王向榮，王 庫，付海鵬，顧紅超

(中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

地浸鈾礦山水冶生產(chǎn)中存在一些需要投加粉料的崗位，如反萃取劑配制崗位需要投加碳酸鈉、碳酸氫鈉，鈾沉淀崗位需要投加氫氧化鈉。目前，這些崗位采用人工投料方式，投料過程包括人工搬運料袋、轉移、拆包、粉料投放、廢袋收集等，不僅勞動強度大，作業(yè)環(huán)境差；而且需配備大量操作人員，降低了水冶廠的勞動生產(chǎn)率，也增加了運行成本。

國內其他行業(yè)對粉料自動投料裝置有相關研究與應用報道。馬杰等研制的粉料氣力自動加料裝置由料桶、真空泵、輸送管、料斗機構等組成，可以實現(xiàn)聚四氟乙烯粉料的自動投料[1]。楊凱等研制的粉料配料輸送稱量系統(tǒng)，由解包站、壓送罐、儲倉、緩沖罐、羅茨風機等構成，用于粉狀涂料的自動計量與投放[2]。以上裝置都是利用氣力輸送原理實現(xiàn)粉狀物料的自動投放，在一定程度上降低了勞動強度，改善了工作環(huán)境；但仍需要人工上料或人工拆袋。白俊研制的粉料自控上料裝置由氣力輸送單元、儲料單元、計量輸送單元以及控制系統(tǒng)組成，同樣利用了氣力輸送原理來實現(xiàn)聚合物粉料的運輸、儲存和連續(xù)下料;在裝置上料時，需將拖船運來的移動儲料罐與裝置的固定儲料罐通過快接頭對接實現(xiàn)粉料轉移，上料過程也需要人工干預[3]。

地浸鈾礦山投料環(huán)節(jié)的粉料都是袋裝物料，料袋的拆包環(huán)節(jié)耗費了大量的人力，因此研制粉料自動投料裝置的重點之一是實現(xiàn)拆包環(huán)節(jié)的自動化，進而實現(xiàn)整個投料過程的自動化，為地浸鈾礦山全面實現(xiàn)無人值守提供保障。

1 粉料自動投料裝置研制原則

粉料自動投料裝置研制原則包括：1)粉料自動投料裝置可實現(xiàn)25、40、50 kg規(guī)格袋裝物料的識別、抓取、轉移、拆包、粉料輸送和廢袋收集功能；2)實現(xiàn)就地控制與遠程控制；3)具有計數(shù)功能，按照設定的料袋數(shù)量抓取完成后可以自動停機；4)具有多重安全防護系統(tǒng)，保護操作人員與誤入人員，防止造成傷害；5)各設備模塊小型化，粉料投料裝置布置緊湊、占地面積小。

2 粉料自動投料裝置設計方案

2.1 工作流程

叉車將碼放區(qū)的整垛物料轉運至粉料自動投料裝置區(qū)域的特定位置，機器人從料垛上抓取料袋，運行至小型拆包機刀具處，完成停止前進、下放、上提、旋轉至廢袋收集桶處、下放廢袋等一系列動作后，返回抓取下一袋物料，進行下一個循環(huán)。拆包后的粉料經(jīng)管鏈輸送機運送至配制槽。機器人按照設定的料袋數(shù)量進行抓取料袋，完成后停機，然后其他單元設備依次停機。

2.2 粉料自動投料裝置組成

設計采用行業(yè)先進的3D視覺掃描成像技術，引導工業(yè)機器人智能、自主地定位抓取料袋，配合拆包機、輸送機、廢袋收集桶等單元設備完成自動投料作業(yè)任務。

粉料自動投料裝置由拆垛模塊、小型拆包機、輸送模塊、廢袋收集模塊、安全防護模塊及自動控制模塊等組成。

2.2.1 拆垛模塊

在物流倉儲、煙草工業(yè)、汽車工業(yè)等領域用機器人進行拆垛作業(yè)[4-6]，在機器人碼垛方面也有大量研究報道[7-10]。本裝置研究的目的是對袋裝粉料進行拆垛，來料為人工碼好的整垛物料，料袋表面不規(guī)則，與煙箱、鋁板等的拆垛機器人相比，機器人本體、機器人抓手及控制系統(tǒng)等都有很大的不同。

本裝置的拆垛模塊由機器人本體、機器人底座、機器人控制柜、3D視覺識別系統(tǒng)、機器人抓手、真空發(fā)生系統(tǒng)等組成。

2.2.1.1 機器人本體

選用五關節(jié)工業(yè)機器人，其結構圖及運動范圍如圖1所示。

圖1 五關節(jié)工業(yè)機器人運動范圍

機器人采用地面安裝方式，手臂負載180 kg，最大工作半徑3 195 mm，有效工作半徑2 845 mm，重復定位精度±1 mm。通過計數(shù)功能完成料袋的定量投放。通過安全空間功能建立安全工作范圍，設置機器人禁出空間范圍，保證人機安全。

2.2.1.2 機器人抓手

由研制的不銹鋼抓手與真空吸盤組成二合一吸盤抓手，作為機器人的末端執(zhí)行器，其結構如圖2所示。選用2臺漩渦式高壓風機串聯(lián)，配合真空吸盤，當真空度為-0.05 MPa時，料袋能被快速穩(wěn)定抓取。

1—真空吸盤；2—不銹鋼抓手。

在抓取物料袋時，先打開抓手，吸盤下降并吸附料袋后再上升；然后抓手合攏，抱住料袋防止掉落。抓手與吸盤均為氣動結構，吸盤的最大吸附負載能力約80 kg。

2.2.1.3 3D視覺識別系統(tǒng)

利用結構光三維成像原理，3D視覺識別系統(tǒng)可快速對料袋進行三維掃描定位，獲取料袋的3D空間位置數(shù)據(jù)。它由3D相機、3D控制器、顯示器、鍵盤、鼠標等組成，3D相機安裝于機器人末端，引導機器人準確定位并抓取料袋。顯示器可顯示3D成像效果，掃描五花垛時的成像如圖3所示。

圖3 3D視覺識別系統(tǒng)五花垛成像圖

3D視覺識別系統(tǒng)能準確識別料垛高度，引導機器人按照先高后低的順序分層抓取。

2.2.2 小型拆包機

拆包機主要通過機械方式將粉料包裝袋切割開，實現(xiàn)袋料分離。目前市場上銷售的拆包機處理量大，自動化程度高，人工參與度少，粉塵控制效果好，環(huán)境污染少；但設備占地面積大，其處理規(guī)模遠大于鈾水冶生產(chǎn)中粉料投加崗位的需求。因此，根據(jù)鈾水冶生產(chǎn)的實際需求，利用機器人動作靈活的優(yōu)勢，研制了與機器人配套應用的小型拆包機，使前后工序設備處理能力匹配，滿足了鈾水冶廠的特殊需求。

小型拆包機采用鋸齒狀刀具破袋，并集成了破碎機構，可將200 mm的結塊物料破碎至6 mm以下，防止結塊物料堵塞管鏈輸送機。研制的小型拆包機長×寬×高為1.0 m×0.7 m×1.75 m，鋸齒狀刀具固定于拆包機的頂部，電機帶動的兩級對輥狀破碎機構位于鋸齒狀刀具的下方。工作時，料袋在拆包機上方以自由落體方式落在刀具上，料袋被切割開，沒有結塊的粉料經(jīng)拆包機殼體后直接到達出料口，結塊的物料經(jīng)破碎機構破碎后到達出料口。小型拆包機結構穩(wěn)定，操作簡單可靠，可滿足絕大部分工況的生產(chǎn)需要。

2.2.3 輸送模塊

采用體積小、布置靈活的管鏈輸送機作為粉料輸送設備，其結構如圖4所示。

粉料經(jīng)管鏈輸送機進料口進入密閉管道內，在運動鏈片的帶動下沿管道運動，最后經(jīng)出料口進入配制槽，入槽質量大于99.6%。管鏈輸送機屬于容積式輸送設備，可實現(xiàn)物料的輸送和計量，從進料口到出料口均處于封閉狀態(tài)，輸送過程中無粉塵產(chǎn)生。另外，管鏈輸送機可以三維改變輸送方向，尤其適用于多個配制槽且不在一條軸線的輸送要求。

2.2.4 廢袋收集模塊

研制的廢袋收集模塊由廢袋收集桶和防掛袋組件組成，防掛袋組件結構簡單，上方為由圓鋼等焊接而成的耙型組件，耙型組件固定于四根角鋼立柱上，立柱通過地腳板固定于地面。廢料收集桶筒體采用PE材料制作，底部設置腳輪方便人工轉運，其結構如圖5所示。

1—防掛袋組件；2—廢袋收集桶。

機器人末端抓手通過插入廢袋并抱攏的方式，抓取廢袋后轉移至廢袋收集桶。抓手打開并上升時，廢袋有時不能自動脫離抓手，這時防掛袋組件便可輔助完成抓手與廢袋的分離，使廢袋落入收集桶內。

2.2.5 安全防護模塊

研制的安全防護模塊由安全圍欄和安全光柵組成，防止設備在運行過程中對操作人員產(chǎn)生危害。當操作人員需要進入安全圍欄內進行更換托盤或轉運物料等操作時，在總控制柜上點擊停止按鈕，機器人及其他設備即停止動作。在安全圍欄進口處設置急停按鈕及光柵，與總控制柜上的停止按鈕組成三重安全防護，確保人員安全。

2.2.6 自動控制模塊

自動控制模塊的中央處理單元采用PLC及觸摸屏；PLC通過與觸摸屏連接既可實現(xiàn)面板控制系統(tǒng)開啟、停止、投料袋數(shù)設定、運行速度調節(jié)等功能，又可實時顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、報警原因等內部數(shù)據(jù)。PLC與機器人通訊連接，可以控制機器人的啟停，同時在觸摸屏實時顯示機器人工作狀態(tài)。3D視覺識別系統(tǒng)與機器人連接，用于檢測料袋的位置并將相關信息發(fā)送至機器人控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)具有多種保護、報警功能，可實現(xiàn)全過程的自動控制，可通過光纖將數(shù)據(jù)傳至水冶廠的集中控制室，實現(xiàn)就地控制與遠程控制。粉料自動投料裝置控制流程如圖6所示。

圖6 粉料自動投料裝置控制流程圖

3 粉料自動投料裝置運行

使用粉料自動投料裝置樣機開展了落料高度、吸取料袋、3D視覺識別及試運行等試驗。

3.1 落料高度試驗

針對3種物料袋，進行了不同高度的拆袋試驗，找出最合適的拆袋高度。試驗結果見表1。

表1 不同落料高度的拆包試驗結果

從表1可看出，當25、40、50 kg料袋的落料高度分別為300、200、200 mm時，料袋中粉料的殘留率<0.5%，粉料殘留率較低。

3.2 吸取料袋試驗

采用雙漩渦式高壓風機串聯(lián)，配合真空吸盤，開展了25、40、50 kg料袋的吸取試驗，試驗過程中吸盤吸取牢固，各規(guī)格料袋均無掉落現(xiàn)象。

3.3 3D視覺識別試驗

開展了單袋、單層和多層料袋的3D視覺識別試驗，試驗結果如圖7所示。圖7(a)為單袋物料的識別效果，圖7(b)為單層料袋的識別效果，圖7(c)為多層料袋的識別效果。試驗表明，3D視覺識別系統(tǒng)對光線敏感，光線直射時識別效率低，甚至無法識別；采取遮光措施后，達到了滿意的識別效果，抓手也可實現(xiàn)準確抓取。

圖7 各種組合料袋的識別效果

3.4 粉料自動投料裝置試運行

粉料自動投料裝置布置緊湊，集成各單元設備后的占地面積約為8.0 m×6.6 m，所需安裝高度約為5 m，設備布置如圖8所示。

1—總控制柜；2—配制槽；3—管鏈輸送機；4—小型拆包機；5—廢袋收集桶；6—防掛袋裝置；7—機器人；8—機器人底座槽；9—料袋；10—托盤；11—機器人控制柜；12—空壓機；13—安全光柵；14—安全門；15—安全圍欄。

人工使用叉車將物料放至拆垛指定位置，等待抓取。操作機器人示教器選定程序，將設備總控制柜就地、遠程轉換開關旋轉至遠程位置，設定投料袋數(shù)，點擊初始化和啟動按鈕，依次啟動管鏈輸送機、小型拆包機、機器人、3D視覺識別系統(tǒng)。3D視覺識別系統(tǒng)對袋裝物料的位置進行掃描，機器人精確抓取袋裝物料到小型拆包機上方一定位置后，自動與吸盤抓手脫離；料袋依靠重力掉落至小型拆包機的割刀位置，粉料經(jīng)小型拆包機進入管鏈輸送機；機器人抓手再次提起料袋并在小型拆包機上方進行抖動，以抖落殘留粉料；落料完成后，機器人將廢袋送入廢袋收集桶。整個系統(tǒng)設有安全防護欄、安全門，安全門內設有安全光柵，在安全門被打開或安全光柵被遮擋時，系統(tǒng)自動停止工作。

在粉料自動投料裝置的試運行試驗中，共試驗物料80袋，其中：25 kg規(guī)格物料10袋；40 kg規(guī)格物料30袋；50 kg規(guī)格物料40袋。在試驗中，重點觀察和記錄料袋的識別與抓取效果，料袋在轉移過程中的穩(wěn)定性，拆包效果，管鏈輸送機運行效果，安全防護效果，廢袋收集效果，裝置穩(wěn)定運行時的輸送量等。試驗結果表明：研制的粉料自動投料裝置可以穩(wěn)定實現(xiàn)對各規(guī)格料袋的識別、抓取、轉移和拆包等操作，機器人完成1個循環(huán)用時≤40 s，安全光柵靈敏、可靠，探測到有物體或人員闖入防護圍欄時，機器人立刻停止動作。試驗還發(fā)現(xiàn)：管鏈輸送機噪音較大；在廢袋轉移至廢袋收集桶的過程中，廢袋中殘留的粉料有灑落現(xiàn)象，造成一定的粉塵污染；廢袋收集桶沒有設置便捷的取廢袋裝置，不方便取出廢袋。

4 結論

研制的粉料自動投料裝置可以取代投料崗位的人工操作，實現(xiàn)袋裝物料的搬運、拆包及粉料輸送全過程自動運行，可為地浸鈾礦山實現(xiàn)無人值守提供強有力的支撐。

該裝置可遠程控制，實現(xiàn)了人與粉料的完全隔離；機器人完成1個循環(huán)用時≤40 s，投料速度達2 t/h；吸盤抓手可穩(wěn)定抓取25、40、50 kg的袋裝物料，搬運過程中無掉袋現(xiàn)象；廢袋中的粉料殘留率≤0.5%。該裝置存在噪音大、有粉塵、取廢袋不方便等問題，需要進一步優(yōu)化和驗證。