基于熱軋鋼卷機器人自動噴號系統(tǒng)開發(fā)與應用

徐鴻偉

(湖南華菱漣源鋼鐵有限公司，湖南婁底，417000)

1 引言

隨著工業(yè)機器人技術的發(fā)展，其應用變得越來越廣泛，尤其是在切割、搬運、碼垛、焊接、噴涂等方面應用較多[1-3]。在中國制造2025方針引導下[4-6]，積極縮短我國鋼鐵企業(yè)在工業(yè)機器人應用上存在的差距，尤其是提升惡劣環(huán)境下工業(yè)機器人系統(tǒng)代替人工工作的自動化系統(tǒng)。例如：劉華鋒等[7]研發(fā)了自動化生產(chǎn)線分揀站，工業(yè)機器人引入到自動化生產(chǎn)系統(tǒng)后,能夠進一步提高工廠自動化水平、提高生產(chǎn)效率,減小勞動強度,降低人工成本。

本文針對熱軋鋼卷出口人工噴號標識，存在勞動強度大、出錯率高、效率低以及危害風險高等問題。在滿足鋼卷噴號標識工藝的前提下，采用工業(yè)機器人設計集成技術研發(fā)一套工業(yè)機器人自動噴號標識系統(tǒng)代替人工從事鋼卷噴號標識工作，整套系統(tǒng)各結構和功能設計合理、功能齊全，運行穩(wěn)定可靠，通過現(xiàn)場投運表明，該系統(tǒng)能夠自動對鋼卷進行噴號標識，故障率低，穩(wěn)定性優(yōu)良，不僅降低了工人勞動強度、出錯率極低，提高了工作效率，工人零危害風險。

2 鋼卷噴號分析

2.1 工藝參數(shù)

熱軋平整機為單機架四輥熱軋平整，安裝位置位于出口步進梁3#鞍座，鋼卷卷芯與步進梁運輸方向一致，鋼卷外徑為Φ900mm～Φ1950mm，寬度為800mm～2100mm，厚度為1.0mm～6.0mm，開卷速度≥5min/卷。鋼卷參數(shù)如表1所示。鋼卷如圖1所示。

表1 鋼卷參數(shù)

圖1 現(xiàn)場鋼卷

2.2 系統(tǒng)功能

工業(yè)機器人自動噴號系統(tǒng)能自動或手動提取稱重數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)噴到鋼卷上。部分噴號參數(shù)如下：

打捆帶數(shù)： 3條,間距 300mm；

噴印形式：連續(xù)書寫式。(可以避開打包帶位置)；

噴印位置：鋼卷端面和鋼卷外圈；

字符數(shù)量：任意；

字符類型：

數(shù)字：0～9，26個英文字符

特殊字符： *、#、$、&、(、)、%、+、-、.、;、:、<、>、=、？、@、/、kg、【、】、、等

字符高度尺寸：60mm、80mm、100mm可選；

寬度：字符高度的2/3；

噴印字符模式選擇： 4種模式選擇(其中一種模式為按照大小卷自動選擇字體；另外三種為三種字高(60mm、80mm、100mm)的噴印模式；

對齊方式：左對齊；

噴號行數(shù)和周期：弧面最大四行，端面一行弧面四行和端面一行時，周期≤90s，弧面三行和端面一行時，周期≤75s；

噴印介質：環(huán)保油漆。

3 系統(tǒng)設計與原理

3.1 設備布局

該機器人系統(tǒng)仿真如圖2所示，自動噴號機器人設備安裝出口步進梁3#鞍座旁，其中機械手、泵柜系統(tǒng)、噴頭系統(tǒng)、回收裝置以及控制柜安裝在安全護欄內，機旁操作箱安裝在安全防護欄外。該系統(tǒng)設備現(xiàn)場布局如圖3所示。

圖2 機器人系統(tǒng)仿真圖

圖3 現(xiàn)場設備布局圖

3.2 系統(tǒng)配置

該系統(tǒng)主要包括以下設備：(1)工業(yè)機器人(含控制柜及示教器)；(2)泵柜與噴頭系統(tǒng)。

3.2.1 工業(yè)機器人

根據(jù)表一參數(shù)和噴頭系統(tǒng)等條件，采用ABB六軸工業(yè)機械手，型號：IRB6700-150/3.2。

擬選擇的機械手的額定負載為150Kg，機械手末端安裝的噴頭重量約為17Kg，噴頭重心相對于末端法蘭的坐標為(0mm,0mm,220mm)，機械手額定負載校核結果如圖4所示。由圖4可知該機械手各軸承受的靜負荷在其能力范圍內，而且該機械手的J6軸和J5軸的轉動慣量I分別為其最大轉動慣量的37%和21%，均低于其實際負荷的80%，因此，該機械手固有的設計使用壽命能夠滿足工況要求。

圖4 機械手額定負載圖

3.2.2 泵柜與噴頭系統(tǒng)

噴頭系統(tǒng)安裝在機器人末端法蘭，采用單噴頭連續(xù)書寫方式，具有位置檢測，和碰撞保護檢測功能，噴頭內部通冷卻風管，有效保證內部元器件的長期穩(wěn)定工作，三維示意圖如圖5所示。泵柜系統(tǒng)為噴號涂料加壓、控制設備，主要包含過濾器、薄膜泵、控制閥、稱量檢測、清洗劑和涂料管路等元器件，泵柜系統(tǒng)如圖6所示。

圖5 噴頭三維示意圖

圖6 泵柜系統(tǒng)

3.3 電氣系統(tǒng)設計

3.3.1 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)集成在電氣控制柜內，是機器人噴號系統(tǒng)的電氣和控制核心，包含三相電源的控制和分配，控制機器人運動的IRC5機器人控制柜，以及配套的西門子 PLC 控制系統(tǒng)，PLC 控制系統(tǒng)負責控制泵柜系統(tǒng)和噴頭系統(tǒng)內各種閥門動作和信號處理，包括產(chǎn)生電氣自動化連鎖信號。

3.3.2 上位監(jiān)控系統(tǒng)

上位監(jiān)控用于監(jiān)控機器人噴號系統(tǒng)噴號狀態(tài)、各系統(tǒng)相關狀態(tài)、通訊狀態(tài)和相關設備報警狀態(tài)等信息，以及與外界系統(tǒng)的通訊處理，主要包括以下功能：

(1)噴印數(shù)據(jù)選擇來源：手動輸入或接收L2數(shù)據(jù)；(2)上位機模式選擇：分為全自動和半自動，結合機旁操作三種控制方式；(3)參數(shù)設置：包括弧面邊沿距離，側面邊沿距離，弧面噴印距離，側面噴印距離；(4)與機器人交流信號及噴印狀態(tài)顯示；(5)報警指示：包括機器人報警，撞擊報警，探測無卷，清洗劑報警，涂料不夠報警，氣壓報警，重號報警；(6)噴涂記錄顯示：可記錄當前機器人噴號的所有數(shù)據(jù)，可以進行查詢或插入數(shù)據(jù)記錄。

3.3.3 機旁操作盒

機旁操作盒用于就地手動控制，主要用于對機器人噴號系統(tǒng)前期調試和更換涂料時方便現(xiàn)場作業(yè)，也可用于在噴號系統(tǒng)非嚴重故障狀態(tài)時的純手工操作。按鈕布置如圖7所示。

圖7 操作盒按鈕布置圖

3.3.4 安全護欄

機器人噴號系統(tǒng)整個工作區(qū)域用安全護欄隔離，并裝有安全門鎖(含安全門鎖及報警燈)。在機器人動作過程中，按下操作面板上“暫?！卑粹o或打開防護門，機器人立即停止，不再執(zhí)行任何動作和指令，直至按下“暫停復位”按鈕，機器人繼續(xù)當前動作指令和軌跡，直至完成預設動作。維護人員通過安全門進入護欄內，只要防護門未關閉好，且未按“ 暫停復位”按鈕復位，機器人無法再次動作。

3.3.5 系統(tǒng)控制原理與流程

機器人噴號系統(tǒng)控制拓撲如圖8所示。噴號系統(tǒng) PLC 系統(tǒng)采用硬接線 I/O 的方式與操作箱、機器人控制柜、泵柜、各種限位和連鎖開關等信號進行通訊聯(lián)鎖控制。同時監(jiān)控平臺通過以太網(wǎng)與機器人噴號PLC、平整L1、L2進行通訊，獲取機器人噴號系統(tǒng)狀態(tài)和報警信息，以及相關鋼卷、平整步進梁和打包機捆帶信息，信息和控制指令發(fā)送噴號PLC系統(tǒng)，噴號PLC通過PN與機器人進行通訊。機器人和泵柜執(zhí)行噴號動作。

圖8 機器人噴號系統(tǒng)控制拓撲圖

噴印系統(tǒng)分機旁手動和遠程控制兩種方式，其中遠程控制又分為全自動和遠程手動，機旁手動為在現(xiàn)場操作盒直接進行手動噴號操作，遠程手動為人工在噴號監(jiān)控畫面上手動輸入需噴印內容，發(fā)送噴號系統(tǒng)手動執(zhí)行，全自動為從平整L1、L2系統(tǒng)中獲取噴印信號及數(shù)據(jù)自動執(zhí)行噴號操作，無需人為干預。以全自動方式為例。噴號流程如圖9所示。

圖9 噴號作業(yè)流程圖

4 實施效果

該機器人自動噴號系統(tǒng)的開發(fā)和應用，現(xiàn)場投運表明，所設計的噴頭系統(tǒng)、泵柜系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)能夠滿足該機器人自動噴號工作，實現(xiàn)了對鋼卷的自動噴號標識，出錯率為0，文字清洗美觀，噴號效果如圖10所示。能夠滿足生產(chǎn)節(jié)奏需求，達到了預期的效果。

圖10 噴號效果圖

5 結論

采用工業(yè)機器人集成設計技術，所研發(fā)的工業(yè)機器人自動噴號系統(tǒng)替代人工從事鋼卷噴號標識工作，該系統(tǒng)設計合理，可自動噴號，噴號穩(wěn)定可靠，文字清晰，從而降低了工人的勞動強度、提高了噴號效率，出錯率接近零為以及降低了工人的危害風險。該機器人自動噴號系統(tǒng)可廣泛應用于板材、型材等噴號標識工序上，能夠對工業(yè)機器人的開發(fā)與應用起指導和參考作用。