基于視覺機器人的球磨機自動加球系統

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 512325

2中南大學機電工程學院 湖南長沙 410083

球 磨機筒體轉動過程中，因受到離心力和摩擦力作用，磨球附在筒體襯板上，到達一定的高度后被拋落，利用磨球動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，需要進行適量的補球。為保證球磨機內整體球荷的連續精確，必須進行連續精確化的裝補球[1]。因此，球磨機自動加球技術得到了廣泛研究，對該技術有了以下共識。

(1)可顯著提高磨礦細度達標率[2]。

(2)可明顯降低磨礦生產中與充填率關系密切的能量消耗。充填率過高，驅動功率增大，耗能升高；充填率過小，磨礦效率降低，相應的單位磨礦量電耗也升高[3]。對于人工加球方式，剛加完磨球的一段時間充填率過高，隨后充填率逐漸變小，最后很難達到最佳的充填效果[4]，無法保證球磨機鋼球充填率的最佳狀態[5]。

(3)對其他工藝指標的改善也較為明顯，如某鐵礦廠自動加球系統實現分時均量補加球方式后，其半自磨機的原礦處理量和磨礦量均得到了明顯提高，球磨機襯板的延展變形問題得到改善，使用壽命延長約5.27%[6]。

從礦物的磨削效果、節能效果和工藝效果等方面分析，實現磨球的自動添加非常必要。自動加球系統主要包括儲球倉、獲取機構、導向機構、輸送提升機構等結構，有滾筒式、轉盤式、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、轉盤式、輥輪(輥筒)式、帶式、球爪手式加球系統，利用磨球的重力和分球機構(由滾筒、轉盤、滾輪、輸送帶和球爪等構成)分取磨球，輸送設備將被分取的磨球送入球磨機；但磨球表面較為粗糙，會使球倉內的磨球互相擠壓而不能克服自身重力下落或被分球機構卡住，造成自動加球系統失效。磁吸式加球系統在磨球獲取時克服了以上問題，但磁鐵吸球個數不確定，且磨球運輸中會因磨球間復雜的相對運動而產生被卡住的現象。

目前，礦山自動加球系統普遍采用滾筒和轉盤結構的分球機構，堵球和卡球現象頻繁出現，特別是球倉中磨球因互相擠壓而堵在漏斗處，甚至形成懸空，即使采用振動器也難以處理，導致國內此類設備基本被擱置。

為解決上述問題，筆者提出視覺機器人自動加球系統，采用視覺匹配并識別磨球堆的表層磨球，獲取匹配到的磨球坐標，再利用機械臂將其從球堆表層單個吸起并逐一連續輸送，以消除現有自動加球系統堵球或卡球而導致系統失效的弊端。

1 視覺機器人自動加球系統介紹

視覺機器人自動加球系統由以相機為主體的磨球識別系統、以機械臂為主體的磨球抓取系統、以行車和電動葫蘆為主體的磨球補球系統、以傳送鏈條為主體的磨球輸送系統等組成，如圖1 所示。

圖1 視覺機器人自動加球系統Fig.1 Automatic ball-adding system by visual robot

磨球抓取系統和磨球補球系統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構的磨球分取技術所帶來的磨球卡球或堵球問題。當機械臂抓球倉內磨球不多時，磨球補球系統為其補充磨球，以確保機械臂抓球系統的連續加球工作。視覺系統通過激光掃描獲取機械臂抓球倉內的磨球圖像信息，從中識別滿足要求的磨球，給出其坐標。磨球抓取系統將視覺系統給出坐標的磨球抓取，送至磨球輸送系統鏈條帶上方的相應位置，由磨球輸送系統輸送到球磨機的入口，重力使磨球通過引導裝置進入球磨機中。該加球系統是一個相互銜接、有機統一體，除將磨球由運輸工具卸載到磨球儲倉的工作由人工完成外，其他工作都由系統自動完成。

2 磨球識別系統

磨球識別系統是自動加球系統的關鍵技術之一，用于確定機械臂抓球倉內的某個磨球作為被抓取對象，并將其坐標通過以太網傳送給機械臂抓球系統。本系統的視覺機器人位于工廠的儲球區，距離球磨機較遠；且礦料進入球磨機前均已濕透，粉塵稀少；同時相機鏡頭朝下，粉塵積聚程度甚微。在近一年的應用后，相機未做任何處理仍能正常進行圖像識別，說明利用相機掃描進行磨球識別的方案是可行的。

考慮自動加球系統日夜加球的工作機制，以及磨球所處環境的光強度變化對圖像灰度的影響，系統選用激光振鏡 3D 相機，輸出 tiff 格式的圖像，以像素點的數值反映磨球的垂直高度。圖像經過數據處理，得到抓球倉內磨球的幾何形狀，再利用給定球狀模型進行匹配，計算出抓球倉內被匹配到的表層磨球的位置坐標，機器人將按此坐標進行定位并抓取磨球。磨球識別系統接收到控制系統發出的掃描命令后，觸發相機掃描機械臂抓球倉，獲取機械臂抓球倉內的圖像信息，與預存的單個磨球圖像匹配模型進行匹配，獲取到機械臂抓球倉內所有與單個磨球圖像匹配模型近似的各個磨球的位置，分析計算后得出其坐標值，再將坐標值發送給機械臂抓球系統。圖像信息識別的程序采用 V C++編寫，利用相機廠家提供的相機 S DK開發的接口函數和編制的圖像處理算法，實現對相機的操控、磨球的識別和位置的確定。

3 磨球抓取系統

視覺系統精確提供磨球坐標，機械臂末端準確定位電永磁鐵位置，電永磁鐵可靠抓取磨球，都是自動加球系統的重要保障。磨球抓取系統(見圖2)主要由4 自由度的機械臂、安裝在機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Fig.2 Pick-up system of grinding ball

與傳統的電磁技術相比，電永磁技術具有節能、性能穩定、可靠、安全、結構簡單、吸力均勻、吸重比高等諸多優點[9]。為減輕機械臂的負載又保證足夠的吸力，磨球抓取系統有必要采用電永磁鐵。為保證電永磁鐵具有足夠的吸力，應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計成球冠狀。機械臂將電永磁鐵驅動到視覺系統提供的坐標位置處時，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動到鏈條輸送系統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上。

3.1 緩沖裝置

機械臂高速運動，會產生很大的振動沖擊和抖動，如果沒有很好的緩沖措施，將影響抓取動作的準確性和速度[10]。在機器人抓取磨球時，電永磁鐵在機械臂的驅動下靠近磨球，磨球鑄造時保留的澆口突出或z坐標定位誤差等原因，可能導致磨球與電永磁鐵發生撞擊，引起磨球的振動移位，使電永磁鐵吸取磨球失敗。因此，在電永磁鐵與機械臂末端之間設計緩沖裝置，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磨球位置后繼續運行一段位移，對磨球形成一定壓力，提高電永磁鐵對磨球的吸力，從而可靠地抓取磨球。法蘭盤 1 與機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 個內六角螺釘連接固定為一體；活動銷通過螺紋與電永磁鐵固定為一體，且可在滑動軸承內上下移動。活動銷通過彈簧與法蘭盤 1 連接，可以使電永磁鐵與法蘭盤 1 之間實現彈性運動。

3.2 磨球的計量

磨球的添加速度和數量必須滿足礦漿粒度的控制要求，系統采用磨球計量裝置(見圖4)，結合PLC系統實現磨球的計量。該裝置的關鍵部件為安裝在鏈條輸送機側板上的光發射器和光接收器組成的光電開關。磨球從機械臂末端被電永磁鐵釋放后，在重力作用下自由下落，經過光發射器和接收器之間時，光發射器的光線被擋住，使接收器集成的光敏開關在磨球落下的過程中發出一個脈沖，利用 PLC的計數器對該脈沖進行計數，獲得磨球的實際加球數量。

4 磨球補球系統

相機的掃描范圍和機械臂的工作范圍均有限，不能識別和抓取稍遠的磨球，限制了機械臂抓球倉的容積，而球磨機每天需添加的磨球數量較大，約為3 000～5 000 kg。為實現機械臂抓球系統不間斷地工作，保證球磨機內填充率的穩定，在機械臂抓球倉內的磨球較少或沒有磨球時，補球系統能自動將一定數量的磨球從磨球儲倉內吸取并轉移到機械臂抓球倉內，供機械臂抓取。

補球系統的工作原理：視覺系統在識別到機械臂抓球倉內磨球的數量小于一定量時，發出指令給補球系統，控制行車運行到指定位置；電動葫蘆釋放電永磁鐵，使電永磁鐵下落到磨球儲倉內的磨球上；給電永磁鐵通電激磁，吸取一定數量的磨球；電動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行到補球漏斗上方；將電永磁鐵釋放到補球漏斗上，電永磁鐵失電退磁，被吸取的磨球在重力作用下通過補球漏斗沿溜槽進入機械臂抓球倉內。溜槽截面在磨球運動方向上沒有收縮，所以不會發生被磨球堵住的情況。

根據測得的電動葫蘆吊繩張力，判斷電永磁鐵是否落在磨球上，并綜合電動葫蘆上升和釋放電永磁鐵的時間，分析計算出儲球倉內磨球堆放的高度。在每次收到補球指令時，根據以往補球時磨球堆放的高度情況，控制電動葫蘆攜帶電永磁鐵隨行車運動到磨球堆放的最高位置，確保磨球儲倉內不同位置的磨球比較均衡地被吸取和轉移。磨球儲倉的容積根據需要進行設計，可以滿足一定時間的加球需求。

5 磨球輸送系統

磨球輸送系統(鏈條輸送機)中，機械臂將磨球釋放后，磨球在重力作用下落在鏈條的連接板上，隨電動機驅動的鏈條運動，最終被送至球磨機的入口，再由磨球引導裝置引入球磨機。在鏈條上設計磨球擋板，一方面可防止磨球在輸送過程中大幅度竄動，另一方面可在提升段托舉磨球完成提升動作。

6 系統工作流程

6.1 預備工作

系統工作之前，還需做好如下兩項預備工作。

(1)根據日加球量、磨球尺寸和磨球密度，計算相鄰 2 個磨球添加的時間間隔，作為工作循環的定時時間。

式中：t為相鄰 2 個磨球添加的時間間隔，s；R為磨球直徑，m；ρ為磨球密度，kg/m3；m為日加球質量，kg。

(2)用相機掃描機械臂球倉內的磨球，獲取其圖像。在該圖像中截取某單個磨球的模型，作為匹配模型，用于磨球的匹配與識別。

6.2 工作循環

定時設置，到時間后會觸發相機對機械臂球倉內的磨球進行掃描，獲取圖像信息；與匹配模型進行運算，匹配到幾何特征相近的磨球；計算成功匹配的磨球中心的像素坐標(u，v，z)；通過相機內部標定，獲取該像素坐標點在相機坐標系中的坐標(Cx，Cy，Cz)；通過手眼標定，獲取該坐標點在機械臂坐標系的坐標(Rx，Ry，Rz)；將坐標發送給機械臂控制系統，由機械臂控制系統驅動機械臂攜帶電永磁鐵，使其球冠中心運動到該坐標點；發激磁指令給電永磁鐵以吸取被匹配到的磨球，再由機械臂攜帶磨球到磨球輸送機上的確定位置；發退磁指令給電永磁鐵以釋放磨球到輸送機上，由磨球輸送機和相應的引導裝置將磨球送入球磨機，一個磨球添加完成。等待下一個定時，進行下一個磨球的添加，如此循環工作。

當視覺系統識別到機械臂球倉的磨球數量少于一定值或將被添加完時，發出指令給補球系統，從磨球儲存倉內吸取一定數量的磨球對機械臂球倉進行補球，避免影響后續的抓取、輸送工作。

7 結論

(1)針對現有自動加球機堵球或卡球現象，設計了基于視覺機器人的球磨機自動加球系統。該系統將給定的球狀模型與 3D 相機掃描圖像信息進行匹配，獲取磨球堆表層的磨球坐標，攜帶電永磁鐵的機械臂準確抓取或釋放磨球，與PLC 相結合的磨球計量裝置可準確獲得實際加球數量，補球系統能夠確保連續加球。

(2)該系統經過一定時間的現場運行，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)系統完成單次添加的時間約為 12 s ；按 95%磨球單次添加成功，2% 需二次添加成功計算，對于直徑為 80 mm 的磨球，日加球量可達 14.5 t 左右。