袋装水泥机器人自动装车系统设计及应用

华文孝 谢 赛

（长沙长泰机器人有限公司，长沙，410117）

0 引言

目前国内袋装水泥装车依然主要靠人工来实现，劳动强度大，现场粉尘大、环境恶劣，而且装车工人需要穿戴整齐的防护服，戴过滤式防护口罩，特别是夏天，高温高湿，工人苦不堪言，故采用自动装车设备代替人工，实现自动装车势在必行。

国外发达国家已有自动装车设备，国内也有一些企业模仿国外自动装车设备生产出类似设备，因国外发达国家规范了水泥运输车车型，所以运行良好，而国内未做相应规范，水泥运输车从平板车到农用车，种类多达几十种，自动装车设备无法满足现有需求。所以开发一种满足国内多种水泥运输车的袋装水泥自动装车系统，迫在眉睫。

1 国内外水泥装车现状

1.1 装车现场状况

为了便于装车，水泥灌装机布置在施工现场的二楼，将灌装好的水泥袋，通过皮带输送线输送到装车位置，然后通过斜皮带输送至车厢上方，人工将袋装水泥推至车厢内，利用皮带的前后移动，将水泥袋装满整个车厢（如图1所示）。从图1中可以看出现场环境恶劣：粉尘多、劳动强度大。

图1 人工装车

该环境下工人易患尘肺病，所以工人一般工作年限都不能太长，企业存在招工困难等难题，而且目前工人主力为60年代后，有一部分是50年后和70年代后，随着50、60年代后人员逐步退休，而年轻人又不愿意干这类工作，相关企业面临招不到工人的困境。

1.2 袋装水泥运输车

由于国内未对袋装水泥运输车进行规范要求，因而造成袋装水泥运输车多种多样、外形各异、尺寸差异极大。一般运输车车厢长度为2-12.5m，宽度为1.8-2.5m，高度为1-2.5m，如图2所示。这种多车型的状况造成自动装车专机难以推广应用。

图2 水泥运输车

1.3 自动装车专机

目前，国外自动装车专机主要有德国HAVER（见图3）、丹麦史密斯（见图4）品牌等。二者结构有所不同。HAVER采用引导板及气缸推板的结构，将水泥袋一层层整理堆放至车厢层；史密斯采用推板结构，先将水泥袋整理成层状，然后利用吸盘及升降机构将水泥袋放置到车上。HAVER自动装车方式对水泥包装袋没有特殊要求，而史密斯自动装车方式要求水泥包装袋必须不透气，密封效果好，这样才能保证设备的正常使用。

图3 HAVER自动装车

图4 史密斯自动装车

国内自动装车专机与HAVER和史密斯类似，一种方式也是采用推板整理，层式堆放的方式如图5所示；另一种方式是在史密斯抓放的方式上做了改进，以解决国内水泥袋密封性差，不能采用吸盘吸取的问题，通过采用抓手取放方式，然后利用龙门行走，以达到装满整个车厢的效果，如图6所示。

图5 国内推板整理堆放方式

图6 国内桁架抓放方式

1.4 机器人自动装车

国外已有机器人自动装火车的应用，如图7所示，该方式的车厢尺寸和位置是相对固定的；也有自动装汽车应用，如图8所示，该方式只能适应几种固定车型，而且需要车辆停靠的位置较准确（理论位置误差应≤50mm），否则自动码放就会出现问题。但是这两种方式都不能满足国内袋装水泥运输车多样化、水泥袋包装密封不佳、需要配备除尘系统以及目前水泥厂现有装车巷道空间有限的状况。

图7 机器人自动装火车

图8 机器人自动装汽车

2 袋装水泥机器人自动装车

国内袋装水泥自动装车存在车辆尺寸差异大、停车位置一致性不高、巷道空间有限、装车节拍快（一般为90-120t/h）、系统需要除尘、需要适应各种天气等问题。

为解决上述问题，本文设计了一套袋装水泥机器人自动装车系统（见图9），采用激光视觉来检测车厢，可精确测量车厢尺寸和精准确定车厢位置，再配合机器人的高柔性特点，可实现几乎所有车型的自动装车。该系统充分发挥两者优势：激光视觉不需要外部光源，不受光线强弱变化的影响，可适用各类天气状况；机器人柔性好、稳定性高、工作半径大、维护成本及工作量少，可执行复杂动作，能适用恶劣的工作环境，可满足各类不同尺寸的车辆装车。

图9 采用自动专车系统进行现场装车

该系统工作流程具体如下：

1）车辆进入装车区域后，系统提示、引导司机将车停靠在指定位置；

2）激光视觉系统找出车厢位置、测量出车厢尺寸，并根据装车吨位要求，建立水泥装车坐标；

3）输送系统和机器人根据激光视觉给定的坐标运动至指定位置；

4）包装机启动，包装水泥，并通过皮带输送线，将袋装水泥输送至系统滚筒输送线前端；

5）两台机器人利用气动抓手，交替从输送系统前端抓取水泥袋，并按照系统设定程序码放；

6）在码放一定数量的水泥袋后，输送系统和机器人移动一定的距离，继续码放工作；

7）码放完成要求的数量后，机器人和输送系统返回原位并提示司机装车完成；

8）司机将车开出装车位，下一台车开进装车位，进行装车工作。

2.1 系统构成

袋装水泥机器人自动装车系统主要由输送系统、机器人系统、机器人行走机构、气动抓手、激光视觉系统、控制系统等组成。输送系统的平皮带与原有输送线对接，可在楼面轨道上行走，在输送系统斜皮带的末端增加辊筒输送线，便于抓手抓取水泥袋，机器人行走机构布置在装车巷道的两侧，机器人安装在机器人行走机构上，气动抓手安装在机器人末端，激光系统安装在气动抓手上。

图10 自动装车系统组成

2.2 输送系统

在输送系统中，皮带输送和辊筒输送相结合，皮带输送与前端水泥包装输送线对接；辊筒输送线与机器人对接，辊筒输送线设有避位槽，方便机器人抓手从水泥袋下方实现快速抓取。系统采用四连杆结构保证辊筒输送线在调整高度时始终保持水平，利用电动葫芦实现辊筒线升降，通过拉绳式位移传感器检测输送线水平位置和辊筒输送线高度位置，保证机器人能够准确对齐辊筒输送线避位槽位置，并准确抓取水泥袋实现精确码放。

2.3 机器人

图11 机器人系统组成

图11 为机器人系统组成，其中，①是机器人本体、②是连接电缆、③是控制系统、④是示教器。本文采用库卡公司的码垛机器人，其工作范围大、速度快、工作性能可靠，能适应不同车型的码放要求。机器人相关参数见表1。

表1 机器人的参数

2.4 机器人行走机构

机器人行走机构由支腿、底架、导轨、机器人底、拖链、驱动系统等组成。采用伺服电机、减速机驱动，齿轮、齿条为传动，滚轮导轨导向，运行噪音较小，定位精准，行走速度0～1m/s。

2.5 气动抓手

气动抓手由安装板、气缸、铰座、夹爪、气动控制系统等组成，其结构简单、可靠，采用气缸驱动，可实现快速抓取和释放。

2.6 激光视觉系统

激光视觉系统采用三维智能轮廓扫描传感器，通过扫描，检测出车厢的尺寸和位置，为后续的码垛工作提供规划依据，如图12所示。

图12 激光视觉系统检测示意图

整个装车系统具体参数见表2。在实际应用中，也可根据要求进行拓展。

表2 本自动装车系统参数

3 与专机自动装车设备比较

将本文设计机器人装车系统与专机自动装车进行比较，具体数据见表3。

表3 机器人装车与专机自动装车比较

4 经济效益

本机器人装车系统在整个装车过程中实现了全自动化，不需要固定人员。与现有人工装车方式相比，本系统主要在机器人及行走机构、前端辊筒线，抓手用压缩空气和套袋设备等设备上增加了能耗。

具体效益比较如下。

1）机器人及行走机构能耗：单台功率约8kW，两台合计16kW；

2）辊筒线能耗：电机功率约为0.55kW；

3）抓手能耗：抓手耗气量约16L/min，折成能耗为0.17kW；

综上所述，与现有人工装车方式比较，本系统设备全负荷运行时增加的总能耗为16.72kW。

当前工业用电成本约0.6元/度，设备能耗为16.72kW，水泥装车能耗费用为0.0836元/t，年运营费用以每年工作345天，每天有效工作12h计算，每袋水泥重50kg，单巷道每年设备可装水泥量为：

40×60× 50÷1000×12×345 = 496800t，

每年运营电费用为：

496800×0.0836 = 4.15 万元，

设备年维护成本在1万元以内，每年费用合计5.15万元。

当前人工费用：

人工装车费用一般为1.5-2元/t，若按1.5元/t计算，完成以上工作量所需人工费用合计为：

496800*1.5=74.52万元。

每年可节省费用：

年使用费用约5.15万元，以74.52万元的人工年费用基数计算，每条巷道每年可创收：

74.52 -5.15=69.37万元。

5 社会效益

采用机器人自动装车系统，可以将装车工人从恶劣的工作环境中解脱出来， 避免装车工人患职业病的风险，减少可能造成的社会矛盾，促进社会的和谐发展。

该系统还可以推广到其他行业类似袋装物品的自动装车中，如饲料、粮食、淀粉、化肥、碳酸钡、碳酸钙、塑料母粒、食盐等。

6 总结

本文设计的自动装车系统将激光与机器人相结合，充分发挥两者优势，可以满足目前袋装水泥运输车的多样性的现状需求；利用原有的装车巷道，降低了投资成本；每年能为客户提供良好的经济效益，同时将装车工人从恶劣的工作环境中解脱出来，具有良好的社会效益。