正鉤機器人在翻車機的應用

魏春雷 姜海波 陳忠文 馬 強 王海濤

通遼第二發電有限責任公司 上海 201600

0 引言

目前國內的火電廠大多由翻車機系統對敞車進行翻卸，近年來隨著科技的發展，完全自動化是目前各個企業的整改趨勢。在翻車機系統中，牽車、翻車、空車轉移并完成連掛等各個作業流程均已實現自動化，但牽車前的重車摘鉤解列、空車對撞前的復鉤以及翻卸后的歪鉤扶正都需要人工完成，存在可能發生的人身傷害事故隱患。

在翻車機系統運行的過程中，當翻車機旋轉運行，敞車會隨同翻車機進行接近160°的翻轉，在翻轉的過程中，由于重力作用，有一部分敞車的車鉤鉤體會歪斜一定角度，使得后續推車和連掛時車鉤無法對中，車鉤不能準確地與前車對接。發生這種情況就需要人工進行鉤體扶正，但在人工扶正的過程中，翻車機依舊在運行，存在非常大的安全隱患，為了進一步提高翻車機系統的自動化，消除安全隱患，本文對正鉤機器人的設計進行了詳細的描述。

1 背景

1.1 翻車系統

翻車機系統通過機械自動化的方式對不同型號的敞車進行卸煤，其中，翻車機是整個系統中最關鍵的部分。目前的翻車機可分為轉筒式、側卸式、端卸式以及復合式4種，轉筒式又稱C形翻車機，是目前翻車機系統中主流使用的類型。C形翻車機如圖1所示，其工作原理是撥車機拉動敞車，將敞車運送至C形轉子中，然后將敞車進行180°的旋轉，在重力的作用下，敞車中的煤落入至儲煤空間中。

圖1 C形翻車機

1.2 存在的典型問題

火車頭和敞車或敞車與敞車之間通過火車鉤連接，車鉤兩兩相扣，使敞車之間保持了一定的距離。敞車的兩邊都有鏡像方式安裝的車鉤，在運輸過程中路況復雜，車鉤與敞車的連接可在一定的范圍內活動。國內鐵路系統中絕大部分采用自動車鉤，自動車鉤是先將一個車鉤的提桿提起后，再用機車拉開車廂或與另一車車廂鉤碰撞時，能自動完成摘構或掛鉤的動作的車鉤。

由于車鉤相對鉤尾框一定范圍內可左右擺動，在翻車機工作過程中，可擺動的車鉤會由于重力的作用向一側傾斜，在推車或連掛前必須擺正歸位，即正鉤。目前的正鉤方法是在敞車兩端各站一名工人實施人工正鉤。

人工歸位方式存在多種弊端：操作位置危險，人進入軌道線內，容易絆倒；人工操作需借助撬棍進行扶正，勞動強度大；人工操作在系統設備作業間隙中進行，此時翻車機、調車機程序未中斷，易造成卷入和撞傷；火車來煤晝夜不停，工人長時間工作精力不足，夜間工作環境視野差、工作效率降低；翻車機卸煤區域粉塵大，對工人健康產生影響。

1.3 目前發展情況及難點

目前國內外針對翻車機系統正鉤部分機器人的研究還處在接近空白的階段，已有研究大多是針對敞車如何卸煤，隨著翻車機系統的成熟以及科技的發展，現在的重點聚焦于摘鉤、復鉤、正鉤等多個環節更多細節方面的研究。目前國內還沒有正鉤機器人生產制造投入運行的實例，亟需在幾個難點進行突破：

1）將正鉤機器人完美安裝到翻車機系統中 在不影響翻車機正常結構、正常工作流程的情況下將正鉤機器人安裝在翻車機系統中；

2）由于敞車的車型過多，不同車型的車鉤位置也有不同，所以正鉤機器人需要識別出各種敞車的車型，并根據不同車型準確找到車鉤的位置。

3）翻車機作業時周圍的粉塵、水汽大，對于機器人的防塵防水等級需嚴格的要求，防止煤粉顆粒進入到機器人機體內；

4）機器人視覺系統的清潔 由于惡劣的翻車環境，視覺系統的攝像頭易受到污染進而影響正鉤的正常作業，故機器人還需解決攝像頭清潔問題；

5）程序的開發 開發出一套可與翻車機系統配合的程序。

基于上述得這些難點，正鉤機器人項目一直停留在理論的層面，沒有被重點開發，為了實現翻車機系統在自動化的道路上更進一步，本文在正鉤機器人的設計上以及上述難點的攻克上做了詳細的表述。

2 正鉤機器人

基于翻車機系統作業特點和正鉤環節作業流程，研究設計一款正鉤機器人，用于進一步提高翻車機系統的自動化程度。正鉤機器人安裝在翻車機本體結構上，靠車板側縱梁位置，位于車廂出入口端，采用吊掛形式安裝。正鉤機器人可通過直線運動模塊控制作業臂抵近車鉤，通過推動車鉤實現自動正鉤工作。

2.1 正鉤機器人技術方案

正鉤機器人由直線模組模塊、主臂托架、主臂、伸縮臂、擋板、傳感系統、車型識別系統、控制系統等組成。可適應C60，C70，C80以及C90等各種型號敞車的正鉤作業。在翻車機前端適當位置安裝車號識別裝置。敞車經過時識別車號，根據車號判斷出車型進而得到敞車的幾何尺寸。系統計算出敞車進入翻車機定位后車鉤的理論坐標值，直線模塊根據車鉤位置理論值進行移動。直線模塊模組安裝于翻車機結構縱梁下方，其滑塊上安裝主臂托架，主臂安裝于托架上。主臂內部嵌套安裝有推動器和伸縮臂，伸縮臂頭部安裝擋板結構裝置。根據結構需可調整主臂與主臂托架的安裝角度，以保證伸縮臂推出后，伸縮臂頭部的擋板可正對車鉤高度中心。在翻車機的外部安裝有高清攝像頭以進一步確定敞車的具體位置。機器視覺系統識別出車鉤的實際位置，控制直線模組根據實際坐標值進行微調。擋板頭部內嵌觸發板及傳感器，擋板觸及到車鉤側面時，觸發板內壓至止口位置，同時觸發傳感器動作，用于指示擋板抵靠車鉤動作到位完成。此時，機器人發訊至翻車機控制系統，允許翻車機進行翻轉作業。正鉤機器人如圖2所示。

圖2 正鉤機器人

2.1.1 結構特點

此正鉤機器人結構簡單、動作較少，有利于保證在惡劣工況下高可靠性；機器人搭載了高精度伺服控制系統，可保證運動位置準確可控、故障信息易反饋和讀取；機器人同時搭載了傳感系統、機器視覺系統，為實現自動化、智能化運行提供了保障。

2.1.2 非作業位置

非作業時，機器人處于待機位置，如圖3所示，主臂內裝有推桿，擋板頂住車鉤，伸縮臂狀語主臂內。動作1輔臂縮至最短位置，動作2直線模組移動到最右邊。此時，機器人作業裝置輪廓位于車廂安全邊界距離之外，不影響敞車通行出入翻車機。

圖3 正鉤機器人待機位置

2.1.3 正鉤

敞車進入翻車機停穩后，翻車機系統給予正鉤機器人啟動作業信號。正鉤機器人按動作2直線模組移動至車鉤位置，攝像頭及機器視覺軟件系統同步捕獲車鉤位置信息，引導直線運動模塊停止在正對位置。隨后，按動作1輔臂伸長，至傳感器觸發后頂住車鉤。翻車結束后，系統收到翻車機傳來的信號，輔臂收回，直線模組歸位。正鉤機器人作業位置如圖4所示。

圖4 正鉤機器人作業位置

2.1.4 初步設計選型

主臂、輔臂以及主臂托架采用鋁合金材料，既防銹又有質量輕、強度高的特點。同時，以利于保障機器人的快速響應和動作性能。主臂規格120×120×10-2 300；輔臂規格100×100×6-2 155；主臂托架規格275×432×10-336；最大伸出時重合度為300 mm；正鉤機器人作業時受到的載荷約為3 000 N。

如圖5所示，進行數據模型分析，根據分析結果，大小臂初步選型的整體強度和剛度可承受假設載荷，主臂托架初步選型可正常完成正鉤作業。

圖5 輔臂和托架等效應力及位移分析

2.2 正鉤機器人工作流程

正鉤機器人布置在轉子上，對翻卸敞車的車鉤實現正鉤作業，正鉤機器人工作流程如圖6所示。

圖6 正鉤機器工作流程

當敞車進入翻車機之前，車型識別裝置對敞車進行識別，此時智能管控系統對車型識別信息進行處理，根據不同的車型計算出車鉤的理論坐標值，之后對正鉤機器人下達指令，啟動直線模組使正鉤機器人到達理論正鉤位置，接下來機器人視覺系統進行圖像采集確定車鉤實際位置。系統控制直線模組進行微調，正鉤機器人進行正鉤動作，機械臂觸碰到車鉤后翻車機進行翻車作業，待翻車完成后，正鉤臂縮回，直線模組復位，此過程正鉤機器人實現了與翻車機以及機器人控制系統安全聯動。

2.3 正鉤機器人控制系統

正鉤機器人的控制系統分手動控制和自動控制2部分。手動控制系統是為了現場精確調試，故障手動退出，場內測試實驗等而安裝的控制系統。當機器人因為外界因素影響，或程序異常，自動操作系統故障等問題出現的時候，工作人員可通過遙控器進行手動推出復位，從而不影響翻車作業的正常運轉。自動控制系統是在進行全面調試階段，正式投入運行階段機器人所使用的系統，當投入自動系統時，正鉤機器人會根據程序指令做出相應的動作與翻車機系統精準配合進行正鉤作業。

2.4 供電系統

此正鉤機器人工作電壓為220 V，通過拖鏈系統，將電源引至正鉤機器人處，正鉤機器人供電系統還配備調試線，接線盒，穿線管，供電支架等裝置，安全可靠的供電系統保證了正鉤機器人正常運行。

2.5 安全防護系統完善

正鉤機器人作為翻車機作業線全自動無人值守系統重要的部分，與翻車機系統安全聯鎖，實現了車廂車鉤智能檢測與全自動自主運行。其作業過程、狀態監測、正鉤結果判定等信息在翻車機控制室監控畫面實時顯示，控制室操作臺設有機器人投用、停機等按鈕功能。正鉤機器人可實現全面安全防護下的機器代人正鉤作業。

正鉤機器人機體使用質量輕強度高的鋁合金制成，重要器件部分放置在特殊結構中，具有較高的防塵防水等級，此結構既可防止翻車作業中粉塵的進入，也可防止液體的進入。

3 日常維護及保養

正鉤機器人在翻車機系統中工作環境極其惡劣，故對于正鉤機器人的維護保養是非常必要的。由于周圍環境粉塵過多，需定時對攝像頭進行清潔；電動機軸承等部件要定期注滿潤滑油，潤滑油要根據機器人的運行環境采用不同的潤滑油；因為翻車機系統在作業過程中會產生強烈的震動，故要對機器人的各個緊固件進行定期檢查。

4 在工程應用及注意的問題

正鉤機器人系統已經完成試驗平臺的模擬測試，可精準地在翻車前將車鉤進行固定，具有良好的穩定性。根據設計的此種工作原理，在場內進行了連續一周共1 000次的正鉤測試，在工廠內接近正常翻車作業的情況下，正鉤機器人的工作成功率達到了100%，經過場內測試實驗，在工廠環境中正鉤機器人從正鉤動作開始到正鉤動作結束整個動作流程平均用時10 s，根據實驗的效果，正鉤機器人無論在空間上還是在時間上，對整個翻車機作業效率的影響非常小。此次測試的過程中，還包括推桿力的檢測，推桿使用次數的估算，攝像頭清晰度的保證工作以及與翻車機系統的配合程度。通過測試，推桿的推力完全達到了理想正鉤作業的效果，并可達到約20 a的使用壽命。對于攝像頭的清晰程度方面，設置了自動清洗裝置，目前具有良好的效果。

當前該正鉤機器人即將安裝在某電廠正式投入使用，預期在實際工作情況下正鉤的成功率可達到99%或以上，將獲得較好的效果。

機器人系統的成功、可靠應用需要良好的設計、優質的配置、先進的算法、充分的調試以及必要的維護。在翻車機附近尤其是在正鉤機器人待機位置，煤粉濃度、濕度指標極高，煤粉顆粒、水汽等會進入到機器人設備中，對機械設備造成嚴重損害。在正鉤機器人的設計中需采用IP65的防塵防水等級，將煤粉水汽等對機器人本體的影響降到最小。同時，正鉤機器人安裝于翻車機本體上，受翻車機車廂振動、旋轉影響，加上車鉤重達數百公斤，作業載荷較大。機器人投用后，應建立機器人日常檢查規范，以保證正鉤機器人可以安全、可靠的運行。

5 結語

在翻車機系統投入正鉤機器人代替人工實現了正鉤作業，消除了人工正鉤安全隱患，進一步提高了翻車機系統的自動化程度，推動了人工智能技術在燃煤電廠的應用，切實提高了電廠安全生產水平。