神东锦界矿智能机器人采制样系统调试与应用

鞠 晨，刘咏存

(1.国能神东煤炭技术研究院，陕西 神木 719315；2.上海方酋机器人有限公司，上海 201111)

锦界矿商品煤采样、制样原本靠人工完成，人工采样不仅劳动强度大、成本高，还存在一定的安全隐患，同时采样过程受人为因素影响较大，比如采样点随机性、样品粒度、人员素质、工具规格、环境位置等的局限，煤样代表性无法保障，导致产品化验结果与实际存在一定偏差。除此之外，为保证化验结果的准确性，单次人工采样量及样量总重必须达到国标，并且采样员除采样工作外，还需要完成制样缩分、弃样处理等工作，劳动强度较大。本着降低工作量、减员提效、安全生产的原则，锦界矿研制并实施了智能机器人采制样系统。

1 智能机器人采制样系统简介

1.1 系统简介

智能机器人采制样系统是针对煤矿传统人工采样以及机械采样现状，集机械、控制、电子及计算机等专业为一体，运用大型六轴工业机器人技术开发而成，解决了长期以来汽车、火车人工采样效率低、误差大等问题。

该系统由大型六轴工业机器人、采样头、传感器、可编程控制器(PLC)、触摸屏、控制软件、自动制样设备及视频监控等组成。系统可自动判断车辆类型且根据预设采样点数量随机分配采样区域，具有手动、自动两种工作模式，并设有预警信号、报警提示、视频监控等多项保护措施。

1.2 功能概述

智能机器人采制样系统具有以下功能特点：

(1)不停车采样：在火车装车过程中自动完成采样工作；

(2)采样周期短：单次采样周期在10 s左右；

(3)智能判断：自动判断车厢位置、车速，随机分配车厢采样点位置，自动子样称重、换桶，自动弃样，全程可无人值守；

(4)缩分比可调：用户可根据需要调整出料粒度(6 mm或13 mm)及缩分比，与传统设备相比，方便快捷；

(5)采样方式：钻探式采样，钻探深度0～500 mm可调；

(6)单次采样量：0～10 kg；

(7)控制方式：系统支持手动或者自动采样，用户可根据现场情况随时调整；

(8)封闭设计：体积小便于安装，设备连接处完全密闭，噪音低且防尘，可最大限度降低水分损失。

2 系统调试

系统调试主要包含单机调试、联合调试以及带载调试，通过不断调整各项参数，保证采制样设备性能最优，并最终实现系统稳定高效运行。

2.1 设备单机调试

单机调试主要适用于各采样、制样设备远程就地控制以及保护信号测试(过载、失速等)。采样设备主要为机器人与采样头，制样设备包含入料出料螺旋、破碎机、缩分器、提升机等。

机器人与采样头为整套系统的核心机构，缩分器采用新型全密闭式往复摆动机构。

2.1.1 机器人调试

机器人调试主要包含运动轨迹、逻辑运算以及中断程序等。

机器人调试首先要确定关键运动到达点位(原点、采样点、放样点等)以形成采样运动轨迹，在定点过程中必须避免以下事项：

(1)奇点：机器人各个关节轴存在奇点位置，当机器人以恒定速度运动时，若发生奇点，机器人会强制报警停止，程序无法继续执行；

(2)运动姿态：机器人本体六轴采样头安装法兰盘必须保证垂直于大地坐标或基座标系，否则会导致机器人下探时采样深度与预设偏差过大，并且增加机器人采样过程中发生碰撞报警的几率；

(3)运动速度：机器人运动速度直接影响单次采样周期，速度过大不仅会增加设备磨损，而且会增加碰撞报警的几率。

机器人根据控制器(PLC)反馈的实时信号执行简单逻辑运算，判定当前条件是否执行采样命令。中断程序主要用于处理紧急事项(碰撞、系统急停)，中断发生时机器人停止动作并执行初始化(报警消除并返回原点)。

2.1.2 采样头调试

锦界矿智能机器人采样头采用钻探式设计，上部分为气动伸缩机构，在下探采样前该机构动作，将刚性连接转换为柔性连接，该设计主要为避免在下探取样过程中因水平方向火车拉力而导致的机器人碰撞报警。采样头下部分为螺旋取样机构，在采样过程中机器人带动采样头执行垂直方向下探动作，伺服电机带动螺旋机构旋转取样，配合完成单次采样工作。由于取样工作在火车行进过程中完成，并且因煤质和采样深度以及车速等原因，伺服电机取样时需要的扭矩不同，因此需要调整伺服电机驱动器部分参数，以达到最佳运转性能，其中主要参数调整包括电机运动模式、转速、偏移校准、报警阈值等。

图1 螺旋式采样头

另外由于装车车辆车型不一，且煤料表面非水平，在采样头两侧增加测距传感器，以保证不同车厢采样时采样深度一致。

测距采用超声波传感器，通过设定声锥宽度、平均值、最小值等参数，并且取距离探测面平均值的方式减小测量误差，使采样深度无限趋近于设定值，防止出现因测距问题导致采样下探距离较设定过深而导致下探过程中机器人发生碰撞报警等危险状况。

2.1.3 缩分器调试

缩分器采用往复摆动机构，由伺服电机带动该结构在起始点与停止点间做往复运动，切割煤流以达到缩分作用。缩分比则通过伺服电机转速和摆动频率调整，缩分器设置缩分档位，管理人员可通过上位机操作更改。

缩分器伺服电机驱动器采用相对位置模式运动，为防止在缩分过程出现定位偏差过大，导致驱动器报警，缩分器必须设置零点，设备开启时必须先归零而后才能执行缩分动作。

2.2 联合调试

联合调试主要测试设备的联动启停以及机器人与控制系统(PLC)的信号交互等。

2.2.1 联动启停

设备处于远程控制模式下，操作人员通过上位机系统启停按钮完成对机器人采制样系统的启停操作。启动顺序为机器人(自动模式)—弃样螺旋—提升机—集料器—缩分器—破碎机，每台设备启动间隔2 s。

系统停止分为手动停止和自动停止，手动停止适用于在装车暂未结束或者因其他原因需提前停止采样的情况下，通过操作台急停按钮信号控制系统停止。在急停信号触发时，首先机器人自动缓慢回至原点，然后制样设备按破碎机—缩分器—集料器—提升机—弃料螺旋的顺序依次停止运转，设备停止间隔2 s。

自动停止则是系统根据传感器信号判断采样结束，无需人工任何操作，机器人会自动返回至原点，且制样设备以上述顺序依次停止。

2.2.2 机器人与控制系统(PLC)信号交互

在采样工作进行过程中，机器人必须保证实时与控制器进行数据交互，将自身运动状态反馈给控制器，再由控制器做下一步运动部署。

为最大程度保证系统通讯的实时性与稳定性，机器人与控制器采用工业以太网(Ether net IP)通讯，该通讯需配置以下参数：

(1) 设定机器人端通讯参数，主要为IP地址、输入输出通道配置等；

(2) 创建所需变量，并逐一分配地址；

(3) 控制器端配置IP地址、输入输出通道等，并与机器人端完全保持一致；

(4) PLC控制器端创建相应变量并分配地址，各变量地址必须与机器人端相互对应；

2.3 带载调试

带载调试主要通过调整部分参数(机器人移动线速度、采样头转速、采样深度等)以保证火车不停车采样，最大程度降低单次采样周期，满足单次采样量国标要求。

2.3.1 火车不停车采样

由于采样头在火车行进过程中下探到一定深度取样，在此过程中采样头易受火车行进方向的拉力和煤样垂直向上的反作用力而导致机器人碰撞报警。

在采样头下探取样过程中，机器人除垂直方向以一定速度运行外，在水平方向以火车速度做跟踪平移，该速度以测速传感器实时反馈值为准。机器人下探时垂直方向的运动速度需经反复测试，既保证了采样周期，又避免了采样过程中因机器人报警导致的采样工作中断。

2.3.2 采样周期

采样深度与速度是影响采样周期的主要因素，同时采样深度过大会增大机器人碰撞报警的频率。经反复试验，确定采样深度在0～500 mm时机器人可顺利完成采样工作，采样深度在200～500 mm时，单次采样周期稳定在10 s左右，满足单节车厢1点或多点采样。

2.3.3 单次采样量

采样头单次采样量影响因素主要有转速与采样深度，转速过慢时导致单次采样量偏少，且增大机器人碰撞报警频率以及单次采样周期。转速过快则导致煤样从夹具溢煤口流出，留存样量偏少。经多次测试，采样深度200～500 mm时，单次采样量在3～10 kg，满足国标及用户要求。

3 结 论

智能机器人采制样系统的成功研制与实施，解决了长期以来锦界矿人工采样存在的效率低、误差大、工作强度大等问题，在该系统调试与应用过程中得出如下结论。

(1)不停车采样过程中，为杜绝采样头下探采样过程中机器人受垂直方向或水平方向的作用力发生碰撞报警，机器人垂直方向的下探速度必须以实际测试结果为准，水平方向必须以火车速度做一定距离的平移运动。

(2)采样深度与速度是影响采样周期的主要因素，采样深度在200～500 mm，单次采样周期稳定在10 s左右，满足单节车厢1～5点多点采样。

(3)单次采样量影响因素主要有夹具转速与采样深度，调整采样深度在200～500 mm时，单次采样量在3～10 kg。

(4)在应对不同煤种采样时，采样头转速、采样下探速度、采样深度、报警阈值等参数设定必须以带载实测结果为准，单一调整上述任一参数对采样周期或单次采样量难以有实质性影响，必须各参数互相配合调整，才能将采样效果达到最佳。

(5)机器人作为整套系统的核心执行机构，在采样过程中必须保持与控制系统(PLC)数据交互的实时性与稳定性，避免控制系统因未及时处理设备故障报警而导致采样作业中断，甚至损伤采样头等事故的发生。