CN107010425B - 全自动堆料作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动堆料作业方法，包括：堆料机首先执行块内第一行堆料作业，采用从前向后的路线从头部第一个堆料点开始堆料，当料堆高度达到设定高H时，堆料机后退至第二个堆料点重复上述堆料过程，直至完成该行最后一个堆料点作业；堆料机移动到下一行，重复上述堆料过程，若该行为奇数行，则采用从前向后的路径堆料，若该行为偶数行，则采用从后向前的路径堆料，直至完成该块全部N行堆料作业；当前块最后一个堆料点作业完成后，堆料机末端沿逆L形路径移动到下一个块的第一个堆料点，重复块内堆料作业过程，直至完成所有块的堆料。本发明通过分块堆料提高堆场空间的利用率，所设计的块内和块间路径确保作业安全并兼顾效率。

Description

全自动堆料作业方法

技术领域

本发明涉及一种堆场自动化方法，更具体地说，涉及一种全自动堆料作业方法。

背景技术

现有的悬臂式堆料机或堆取料机在执行堆料作业时，需要在堆场指定的区域内将物料堆积成指定高度的料堆，在人工操作的模式下，行走定点堆料方式是司机常用的一种堆料方法。

现有的行走定点堆料的路径如图1所示。司机将悬臂1移动到接近堆料区域头部的第一个堆料点，俯仰角度固定，进行定点堆料，当料堆达到指定的高度时，大车行走后退一定距离，到达下一个作业点继续堆料，如此重复直至料堆达到指定堆料区域的尾部，完成外侧第一行堆料；然后回转向内侧旋转一定角度，大车前进直至臂架头部与第一行第一个堆料点对齐，开始第二行堆料，如此重复堆料直至料堆填充满指定的堆料区域。这种堆料方法在初始堆料时，悬臂1可低些，以免粉尘太大造成环境污染，随着料堆增高，悬臂1逐渐上仰，当达到规定的料堆高度后，悬臂1的仰角就可以固定，通过控制堆料点之间的间距，使得物料落在已堆出的料堆侧面，从而控制粉尘。理论上堆料点间距越小，粉尘控制效果越好，堆出的料堆平整度也越高。

参照图1，堆料作业开始前，堆场管理员根据作业的物料总吨位凭经验估计料堆的大小，划定作业区域，司机操作堆料机从外侧向内侧逐行定点堆料，填满作业区域。由于经验估计常存在误差，在实际生产中，常常会出现堆料已结束但作业区域未填满的情况，造成堆场空间利用率降低；或者作业区域已填满但堆料作业还未结束，皮带上还有物料进入堆场，司机或者在当前料堆尾部继续堆料(前提是有堆场空间)，或者抬高悬臂，在已堆好的料堆上继续加堆，结果可能造成料堆高低不平甚至超高。

堆料过程中司机需要对作业点的堆料情况进行监控，为了避免已堆好的料堆遮挡司机的视线，行走定点堆料的每一行都是从前向后堆，一行完成后司机需要操作堆料机从作业区域尾部行走到头部，增加了操作步骤，同时造成能耗增加。

继续参照图1，堆料作业通常由作业计划人员给出作业吨位、作业区域和料堆高度。作业区域通常为矩形，宽度方向与堆料机轨道2垂直，其边界通常固定，由堆料作业的内侧位置和外侧位置决定。长度方向的起点通常由人工根据堆场空间指定，终点通常根据作业计划吨位和料堆高度凭经验估计。由于存在估计误差，堆料作业产生的料堆实际长度经常大于或小于估计值，导致料堆形状不规则。在手动作业时，通常由司机将料堆的尾部处理成规则的形状。在全自动堆料作业时，如何设计作业方法使得堆料作业生成规则的料堆，是一个关键的问题。

发明内容

针对传统人工行走定点堆料方法的上述不足，本发明的目的是提供一种全自动堆料作业方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种全自动堆料作业方法，包括：将堆料区域划分为多个块，每个块内有N×m个堆料点，最后一个块内有N×1个堆料点，整个料堆在长度方向共有M个堆料点，N为奇数；堆料机首先执行块内第一行堆料作业，采用从前向后的路线从头部第一个堆料点开始堆料，当料堆高度达到设定高度H时，堆料机后退至第二个堆料点重复上述堆料过程，直至完成该行最后一个堆料点作业；堆料机移动到第二行的第一个堆料点堆料，当该点料堆达到高度H时，堆取料机前进至该行第二个堆料点重复上述堆料过程，直至完成该行最后一个堆料点作业完成；堆料机移动到下一行，重复上述堆料过程，若该行为奇数行，则采用从前向后的路径堆料，若该行为偶数行，则采用从后向前的路径堆料，直至完成该块全部N行堆料作业；当前块最后一个堆料点作业完成后，堆料机移动到下一个块的第一个堆料点，重复块内堆料作业过程，直至完成所有块的堆料。

进一步地，在每一个块内堆料机从任意一行最后一个堆料点移动到下一行第一个堆料点的运动通过控制堆料机的后退和向内回转联动实现，使得堆料机末端沿垂直于轨道的直线运动，向内回转的速度ω_B和后退的速度v_G满足如下关系：其中，L_B是堆料机臂架的长度，是堆料机臂架的回转角度。

进一步地，堆料机从当前块的最后一个堆料点切换到下一个块的第一个堆料点时沿逆L形路径运动，首先堆料机从当前块的最后一个堆料点后退到下一个块的最后一排的第一个堆料点，然后堆料机前进和向外回转同时运动，使堆料机末端沿垂直于轨道的直线运动到下一个块第一排的第一个堆料点，向外回转的速度ω_B和前进的速度v_G满足如下关系：

进一步地，料堆区域的分块数量B为：其中，floor()是向下取整函数。

进一步地，第一个块长度方向的料堆数m₁的计算方法为：m₁＝M-Bm+2m-1。

进一步地，中间块长度方向的料堆数m_i为：m_i＝m；i的取值范围为[2，B-1]。

进一步地，最后一个块长度方向料堆数m_B为：m_B＝1。

进一步地，宽度方向料堆数N为：其中，W为料堆的宽度，q是给定的料堆间距参考值，θ为物料的安息角。

进一步地，料堆间距的实际值p为：

进一步地，长度方向的料堆数M为：

其中，T为作业总吨位，ρ为料堆的密度，ceil(为向上取整函数

进一步地，料堆的长度L为：L＝(M-1)p+2H/tanθ。

在上述技术方案中，本发明的全自动堆料作业方法通过分块堆料提高堆场空间的利用率，所设计的块内和块间路径确保作业安全并兼顾效率。

附图说明

图1是现有的堆料作业方法的示意图；

图2是本发明的全自动堆料作业方法的示意图；

图3是料堆体积计算的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明提出一种新的全自动堆料作业方法，其核心原理是：

1.在指定的作业区域内，根据作业计划参数，计算料堆的长度，将作业区域分成若干块，最后一个块采用单列纵向堆料，使得作业结束时形成规则的矩形料堆；通过回转和大车的联动实现块与块之间的切换，避免与料堆发生碰撞，同时也避免料堆超出边界。

2.每个块内采用行走定点堆料方法，作业点和作业路径的设计在遵循安全规则的基础上，减少取料机的大范围移动，并使得块与块之间自然衔接。

具体如图2所示，本发明将实际需要的堆料区域划分为若干块，每个块内有N×m个堆料点且N为奇数，最后一个块内有N×1个堆料点且N为奇数，整个料堆在长度方向共有M个堆料点。

在每一个块内采用行走定点堆料的方法进行堆料，堆料机末端沿弓字形路径依次在N×m个堆料点上进行堆料，奇数行采用从前向后的堆料路线，偶数行采用从后往前的堆料路径，行与行之间按垂直于轨道的直线路径切换，通过控制堆料机水平运动和回转运动联动实现，具体作业过程如下：

(1)堆料机首先执行块内第一行堆料作业，由于第一行是奇数行，采用从前向后的路线从头部第一个堆料点开始堆料，当料堆高度达到设定高度H时，堆料机后退至第二个堆料点重复上述堆料过程，直至完成该行最后一个堆料点(第m个堆料点)作业；

(2)堆料机移动到第二行的第一个(第m+1个)堆料点堆料，当该点料堆达到高度H时，堆取料机前进至该行第二个(第m+2个)堆料点重复上述堆料过程，直至完成该行最后一个(第2m个)堆料点作业完成；

(3)堆料机移动到下一行，重复上述堆料过程，若该行为奇数行，则采用从前向后的路径堆料，若该行为偶数行，则采用从后向前的路径堆料，直至完成该块全部N行堆料作业。

全自动堆料方式下，料堆高度H可以通过料位传感器来检测，料位传感器可以是接触式的料位仪，也可以是超声波、雷达、激光等非接触式的料位传感器。

在每一个块内堆料机从任意一行最后一个堆料点移动到下一行第一个堆料点的运动通过控制堆料机的后退和向内回转联动实现，向内回转的速度ω_B和后退的速度v_G满足如下关系：

L_B是堆料机臂架的长度，是臂架的回转角度。满足上述关系的运动将使得堆料机末端沿垂直于轨道的直线运动到下一行的第一个作业点，确保移动过程中堆料机不会与已堆出的料堆发生碰撞。

每个块内堆料机末端按照弓字形路径依次堆料，每次堆料点切换的移动距离均为料堆间距p，与传统的行走定点堆料方法相比，行切换时堆料机移动距离缩短，可以避免移动过程中在已完成料堆上撒料，导致料堆高度不均匀。

每个块内堆料点行数N为奇数，保证每个块的最后一个作业点在块的尾部，能以最短的路径移动到下一个块的头部第一个作业点，避免从头部移动到下一个块时，在已经堆好的料堆上撒料，造成料堆高度不均匀。

当前块最后一个堆料点作业完成后，堆料机末端沿逆L形路径移动到下一个块的第一个堆料点，重复块内堆料作业过程，直至完成所有块的堆料。

块与块之间的连接采用逆L形路径，首先堆料机从前一个块的最后一个作业点后退到后一个块的最后一排的第一个作业点，然后堆料机前进和向外回转以符合公式(1)的速度同时运动，使堆料机末端沿垂直于轨道的直线运动到后一个块第一排的第一个作业点。该路径保证堆料机在运动过程中不会与已堆好的料堆碰撞，也避免运动过程中将物料洒到已堆好的料堆上，造成料堆高度不均匀。

如图2所示，最后一个块有N个作业点，排成1列，实际作业时表现为在已完成的料堆尾部堆加，这样作的好处是即使在实际物料量与作业计划量存在误差、或者因物料参数(如密度)误差导致料堆体积计算产生误差的情况下，作业结束时，料堆的尾部仍然是比较规则的形状，不会产生明显的不规则形状，从而避免堆场空间浪费。

按照上述分块堆料方法，分块方法如下：

由N×m个料堆叠加成的料堆分成若干个块，每个块的宽度方向料堆数为N，分块数量用如下方式计算

floor()是向下取整函数，m是每个块长度方向作业点数的默认值。

第一个块长度方向料堆数用如下方式计算

m₁＝M-Bm+2m-1 (3)

中间块长度方向的料堆数

m_i＝m (4)

i的取值范围为[2，B-1]

最后一个块长度方向料堆数

m_B＝1 (5)

下面说明如何根据给定的作业计划计算采用上述分块堆料方法所需要的料堆行数N和列数M。

堆料作业计划通常给定作业吨位T、料堆高度H，料堆的宽度W通常是略小于堆场宽度的固定值。考虑最终堆积成的料堆由N×M个圆锥体叠加而成，M为长度方向的料堆数，N为宽度方向的料堆数，料堆的间距通常均匀，相邻料堆中心点的间距为p。每个圆锥体的侧面与堆场平面的夹角等于物料的安息角θ，安息角是与物料物理特性有关的常数，物料的密度ρ也是常数。

考虑料堆的宽度W是定值，首先用如下方法计算宽度方向料堆数N：

其中，q是给定的料堆间距参考值，料堆间距的实际值为：

按照上述方法计算得到的N满足前述分块堆料要求N为奇数的约束条件。

列数M需要根据作业完成时料堆的体积和列数N来计算。

采用定点堆料时，散货物料在某个堆料作业点形成一个圆锥体料堆，多个料堆叠加在一起成为一个完整的料堆。试图通过直接计算多个圆锥体料堆叠加在一起的体积比较困难，这也是经验估计通常存在误差的主要原因。本发明提出一种基于堆料方法的体积计算方法，可以根据堆料作业的参数计算出所需堆场空间的长度。

为了提高堆场的空间利用率，堆料作业通常要求料堆尽可能紧密，相邻料堆间距p尽可能小，如此堆积产生的N个料堆中间重叠部分形成纵向截面近似相等的梯形体，两头为半圆锥体，如图3所示。N×M个料堆重叠形成的料堆如图3所示，其体积可以用如下方式计算

V_Total＝T/ρ＝V_mid+V_side+V_corner+V_top (8)

V_mid为料堆中间重叠部分近似梯形体(梯形A2A3B3B2与梯形C2C3D3D2之间的部分)的体积，V_side为料堆两端侧面重叠部分的近似梯形体(梯形A4A5A7A6与梯形B4B5B7B6之间的部分，以及梯形C4C5C7C6与梯形D4D5D7D6之间的部分)的体积，V_corner为料堆四角圆锥体未重叠部分(A1A3A5A7形成的1/4圆锥体、B1B3B5B7形成的1/4圆锥体、C1C3C5C7形成的1/4圆锥体、以及D1D3D5D7形成的1/4圆锥体)的体积，V_top为料堆顶部其余未重叠部分圆锥体的体积。

将(9)～(12)式和(6)～(7)式代入(8)式，可求出长度方向的料堆数M

ceil()是向上取整函数。

料堆的长度

L＝(M-1)p+2H/tanθ (14)

据此计算出料堆的长度，可以精确地划定作业所需的堆场空间，避免空间浪费或不足。

综上所述，本发明方法的上述设计具有以下的优点：

本发明提出的分块堆料方法将堆料区域分成若干块依次作业，每一块的水平投影都是规则的矩形，使得堆料作业可以按块执行，若作业过程中，作业计划发生变化，可以在当前块堆料完成后停止作业，并保证料堆为规则梯形，与传统的行走定点堆料方法相比，分块堆料方法具有明显的灵活性。

分块堆料方法的最后一个块设计为1列，增加了对实际物料量误差的适应性，在实际物料量与作业计划量存在误差、或者因物料参数(如密度)误差导致料堆体积计算产生误差的情况下，作业结束时，料堆的尾部仍然是比较规则的形状，不会产生明显的不规则形状，从而避免堆场空间浪费。

本发明在块内堆料时，按照弓字形路径依次沿各堆料点作业，堆料机在相邻的作业点之间的切换时，运动距离相同，特别地堆料机从一行移动到下一行时，移动距离与同一行内切换作业点相同，并通过控制后退和向内回转的运动速度实现联动，使得堆料机末端沿直线路径运动到下一个作业点，可有效避免与料堆发生碰撞，并避免物料洒到已堆好的料堆上，造成料堆高度不均匀或局部超高。

本发明每一块内宽度方向上堆料点数目为奇数，保证每一块完成时堆料机末端位于本块的尾部，使得堆料机移动到下一个块第一个作业点的路径最短，并且所设计的逆L形路径能够保证堆料机不会与料堆发生碰撞，并能避免物料撒到尚未堆料的堆场空间上，也能避免把物料洒到已堆好的料堆上，造成料堆高度不均匀或局部超高。

本发明提出的料堆体积的计算方法，避免了直接累加计算的复杂性。可以根据作业吨位、料堆高度、以及物料的密度和安息角参数，计算出堆料作业点的行数和列数，作业点的间距，以及料堆的长度，从而可以精确地划定作业所需的堆场空间，避免人工估计可能产生的堆场空间浪费或不足，是一种有效的全自动堆料作业的路径规划方法，为实现堆料作业的全自动控制提供便利。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (11)

1.一种全自动堆料作业方法，其特征在于，包括：

将堆料区域划分为多个块，每个块内有N×m个堆料点，最后一个块内有N×1个堆料点，整个料堆在长度方向共有M个堆料点，N为奇数；

堆料机首先执行块内第一行堆料作业，采用从前向后的路线从头部第一个堆料点开始堆料，当料堆高度达到设定高H时，堆料机后退至第二个堆料点重复上述堆料过程，直至完成该行最后一个堆料点作业；

堆料机移动到第二行的第一个堆料点堆料，当该点料堆达到高度H时，堆取料机前进至该行第二个堆料点重复上述堆料过程，直至该行最后一个堆料点作业完成；

堆料机移动到下一行，重复上述堆料过程，若该行为奇数行，则采用从前向后的路径堆料，若该行为偶数行，则采用从后向前的路径堆料，直至完成该块全部N行堆料作业；

当前块最后一个堆料点作业完成后，堆料机末端沿逆L形路径移动到下一个块的第一个堆料点，重复块内堆料作业过程，直至完成所有块的堆料。

2.如权利要求1所述的全自动堆料作业方法，其特征在于：

在每一个块内堆料机从任意一行最后一个堆料点移动到下一行第一个堆料点的运动通过控制堆料机的后退和向内回转联动实现，使得堆料机末端沿垂直于轨道的直线运动，向内回转的速度ω_B和后退的速度v_G满足如下关系：

其中，L_B是堆料机臂架的长度，是堆料机臂架的回转角度。

3.如权利要求1所述的全自动堆料作业方法，其特征在于：

堆料机从当前块的最后一个堆料点切换到下一个块的第一个堆料点时沿逆L形路径移动，首先堆料机从当前块的最后一个堆料点后退到下一个块的最后一排的第一个堆料点，然后堆料机前进和向外回转同时运动，使堆料机末端沿垂直于轨道的直线运动到下一个块第一排的第一个堆料点，向外回转的速度ω_B和前进的速度v_G满足如下关系：

其中，L_B是堆料机臂架的长度，是堆料机臂架的回转角度。

4.如权利要求1所述的全自动堆料作业方法，其特征在于，料堆区域的分块数量B为：

其中，floor()是向下取整函数。

5.如权利要求4所述的全自动堆料作业方法，其特征在于，第一个块长度方向的料堆数m₁的计算方法为：

m₁＝M-Bm+2m-1。

6.如权利要求4所述的全自动堆料作业方法，其特征在于，中间块长度方向的料堆数m_i为：

m_i＝m；

i的取值范围为[2，B-1]。

7.如权利要求4所述的全自动堆料作业方法，其特征在于，最后一个块长度方向料堆数m_B为：

m_B＝1。

8.如权利要求4所述的全自动堆料作业方法，其特征在于，宽度方向料堆数N为：

其中，W为料堆的宽度，q是给定的料堆间距参考值，θ为物料的安息角。

9.如权利要求8所述的全自动堆料作业方法，其特征在于，料堆间距的实际值p为：

10.如权利要求9所述的全自动堆料作业方法，其特征在于，长度方向的料堆数M为：

其中，T为作业总吨位，ρ为料堆的密度，ceil()为向上取整函数。

11.如权利要求9所述的全自动堆料作业方法，其特征在于，料堆的长度L为：

L＝(M-1)p+2H/tanθ。