神東錦界礦智能機器人采制樣系統調試與應用

鞠 晨，劉詠存

(1.國能神東煤炭技術研究院，陜西 神木 719315；2.上海方酋機器人有限公司，上海 201111)

錦界礦商品煤采樣、制樣原本靠人工完成，人工采樣不僅勞動強度大、成本高，還存在一定的安全隱患，同時采樣過程受人為因素影響較大，比如采樣點隨機性、樣品粒度、人員素質、工具規格、環境位置等的局限，煤樣代表性無法保障，導致產品化驗結果與實際存在一定偏差。除此之外，為保證化驗結果的準確性，單次人工采樣量及樣量總重必須達到國標，并且采樣員除采樣工作外，還需要完成制樣縮分、棄樣處理等工作，勞動強度較大。本著降低工作量、減員提效、安全生產的原則，錦界礦研制并實施了智能機器人采制樣系統。

1 智能機器人采制樣系統簡介

1.1 系統簡介

智能機器人采制樣系統是針對煤礦傳統人工采樣以及機械采樣現狀，集機械、控制、電子及計算機等專業為一體，運用大型六軸工業機器人技術開發而成，解決了長期以來汽車、火車人工采樣效率低、誤差大等問題。

該系統由大型六軸工業機器人、采樣頭、傳感器、可編程控制器(PLC)、觸摸屏、控制軟件、自動制樣設備及視頻監控等組成。系統可自動判斷車輛類型且根據預設采樣點數量隨機分配采樣區域，具有手動、自動兩種工作模式，并設有預警信號、報警提示、視頻監控等多項保護措施。

1.2 功能概述

智能機器人采制樣系統具有以下功能特點：

(1)不停車采樣：在火車裝車過程中自動完成采樣工作；

(2)采樣周期短：單次采樣周期在10 s左右；

(3)智能判斷：自動判斷車廂位置、車速，隨機分配車廂采樣點位置，自動子樣稱重、換桶，自動棄樣，全程可無人值守；

(4)縮分比可調：用戶可根據需要調整出料粒度(6 mm或13 mm)及縮分比，與傳統設備相比，方便快捷；

(5)采樣方式：鉆探式采樣，鉆探深度0～500 mm可調；

(6)單次采樣量：0～10 kg；

(7)控制方式：系統支持手動或者自動采樣，用戶可根據現場情況隨時調整；

(8)封閉設計：體積小便于安裝，設備連接處完全密閉，噪音低且防塵，可最大限度降低水分損失。

2 系統調試

系統調試主要包含單機調試、聯合調試以及帶載調試，通過不斷調整各項參數，保證采制樣設備性能最優，并最終實現系統穩定高效運行。

2.1 設備單機調試

單機調試主要適用于各采樣、制樣設備遠程就地控制以及保護信號測試(過載、失速等)。采樣設備主要為機器人與采樣頭，制樣設備包含入料出料螺旋、破碎機、縮分器、提升機等。

機器人與采樣頭為整套系統的核心機構，縮分器采用新型全密閉式往復擺動機構。

2.1.1 機器人調試

機器人調試主要包含運動軌跡、邏輯運算以及中斷程序等。

機器人調試首先要確定關鍵運動到達點位(原點、采樣點、放樣點等)以形成采樣運動軌跡，在定點過程中必須避免以下事項：

(1)奇點：機器人各個關節軸存在奇點位置，當機器人以恒定速度運動時，若發生奇點，機器人會強制報警停止，程序無法繼續執行；

(2)運動姿態：機器人本體六軸采樣頭安裝法蘭盤必須保證垂直于大地坐標或基座標系，否則會導致機器人下探時采樣深度與預設偏差過大，并且增加機器人采樣過程中發生碰撞報警的幾率；

(3)運動速度：機器人運動速度直接影響單次采樣周期，速度過大不僅會增加設備磨損，而且會增加碰撞報警的幾率。

機器人根據控制器(PLC)反饋的實時信號執行簡單邏輯運算，判定當前條件是否執行采樣命令。中斷程序主要用于處理緊急事項(碰撞、系統急停)，中斷發生時機器人停止動作并執行初始化(報警消除并返回原點)。

2.1.2 采樣頭調試

錦界礦智能機器人采樣頭采用鉆探式設計，上部分為氣動伸縮機構，在下探采樣前該機構動作，將剛性連接轉換為柔性連接，該設計主要為避免在下探取樣過程中因水平方向火車拉力而導致的機器人碰撞報警。采樣頭下部分為螺旋取樣機構，在采樣過程中機器人帶動采樣頭執行垂直方向下探動作，伺服電機帶動螺旋機構旋轉取樣，配合完成單次采樣工作。由于取樣工作在火車行進過程中完成，并且因煤質和采樣深度以及車速等原因，伺服電機取樣時需要的扭矩不同，因此需要調整伺服電機驅動器部分參數，以達到最佳運轉性能，其中主要參數調整包括電機運動模式、轉速、偏移校準、報警閾值等。

圖1 螺旋式采樣頭

另外由于裝車車輛車型不一，且煤料表面非水平，在采樣頭兩側增加測距傳感器，以保證不同車廂采樣時采樣深度一致。

測距采用超聲波傳感器，通過設定聲錐寬度、平均值、最小值等參數，并且取距離探測面平均值的方式減小測量誤差，使采樣深度無限趨近于設定值，防止出現因測距問題導致采樣下探距離較設定過深而導致下探過程中機器人發生碰撞報警等危險狀況。

2.1.3 縮分器調試

縮分器采用往復擺動機構，由伺服電機帶動該結構在起始點與停止點間做往復運動，切割煤流以達到縮分作用?？s分比則通過伺服電機轉速和擺動頻率調整，縮分器設置縮分檔位，管理人員可通過上位機操作更改。

縮分器伺服電機驅動器采用相對位置模式運動，為防止在縮分過程出現定位偏差過大，導致驅動器報警，縮分器必須設置零點，設備開啟時必須先歸零而后才能執行縮分動作。

2.2 聯合調試

聯合調試主要測試設備的聯動啟停以及機器人與控制系統(PLC)的信號交互等。

2.2.1 聯動啟停

設備處于遠程控制模式下，操作人員通過上位機系統啟停按鈕完成對機器人采制樣系統的啟停操作。啟動順序為機器人(自動模式)—棄樣螺旋—提升機—集料器—縮分器—破碎機，每臺設備啟動間隔2 s。

系統停止分為手動停止和自動停止，手動停止適用于在裝車暫未結束或者因其他原因需提前停止采樣的情況下，通過操作臺急停按鈕信號控制系統停止。在急停信號觸發時，首先機器人自動緩慢回至原點，然后制樣設備按破碎機—縮分器—集料器—提升機—棄料螺旋的順序依次停止運轉，設備停止間隔2 s。

自動停止則是系統根據傳感器信號判斷采樣結束，無需人工任何操作，機器人會自動返回至原點，且制樣設備以上述順序依次停止。

2.2.2 機器人與控制系統(PLC)信號交互

在采樣工作進行過程中，機器人必須保證實時與控制器進行數據交互，將自身運動狀態反饋給控制器，再由控制器做下一步運動部署。

為最大程度保證系統通訊的實時性與穩定性，機器人與控制器采用工業以太網(Ether net IP)通訊，該通訊需配置以下參數：

(1) 設定機器人端通訊參數，主要為IP地址、輸入輸出通道配置等；

(2) 創建所需變量，并逐一分配地址；

(3) 控制器端配置IP地址、輸入輸出通道等，并與機器人端完全保持一致；

(4) PLC控制器端創建相應變量并分配地址，各變量地址必須與機器人端相互對應；

2.3 帶載調試

帶載調試主要通過調整部分參數(機器人移動線速度、采樣頭轉速、采樣深度等)以保證火車不停車采樣，最大程度降低單次采樣周期，滿足單次采樣量國標要求。

2.3.1 火車不停車采樣

由于采樣頭在火車行進過程中下探到一定深度取樣，在此過程中采樣頭易受火車行進方向的拉力和煤樣垂直向上的反作用力而導致機器人碰撞報警。

在采樣頭下探取樣過程中，機器人除垂直方向以一定速度運行外，在水平方向以火車速度做跟蹤平移，該速度以測速傳感器實時反饋值為準。機器人下探時垂直方向的運動速度需經反復測試，既保證了采樣周期，又避免了采樣過程中因機器人報警導致的采樣工作中斷。

2.3.2 采樣周期

采樣深度與速度是影響采樣周期的主要因素，同時采樣深度過大會增大機器人碰撞報警的頻率。經反復試驗，確定采樣深度在0～500 mm時機器人可順利完成采樣工作，采樣深度在200～500 mm時，單次采樣周期穩定在10 s左右，滿足單節車廂1點或多點采樣。

2.3.3 單次采樣量

采樣頭單次采樣量影響因素主要有轉速與采樣深度，轉速過慢時導致單次采樣量偏少，且增大機器人碰撞報警頻率以及單次采樣周期。轉速過快則導致煤樣從夾具溢煤口流出，留存樣量偏少。經多次測試，采樣深度200～500 mm時，單次采樣量在3～10 kg，滿足國標及用戶要求。

3 結 論

智能機器人采制樣系統的成功研制與實施，解決了長期以來錦界礦人工采樣存在的效率低、誤差大、工作強度大等問題，在該系統調試與應用過程中得出如下結論。

(1)不停車采樣過程中，為杜絕采樣頭下探采樣過程中機器人受垂直方向或水平方向的作用力發生碰撞報警，機器人垂直方向的下探速度必須以實際測試結果為準，水平方向必須以火車速度做一定距離的平移運動。

(2)采樣深度與速度是影響采樣周期的主要因素，采樣深度在200～500 mm，單次采樣周期穩定在10 s左右，滿足單節車廂1～5點多點采樣。

(3)單次采樣量影響因素主要有夾具轉速與采樣深度，調整采樣深度在200～500 mm時，單次采樣量在3～10 kg。

(4)在應對不同煤種采樣時，采樣頭轉速、采樣下探速度、采樣深度、報警閾值等參數設定必須以帶載實測結果為準，單一調整上述任一參數對采樣周期或單次采樣量難以有實質性影響，必須各參數互相配合調整，才能將采樣效果達到最佳。

(5)機器人作為整套系統的核心執行機構，在采樣過程中必須保持與控制系統(PLC)數據交互的實時性與穩定性，避免控制系統因未及時處理設備故障報警而導致采樣作業中斷，甚至損傷采樣頭等事故的發生。