自动上下料料仓的设计：基于回转步进的堆料机全自动堆料研究

自动上下料料仓的设计：基于回转步进的堆料机全自动堆料研究图1 回转步进堆料实景图回转步进堆料法（或称定点堆料[1]，见图1）与回转连续堆料法类似，大车的运行相同，都是在悬臂回转最内侧或最外侧时大车向后步进一步，区别在于回转的运行不是连续的，而是等料堆堆到一定高度时，回转每次步进一个角度，直至臂架回转到达堆料内侧或外侧边界，大车再向后一步。如需要混匀效果时也可分层回转2 堆料机各种堆料工艺及特点堆料机堆放散装物料有多种方法，如回转连续堆料法、回转步进堆料法、人字形大车连续堆料法、大车步进堆料法、大车横行堆料法。此外，圆形料场有其专用的圆形堆料机堆料工艺。回转连续堆料法堆料时，悬臂回转连续运行，从左侧运行到右侧，然后大车向后步进一段距离，悬臂回转再从右侧运行到左侧，如此反复，直至物料堆完或达到堆场后侧边界。

杨 凯 董 春

1 散货码头常用生产工序及全自动发展现状

当前，世界大宗散料（煤、铁矿石）中转运输主要依靠大型散料港口，卸船机（或门式起重机）将散料从货船卸料到地面带式输送机，使用堆料机或斗轮堆取料机将地面带式输送机传输过来的散料顺序堆放在长形散货堆场上，称为进场工序。使用斗轮取料机或斗轮堆取料机将堆场的散料取到地面带式输送机上，再用装船机装载到散货船，称为出场工序。使用多台斗轮堆取料机取不同物料，再通过带式输送机运输到堆料机重新堆放称为混矿工序。使用1 台斗轮堆取料机取料，再通过带式输送机输送到堆料机堆料称为转场工序。此外，不通过堆、取作业，将物料从卸船机卸料，经地面带式输送机直接输送到装船机装船称为直装工序。

在港口全自动化方面，上海振华（ZPMC）制造的厦门远海和青岛港集装箱自动化码头已投入使用，上海洋山港、唐山港自动化码头即将投入使用。半自动化在散货码头得到广泛应用，基于激光扫描的堆料机单机全自动化在上海罗泾港已取得初步成果。ZPMC 在日照岚桥散货港口已研发出基于激光扫描的全自动堆料机、取料机及远程控制系统。

2 堆料机各种堆料工艺及特点

堆料机堆放散装物料有多种方法，如回转连续堆料法、回转步进堆料法、人字形大车连续堆料法、大车步进堆料法、大车横行堆料法。此外，圆形料场有其专用的圆形堆料机堆料工艺。

回转连续堆料法堆料时，悬臂回转连续运行，从左侧运行到右侧，然后大车向后步进一段距离，悬臂回转再从右侧运行到左侧，如此反复，直至物料堆完或达到堆场后侧边界。

回转步进堆料法（或称定点堆料[1]，见图1）与回转连续堆料法类似，大车的运行相同，都是在悬臂回转最内侧或最外侧时大车向后步进一步，区别在于回转的运行不是连续的，而是等料堆堆到一定高度时，回转每次步进一个角度，直至臂架回转到达堆料内侧或外侧边界，大车再向后一步。如需要混匀效果时也可分层回转

图1 回转步进堆料实景图

人字形大车连续堆料法，指堆料时大车先向前或向后连续运行，在料堆前后边界时大车再反方向连续运行，或回转步进一个角度后大车再反向连续运行，直至物料堆完或区域内物料达到预定堆料高度。这种堆料方式料堆截面形状为人字形，一般用于混矿工序。大车步进堆料法与大车连续堆料法类似，也是在大车前后边界处回转步进一个角度，大车再反向步进运行。与大车连续堆料法的区别在于大车运行时不连续，而是等料堆达到一定高度后，大车步进一定的距离，直至达到大车前后边界再回转（或大车回转联动）步进一步。大车横行堆料法，首先将臂架回转到外侧做好第一个料堆，然后回转与大车连续联动运行，保持落料点沿着垂直于大车轨道的方向向内侧步进（或连续）移动，直至达到内侧边界，这时大车向后移动一个步进距离，然后回转与大车再联动运行，保持落料点沿着垂直于大车轨道的方向由内侧向外侧步进（或连续）移动，直至达到外侧边界。如此反复进行，直至物料堆完或达到大车后侧边界。

连续堆料法堆料更均匀，特别适于混料的情况，但是机构持续运行，比步进堆料法能耗高。而回转堆料法比大车堆料法节能，因为回转机构电机功率比大车机构的小得多。对于人字形大车混料的情形，国内已有关于堆料层数与大车行走速度对均化比影响的研究[3]。回转堆料法堆出的物料为弧形，特别适合回转式斗轮（堆）取料机取料，取料时在每堆物料起点和终点处效率也不降低。综合比较，回转步进堆料法在节能、场地空间利用以及取料效率等方面均最优。

3 回转步进堆料法实现方式

回转步进堆料法的限制条件主要有：平行于大车轨道方向（定义为X 轴方向）的前后位置Xf、Xb，垂直于大车轨道方向（定义为Y 轴方向）的内外侧位置Yi、Yo，垂直水平方向（定义为Z 轴方向）的堆料高度Z h，料堆大车步进距离Xs，回转步进角度θ s，物料安息角θ a，堆料吨数T w。当Yi、Yo、Z h、Xs、θ s、θ a 不限制时采用缺省值，仅需指定大车区域及堆场编号（用于分辨左侧还是右侧堆场）及堆料吨数即可。

回转步进堆料示意图见图2，全自动回转步进堆料流程图见图3。

图2 回转步进堆料示意图

图3 全自动回转步进堆料流程图

根据中控指导参数，在限定区域内根据料堆安息角等条件建立三维模型，根据模型计算得出回转圆弧个数，每个圆弧起点位置（起点圆锥顶点三维坐标及转换成的俯仰和回转角度、大车位置），每个圆弧终点位置（终点圆锥顶点三维坐标及各机构的角度、位置），弧形料堆间隔（大车步进值），堆料高度（缺省为堆场允许最大堆料高度或堆料机可堆最大高度），回转步进值；分层或续堆时如新给定堆料高度大于原料堆高度，则在原料堆上先满足新的料堆高度后才在空场地上扩展。

堆料过程：全自动启动后，根据大车当前位置与目标位置及堆场物料情况决定是否需“零位移机”，堆料机移动到目标启动位置后，启动臂架带式输送机，等待地面带式输送机输送物料过来。当检测到物料过来后，如为“始堆”则应先建立一个初始料堆，待料堆高度达到目标高度后，悬臂先向右旋转一个步进角度堆料，待检测到落料点料堆高度达到目标值后再向右步进一步，直至达到右侧终点位置，此时大车自动后退一个步进值堆料，待达到堆料高度后，旋转调转方向向左，如此反复运行直至达到堆料吨数或大车达到后侧边界位置，自动堆料结束。如达到计算终点位置（即满足边界条件）时还有余料未堆完，则报警至中控，并转为手动模式，如一定时间内无人手动干预，则强制停止堆料流程。如完成计划堆料吨数后还未达到边界条件则报警提示堆料完成，如流程在一定时间内未停止，则按照原方式自动续堆直至达到边界条件为止。旋转堆料的料堆轮廓平滑度与大车后退的步进值大小、回转步进值大小有关，大车、回转的步进值越小，则料堆形状越整齐、美观，也越便于取料。

4 实时堆料高度检测方法

实时堆料高度检测有多种方法，可以采用机械限位，如电容式物位计、超声波测距仪、激光扫描仪、图像识别等。电容式物位计测量准确，但是需要接触物料，容易磨损，且只能测量固定的距离，灵活度差；超声波测距仪不用接触物料，且能测量一段连续的距离，但是测量角度有限制，而且测量结果精度较低；激光扫描仪对环境适应能力强，测距范围广，通过增配的伺服驱动旋转机构旋转，或通过堆料机大车及回转移动扫描料堆，可以建立三维轮廓坐标地图，对于全自动取料用处非常大，但是价格较贵。图像识别对粉尘环境适应能力较差，难以准确测量距离，也不推荐。综合比较，激光扫描仪对于实时堆料高度检测及全自动取料都具有明显的优势，推荐采用。

采用2 个激光扫描器，分别安装在堆料机（或堆取料机）悬臂左右两侧，2 个激光器可安装在悬臂头部的臂架带式输送机左右两侧的下方钢结构上（见图4），激光头朝向正下方，左侧激光器扫描面与悬臂平行。右侧激光器装配一个伺服驱动旋转机构（见图5），可以大角度（超过180°）旋转，伺服驱动旋转机构0°时激光器扫描面与悬臂垂直，在伺服驱动机构作用下，至少可以从－ 90°旋转到90°，扫描面全覆盖悬臂下方。可以在激光器上加罩壳进行防尘保护。激光器安装好后，在激光器罩壳的4 个角上贴上反光片，使用莱卡等测量设备标定激光器与整个堆料机的位置关系，以便根据位置关系进行坐标转换。堆料机零位移机时悬臂平行于大车轨道，这时使用右侧激光器扫描测得的料堆轮廓距离数据（极坐标），实时存储并通过坐标转换建立或更新料堆轮廓三维坐标（XYZ 坐标）地图。悬臂回转时，2个激光测得数据同时实时更新料堆轮廓三维坐标地图。在三维坐标地图数据库中可通过XY 坐标查询得Z 坐标（高度值）。

图4 安装在悬臂一侧的激光扫描器

图5 带伺服旋转机构的激光扫描器

实时堆料过程中，右侧激光器伺服旋转机构实时旋转扫描，实时更新悬臂下方料堆轮廓坐标数据，由于落料点处的料流从堆料机臂架带式输送机抛料点一直连接到料堆，在料堆三维坐标图上落料点处的实时高度无法直接测得，只能通过落料点附近的料堆高度判断。

落料点的判断方法：

1）物理计算，通过臂架的俯仰角度、回转角度、带式输送机带速，计算出料流的抛物线束，将该抛物线束放到堆场三维坐标图中，则可得出落料点位置坐标区域。落料点中心回转半径R 1 为

式中：L 1 为臂架上胶带抛料点距俯仰角点长度，L 2为回转中心距离俯仰角点水平距离，θ 1 为俯仰角度，v 1为胶带运行速度，g 为重力加速度，T 2 为垂直方向速度为v 1sinθ 1 处点到锥顶处位置经过的时间。根据落料点回转半径及堆料机的位置状态，经过坐标变换可得落料点三维坐标。在该区域外附近取一些适合点的Z 坐标值则可得实时堆料高度。

2）在扫描的料堆轮廓坐标图上，取理论落料点周围一定范围内（例如X、Y 坐标±5 m 区域）的三维坐标数据进行立体几何分析，由于自然堆积物料的安息角一般40°左右，显然从上而下直插料堆的料流不符合自然安息角的条件，落料点处必存在安息角远大于40°的“奇点”，这些“奇点”的Z 坐标值当然也不正确，找到这些“奇点”坐标，然后在这些“奇点”以外的附近区域找到Z 坐标极大值点则为实时堆料高度。在料流停止的特殊情况下（这时程序查询不到“奇点”存在），以原料流位置Z 坐标为堆料高度。第一次开始堆料或料流停止情况下，机构发生移动时以理论落料点位置Z 坐标为准。

假如落料点附近扫描的料堆轮廓坐标为如下矩阵

编程序查询料流位置坐标时，一个较简单的办法是，可先选择区域内最小Y 坐标固定，X 坐标从小到大依次增加一个步进值（如0.5 m），判断Z 坐标增量绝对值是否大于设定值（如2 m，正常自然堆积的物料在0.5m 范围内，高度差值不应超过0.5 m），假如有Z 坐标增量大于2 m 或小于－ 2 m 的情况，记录从Z 坐标增量大于2 m 开始（到小于－ 2 m 之间，如果有）的一条线上所有点的三维坐标。X 坐标到达选定区域最大后将Y坐标增加一个步进值并固定，X 坐标从小到大重新查询Z 坐标增量，假如有Z 坐标增量绝对值大于2 m 的情况，也记录区间曲线上点的三维坐标。如此反复直到区域内Y 坐标达到最大查询结束。将记录的三维坐标全部列出，假如这些点坐标都在理论落料点附近（例如±3 m），则可认为这些坐标代表的确实为料流。总之，料流的特征很明显，根据料堆轮廓坐标数据及堆料及位置状态，采用类似图像识别的分析方法，是可以准确判别的。料流坐标找到后，紧挨着料流坐标附近靠近激光器一侧的点的Z 坐标极大值可以认定为实时堆料高度。

堆料机料流位置较好判定，斗轮堆取料机由于斗轮的存在，对料流的判断是一个干扰项，但是斗轮的坐标根据机械机构尺寸及俯仰、大车、回转位置是可以确定的，使用斗轮堆取料机堆料时料流的查询则需要避开斗轮的坐标位置。这种情况注意将带伺服旋转机构的激光扫描器安装在不靠斗轮的一侧，同理悬臂下方凸起的装置如悬臂锚定座等都有明确的坐标位置，这些区域的数据需要处理后才能使用。

对于料流后面激光器扫描不到的区域，其坐标值可先认定与料流高度相同并做虚拟标记，最终要从激光器这一侧的料流附近选取激光器可直接测量的点判定实时堆料高度，避开料流后面激光扫描器无法测得的区域。

5 结语

回转步进堆料法是综合性能十分优异的一种堆料方式。通过激光测距仪检测实时堆料高度及通过激光扫描器构建三维料堆轮廓，实现大车横行全自动堆料已取得重大成果。基于激光扫描器的全自动回转步进堆法即将在散货码头推广应用。