袋装水泥智能装车系统的设计及应用_陈坤.pdf

：袋装水泥智能装车系统的设计及应用陈坤，李延平，周超（中建材凯盛机器人（上海）有限公司，上海 ）摘要：针对水泥企业采用人工辅助码垛装车，导致工人劳动强度大、作业环境恶劣、安全隐患高等实际问题，该文提出了一种袋装水泥智能化装车系统方案，将工业机器人应用于袋装水泥装车系统，有效提高了装车效率。关键词：袋装水泥；机器人；自动化；智能装车 ，（），）：，：；收稿日期：作者简介：陈坤（），教授级高级工程师 ：随着我国智能制造技术的不断发展，工厂自动化和智能化技术日趋先进。在水泥生产工厂，自动化检测技术、自动化仪表等各种自动化技术和装备在水泥生产环节得到了广泛的应用，从水泥投料到水泥装袋完成，无需人工干预。但是在装车发运这一环节，目前国内多数企业仍使用人工装车或者半自动装车机这种需要人工辅助的半自动装车方式，工人劳动强度大、安全风险高。国外的装车机，除造价高昂以外，对装车车型和水泥包装袋的密封要求都比较高。因此需要能与生产环节相配套的适合国内水泥企业的袋装水泥自动装车设备，以提高效率，减少污染。论文据此设计开发一套以工业机器人为核心的袋装水泥自动装车系统，利用工业机器人柔性、高效、可靠的性能优势来满足国内水泥企业发运车型多样性的实际需求，使装车发运环节和生产环节自动化相匹配，提升袋装水泥全流程智能化和数字化水平。袋装水泥智能装车系统特点袋装水泥智能装车系统布置于两条发运车道中间，一套系统对应两个车道。一侧装车时，另一侧进行停车准备，车辆扫描，可以有效节约等待时间。每套系统配置两套工业机器人，机器人端部设抓手，两台机器人交替协同作业进行装车，通过全新的逻辑算法和系统通讯控制技术实现互不干扰，互不碰撞。机器人可沿移动轨道轴移动，适应长车厢的车辆装车需求，同时降低对车辆的停放要求。利用 激光扫描系统获取的车辆数据信息，机器人端部抓手可伸入车斗内实现低放装车，有效减少扬尘。同时抓手上方收尘罩跟随机器人运动，处理逸散出的粉尘。该智能装车系统可自动化运行装车过程，发运车辆司机只需刷卡操作，其余由该系统各部分实时通讯交互自动执行，实现整个装车过程无人值守。智能装车系统具有完善的安全报警机制，包括系统监控、防碰报警、急停按钮等，可以在各种情况下保证系统设备以及周边人员的安全。袋装水泥智能装车系统主要由 激光扫描系统、输送系统、机器人系统、袋装水泥智能装车指导系统、装车在线控制系统构成，如图所示。其中，激光扫描系统主要用于检测车辆的尺寸数据和位姿信息；输建材世界 年第 卷第期送系统主要用于袋装水泥的输送、整平，水泥包通过来料皮带、转接机构、下行皮带输送至调距皮带，动态调节至合适的间距，然后通过整形机构将水泥包压实整平，接着输送至排包皮带进行成组排包并转运至停包抓取皮带的预定位置；机器人系统包含两台工业机器人，机器人底部轨道轴用于机器人在装载过程中往复行走码放，机器人设置抓手，从输送系统的抓包位置抓取成组水泥袋，进行码垛装车；袋装水泥智能装车系统平台主要根据扫描系统得到的车辆数据信息，通过智能算法生成码放模型，指导机器人按预定模型规则码放水泥袋；装车在线控制系统主要包括上位机和 ，主要用于各系统间的信息数据交互通讯并与上游的水泥包装机以及企业一卡通销售系统联动，控制整个作业过程。袋装水泥智能装车系统的工作流程如图所示，车辆开票制卡进入厂内，司机根据 激光扫描系统设置在包装发运车间入口处的语音和显示屏提示将车辆开进对应装车道，根据地标线路引导将车开至装车指定位置，然后刷卡即可启动该智能装车系统。激光扫描系统对车辆数据和位置信息进行自动测量，将所测车体数据计入装车指导系统，该数据与车牌号、装车吨位等数据对应。如果车辆停止位置和姿态偏离出袋装水泥智能装车系统标定的装车区域，激光扫描系统会通过显示屏显示，同时配合声音提示和警示灯闪烁提醒司机将车辆重新停位。装车指导系统根据测量的车体尺寸信息及刷卡获得的装载信息，自动生成装车模型数据发送给装车在线控制系统。同时工业机器人系统启动，开始装车，直至完成需要装载的重量。装车完成后，司机根据提示将车辆驶离，自动装车系统重复装下一辆车辆。袋装水泥智能装车系统工作原理 激光扫描系统 激光扫描系统布置于装车区域上方，同时在包装车间车道进口处布置有扬声器和显示屏，给车辆提供语音播报和文字提示。系统采用一体化 点云扫描技术对车辆进行扫描，对数据滤波、建模、重构、图云切割，获取车辆各细节数据信息。同时，通过车辆位姿测量技术与系统算法相结合，增强对车体位置、车厢位姿等的物理特征精确识别，降低对车辆停车位置的硬性要求。装车在线控制系统装车在线控制系统为整个袋装水泥智能装车系统的控制中枢，负责接收来自用户的一卡通销售系统的刷卡数据和来自扫描系统的车辆数据信息，分析转化为系统任务，下发给装车指导系统平台和机器人装车终端结构，进而执行相关的装车程序，同时对反馈的信息进行监控和响应处理，控制整个智能装车系统自动化运行。该控制系统可嵌入工厂生产运营管理系统，满足多点交互、监测和控制，联通了工厂物流系统、生建材世界 年第 卷第期产线控制系统之间的数据传输接口。装车指导系统该装车指导系统平台软件主界面如图所示，用户可远程实时查看监控整个装车过程。该装车指导系统和控制系统交互获取车辆数据和装载重量信息，根据车体形状自动计算最优堆垛模型，设置合理的机器人装车位置和堆垛顺序。该装车指导系统可适应多种车型变化，同时将车辆模型计入数据库，下次装车时，可直接调用。该指导系统可根据装车情况，实时更新报表数据，传输至装车在线控制系统。输送系统输送系统连接水泥包装机的主皮带，包含不同功能段，其中调距皮带对连包状况进行处理，将两包拉开间隙，皮带上整形机构对袋装水泥姿态调正；排包皮带对来包按系统装车需求重新编组；停包抓取皮带在机器人轨道轴上多段分布，各段均可停包，机器人将水泥袋抓起放置于货车上，当来料速度较快，机器人来不及抓取时，各段皮带停包具有暂存的功能，起到调节装车节拍的作用。机器人系统两台装车机器人根据控制系统的动作指令，按照装车指导系统计算出的堆垛模型进行装车。机器人的端部抓手根据车辆码放模型，可以同时抓取包或包水泥袋。两台机器人均可在底部轨道轴上往复移动协同装载长车厢车辆。机器人抓手上方的收尘罩跟随机器人移动吸尘。停包抓取皮带配合机器人多段停包，保证机器人就近抓取。通过路径规划和安全技术，两机器人交替协作互不干扰。在机器人周边设有急停开关，任何时间按下急停开关，整套系统立即停止运行，并安装有醒目的信号灯和声音及信息报警装置，发生故障时机器人自动用声光报警，提醒周围和控制中心监控人员。项目应用袋装水泥智能装车系统首次在宁夏赛马水泥有限公司应用，此后陆续在中材株洲水泥、湖南常德南方水泥等水泥企业投产使用。该系统可装载车厢长度从 的多种车型，与前端水泥包装机深度融合，实现从来料到装车全程自动化运行，双机协同作业确保装车效率与水泥包装机动态匹配。装车区域的粉尘浓度经多次定点监测均符合国家环保要求。水泥企业实施智能装车管理后，袋装水泥装车环节仅需管理人员远程监控，有效提升了企业的自动化程度。结论袋装水泥智能装车系统通过智能化的全流程控制以及灵活的机器人应用，提高袋装水泥包装发运环节的整体自动化水准。与传统的单机独立运行的生产模式相比，该技术改造简便易行，效果稳定可靠，能够大幅降低工人与粉尘接触的机会，并且能够有效降低劳动强度。该系统能够与企业销售、生产、智慧物流系统相融合，使袋装水泥生产和发运更安全可控、环保高效。袋装水泥智能装车系统的应用实施，在水泥企业节能减排、降低职业健康危害、产业升级等方面发挥了积极作用，对于水泥企业的智能工厂建设和数字化转型意义重大。（下转第 页）建材世界 年第 卷第期混凝土轨枕疲劳抗裂试验混凝土轨枕达到 龄期后，按照 标准要求进行疲劳抗裂试验。疲劳荷载下，循环加载 万次，卸荷回零后 ，受拉区下缘钢丝处的残余裂缝宽度不得大于；疲劳破坏荷载以枕弯曲裂缝宽度达 或出现斜裂缝时的荷载值计。疲劳破坏荷载不低于设计破坏载荷的 即为合格。试验结果如表所示。表轨枕疲劳抗裂试验结果编号试验截面荷载上限与下限 加荷振动频率 开裂残余裂缝宽度疲劳破坏载荷 破坏状态正弯矩 未裂 加载至 时裂缝宽度负弯矩 未裂 加载至 时裂缝宽度正弯矩 未裂 加载至 时裂缝宽度负弯矩 未裂 加载至 时裂缝宽度由表可知，两个配合比制作的混凝土轨枕疲劳抗裂性能均能满足 标准要求。结论通过试验可以得出：当环境温度达到 及以上时，掺有新型超早强外加剂配制的混凝土和轨枕与基准配合比配制通过蒸汽养护的混凝土和轨枕性能区别不大，均能满足标准技术要求，完全可以实现免蒸养生产混凝土轨枕；当环境温度在 时，养护时间延长至 也能实现免蒸养生产混凝土轨枕一遍的生产效率；当环境温度低于 时，需采取延长养护时间或者增加保温措施等来实现免蒸养生产混凝土轨枕。参考文献崔嘉铭，蒋元海，黄发军，等预制构件用超早强免蒸养混凝土的研制新型建筑材料，（）：周立志，赵鹏，秦磊装配式建筑中免蒸养混凝土的研究进展建材发展导向，（）：周飞飞免蒸养混凝土关键技术的试验研究南京：东南大学，任陟成机制砂在高性能混凝土轨枕中的应用研究工程建设与设计，（）：（上接第 页）参考文献赵黎明全自动水泥装车机主机关键零部件结构分析与优化武汉：湖北工业大学，梁施华，鲁良山基于工业机器人智能袋装水泥装车系统中国水泥，（）：黄金凤，武金艺，肖景金，等水泥装车机器人结构设计与分析机械设计与制造，（）：褚建伟，苏伟，姬忠全智能袋装水泥装车机器人系统的介绍及应用水泥，（）：建材世界 年第 卷第期