全自動堆料作業方法與流程

2023-05-05 00:46:06

本發明涉及一種堆場自動化方法，更具體地說，涉及一種全自動堆料作業方法。

背景技術：

現有的懸臂式堆料機或堆取料機在執行堆料作業時，需要在堆場指定的區域內將物料堆積成指定高度的料堆，在人工操作的模式下，行走定點堆料方式是司機常用的一種堆料方法。

現有的行走定點堆料的路徑如圖1所示。司機將懸臂1移動到接近堆料區域頭部的第一個堆料點，俯仰角度固定，進行定點堆料，當料堆達到指定的高度時，大車行走後退一定距離，到達下一個作業點繼續堆料，如此重複直至料堆達到指定堆料區域的尾部，完成外側第一行堆料；然後迴轉向內側旋轉一定角度，大車前進直至臂架頭部與第一行第一個堆料點對齊，開始第二行堆料，如此重複堆料直至料堆填充滿指定的堆料區域。這種堆料方法在初始堆料時，懸臂1可低些，以免粉塵太大造成環境汙染，隨著料堆增高，懸臂1逐漸上仰，當達到規定的料堆高度後，懸臂1的仰角就可以固定，通過控制堆料點之間的間距，使得物料落在已堆出的料堆側面，從而控制粉塵。理論上堆料點間距越小，粉塵控制效果越好，堆出的料堆平整度也越高。

參照圖1，堆料作業開始前，堆場管理員根據作業的物料總噸位憑經驗估計料堆的大小，劃定作業區域，司機操作堆料機從外側向內側逐行定點堆料，填滿作業區域。由於經驗估計常存在誤差，在實際生產中，常常會出現堆料已結束但作業區域未填滿的情況，造成堆場空間利用率降低；或者作業區域已填滿但堆料作業還未結束，皮帶上還有物料進入堆場，司機或者在當前料堆尾部繼續堆料(前提是有堆場空間)，或者抬高懸臂，在已堆好的料堆上繼續加堆，結果可能造成料堆高低不平甚至超高。

堆料過程中司機需要對作業點的堆料情況進行監控，為了避免已堆好的料堆遮擋司機的視線，行走定點堆料的每一行都是從前向後堆，一行完成後司機需要操作堆料機從作業區域尾部行走到頭部，增加了操作步驟，同時造成能耗增加。

繼續參照圖1，堆料作業通常由作業計劃人員給出作業噸位、作業區域和料堆高度。作業區域通常為矩形，寬度方向與堆料機軌道2垂直，其邊界通常固定，由堆料作業的內側位置和外側位置決定。長度方向的起點通常由人工根據堆場空間指定，終點通常根據作業計劃噸位和料堆高度憑經驗估計。由於存在估計誤差，堆料作業產生的料堆實際長度經常大於或小於估計值，導致料堆形狀不規則。在手動作業時，通常由司機將料堆的尾部處理成規則的形狀。在全自動堆料作業時，如何設計作業方法使得堆料作業生成規則的料堆，是一個關鍵的問題。

技術實現要素：

針對傳統人工行走定點堆料方法的上述不足，本發明的目的是提供一種全自動堆料作業方法。

為實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種全自動堆料作業方法，包括：將堆料區域劃分為多個塊，每個塊內有n×m個堆料點，最後一個塊內有n×1個堆料點，整個料堆在長度方向共有m個堆料點，n為奇數；堆料機首先執行塊內第一行堆料作業，採用從前向後的路線從頭部第一個堆料點開始堆料，當料堆高度達到設定高度h時，堆料機後退至第二個堆料點重複上述堆料過程，直至完成該行最後一個堆料點作業；堆料機移動到第二行的第一個堆料點堆料，當該點料堆達到高度h時，堆取料機前進至該行第二個堆料點重複上述堆料過程，直至完成該行最後一個堆料點作業完成；堆料機移動到下一行，重複上述堆料過程，若該行為奇數行，則採用從前向後的路徑堆料，若該行為偶數行，則採用從後向前的路徑堆料，直至完成該塊全部n行堆料作業；當前塊最後一個堆料點作業完成後，堆料機移動到下一個塊的第一個堆料點，重複塊內堆料作業過程，直至完成所有塊的堆料。

進一步地，在每一個塊內堆料機從任意一行最後一個堆料點移動到下一行第一個堆料點的運動通過控制堆料機的後退和向內迴轉聯動實現，使得堆料機末端沿垂直於軌道的直線運動，向內迴轉的速度ωb和後退的速度vg滿足如下關係：其中，lb是堆料機臂架的長度，是堆料機臂架的迴轉角度。

進一步地，堆料機從當前塊的最後一個堆料點切換到下一個塊的第一個堆料點時沿逆l形路徑運動，首先堆料機從當前塊的最後一個堆料點後退到下一個塊的最後一排的第一個堆料點，然後堆料機前進和向外迴轉同時運動，使堆料機末端沿垂直於軌道的直線運動到下一個塊第一排的第一個堆料點，向外迴轉的速度ωb和前進的速度vg滿足如下關係：

進一步地，料堆區域的分塊數量b為：其中，floor是向下取整函數。

進一步地，第一個塊長度方向的料堆數m1的計算方法為：m1＝m-bm+2m-1。

進一步地，中間塊長度方向的料堆數mi為：mi＝m；i的取值範圍為[2，b-1]。

進一步地，最後一個塊長度方向料堆數mb為：mb＝1。

進一步地，寬度方向料堆數n為：其中，w為料堆的寬度，q是給定的料堆間距參考值，θ為物料的安息角。

進一步地，料堆間距的實際值p為：

進一步地，長度方向的料堆數m為：

其中，t為作業總噸位，ρ為料堆的密度，ceil(為向上取整函數

進一步地，料堆的長度l為：l＝(m-1)p+2h/tanθ。

在上述技術方案中，本發明的全自動堆料作業方法通過分塊堆料提高堆場空間的利用率，所設計的塊內和塊間路徑確保作業安全併兼顧效率。

附圖說明

圖1是現有的堆料作業方法的示意圖；

圖2是本發明的全自動堆料作業方法的示意圖；

圖3是料堆體積計算的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例進一步說明本發明的技術方案。

本發明提出一種新的全自動堆料作業方法，其核心原理是：

1.在指定的作業區域內，根據作業計劃參數，計算料堆的長度，將作業區域分成若干塊，最後一個塊採用單列縱向堆料，使得作業結束時形成規則的矩形料堆；通過迴轉和大車的聯動實現塊與塊之間的切換，避免與料堆發生碰撞，同時也避免料堆超出邊界。

2.每個塊內採用行走定點堆料方法，作業點和作業路徑的設計在遵循安全規則的基礎上，減少取料機的大範圍移動，並使得塊與塊之間自然銜接。

具體如圖2所示，本發明將實際需要的堆料區域劃分為若干塊，每個塊內有n×m個堆料點且n為奇數，最後一個塊內有n×1個堆料點且n為奇數，整個料堆在長度方向共有m個堆料點。

在每一個塊內採用行走定點堆料的方法進行堆料，堆料機末端沿弓字形路徑依次在n×m個堆料點上進行堆料，奇數行採用從前向後的堆料路線，偶數行採用從後往前的堆料路徑，行與行之間按垂直於軌道的直線路徑切換，通過控制堆料機水平運動和迴轉運動聯動實現，具體作業過程如下：

(1)堆料機首先執行塊內第一行堆料作業，由於第一行是奇數行，採用從前向後的路線從頭部第一個堆料點開始堆料，當料堆高度達到設定高度h時，堆料機後退至第二個堆料點重複上述堆料過程，直至完成該行最後一個堆料點(第m個堆料點)作業；

(2)堆料機移動到第二行的第一個(第m+1個)堆料點堆料，當該點料堆達到高度h時，堆取料機前進至該行第二個(第m+2個)堆料點重複上述堆料過程，直至完成該行最後一個(第2m個)堆料點作業完成；

(3)堆料機移動到下一行，重複上述堆料過程，若該行為奇數行，則採用從前向後的路徑堆料，若該行為偶數行，則採用從後向前的路徑堆料，直至完成該塊全部n行堆料作業。

全自動堆料方式下，料堆高度h可以通過料位傳感器來檢測，料位傳感器可以是接觸式的料位儀，也可以是超聲波、雷達、雷射等非接觸式的料位傳感器。

在每一個塊內堆料機從任意一行最後一個堆料點移動到下一行第一個堆料點的運動通過控制堆料機的後退和向內迴轉聯動實現，向內迴轉的速度ωb和後退的速度vg滿足如下關係：

lb是堆料機臂架的長度，是臂架的迴轉角度。滿足上述關係的運動將使得堆料機末端沿垂直於軌道的直線運動到下一行的第一個作業點，確保移動過程中堆料機不會與已堆出的料堆發生碰撞。

每個塊內堆料機末端按照弓字形路徑依次堆料，每次堆料點切換的移動距離均為料堆間距p，與傳統的行走定點堆料方法相比，行切換時堆料機移動距離縮短，可以避免移動過程中在已完成料堆上撒料，導致料堆高度不均勻。

每個塊內堆料點行數n為奇數，保證每個塊的最後一個作業點在塊的尾部，能以最短的路徑移動到下一個塊的頭部第一個作業點，避免從頭部移動到下一個塊時，在已經堆好的料堆上撒料，造成料堆高度不均勻。

當前塊最後一個堆料點作業完成後，堆料機末端沿逆l形路徑移動到下一個塊的第一個堆料點，重複塊內堆料作業過程，直至完成所有塊的堆料。

塊與塊之間的連接採用逆l形路徑，首先堆料機從前一個塊的最後一個作業點後退到後一個塊的最後一排的第一個作業點，然後堆料機前進和向外迴轉以符合公式(1)的速度同時運動，使堆料機末端沿垂直於軌道的直線運動到後一個塊第一排的第一個作業點。該路徑保證堆料機在運動過程中不會與已堆好的料堆碰撞，也避免運動過程中將物料灑到已堆好的料堆上，造成料堆高度不均勻。

如圖2所示，最後一個塊有n個作業點，排成1列，實際作業時表現為在已完成的料堆尾部堆加，這樣作的好處是即使在實際物料量與作業計劃量存在誤差、或者因物料參數(如密度)誤差導致料堆體積計算產生誤差的情況下，作業結束時，料堆的尾部仍然是比較規則的形狀，不會產生明顯的不規則形狀，從而避免堆場空間浪費。

按照上述分塊堆料方法，分塊方法如下：

由n×m個料堆疊加成的料堆分成若干個塊，每個塊的寬度方向料堆數為n，分塊數量用如下方式計算

floor是向下取整函數，m是每個塊長度方向作業點數的默認值。

第一個塊長度方向料堆數用如下方式計算

m1＝m-bm+2m-1(3)

中間塊長度方向的料堆數

mi＝m(4)

i的取值範圍為[2，b-1]

最後一個塊長度方向料堆數

mb＝1(5)

下面說明如何根據給定的作業計劃計算採用上述分塊堆料方法所需要的料堆行數n和列數m。

堆料作業計劃通常給定作業噸位t、料堆高度h，料堆的寬度w通常是略小於堆場寬度的固定值。考慮最終堆積成的料堆由n×m個圓錐體疊加而成，m為長度方向的料堆數，n為寬度方向的料堆數，料堆的間距通常均勻，相鄰料堆中心點的間距為p。每個圓錐體的側面與堆場平面的夾角等於物料的安息角θ，安息角是與物料物理特性有關的常數，物料的密度ρ也是常數。

考慮料堆的寬度w是定值，首先用如下方法計算寬度方向料堆數n：

其中，q是給定的料堆間距參考值，料堆間距的實際值為：

按照上述方法計算得到的n滿足前述分塊堆料要求n為奇數的約束條件。

列數m需要根據作業完成時料堆的體積和列數n來計算。

採用定點堆料時，散貨物料在某個堆料作業點形成一個圓錐體料堆，多個料堆疊加在一起成為一個完整的料堆。試圖通過直接計算多個圓錐體料堆疊加在一起的體積比較困難，這也是經驗估計通常存在誤差的主要原因。本發明提出一種基於堆料方法的體積計算方法，可以根據堆料作業的參數計算出所需堆場空間的長度。

為了提高堆場的空間利用率，堆料作業通常要求料堆儘可能緊密，相鄰料堆間距p儘可能小，如此堆積產生的n個料堆中間重疊部分形成縱向截面近似相等的梯形體，兩頭為半圓錐體，如圖3所示。n×m個料堆重疊形成的料堆如圖3所示，其體積可以用如下方式計算

vtotal＝t/ρ＝vmid+vside+vcorner+vtop(8)

vmid為料堆中間重疊部分近似梯形體(梯形a2a3b3b2與梯形c2c3d3d2之間的部分)的體積，vside為料堆兩端側面重疊部分的近似梯形體(梯形a4a5a7a6與梯形b4b5b7b6之間的部分，以及梯形c4c5c7c6與梯形d4d5d7d6之間的部分)的體積，vcorner為料堆四角圓錐體未重疊部分(a1a3a5a7形成的1/4圓錐體、b1b3b5b7形成的1/4圓錐體、c1c3c5c7形成的1/4圓錐體、以及d1d3d5d7形成的1/4圓錐體)的體積，vtop為料堆頂部其餘未重疊部分圓錐體的體積。

將(9)～(12)式和(6)～(7)式代入(8)式，可求出長度方向的料堆數m

ceil是向上取整函數。

料堆的長度

l＝(m-1)p+2h/tanθ(14)

據此計算出料堆的長度，可以精確地劃定作業所需的堆場空間，避免空間浪費或不足。

綜上所述，本發明方法的上述設計具有以下的優點：

本發明提出的分塊堆料方法將堆料區域分成若干塊依次作業，每一塊的水平投影都是規則的矩形，使得堆料作業可以按塊執行，若作業過程中，作業計劃發生變化，可以在當前塊堆料完成後停止作業，並保證料堆為規則梯形，與傳統的行走定點堆料方法相比，分塊堆料方法具有明顯的靈活性。

分塊堆料方法的最後一個塊設計為1列，增加了對實際物料量誤差的適應性，在實際物料量與作業計劃量存在誤差、或者因物料參數(如密度)誤差導致料堆體積計算產生誤差的情況下，作業結束時，料堆的尾部仍然是比較規則的形狀，不會產生明顯的不規則形狀，從而避免堆場空間浪費。

本發明在塊內堆料時，按照弓字形路徑依次沿各堆料點作業，堆料機在相鄰的作業點之間的切換時，運動距離相同，特別地堆料機從一行移動到下一行時，移動距離與同一行內切換作業點相同，並通過控制後退和向內迴轉的運動速度實現聯動，使得堆料機末端沿直線路徑運動到下一個作業點，可有效避免與料堆發生碰撞，並避免物料灑到已堆好的料堆上，造成料堆高度不均勻或局部超高。

本發明每一塊內寬度方向上堆料點數目為奇數，保證每一塊完成時堆料機末端位於本塊的尾部，使得堆料機移動到下一個塊第一個作業點的路徑最短，並且所設計的逆l形路徑能夠保證堆料機不會與料堆發生碰撞，並能避免物料撒到尚未堆料的堆場空間上，也能避免把物料灑到已堆好的料堆上，造成料堆高度不均勻或局部超高。

本發明提出的料堆體積的計算方法，避免了直接累加計算的複雜性。可以根據作業噸位、料堆高度、以及物料的密度和安息角參數，計算出堆料作業點的行數和列數，作業點的間距，以及料堆的長度，從而可以精確地劃定作業所需的堆場空間，避免人工估計可能產生的堆場空間浪費或不足，是一種有效的全自動堆料作業的路徑規劃方法，為實現堆料作業的全自動控制提供便利。

本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明，而並非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神範圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發明的權利要求書範圍內。