正钩机器人在翻车机的应用

时间：2024-07-28

魏春雷姜海波陈忠文马强王海涛

通辽第二发电有限责任公司上海 201600

0 引言

目前国内的火电厂大多由翻车机系统对敞车进行翻卸，近年来随着科技的发展，完全自动化是目前各个企业的整改趋势。在翻车机系统中，牵车、翻车、空车转移并完成连挂等各个作业流程均已实现自动化，但牵车前的重车摘钩解列、空车对撞前的复钩以及翻卸后的歪钩扶正都需要人工完成，存在可能发生的人身伤害事故隐患。

在翻车机系统运行的过程中，当翻车机旋转运行，敞车会随同翻车机进行接近160°的翻转，在翻转的过程中，由于重力作用，有一部分敞车的车钩钩体会歪斜一定角度，使得后续推车和连挂时车钩无法对中，车钩不能准确地与前车对接。发生这种情况就需要人工进行钩体扶正，但在人工扶正的过程中，翻车机依旧在运行，存在非常大的安全隐患，为了进一步提高翻车机系统的自动化，消除安全隐患，本文对正钩机器人的设计进行了详细的描述。

1 背景

1.1 翻车系统

翻车机系统通过机械自动化的方式对不同型号的敞车进行卸煤，其中，翻车机是整个系统中最关键的部分。目前的翻车机可分为转筒式、侧卸式、端卸式以及复合式4种，转筒式又称C形翻车机，是目前翻车机系统中主流使用的类型。C形翻车机如图1所示，其工作原理是拨车机拉动敞车，将敞车运送至C形转子中，然后将敞车进行180°的旋转，在重力的作用下，敞车中的煤落入至储煤空间中。

图1 C形翻车机

1.2 存在的典型问题

火车头和敞车或敞车与敞车之间通过火车钩连接，车钩两两相扣，使敞车之间保持了一定的距离。敞车的两边都有镜像方式安装的车钩，在运输过程中路况复杂，车钩与敞车的连接可在一定的范围内活动。国内铁路系统中绝大部分采用自动车钩，自动车钩是先将一个车钩的提杆提起后，再用机车拉开车厢或与另一车车厢钩碰撞时，能自动完成摘构或挂钩的动作的车钩。

由于车钩相对钩尾框一定范围内可左右摆动，在翻车机工作过程中，可摆动的车钩会由于重力的作用向一侧倾斜，在推车或连挂前必须摆正归位，即正钩。目前的正钩方法是在敞车两端各站一名工人实施人工正钩。

人工归位方式存在多种弊端：操作位置危险，人进入轨道线内，容易绊倒；人工操作需借助撬棍进行扶正，劳动强度大；人工操作在系统设备作业间隙中进行，此时翻车机、调车机程序未中断，易造成卷入和撞伤；火车来煤昼夜不停，工人长时间工作精力不足，夜间工作环境视野差、工作效率降低；翻车机卸煤区域粉尘大，对工人健康产生影响。

1.3 目前发展情况及难点

目前国内外针对翻车机系统正钩部分机器人的研究还处在接近空白的阶段，已有研究大多是针对敞车如何卸煤，随着翻车机系统的成熟以及科技的发展，现在的重点聚焦于摘钩、复钩、正钩等多个环节更多细节方面的研究。目前国内还没有正钩机器人生产制造投入运行的实例，亟需在几个难点进行突破：

1）将正钩机器人完美安装到翻车机系统中在不影响翻车机正常结构、正常工作流程的情况下将正钩机器人安装在翻车机系统中；

2）由于敞车的车型过多，不同车型的车钩位置也有不同，所以正钩机器人需要识别出各种敞车的车型，并根据不同车型准确找到车钩的位置。

3）翻车机作业时周围的粉尘、水汽大，对于机器人的防尘防水等级需严格的要求，防止煤粉颗粒进入到机器人机体内；

4）机器人视觉系统的清洁由于恶劣的翻车环境，视觉系统的摄像头易受到污染进而影响正钩的正常作业，故机器人还需解决摄像头清洁问题；

5）程序的开发开发出一套可与翻车机系统配合的程序。

基于上述得这些难点，正钩机器人项目一直停留在理论的层面，没有被重点开发，为了实现翻车机系统在自动化的道路上更进一步，本文在正钩机器人的设计上以及上述难点的攻克上做了详细的表述。

2 正钩机器人

基于翻车机系统作业特点和正钩环节作业流程，研究设计一款正钩机器人，用于进一步提高翻车机系统的自动化程度。正钩机器人安装在翻车机本体结构上，靠车板侧纵梁位置，位于车厢出入口端，采用吊挂形式安装。正钩机器人可通过直线运动模块控制作业臂抵近车钩，通过推动车钩实现自动正钩工作。

2.1 正钩机器人技术方案

正钩机器人由直线模组模块、主臂托架、主臂、伸缩臂、挡板、传感系统、车型识别系统、控制系统等组成。可适应C60，C70，C80以及C90等各种型号敞车的正钩作业。在翻车机前端适当位置安装车号识别装置。敞车经过时识别车号，根据车号判断出车型进而得到敞车的几何尺寸。系统计算出敞车进入翻车机定位后车钩的理论坐标值，直线模块根据车钩位置理论值进行移动。直线模块模组安装于翻车机结构纵梁下方，其滑块上安装主臂托架，主臂安装于托架上。主臂内部嵌套安装有推动器和伸缩臂，伸缩臂头部安装挡板结构装置。根据结构需可调整主臂与主臂托架的安装角度，以保证伸缩臂推出后，伸缩臂头部的挡板可正对车钩高度中心。在翻车机的外部安装有高清摄像头以进一步确定敞车的具体位置。机器视觉系统识别出车钩的实际位置，控制直线模组根据实际坐标值进行微调。挡板头部内嵌触发板及传感器，挡板触及到车钩侧面时，触发板内压至止口位置，同时触发传感器动作，用于指示挡板抵靠车钩动作到位完成。此时，机器人发讯至翻车机控制系统，允许翻车机进行翻转作业。正钩机器人如图2所示。

图2 正钩机器人

2.1.1 结构特点

此正钩机器人结构简单、动作较少，有利于保证在恶劣工况下高可靠性；机器人搭载了高精度伺服控制系统，可保证运动位置准确可控、故障信息易反馈和读取；机器人同时搭载了传感系统、机器视觉系统，为实现自动化、智能化运行提供了保障。

2.1.2 非作业位置

非作业时，机器人处于待机位置，如图3所示，主臂内装有推杆，挡板顶住车钩，伸缩臂状语主臂内。动作1辅臂缩至最短位置，动作2直线模组移动到最右边。此时，机器人作业装置轮廓位于车厢安全边界距离之外，不影响敞车通行出入翻车机。

图3 正钩机器人待机位置

2.1.3 正钩

敞车进入翻车机停稳后，翻车机系统给予正钩机器人启动作业信号。正钩机器人按动作2直线模组移动至车钩位置，摄像头及机器视觉软件系统同步捕获车钩位置信息，引导直线运动模块停止在正对位置。随后，按动作1辅臂伸长，至传感器触发后顶住车钩。翻车结束后，系统收到翻车机传来的信号，辅臂收回，直线模组归位。正钩机器人作业位置如图4所示。

图4 正钩机器人作业位置

2.1.4 初步设计选型

主臂、辅臂以及主臂托架采用铝合金材料，既防锈又有质量轻、强度高的特点。同时，以利于保障机器人的快速响应和动作性能。主臂规格120×120×10-2 300；辅臂规格100×100×6-2 155；主臂托架规格275×432×10-336；最大伸出时重合度为300 mm；正钩机器人作业时受到的载荷约为3 000 N。

如图5所示，进行数据模型分析，根据分析结果，大小臂初步选型的整体强度和刚度可承受假设载荷，主臂托架初步选型可正常完成正钩作业。

图5 辅臂和托架等效应力及位移分析

2.2 正钩机器人工作流程

正钩机器人布置在转子上，对翻卸敞车的车钩实现正钩作业，正钩机器人工作流程如图6所示。

图6 正钩机器工作流程

当敞车进入翻车机之前，车型识别装置对敞车进行识别，此时智能管控系统对车型识别信息进行处理，根据不同的车型计算出车钩的理论坐标值，之后对正钩机器人下达指令，启动直线模组使正钩机器人到达理论正钩位置，接下来机器人视觉系统进行图像采集确定车钩实际位置。系统控制直线模组进行微调，正钩机器人进行正钩动作，机械臂触碰到车钩后翻车机进行翻车作业，待翻车完成后，正钩臂缩回，直线模组复位，此过程正钩机器人实现了与翻车机以及机器人控制系统安全联动。

2.3 正钩机器人控制系统

正钩机器人的控制系统分手动控制和自动控制2部分。手动控制系统是为了现场精确调试，故障手动退出，场内测试实验等而安装的控制系统。当机器人因为外界因素影响，或程序异常，自动操作系统故障等问题出现的时候，工作人员可通过遥控器进行手动推出复位，从而不影响翻车作业的正常运转。自动控制系统是在进行全面调试阶段，正式投入运行阶段机器人所使用的系统，当投入自动系统时，正钩机器人会根据程序指令做出相应的动作与翻车机系统精准配合进行正钩作业。

2.4 供电系统

此正钩机器人工作电压为220 V，通过拖链系统，将电源引至正钩机器人处，正钩机器人供电系统还配备调试线，接线盒，穿线管，供电支架等装置，安全可靠的供电系统保证了正钩机器人正常运行。

2.5 安全防护系统完善

正钩机器人作为翻车机作业线全自动无人值守系统重要的部分，与翻车机系统安全联锁，实现了车厢车钩智能检测与全自动自主运行。其作业过程、状态监测、正钩结果判定等信息在翻车机控制室监控画面实时显示，控制室操作台设有机器人投用、停机等按钮功能。正钩机器人可实现全面安全防护下的机器代人正钩作业。

正钩机器人机体使用质量轻强度高的铝合金制成，重要器件部分放置在特殊结构中，具有较高的防尘防水等级，此结构既可防止翻车作业中粉尘的进入，也可防止液体的进入。

3 日常维护及保养

正钩机器人在翻车机系统中工作环境极其恶劣，故对于正钩机器人的维护保养是非常必要的。由于周围环境粉尘过多，需定时对摄像头进行清洁；电动机轴承等部件要定期注满润滑油，润滑油要根据机器人的运行环境采用不同的润滑油；因为翻车机系统在作业过程中会产生强烈的震动，故要对机器人的各个紧固件进行定期检查。

4 在工程应用及注意的问题

正钩机器人系统已经完成试验平台的模拟测试，可精准地在翻车前将车钩进行固定，具有良好的稳定性。根据设计的此种工作原理，在场内进行了连续一周共1 000次的正钩测试，在工厂内接近正常翻车作业的情况下，正钩机器人的工作成功率达到了100%，经过场内测试实验，在工厂环境中正钩机器人从正钩动作开始到正钩动作结束整个动作流程平均用时10 s，根据实验的效果，正钩机器人无论在空间上还是在时间上，对整个翻车机作业效率的影响非常小。此次测试的过程中，还包括推杆力的检测，推杆使用次数的估算，摄像头清晰度的保证工作以及与翻车机系统的配合程度。通过测试，推杆的推力完全达到了理想正钩作业的效果，并可达到约20 a的使用寿命。对于摄像头的清晰程度方面，设置了自动清洗装置，目前具有良好的效果。

当前该正钩机器人即将安装在某电厂正式投入使用，预期在实际工作情况下正钩的成功率可达到99%或以上，将获得较好的效果。

机器人系统的成功、可靠应用需要良好的设计、优质的配置、先进的算法、充分的调试以及必要的维护。在翻车机附近尤其是在正钩机器人待机位置，煤粉浓度、湿度指标极高，煤粉颗粒、水汽等会进入到机器人设备中，对机械设备造成严重损害。在正钩机器人的设计中需采用IP65的防尘防水等级，将煤粉水汽等对机器人本体的影响降到最小。同时，正钩机器人安装于翻车机本体上，受翻车机车厢振动、旋转影响，加上车钩重达数百公斤，作业载荷较大。机器人投用后，应建立机器人日常检查规范，以保证正钩机器人可以安全、可靠的运行。