上海國際港務(wù)(集團(tuán))股份有限公司尚東集裝箱碼頭分公司

1 引言

集裝箱扭鎖拆裝是碼頭現(xiàn)場作業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，隨著集裝箱海運量的不斷增長，船舶大型化趨勢日漸明顯，船舶在港口的單航次裝卸量越來越大，傳統(tǒng)人工拆裝扭鎖方式阻礙了碼頭作業(yè)效率的提升，發(fā)展應(yīng)用自動拆裝扭鎖技術(shù)已成為集裝箱碼頭未來的發(fā)展方向[1]。

2 自動拆裝扭鎖技術(shù)現(xiàn)狀

目前，船用集裝箱扭鎖的使用情況十分復(fù)雜，扭鎖具體構(gòu)造在國際上沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，集裝箱扭鎖可以大致分為分體式、整體式、半自動式和全自動式?？紤]到存在一些固定式連接鎖，需要人工拆卸的集裝箱扭鎖至少有6大類共100余種。由于船公司間的競爭關(guān)系，不同船公司的集裝箱扭鎖形式往往不同；由于不同船舶的投產(chǎn)時間各不相同，以及不同船公司合營同一條航線等原因，同一航線不同船舶的集裝箱扭鎖形式也可能不同；甚至對于同一船舶來說，集裝箱扭鎖耗損后補(bǔ)充的扭鎖未必與原來的扭鎖相同，從而造成同一船舶上裝有不同形式的集裝箱扭鎖。此外，由于加固要求不同，同一集裝箱不同鎖眼的扭鎖形式也不盡相同。例如，對于甲板上方雙20 ft集裝箱來說，其外部兩角的扭鎖與內(nèi)部兩角的連接鎖形式完全不同。由此可見，開發(fā)可以全兼容的自動化扭鎖拆裝裝置的難度極大。

目前，國外多家公司均設(shè)計制造出概念自動化扭鎖拆裝裝置，并進(jìn)行了一系列工業(yè)試驗。其基本原理相似，均采用機(jī)械臂模擬人手旋轉(zhuǎn)扭鎖的下部，通過連軸帶動扭鎖的上部，進(jìn)而實現(xiàn)扭鎖拆裝。但是目前的自動化扭鎖拆裝技術(shù)尚不成熟，僅適用于70%左右的扭鎖類型。

ZPMC自主研發(fā)的自動化扭鎖拆裝裝置可靈活應(yīng)用于自動化碼頭、常規(guī)跨運車碼頭、常規(guī)集卡碼頭等，具有自動化程度高、系統(tǒng)兼容性好、擴(kuò)展功能強(qiáng)大、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，可提高扭鎖拆裝作業(yè)過程中的安全性和作業(yè)效率，降低作業(yè)成本。系統(tǒng)采用柔性化智能機(jī)器人，可匹配多種尺寸型號的集裝箱，同時可以根據(jù)扭鎖型號的不同，自動更換夾具，以適應(yīng)不同型號的扭鎖拆裝，使系統(tǒng)能處理目前市場上90%的扭鎖。機(jī)器人拆裝具有更高的智能性，能夠自行判斷解鎖是否成功，避免了因拆鎖失敗集裝箱被吊走導(dǎo)致的“掛艙”損壞。整體擴(kuò)展功能強(qiáng)大，可與碼頭系統(tǒng)輕松對接，且產(chǎn)品維護(hù)成本較低(見圖1)。

圖1 ZPMC設(shè)計的自動拆裝扭鎖裝置效果圖

3 洋山深水港四期自動拆裝扭鎖技術(shù)改造

當(dāng)前，洋山深水港四期自動化岸橋中轉(zhuǎn)平臺采用人工拆裝扭鎖模式，改造方向為：在自動化雙小車岸橋的中轉(zhuǎn)平臺上安裝扭鎖自動拆裝系統(tǒng)，使其在目前手工拆鎖充分兼容的情況下，實現(xiàn)中轉(zhuǎn)平臺的扭鎖自動化拆裝。在扭鎖拆卸環(huán)節(jié)實現(xiàn)無人化，節(jié)省人工；在扭鎖安裝環(huán)節(jié)盡可能地減少人工，改善作業(yè)環(huán)境，提高作業(yè)安全性。

綜合分析，可在現(xiàn)有ZPMC技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合洋山深水港四期雙小車岸橋中轉(zhuǎn)平臺的技術(shù)需求，繼承并擴(kuò)展系統(tǒng)設(shè)備的硬件，包括自動拆裝裝置、位置識別系統(tǒng)、傳送帶、集裝箱擱架、扭鎖框平移裝置、電氣房、換框行車以及控制系統(tǒng)等[2]。

(1)自動拆裝裝置。主要負(fù)責(zé)定位和跟蹤目標(biāo)物(集裝箱扭鎖)，并實現(xiàn)自動拆卸和安裝，主要由夾具、浮動裝置和機(jī)器人構(gòu)成。

(2)位置識別系統(tǒng)。利用圖像識別技術(shù)確定扭鎖的位置和狀態(tài)，提供相應(yīng)的信號給機(jī)器人。

(3)傳送帶。實現(xiàn)扭鎖的水平傳輸。拆鎖環(huán)節(jié)，將機(jī)器人拆卸下的扭鎖輸送至扭鎖框；裝鎖環(huán)節(jié)，將扭鎖傳送到指定位置，以便機(jī)器人順利取鎖。結(jié)構(gòu)主要由扭鎖盒、鏈條和伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成。

(4)集裝箱擱架。拆鎖和裝鎖環(huán)節(jié)，集裝箱靜止放置于擱架上，因此需要重新制作新的集裝箱擱架，替換目前中轉(zhuǎn)平臺上已有的臺座。

(5)扭鎖框平移裝置。通過對扭鎖框的前后左右平移，避免傳送帶傳送的扭鎖在框內(nèi)局部堆積。前后方向的移動依靠鏈條驅(qū)動，左右方向的移動依靠電動推桿。

(6)電氣房。主要用來布置系統(tǒng)的控制柜和機(jī)器人的控制柜。

(7)換框行車。采用3 t的單軌電動行車，行車軌道懸臂在平臺海側(cè)面，可以實現(xiàn)平臺上和地面的扭鎖框互換。為了安全，行車的軌道的懸臂部分，在非工作狀態(tài)可以整體回縮至平臺范圍內(nèi)。

(8)控制系統(tǒng)。采用西門子可編程邏輯控制器，主要負(fù)責(zé)岸橋主程序與拆鎖機(jī)器人程序的信息交互。流程為：接受主程序拆裝鎖指令，傳遞開關(guān)信號與位置偏差信號給機(jī)器人完成拆裝鎖，同時操控皮帶和扭鎖框等輔助系統(tǒng)協(xié)同工作，并傳遞相關(guān)信號至主程序，包括具備故障顯示、危險報警、功能提示和擴(kuò)展端口等功能，便于工作人員管理。

4 洋山深水港四期自動拆裝扭鎖作業(yè)流程設(shè)計

4.1 卸船環(huán)節(jié)自動拆裝扭鎖作業(yè)流程設(shè)計

(1)集裝箱從船上被起重機(jī)吊裝到中轉(zhuǎn)平臺的集裝箱擱架上。此過程需要檢查起重機(jī)主吊具的作業(yè)模式(單20 ft、單40 ft、單45 ft和雙20 ft)，并將相應(yīng)的信號傳給控制系統(tǒng)。

(2)位置識別系統(tǒng)檢測集裝箱在集裝箱擱架上的位置，并提供位置信號給控制系統(tǒng)。

(3)控制系統(tǒng)根據(jù)位置信號和作業(yè)模式信號控制自動拆裝裝置，確定哪幾個自動拆裝裝置需要動作，以及各自對應(yīng)的目標(biāo)位置。

(4)自動拆裝裝置的機(jī)器人根據(jù)控制系統(tǒng)信號找到目標(biāo)位置。其中的浮動裝置會彌補(bǔ)各環(huán)節(jié)的誤差，保證夾具順利夾持到目標(biāo)物。夾具在夾持之后會對目標(biāo)物進(jìn)行拆卸，完成拆卸之后，機(jī)器人會根據(jù)預(yù)設(shè)的程序?qū)⒛繕?biāo)物放置在傳送帶指定的位置。

(5)傳送帶將目標(biāo)物傳輸至扭鎖框上方，扭鎖在自重的作用下自動落入下面的扭鎖框內(nèi)，扭鎖框下面的扭鎖框平移裝置實時推動扭鎖框水平移動，防止扭鎖框的扭鎖局部堆積。

(6)岸橋門架小車將集裝箱從中轉(zhuǎn)平臺抓放至水平運輸車輛上。同時，機(jī)器人會根據(jù)預(yù)設(shè)程序復(fù)位至待機(jī)狀態(tài)，迎接下一個工作循環(huán)的到來。

4.2 裝船環(huán)節(jié)自動拆裝扭鎖作業(yè)流程設(shè)計

(1)系統(tǒng)進(jìn)入裝船模式，在集裝箱到來的過程中，裝鎖工作人員根據(jù)系統(tǒng)界面提示，選擇所需型號的扭鎖，手動將扭鎖安裝至傳送帶上，傳送帶將扭鎖自動傳送至對應(yīng)位置。

(2)自動導(dǎo)引車(AGV ，Automated Guided Vehicle)將集裝箱運送至岸橋尾部，由門架小車吊運至中轉(zhuǎn)平臺擱架上。此過程需要檢查起重機(jī)主吊具的作業(yè)模式(單20 ft、單40 ft、單45 ft和雙20 ft)，并將相應(yīng)的信號傳給控制系統(tǒng)。

(3)位置識別系統(tǒng)檢測集裝箱在集裝箱擱架上的位置，并提供位置信號給控制系統(tǒng)。

(4)控制系統(tǒng)根據(jù)位置信號和作業(yè)模式信號控制自動拆裝裝置，確定哪幾個自動拆裝裝置需要動作以及各自對應(yīng)的目標(biāo)位置。

(5)自動拆裝裝置的機(jī)器人從傳送帶上取下扭鎖，并根據(jù)控制系統(tǒng)信號找到目標(biāo)位置，將扭鎖裝入集裝箱箱角。其中的浮動裝置會彌補(bǔ)各環(huán)節(jié)的誤差，保證扭鎖被順利裝至目標(biāo)位置。

(6)集裝箱被主小車吊至船上，完成裝船。同時，機(jī)器人會根據(jù)預(yù)設(shè)程序復(fù)位至待機(jī)狀態(tài)，迎接下一個工作循環(huán)的到來[3-4]。

5 結(jié)語

針對當(dāng)前自動拆裝扭鎖技術(shù)存在的問題，結(jié)合洋山深水港四期自動化雙小車岸橋中轉(zhuǎn)平臺的機(jī)械條件和作業(yè)需求，提出了洋山深水港四期雙小車岸橋中轉(zhuǎn)平臺自動拆裝扭鎖的改造方案，設(shè)計了自動拆裝扭鎖作業(yè)流程，為提高洋山深水港四期自動化集裝箱碼頭的自動化水平和提升船舶裝卸效率奠定了基礎(chǔ)，對相關(guān)港口碼頭實現(xiàn)扭鎖拆裝自動化具有指導(dǎo)意義。