標(biāo)系的坐標(biāo)(Rx，Ry，Rz)；將坐標(biāo)發(fā)送給機(jī)械臂控制系統(tǒng)，由機(jī)械臂控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂攜帶電永磁鐵，使其球冠中心運(yùn)動(dòng)到該坐標(biāo)點(diǎn)；發(fā)激磁指令給電永磁鐵以吸取被匹配到的磨球，再由機(jī)械臂攜帶磨球到磨球輸送機(jī)上的確定位置；發(fā)退磁指令給電永磁鐵以釋放磨球到輸送機(jī)上，由磨球輸送機(jī)和相應(yīng)的引導(dǎo)裝置將磨球送入球磨機(jī)，一個(gè)磨球添加完成。等待下一個(gè)定時(shí)，進(jìn)行下一個(gè)磨球的添加，如此循環(huán)工作。

當(dāng)視覺系統(tǒng)識(shí)別到機(jī)械臂球倉(cāng)的磨球數(shù)量少于一定值或?qū)⒈惶砑油陼r(shí)，發(fā)出指令給補(bǔ)球系統(tǒng)，從磨球儲(chǔ)存?zhèn)}內(nèi)吸取一定數(shù)量的磨球?qū)C(jī)械臂球倉(cāng)進(jìn)行補(bǔ)球，避免影響后續(xù)的抓取、輸送工作。

7 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)加球機(jī)堵球或卡球現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了基于視覺機(jī)器人的球磨機(jī)自動(dòng)加球系統(tǒng)。該系統(tǒng)將給定的球狀模型與 3D 相機(jī)掃描圖像信息進(jìn)行匹配，獲取磨球堆表層的磨球坐標(biāo)，攜帶電永磁鐵的機(jī)械臂準(zhǔn)確抓取或釋放磨球，與PLC 相結(jié)合的磨球計(jì)量裝置可準(zhǔn)確獲得實(shí)際加球數(shù)量，補(bǔ)球系統(tǒng)能夠確保連續(xù)加球。

(2)該系統(tǒng)經(jīng)過一定時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，單次成功添加的概率大于 98%；單次沒有成功添加的磨球，第2 次均能成功添加。

(3)系統(tǒng)完成單次添加的時(shí)間約為 12 s ；按 95%磨球單次添加成功，2% 需二次添加成功計(jì)算，對(duì)于直徑為 80 mm 的磨球，日加球量可達(dá) 14.5 t 左右。