上海國(guó)際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

集裝箱扭鎖拆裝是碼頭現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，隨著集裝箱海運(yùn)量的不斷增長(zhǎng)，船舶大型化趨勢(shì)日漸明顯，船舶在港口的單航次裝卸量越來(lái)越大，傳統(tǒng)人工拆裝扭鎖方式阻礙了碼頭作業(yè)效率的提升，發(fā)展應(yīng)用自動(dòng)拆裝扭鎖技術(shù)已成為集裝箱碼頭未來(lái)的發(fā)展方向[1]。

2 自動(dòng)拆裝扭鎖技術(shù)現(xiàn)狀

目前，船用集裝箱扭鎖的使用情況十分復(fù)雜，扭鎖具體構(gòu)造在國(guó)際上沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，集裝箱扭鎖可以大致分為分體式、整體式、半自動(dòng)式和全自動(dòng)式?？紤]到存在一些固定式連接鎖，需要人工拆卸的集裝箱扭鎖至少有6大類共100余種。由于船公司間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，不同船公司的集裝箱扭鎖形式往往不同；由于不同船舶的投產(chǎn)時(shí)間各不相同，以及不同船公司合營(yíng)同一條航線等原因，同一航線不同船舶的集裝箱扭鎖形式也可能不同；甚至對(duì)于同一船舶來(lái)說(shuō)，集裝箱扭鎖耗損后補(bǔ)充的扭鎖未必與原來(lái)的扭鎖相同，從而造成同一船舶上裝有不同形式的集裝箱扭鎖。此外，由于加固要求不同，同一集裝箱不同鎖眼的扭鎖形式也不盡相同。例如，對(duì)于甲板上方雙20 ft集裝箱來(lái)說(shuō)，其外部?jī)山堑呐ゆi與內(nèi)部?jī)山堑倪B接鎖形式完全不同。由此可見(jiàn)，開(kāi)發(fā)可以全兼容的自動(dòng)化扭鎖拆裝裝置的難度極大。

目前，國(guó)外多家公司均設(shè)計(jì)制造出概念自動(dòng)化扭鎖拆裝裝置，并進(jìn)行了一系列工業(yè)試驗(yàn)。其基本原理相似，均采用機(jī)械臂模擬人手旋轉(zhuǎn)扭鎖的下部，通過(guò)連軸帶動(dòng)扭鎖的上部，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)扭鎖拆裝。但是目前的自動(dòng)化扭鎖拆裝技術(shù)尚不成熟，僅適用于70%左右的扭鎖類型。

ZPMC自主研發(fā)的自動(dòng)化扭鎖拆裝裝置可靈活應(yīng)用于自動(dòng)化碼頭、常規(guī)跨運(yùn)車碼頭、常規(guī)集卡碼頭等，具有自動(dòng)化程度高、系統(tǒng)兼容性好、擴(kuò)展功能強(qiáng)大、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可提高扭鎖拆裝作業(yè)過(guò)程中的安全性和作業(yè)效率，降低作業(yè)成本。系統(tǒng)采用柔性化智能機(jī)器人，可匹配多種尺寸型號(hào)的集裝箱，同時(shí)可以根據(jù)扭鎖型號(hào)的不同，自動(dòng)更換夾具，以適應(yīng)不同型號(hào)的扭鎖拆裝，使系統(tǒng)能處理目前市場(chǎng)上90%的扭鎖。機(jī)器人拆裝具有更高的智能性，能夠自行判斷解鎖是否成功，避免了因拆鎖失敗集裝箱被吊走導(dǎo)致的“掛艙”損壞。整體擴(kuò)展功能強(qiáng)大，可與碼頭系統(tǒng)輕松對(duì)接，且產(chǎn)品維護(hù)成本較低(見(jiàn)圖1)。

圖1 ZPMC設(shè)計(jì)的自動(dòng)拆裝扭鎖裝置效果圖

3 洋山深水港四期自動(dòng)拆裝扭鎖技術(shù)改造

當(dāng)前，洋山深水港四期自動(dòng)化岸橋中轉(zhuǎn)平臺(tái)采用人工拆裝扭鎖模式，改造方向?yàn)椋涸谧詣?dòng)化雙小車岸橋的中轉(zhuǎn)平臺(tái)上安裝扭鎖自動(dòng)拆裝系統(tǒng)，使其在目前手工拆鎖充分兼容的情況下，實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)平臺(tái)的扭鎖自動(dòng)化拆裝。在扭鎖拆卸環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)無(wú)人化，節(jié)省人工；在扭鎖安裝環(huán)節(jié)盡可能地減少人工，改善作業(yè)環(huán)境，提高作業(yè)安全性。

綜合分析，可在現(xiàn)有ZPMC技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合洋山深水港四期雙小車岸橋中轉(zhuǎn)平臺(tái)的技術(shù)需求，繼承并擴(kuò)展系統(tǒng)設(shè)備的硬件，包括自動(dòng)拆裝裝置、位置識(shí)別系統(tǒng)、傳送帶、集裝箱擱架、扭鎖框平移裝置、電氣房、換框行車以及控制系統(tǒng)等[2]。

(1)自動(dòng)拆裝裝置。主要負(fù)責(zé)定位和跟蹤目標(biāo)物(集裝箱扭鎖)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拆卸和安裝，主要由夾具、浮動(dòng)裝置和機(jī)器人構(gòu)成。

(2)位置識(shí)別系統(tǒng)。利用圖像識(shí)別技術(shù)確定扭鎖的位置和狀態(tài)，提供相應(yīng)的信號(hào)給機(jī)器人。

(3)傳送帶。實(shí)現(xiàn)扭鎖的水平傳輸。拆鎖環(huán)節(jié)，將機(jī)器人拆卸下的扭鎖輸送至扭鎖框；裝鎖環(huán)節(jié)，將扭鎖傳送到指定位置，以便機(jī)器人順利取鎖。結(jié)構(gòu)主要由扭鎖盒、鏈條和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。

(4)集裝箱擱架。拆鎖和裝鎖環(huán)節(jié)，集裝箱靜止放置于擱架上，因此需要重新制作新的集裝箱擱架，替換目前中轉(zhuǎn)平臺(tái)上已有的臺(tái)座。

(5)扭鎖框平移裝置。通過(guò)對(duì)扭鎖框的前后左右平移，避免傳送帶傳送的扭鎖在框內(nèi)局部堆積。前后方向的移動(dòng)依靠鏈條驅(qū)動(dòng)，左右方向的移動(dòng)依靠電動(dòng)推桿。

(6)電氣房。主要用來(lái)布置系統(tǒng)的控制柜和機(jī)器人的控制柜。

(7)換框行車。采用3 t的單軌電動(dòng)行車，行車軌道懸臂在平臺(tái)海側(cè)面，可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上和地面的扭鎖框互換。為了安全，行車的軌道的懸臂部分，在非工作狀態(tài)可以整體回縮至平臺(tái)范圍內(nèi)。

(8)控制系統(tǒng)。采用西門(mén)子可編程邏輯控制器，主要負(fù)責(zé)岸橋主程序與拆鎖機(jī)器人程序的信息交互。流程為：接受主程序拆裝鎖指令，傳遞開(kāi)關(guān)信號(hào)與位置偏差信號(hào)給機(jī)器人完成拆裝鎖，同時(shí)操控皮帶和扭鎖框等輔助系統(tǒng)協(xié)同工作，并傳遞相關(guān)信號(hào)至主程序，包括具備故障顯示、危險(xiǎn)報(bào)警、功能提示和擴(kuò)展端口等功能，便于工作人員管理。

4 洋山深水港四期自動(dòng)拆裝扭鎖作業(yè)流程設(shè)計(jì)

4.1 卸船環(huán)節(jié)自動(dòng)拆裝扭鎖作業(yè)流程設(shè)計(jì)

(1)集裝箱從船上被起重機(jī)吊裝到中轉(zhuǎn)平臺(tái)的集裝箱擱架上。此過(guò)程需要檢查起重機(jī)主吊具的作業(yè)模式(單20 ft、單40 ft、單45 ft和雙20 ft)，并將相應(yīng)的信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。

(2)位置識(shí)別系統(tǒng)檢測(cè)集裝箱在集裝箱擱架上的位置，并提供位置信號(hào)給控制系統(tǒng)。

(3)控制系統(tǒng)根據(jù)位置信號(hào)和作業(yè)模式信號(hào)控制自動(dòng)拆裝裝置，確定哪幾個(gè)自動(dòng)拆裝裝置需要?jiǎng)幼?，以及各自?duì)應(yīng)的目標(biāo)位置。

(4)自動(dòng)拆裝裝置的機(jī)器人根據(jù)控制系統(tǒng)信號(hào)找到目標(biāo)位置。其中的浮動(dòng)裝置會(huì)彌補(bǔ)各環(huán)節(jié)的誤差，保證夾具順利夾持到目標(biāo)物。夾具在夾持之后會(huì)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行拆卸，完成拆卸之后，機(jī)器人會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的程序?qū)⒛繕?biāo)物放置在傳送帶指定的位置。

(5)傳送帶將目標(biāo)物傳輸至扭鎖框上方，扭鎖在自重的作用下自動(dòng)落入下面的扭鎖框內(nèi)，扭鎖框下面的扭鎖框平移裝置實(shí)時(shí)推動(dòng)扭鎖框水平移動(dòng)，防止扭鎖框的扭鎖局部堆積。

(6)岸橋門(mén)架小車將集裝箱從中轉(zhuǎn)平臺(tái)抓放至水平運(yùn)輸車輛上。同時(shí)，機(jī)器人會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)程序復(fù)位至待機(jī)狀態(tài)，迎接下一個(gè)工作循環(huán)的到來(lái)。

4.2 裝船環(huán)節(jié)自動(dòng)拆裝扭鎖作業(yè)流程設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)進(jìn)入裝船模式，在集裝箱到來(lái)的過(guò)程中，裝鎖工作人員根據(jù)系統(tǒng)界面提示，選擇所需型號(hào)的扭鎖，手動(dòng)將扭鎖安裝至傳送帶上，傳送帶將扭鎖自動(dòng)傳送至對(duì)應(yīng)位置。

(2)自動(dòng)導(dǎo)引車(AGV ，Automated Guided Vehicle)將集裝箱運(yùn)送至岸橋尾部，由門(mén)架小車吊運(yùn)至中轉(zhuǎn)平臺(tái)擱架上。此過(guò)程需要檢查起重機(jī)主吊具的作業(yè)模式(單20 ft、單40 ft、單45 ft和雙20 ft)，并將相應(yīng)的信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。

(3)位置識(shí)別系統(tǒng)檢測(cè)集裝箱在集裝箱擱架上的位置，并提供位置信號(hào)給控制系統(tǒng)。

(4)控制系統(tǒng)根據(jù)位置信號(hào)和作業(yè)模式信號(hào)控制自動(dòng)拆裝裝置，確定哪幾個(gè)自動(dòng)拆裝裝置需要?jiǎng)幼饕约案髯詫?duì)應(yīng)的目標(biāo)位置。

(5)自動(dòng)拆裝裝置的機(jī)器人從傳送帶上取下扭鎖，并根據(jù)控制系統(tǒng)信號(hào)找到目標(biāo)位置，將扭鎖裝入集裝箱箱角。其中的浮動(dòng)裝置會(huì)彌補(bǔ)各環(huán)節(jié)的誤差，保證扭鎖被順利裝至目標(biāo)位置。

(6)集裝箱被主小車吊至船上，完成裝船。同時(shí)，機(jī)器人會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)程序復(fù)位至待機(jī)狀態(tài)，迎接下一個(gè)工作循環(huán)的到來(lái)[3-4]。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前自動(dòng)拆裝扭鎖技術(shù)存在的問(wèn)題，結(jié)合洋山深水港四期自動(dòng)化雙小車岸橋中轉(zhuǎn)平臺(tái)的機(jī)械條件和作業(yè)需求，提出了洋山深水港四期雙小車岸橋中轉(zhuǎn)平臺(tái)自動(dòng)拆裝扭鎖的改造方案，設(shè)計(jì)了自動(dòng)拆裝扭鎖作業(yè)流程，為提高洋山深水港四期自動(dòng)化集裝箱碼頭的自動(dòng)化水平和提升船舶裝卸效率奠定了基礎(chǔ)，對(duì)相關(guān)港口碼頭實(shí)現(xiàn)扭鎖拆裝自動(dòng)化具有指導(dǎo)意義。