華文孝 謝 賽

（長沙長泰機器人有限公司，長沙，410117）

0 引言

目前國內(nèi)袋裝水泥裝車依然主要靠人工來實現(xiàn)，勞動強度大，現(xiàn)場粉塵大、環(huán)境惡劣，而且裝車工人需要穿戴整齊的防護服，戴過濾式防護口罩，特別是夏天，高溫高濕，工人苦不堪言，故采用自動裝車設(shè)備代替人工，實現(xiàn)自動裝車勢在必行。

國外發(fā)達國家已有自動裝車設(shè)備，國內(nèi)也有一些企業(yè)模仿國外自動裝車設(shè)備生產(chǎn)出類似設(shè)備，因國外發(fā)達國家規(guī)范了水泥運輸車車型，所以運行良好，而國內(nèi)未做相應(yīng)規(guī)范，水泥運輸車從平板車到農(nóng)用車，種類多達幾十種，自動裝車設(shè)備無法滿足現(xiàn)有需求。所以開發(fā)一種滿足國內(nèi)多種水泥運輸車的袋裝水泥自動裝車系統(tǒng)，迫在眉睫。

1 國內(nèi)外水泥裝車現(xiàn)狀

1.1 裝車現(xiàn)場狀況

為了便于裝車，水泥灌裝機布置在施工現(xiàn)場的二樓，將灌裝好的水泥袋，通過皮帶輸送線輸送到裝車位置，然后通過斜皮帶輸送至車廂上方，人工將袋裝水泥推至車廂內(nèi)，利用皮帶的前后移動，將水泥袋裝滿整個車廂（如圖1所示）。從圖1中可以看出現(xiàn)場環(huán)境惡劣：粉塵多、勞動強度大。

圖1 人工裝車

該環(huán)境下工人易患塵肺病，所以工人一般工作年限都不能太長，企業(yè)存在招工困難等難題，而且目前工人主力為60年代后，有一部分是50年后和70年代后，隨著50、60年代后人員逐步退休，而年輕人又不愿意干這類工作，相關(guān)企業(yè)面臨招不到工人的困境。

1.2 袋裝水泥運輸車

由于國內(nèi)未對袋裝水泥運輸車進行規(guī)范要求，因而造成袋裝水泥運輸車多種多樣、外形各異、尺寸差異極大。一般運輸車車廂長度為2-12.5m，寬度為1.8-2.5m，高度為1-2.5m，如圖2所示。這種多車型的狀況造成自動裝車專機難以推廣應(yīng)用。

圖2 水泥運輸車

1.3 自動裝車專機

目前，國外自動裝車專機主要有德國HAVER（見圖3）、丹麥史密斯（見圖4）品牌等。二者結(jié)構(gòu)有所不同。HAVER采用引導板及氣缸推板的結(jié)構(gòu)，將水泥袋一層層整理堆放至車廂層；史密斯采用推板結(jié)構(gòu)，先將水泥袋整理成層狀，然后利用吸盤及升降機構(gòu)將水泥袋放置到車上。HAVER自動裝車方式對水泥包裝袋沒有特殊要求，而史密斯自動裝車方式要求水泥包裝袋必須不透氣，密封效果好，這樣才能保證設(shè)備的正常使用。

圖3 HAVER自動裝車

圖4 史密斯自動裝車

國內(nèi)自動裝車專機與HAVER和史密斯類似，一種方式也是采用推板整理，層式堆放的方式如圖5所示；另一種方式是在史密斯抓放的方式上做了改進，以解決國內(nèi)水泥袋密封性差，不能采用吸盤吸取的問題，通過采用抓手取放方式，然后利用龍門行走，以達到裝滿整個車廂的效果，如圖6所示。

圖5 國內(nèi)推板整理堆放方式

圖6 國內(nèi)桁架抓放方式

1.4 機器人自動裝車

國外已有機器人自動裝火車的應(yīng)用，如圖7所示，該方式的車廂尺寸和位置是相對固定的；也有自動裝汽車應(yīng)用，如圖8所示，該方式只能適應(yīng)幾種固定車型，而且需要車輛?？康奈恢幂^準確（理論位置誤差應(yīng)≤50mm），否則自動碼放就會出現(xiàn)問題。但是這兩種方式都不能滿足國內(nèi)袋裝水泥運輸車多樣化、水泥袋包裝密封不佳、需要配備除塵系統(tǒng)以及目前水泥廠現(xiàn)有裝車巷道空間有限的狀況。

圖7 機器人自動裝火車

圖8 機器人自動裝汽車

2 袋裝水泥機器人自動裝車

國內(nèi)袋裝水泥自動裝車存在車輛尺寸差異大、停車位置一致性不高、巷道空間有限、裝車節(jié)拍快（一般為90-120t/h）、系統(tǒng)需要除塵、需要適應(yīng)各種天氣等問題。

為解決上述問題，本文設(shè)計了一套袋裝水泥機器人自動裝車系統(tǒng)（見圖9），采用激光視覺來檢測車廂，可精確測量車廂尺寸和精準確定車廂位置，再配合機器人的高柔性特點，可實現(xiàn)幾乎所有車型的自動裝車。該系統(tǒng)充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢：激光視覺不需要外部光源，不受光線強弱變化的影響，可適用各類天氣狀況；機器人柔性好、穩(wěn)定性高、工作半徑大、維護成本及工作量少，可執(zhí)行復(fù)雜動作，能適用惡劣的工作環(huán)境，可滿足各類不同尺寸的車輛裝車。

圖9 采用自動專車系統(tǒng)進行現(xiàn)場裝車

該系統(tǒng)工作流程具體如下：

1）車輛進入裝車區(qū)域后，系統(tǒng)提示、引導司機將車?？吭谥付ㄎ恢茫?/p>

2）激光視覺系統(tǒng)找出車廂位置、測量出車廂尺寸，并根據(jù)裝車噸位要求，建立水泥裝車坐標；

3）輸送系統(tǒng)和機器人根據(jù)激光視覺給定的坐標運動至指定位置；

4）包裝機啟動，包裝水泥，并通過皮帶輸送線，將袋裝水泥輸送至系統(tǒng)滾筒輸送線前端；

5）兩臺機器人利用氣動抓手，交替從輸送系統(tǒng)前端抓取水泥袋，并按照系統(tǒng)設(shè)定程序碼放；

6）在碼放一定數(shù)量的水泥袋后，輸送系統(tǒng)和機器人移動一定的距離，繼續(xù)碼放工作；

7）碼放完成要求的數(shù)量后，機器人和輸送系統(tǒng)返回原位并提示司機裝車完成；

8）司機將車開出裝車位，下一臺車開進裝車位，進行裝車工作。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

袋裝水泥機器人自動裝車系統(tǒng)主要由輸送系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、機器人行走機構(gòu)、氣動抓手、激光視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。輸送系統(tǒng)的平皮帶與原有輸送線對接，可在樓面軌道上行走，在輸送系統(tǒng)斜皮帶的末端增加輥筒輸送線，便于抓手抓取水泥袋，機器人行走機構(gòu)布置在裝車巷道的兩側(cè)，機器人安裝在機器人行走機構(gòu)上，氣動抓手安裝在機器人末端，激光系統(tǒng)安裝在氣動抓手上。

圖10 自動裝車系統(tǒng)組成

2.2 輸送系統(tǒng)

在輸送系統(tǒng)中，皮帶輸送和輥筒輸送相結(jié)合，皮帶輸送與前端水泥包裝輸送線對接；輥筒輸送線與機器人對接，輥筒輸送線設(shè)有避位槽，方便機器人抓手從水泥袋下方實現(xiàn)快速抓取。系統(tǒng)采用四連桿結(jié)構(gòu)保證輥筒輸送線在調(diào)整高度時始終保持水平，利用電動葫蘆實現(xiàn)輥筒線升降，通過拉繩式位移傳感器檢測輸送線水平位置和輥筒輸送線高度位置，保證機器人能夠準確對齊輥筒輸送線避位槽位置，并準確抓取水泥袋實現(xiàn)精確碼放。

2.3 機器人

圖11 機器人系統(tǒng)組成

圖11 為機器人系統(tǒng)組成，其中，①是機器人本體、②是連接電纜、③是控制系統(tǒng)、④是示教器。本文采用庫卡公司的碼垛機器人，其工作范圍大、速度快、工作性能可靠，能適應(yīng)不同車型的碼放要求。機器人相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 機器人的參數(shù)

2.4 機器人行走機構(gòu)

機器人行走機構(gòu)由支腿、底架、導軌、機器人底、拖鏈、驅(qū)動系統(tǒng)等組成。采用伺服電機、減速機驅(qū)動，齒輪、齒條為傳動，滾輪導軌導向，運行噪音較小，定位精準，行走速度0～1m/s。

2.5 氣動抓手

氣動抓手由安裝板、氣缸、鉸座、夾爪、氣動控制系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)簡單、可靠，采用氣缸驅(qū)動，可實現(xiàn)快速抓取和釋放。

2.6 激光視覺系統(tǒng)

激光視覺系統(tǒng)采用三維智能輪廓掃描傳感器，通過掃描，檢測出車廂的尺寸和位置，為后續(xù)的碼垛工作提供規(guī)劃依據(jù)，如圖12所示。

圖12 激光視覺系統(tǒng)檢測示意圖

整個裝車系統(tǒng)具體參數(shù)見表2。在實際應(yīng)用中，也可根據(jù)要求進行拓展。

表2 本自動裝車系統(tǒng)參數(shù)

3 與專機自動裝車設(shè)備比較

將本文設(shè)計機器人裝車系統(tǒng)與專機自動裝車進行比較，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 機器人裝車與專機自動裝車比較

4 經(jīng)濟效益

本機器人裝車系統(tǒng)在整個裝車過程中實現(xiàn)了全自動化，不需要固定人員。與現(xiàn)有人工裝車方式相比，本系統(tǒng)主要在機器人及行走機構(gòu)、前端輥筒線，抓手用壓縮空氣和套袋設(shè)備等設(shè)備上增加了能耗。

具體效益比較如下。

1）機器人及行走機構(gòu)能耗：單臺功率約8kW，兩臺合計16kW；

2）輥筒線能耗：電機功率約為0.55kW；

3）抓手能耗：抓手耗氣量約16L/min，折成能耗為0.17kW；

綜上所述，與現(xiàn)有人工裝車方式比較，本系統(tǒng)設(shè)備全負荷運行時增加的總能耗為16.72kW。

當前工業(yè)用電成本約0.6元/度，設(shè)備能耗為16.72kW，水泥裝車能耗費用為0.0836元/t，年運營費用以每年工作345天，每天有效工作12h計算，每袋水泥重50kg，單巷道每年設(shè)備可裝水泥量為：

40×60× 50÷1000×12×345 = 496800t，

每年運營電費用為：

496800×0.0836 = 4.15 萬元，

設(shè)備年維護成本在1萬元以內(nèi)，每年費用合計5.15萬元。

當前人工費用：

人工裝車費用一般為1.5-2元/t，若按1.5元/t計算，完成以上工作量所需人工費用合計為：

496800*1.5=74.52萬元。

每年可節(jié)省費用：

年使用費用約5.15萬元，以74.52萬元的人工年費用基數(shù)計算，每條巷道每年可創(chuàng)收：

74.52 -5.15=69.37萬元。

5 社會效益

采用機器人自動裝車系統(tǒng)，可以將裝車工人從惡劣的工作環(huán)境中解脫出來， 避免裝車工人患職業(yè)病的風險，減少可能造成的社會矛盾，促進社會的和諧發(fā)展。

該系統(tǒng)還可以推廣到其他行業(yè)類似袋裝物品的自動裝車中，如飼料、糧食、淀粉、化肥、碳酸鋇、碳酸鈣、塑料母粒、食鹽等。

6 總結(jié)

本文設(shè)計的自動裝車系統(tǒng)將激光與機器人相結(jié)合，充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢，可以滿足目前袋裝水泥運輸車的多樣性的現(xiàn)狀需求；利用原有的裝車巷道，降低了投資成本；每年能為客戶提供良好的經(jīng)濟效益，同時將裝車工人從惡劣的工作環(huán)境中解脫出來，具有良好的社會效益。