陳 藝，趙瑞營

(鄭州中糧科研設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)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(yùn)，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(jī)是國內(nèi)近幾年新研發(fā)設(shè)備，其專用性強(qiáng)，效率高，揚(yáng)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(jī)的安全運(yùn)行方面，當(dāng)其大車或小車運(yùn)行時(shí)，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(jī)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(gè)散糧集裝箱卸箱機(jī)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(jìn)行集裝箱定位及抓箱和卸箱作業(yè)，勞動強(qiáng)度高；當(dāng)其大車或小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)加減速行駛運(yùn)動時(shí)，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(yùn)行機(jī)構(gòu)停止時(shí)，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(jī)中的吊具操作僅依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)，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(jī)工作原理

散糧集裝箱卸箱機(jī)(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(jìn)行移動；行車上面有兩個(gè)小車，小車上設(shè)置有卷揚(yáng)機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)與吊具的四角相連接；小車可以沿行車上面的軌道進(jìn)行移動。卷揚(yáng)機(jī)帶動吊具的四個(gè)角可以做升降移動，四個(gè)卷揚(yáng)機(jī)可以整體聯(lián)動，也可以兩兩聯(lián)動，四個(gè)小車也可以聯(lián)動及點(diǎn)動。集裝箱吊具四個(gè)轉(zhuǎn)鎖為電動轉(zhuǎn)鎖，四個(gè)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(jī)示意圖

控制系統(tǒng)：散糧集裝箱卸箱機(jī)的控制系統(tǒng)主要控制行車、4個(gè)小車、吊具、鎖緊機(jī)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(shí)需要聯(lián)動，有時(shí)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(jì)如下：在散糧集裝箱卸箱機(jī)定位集裝箱的過程中，先移動行車的操作按鈕，此時(shí)，四個(gè)小車處于靜止?fàn)顟B(tài)；待行車基本對位后，四個(gè)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(dá)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(shí)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(shí)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(jī)已應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，作業(yè)現(xiàn)場見圖2,經(jīng)過幾年的實(shí)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(jī)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(jī)器替代人工完成特定工作時(shí)，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(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及相應(yīng)識別算法的發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)主要是通過高清攝像機(jī)拍攝(模擬人的視覺)，然后通過計(jì)算機(jī)技術(shù)(模擬人的大腦)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)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(dú)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(jī)的自動化工作過程中具有獨(dú)特優(yōu)勢。

散糧集裝箱卸箱機(jī)的視覺識別和定位改造，可以在吊具的四個(gè)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(yùn)行到集裝箱上方一定位置時(shí)，攝像頭按照一定頻率拍攝照片，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過識別分析，判斷出集裝箱的4個(gè)鎖孔位置，并將定位的像素?cái)?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(jī)發(fā)出大車或小車運(yùn)行指令，使吊具自動運(yùn)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(jì)算機(jī)再次進(jìn)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(jì)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(shí)，控制系統(tǒng)再次根據(jù)偏差，向運(yùn)動機(jī)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(jìn)行一次校驗(yàn)，確保偏移量無誤差，然后進(jìn)行抓箱及閉鎖作業(yè)，抓箱閉鎖完成后，吊具起升，運(yùn)行到卸箱工作位置進(jìn)行卸箱作業(yè)。卸箱作業(yè)后，控制系統(tǒng)控制吊具運(yùn)行到集裝箱拖車的上方，將吊具與集裝箱拖車進(jìn)行位置比對，完成卸箱動作[3]。

2.3 吊具防碰撞技術(shù)

運(yùn)用吊具防碰撞技術(shù)，提高散糧集裝箱卸箱機(jī)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(shí)掃描前方或下方的障礙物，結(jié)合實(shí)時(shí)的小車位置建立周圍輪廓信息，實(shí)時(shí)將小車前進(jìn)或起升的速度發(fā)送給控制系統(tǒng)PLC，實(shí)現(xiàn)起升方向的軟著陸和小車運(yùn)行方向上的吊具防撞保護(hù)功能，司機(jī)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(yùn)行方向有障礙物時(shí)，防碰撞系統(tǒng)會計(jì)算小車運(yùn)行路徑上的障礙物和吊具或集裝箱的間距，并實(shí)時(shí)輸出小車運(yùn)行的速度，保證吊具在距離障礙物到設(shè)定的距離時(shí)，小車運(yùn)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(shí)，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(dá)到設(shè)定的距離時(shí)，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(yùn)用吊具防搖擺技術(shù)，提升卸箱機(jī)操控的方便性。吊具與起升機(jī)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(yùn)動慣性?？梢酝ㄟ^電氣變頻控制速度的手段進(jìn)行防搖擺的控制。對集裝箱卸箱機(jī)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(yùn)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(jì)算，再反饋到變頻器系統(tǒng)，進(jìn)而控制小車的運(yùn)行速度，做到在啟動時(shí)緩慢啟動，到達(dá)位置前，提前進(jìn)行減速，實(shí)現(xiàn)在到達(dá)位置時(shí)不搖擺的目的。如果對控制系統(tǒng)的算法進(jìn)行進(jìn)一步提升，按照單擺減搖的原理進(jìn)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(jī)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(jī)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(shí)也使工作更高效。

吊具防搖擺技術(shù)能夠控制小車到達(dá)終點(diǎn)時(shí)運(yùn)動速度，使其在短時(shí)間內(nèi)降低擺動幅度，在卸箱機(jī)到達(dá)指定位置時(shí)，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(jìn)而提高作業(yè)效率，減少人員的操作強(qiáng)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(jī)進(jìn)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。