杨开东春

1 散货码头常见生产流程及全自动发展现状

目前，世界大宗散料（煤炭、铁矿石）过境运输主要依靠大型散料港口。 卸船机（或门式起重机）将散装物料从货船上卸载到地面皮带输送机上，利用堆垛机或斗轮堆取料机，将地面皮带输送机转移来的散装物料依次堆放在长散货场上，称为入口过程。 采用斗轮取料机或斗轮堆取料机将散装物料从堆场取至地面皮带输送机，然后用装船机将其装载到散装船上，称为出口过程。 利用多台斗轮堆取料机拾取不同的物料，然后通过皮带输送机输送到堆料机重新堆垛的过程称为混合过程。 利用斗轮堆取料机收集物料，然后通过皮带输送机输送到堆料机进行堆垛，称为转场过程。 另外，将物料从卸船机上卸出，不进行堆取操作，直接通过地面皮带输送机输送到装船机上进行装车，称为直接装车流程。

在港口全自动化方面，振华重工制造的厦门源海、青岛港集装箱自动化码头已投入使用，上海洋山港、唐山港自动化码头也即将投入使用。 半自动化在散货码头得到广泛应用，基于激光扫描的全自动化单机堆垛机在上海罗泾港取得了初步成果。 ZPMC在日照兰桥散货港开发了基于激光扫描的全自动堆取料机及远程控制系统。

2 各种堆垛工艺及堆垛机特点

堆垛机堆放散装物料的方式有多种，如旋转连续堆垛法、旋转步进堆垛法、人字车连续堆垛法、小车步进堆垛法、水平小车堆垛法等。 另外，圆形料场拥有自己专用的圆形堆垛机堆垛技术。

采用旋转连续堆垛方式堆垛物料时，悬臂连续旋转，从左向右运行，然后小车后退一定距离，悬臂旋转再从右向左运行，以此类推，直到材料堆满为止。 或到达院子的后边界。

旋转步进堆垛法（或定点堆垛[1]，见图1）与旋转连续堆垛法类似。 小车的操作是一样的，当悬臂旋转到最里面或最外面的位置时，小车向后退一步。 此外，不同之处在于旋转操作不是连续的。 相反，当堆达到一定高度时，旋转每次步进一个角度，直到吊臂到达堆的内边界或外边界，小车再退一步。如果需要混合效果，还可以旋转它分层

图1 旋转台阶堆垛实景图

人字车连续堆垛方式是指堆放物料时小车先连续向前或向后运行，然后在堆垛前后边界处向相反方向连续运行，或者小车旋转步进一个角度然后反转方向。 连续运行直至物料堆放完毕或该区域的物料达到预定的堆放高度。 这种堆积方式截面呈人字形，一般用于混合过程。 小车的逐级堆垛方式与小车的连续堆垛方式类似。 它还在小车的前后边界处旋转一定角度，然后小车向相反的方向迈进。 与小车连续堆垛方式不同的是，小车不是连续运行的。 而是在堆达到一定高度后，小车行走一定的距离，直到到达小车的前后边界，然后旋转（或小车旋转联动）一次一步。 小车水平堆垛法，先将臂架向外侧旋转，打出第一堆，然后随小车旋转连续运行，保持落料点沿垂直于小车轨道的方向向内步进（或连续）移动，直至到达内部边界。 此时，小车向后移动一步距离，然后再次与小车联动旋转运行，保持消隐点沿垂直于小车轨道的方向由内向外步进（或连续），直到到达外边界。 重复此操作，直到物料堆积起来或到达推车的后边界。

连续堆垛方式使物料堆垛更加均匀，特别适合物料的混合。 然而，该机制持续运行，比逐级堆叠方式消耗更多能量。 旋转堆垛方式比小车堆垛方式更节能，因为旋转机构的电机功率比小车机构小很多。 针对人字车的混匀情况，国内已有堆放层数和车行进速度对均质比影响的研究[3]。 回转堆料方式堆出的物料呈弧形，特别适合回转斗轮（堆）取料机取料。 回收物料时，在每堆物料的起点和终点，效率不会降低。 综合比较表明，从节能、场地空间利用率和物料检索效率方面来看，旋转阶梯堆垛方式是最好的。

3 旋转步进堆垛法的实现方法

旋转梯级堆垛方式的主要约束条件为：平行于小车轨道方向（定义为X轴方向）的前后位置Xf和Xb，以及垂直于小车轨道方向的内侧和外侧位置Yi。小车轨迹（定义为Y轴方向）、Yo、垂直和水平方向（定义为Z轴方向）堆垛高度Z h、堆垛车步距Xs、旋转步距角θ s、物料安息角θ a，堆垛吨位T w。 当 Yi、Yo、Z h 没有限制时，就是这样。

旋转梯级码垛示意图如图2所示，全自动旋转梯级码垛流程图如图3所示。

图2 旋转台阶码垛示意图

图3 全自动旋转台阶码垛流程图

根据中控引导参数，根据料堆安息角等条件，在有限区域内建立三维模型。 根据模型计算，旋转的弧线数、每条弧线的起点（起始圆锥顶点的三维坐标和换算后的螺距和旋转角度、小车位置）、每条弧线的终点位置（三锥体终点尺寸坐标及各机构的角度和位置）、弧形堆垛间隔（小车步距值）、堆垛高度（默认为堆垛场地允许的最大堆垛高度或堆垛机的最大堆垛高度） ，旋转步长值； 分层或继续堆垛时，如果新的堆垛高度大于原料堆的高度，则新的堆垛先满足在原料堆上。 达到一定高度后，它会在开阔的场地上扩展。

堆垛过程：全自动启动后，根据小车的当前位置和目标位置以及料场的物料情况，决定是否需要“零位移机”。 堆垛机移动到目标起始位置后，臂架皮带机启动并等待。 地面皮带输送机输送物料。 当检测到有物料来时，如果是“初始堆垛”，则应先建立一个初始物料堆。 料堆高度达到目标高度后，悬臂首先向右旋转一个步距角，堆垛物料。 当检测到落料点堆垛高度达到目标值后，再向右进一步移动一步，直至到达右侧终点位置。 此时小车自动后退一步值堆放物料。 到达堆垛高度后大连铆焊加工，旋转并向左转向。 重复该操作直至达到堆叠高度。 当堆垛吨位或小车到达后边界位置时，自动堆垛结束。 如果到达计算的终点位置（即满足边界条件）时仍有物料未堆垛，则会向中央控制发送警报，系统切换到手动模式。 如果在一定时间内没有人手动干预，堆叠过程将被强制停止。 如果计划堆垛吨位完成后仍未达到边界条件，则会发出警报，提示堆垛完成。 如果过程在一定时间内没有停止，则自动按照原来的方式继续堆叠，直到达到边界条件。 旋转桩的桩轮廓的平滑程度与小车后退的步距值和旋转的步距值有关。 小车和旋转的步距值越小，堆的形状越整齐、越美观，也越容易捡起。 材料。

4 实时堆垛高度检测方法

实时堆垛高度检测的方法有很多种，可以采用机械限位，如电容式料位计、超声波测距仪、激光扫描仪、图像识别等。电容式料位计测量准确，但需要接触物料，容易磨损斗轮堆取料机的，只能测量固定距离，灵活性差； 超声波测距仪不需要接触物料，可以测量连续距离，但测量角度有限。 而且测量结果的准确度较低； 激光扫描仪对环境的适应能力强，测距范围广。 它可以通过旋转附加的伺服驱动旋转机构，或通过堆垛车扫描堆垛并旋转运动来建立三维轮廓坐标。 地图对于自动检索材料非常有用，但它们更昂贵。 图像识别对灰尘环境适应性较差，难以准确测量距离，不推荐使用。 综合比较，激光扫描仪在实时堆垛高度检测和全自动物料检索方面优势明显，值得推荐。

采用两台激光扫描仪，分别安装在堆垛机（或堆取料机）悬臂的左右两侧。 两台激光器可安装在悬臂机头臂架带式输送机左右两侧下部钢结构上（见图4），激光头正对下方，左侧激光扫描面平行到悬臂。 右侧激光器配备伺服驱动旋转机构（见图5），可以大角度（大于180°）旋转。 当伺服驱动旋转机构为0°时，激光扫描面垂直于悬臂梁。 在伺服驱动机构的作用下，它至少可以从90°移动到90°，扫描面完全覆盖悬臂底部。 激光器可加盖防尘。 激光器安装完毕后，在激光器外壳的四个角贴上反光片旅顺铆焊，并使用徕卡等测量设备校准激光器与整个堆垛机的位置关系，以便根据位置关系进行坐标转换。 当堆垛机处于零位移时斗轮堆取料机的，悬臂与小车轨道平行。 此时，用右侧激光扫描所测得的堆垛轮廓距离数据（极坐标），实时存储并通过坐标转换建立或更新，建立或更新堆垛轮廓三维坐标（XYZ 坐标）地图。 当悬臂旋转时，两个激光器测量的数据同时实时更新桩轮廓的三维坐标图。 在三维坐标地图数据库中辽宁铆焊厂，通过查询XY坐标可以获得Z坐标（高度值）。

图4 安装在悬臂一侧的激光扫描仪

图5 带伺服旋转机构的激光扫描仪

实时堆垛过程中，右侧激光伺服旋转机构实时旋转扫描，实时更新悬臂下料堆轮廓坐标数据。 由于落料点的物料流是从堆垛机臂架带式输送机抛料点连接到料堆的，因此无法直接测量料堆三维坐标图上物料落料点的实时高度。 只能通过材料落料点附近料堆的高度来判断。

如何判断消隐点：

1）物理计算：通过俯仰角、臂架旋转角度和带式输送机的速度计算物料流的抛物线束。 将抛物线束放入堆场三维坐标图中，即可得到消隐点。 位置坐标区域。消隐点中心的回转半径R 1 为

式中：L 1 为臂架上皮带抛撒点距俯仰角点的长度，L 2 为旋转中心到俯仰角点的水平距离，θ 1 为俯仰角，v 1 为皮带运行速度，g为重力加速度，T 2 为垂直方向上速度为v 1sinθ 1 的点到圆锥顶部位置所经过的时间。 根据消隐点的转弯半径和堆垛机的位置状态，通过坐标变换即可得到消隐点的三维坐标。 通过取该区域外侧附近一些合适点的Z坐标值，就可以得到实时的堆垛高度。

2）在扫描得到的料堆轮廓坐标图上，取理论下料点周围一定范围内的三维坐标数据（如X、Y坐标±5m区域）进行三维几何分析。 由于自然堆积物的安息角一般为40°，所以在40°左右。 显然，从上到下直接插入料堆的料流不满足自然休止角的条件。 消隐点必须存在休止角远大于 40° 的“奇点”。 这些“奇点”的Z坐标值当然是不正确的。 找到这些“奇异点”的坐标，然后找到这些“奇异点”之外附近区域的Z坐标极大点，这就是实时堆垛高度。 在物料流停止的特殊情况下（程序无法查询是否存在“奇点”时），则以原料流位置的Z坐标作为堆垛高度。 首次开始堆料或料流停止时，机构动作时以理论下料点的Z坐标为准。

如果在消隐点附近扫描到的纸堆轮廓坐标如下：

在编程查询物料流位置坐标时，更简单的方法是先选择待固定区域内最小的Y坐标，然后将X坐标从小到大增加一个步长值（如0.5m），并确定Z坐标增量的绝对值。 是否大于设定值（如2m，正常自然堆积物在0.5m范围内，高差不应超过0.5m），是否存在Z坐标增量大于2m的情况或小于 - 2 m，记录 Z 坐标 以增量大于 2 m 开始（并结束小于 -2 m，如果有）的线上所有点的三维坐标。 当X坐标达到所选区域的最大值后，Y坐标增加一个步长值并固定。 重新从小到大查询X坐标以获得Z坐标增量。 如果Z坐标增量的绝对值大于2m，则也记录间隔曲线。 点的三维坐标。 如此重复，直到区域内的Y坐标达到最大值，查询结束。 列出所有记录的三维坐标。 如果这些点坐标接近理论消隐点（例如±3 m），则可以认为这些坐标确实代表了物料流。 总之，物质流的特征是明显的。 根据桩体轮廓坐标数据以及桩体和位置状态，可以采用类似图像识别的分析方法对其进行准确识别。 找到料流坐标后，可以确定靠近料流坐标且靠近激光侧的点的Z坐标最大值作为实时堆垛高度。

堆垛机的物料流动位置易于确定。 在斗轮堆取料机中，由于斗轮的存在，物料流的判断是一个干扰项。 然而，斗轮的坐标是基于机械机构的尺寸以及俯仰、大车和旋转位置。 可以肯定的是，在使用斗轮堆取料机堆放物料时，物料流向的查询需要避开斗轮的坐标位置。 此时，请将带伺服旋转机构的激光扫描仪安装在不靠近斗轮的一侧。 同样，悬臂下方的凸起装置，如悬臂锚座等，也有明确的坐标位置。 这些区域的数据都需要进行处理。 以后可以用。

对于激光无法扫描到的料流后方区域，可先确定其坐标值与料流高度相同，进行虚拟标记。 最后选择激光器一侧靠近物料流且可以直接用激光测量的点来确定实时堆垛高度。 ，避开物料流后面激光扫描仪无法测量的区域。

5 结论

旋转步进堆垛法是一种综合性能优良的堆垛方法。 通过激光测距仪实时检测堆垛高度，利用激光扫描仪构建三维堆垛轮廓，在实现大卡车全自动堆垛方面取得了显着成果。 基于激光扫描仪的全自动旋转阶梯堆垛方式很快将在散货码头推广应用。