散粮集装箱卸箱机的智能化研究

陈 艺，赵瑞营

(郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450053)

目前，我国散粮集装箱装卸专业机械缺乏且智能化水平不高。其中，北方产区散粮集装箱发放设备陈旧，大多采用皮带输送机等方式装粮；南方销区散粮集装箱接收设备缺乏，多采用吊车卸在场地后用铲车再转运，无论产区还是销区，目前都没有特别合适的散粮集装箱接卸设备[1]。散粮集装箱卸箱机是国内近几年新研发设备，其专用性强，效率高，扬尘小，在南方销区已经开展示范应用。但在使用过程中也存在部分问题。在散粮集装箱卸箱机的安全运行方面，当其大车或小车运行时，如若出现操作不当或疲劳操作，吊具易与集装箱拖车或设备本身的支柱发生碰撞，发生安全事故的概率就会大大提高，轻则损坏设备，重则甚至会造成人员伤亡。在散粮集装箱卸箱机的卸箱效率方面，操作人员需完成从汽车上用吊具卡住集装箱从汽车上卸下，卸出箱内的粮食，再放回汽车上，再完成脱开吊具等一系列操作。操作人员的注意力在整个散粮集装箱卸箱机的使用过程中都显得尤为重要，他们需要全程紧盯作业过程，全神贯注进行集装箱定位及抓箱和卸箱作业，劳动强度高；当其大车或小车运行机构加减速行驶运动时，由于钢丝绳是柔性的，吊具产生的类似于单摆的晃动会对操作造成不小的影响。在运行机构停止时，该现象更加明显，并且这种晃动会影响吊具摆放集装箱的准确性，严重影响设备的工作效率。目前大多数卸箱机中的吊具操作仅依靠操作人员的经验，过度依赖人为因素，无法适应卸箱的高效要求。从保障操作人员、设备安全和提高设备卸箱效率角度，都急需提升设备的智能化。

1 散粮集装箱卸箱机工作原理

散粮集装箱卸箱机(见图1)，包括行车和吊具两部分，行车两端设置有导轨，行车可以沿导轨进行移动；行车上面有两个小车，小车上设置有卷扬机，卷扬机与吊具的四角相连接；小车可以沿行车上面的轨道进行移动。卷扬机带动吊具的四个角可以做升降移动，四个卷扬机可以整体联动，也可以两两联动，四个小车也可以联动及点动。集装箱吊具四个转锁为电动转锁，四个转锁装置联动在一起开关[2]。

图1 散粮集装箱卸箱机示意图

控制系统：散粮集装箱卸箱机的控制系统主要控制行车、4个小车、吊具、锁紧机构等，且因集装箱卸粮作业的特殊性，在作业过程中有时需要联动，有时需要单动。为方便作业人员操作，采用地操和遥控两种型式。

控制系统的功能设计如下：在散粮集装箱卸箱机定位集装箱的过程中，先移动行车的操作按钮，此时，四个小车处于静止状态；待行车基本对位后，四个小车两两联动，操作按键，使小车移动带动吊具对准集装箱；之后将主钩达到联动状态，操作升降按钮，升降吊具；待吊具和集装箱到位后，操作吊具转锁按钮，将吊具转锁和集装箱锁紧；然后将主钩调整到单动状态，此时可以操作集装箱非箱门一侧按钮起升吊具，使集装箱完成倾斜动作，实现卸箱作业。系统配置有急停和停止按钮，以防止出现紧急情况。

散粮集装箱卸箱机已应用于生产实际，作业现场见图2,经过几年的实际应用，还有许多方面急待完善提升。

图2 散粮集装箱卸箱机作业图

2 智能化研究

2.1 集装箱视觉识别与定位技术

机器替代人工完成特定工作时，需要和人一样具有一定程度的外界环境感知能力。其中，人类的感知信息能力，80%是通过视觉获得。随着现代计算机技术、传感器技术以及相应识别算法的发展，机器视觉技术应运而生。该技术主要是通过高清摄像机拍摄(模拟人的视觉)，然后通过计算机技术(模拟人的大脑)，进而实现机器对外界的感知。视觉识别在测量、识别和定位等方面具有得天独厚的优势，如非接触无损测量、高精度定位等。因此，将视觉识别和定位技术引入到集装箱卸箱机的自动化工作过程中具有独特优势。

散粮集装箱卸箱机的视觉识别和定位改造，可以在吊具的四个锁具上面增加固定式摄像头，做到识别集装箱的相对位置，可以采用CCD高清摄像头。其工作过程为：在吊具运行到集装箱上方一定位置时，摄像头按照一定频率拍摄照片，计算机系统通过识别分析，判断出集装箱的4个锁孔位置，并将定位的像素数偏差与基准坐标对比，再依据自身位置和焦距等信息，得出吊具与集装箱的位置偏移量，将数据传到驱动系统，为自动抓箱提供定位数据。

2.2 吊具自动抓箱和卸箱技术

设备控制系统通过任务指令，给散粮集装箱卸箱机发出大车或小车运行指令，使吊具自动运行至集装箱的上方，定位数据的精度应可以满足锁具及转锁的对准精度，该值应在±3 mm以内。如果依据定位信息的反馈，超过可抓起箱标准，则系统反馈给计算机再次进行位置的调节。具体调节过程为：控制系统根据视觉识别和定位的数据，计算出来集装箱位置数据，判断偏移量是否可以满足系统的设定值。如果符合设定值要求，则给出吊具下落及抓箱的命令。不符合设定值要求时，控制系统再次根据偏差，向运动机构发送命令调整位置，直到偏移量满足设定值。在调整到位后，会进行一次校验，确保偏移量无误差，然后进行抓箱及闭锁作业，抓箱闭锁完成后，吊具起升，运行到卸箱工作位置进行卸箱作业。卸箱作业后，控制系统控制吊具运行到集装箱拖车的上方，将吊具与集装箱拖车进行位置比对，完成卸箱动作[3]。

2.3 吊具防碰撞技术

运用吊具防碰撞技术，提高散粮集装箱卸箱机自动化作业的安全性。防碰撞系统利用激光传感器沿小车方向和大车方向实时扫描前方或下方的障碍物，结合实时的小车位置建立周围轮廓信息，实时将小车前进或起升的速度发送给控制系统PLC，实现起升方向的软着陆和小车运行方向上的吊具防撞保护功能，司机无需担心吊具和周围障碍物之间的碰撞[4]。

(1)若空吊具底部(吊具无箱) 或集装箱底部(吊具有箱)的位置在小车运行方向有障碍物时，防碰撞系统会计算小车运行路径上的障碍物和吊具或集装箱的间距，并实时输出小车运行的速度，保证吊具在距离障碍物到设定的距离时，小车运行速度将减速。

(2)吊具下降方向的软着陆功能。当吊具下降时，防碰撞系统会检测吊具或所抓箱子底部与下方地面或拖车车板的距离，将起升速度值发送给控制系统中的PLC，控制起升减速。当距离达到设定的距离时，起升速度将会减速，并一直以此速度下降至下方地面或拖车车面。

2.4 吊具防摇摆技术

运用吊具防摇摆技术，提升卸箱机操控的方便性。吊具与起升机构的连接为钢丝绳柔性连接，产生摇摆的主要因素来源于运动惯性。可以通过电气变频控制速度的手段进行防摇摆的控制。对集装箱卸箱机的改造，可在吊具上安装位置、距离等传感器和检测元件，在运动过程中收集吊具的摆动角度、角速度等参数，将以上参数传输至设备的控制系统，控制系统通过计算，再反馈到变频器系统，进而控制小车的运行速度，做到在启动时缓慢启动，到达位置前，提前进行减速，实现在到达位置时不摇摆的目的。如果对控制系统的算法进行进一步提升，按照单摆减摇的原理进行策略执行，也可以控制吊具的摆动角度，使吊具具备防摇摆的能力[5]。

3 结语

新型散粮集装箱卸箱机通过采用集装箱视觉识别与定位技术、吊具自动抓箱和卸箱技术可以提高卸箱效率，减少人为操作的差错。

吊具防碰撞技术能有效地防止吊具与设备立柱或人之间的碰撞，司机无需担心吊具与设备立柱或人之间发生碰撞，使操作人员能在更简单更安全的环境中工作，同时也使工作更高效。

吊具防摇摆技术能够控制小车到达终点时运动速度，使其在短时间内降低摆动幅度，在卸箱机到达指定位置时，减小吊具相对于小车中心竖直平面内的摆动角度，增加对位精准，进而提高作业效率，减少人员的操作强度，降低作业过程中的安全隐患。

总之，通过对散粮集装箱卸箱机进行集装箱视觉识别与定位技术，吊具自动抓箱和卸箱技术，吊具防碰撞技术及吊具防摇摆技术等方面研究，能够提高散粮集装箱卸箱效率，有效减少安全事故的发生。