鍍鋅線鋅鍋機(jī)器人無人化清渣系統(tǒng)開發(fā)

劉杰中，曾求洪，馮力力，陳奇福

（湖南華菱漣源鋼鐵有限公司 檢修中心，湖南 婁底 417009）

熱鍍鋅板生產(chǎn)線是用于把成卷的鋼板連續(xù)浸入盛有熔融鋅液的鋅鍋裝置中，使其表面覆蓋一定厚度的鋅，制成防銹鍍鋅鋼板的生產(chǎn)設(shè)備。鍍鋅是一種國內(nèi)外常采用的、經(jīng)濟(jì)有效的金屬防腐方式，全球鋅產(chǎn)量的一半以上均用于此工藝。我國生產(chǎn)的鍍鋅板主要用于家電、船舶、建筑等行業(yè)，目前生產(chǎn)效率不高，汽車、高鐵所用的高品質(zhì)鍍鋅板任然依靠進(jìn)口。因此，有必要提高我國的鍍鋅生產(chǎn)線自動(dòng)化水平和鍍鋅板品質(zhì)。

雖然影響鍍鋅板表面質(zhì)量的因素較多，但是氧化浮渣是影響鍍鋅板質(zhì)量一個(gè)至關(guān)重要的因素。鋅鍋裝置造成的惡劣環(huán)境因素主要有460℃左右高溫輻射、強(qiáng)噪音、鋅液飛濺以及電磁輻射等等。然而，國內(nèi)清理鋅鍋氧化渣主要依靠2～3名操作工操持自制簡易工具協(xié)作完成，人工清渣主要存在清渣不及時(shí)、清渣不徹底、清渣效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度和危害風(fēng)險(xiǎn)較大等問題，然而人工清渣的不及時(shí)和不徹底會(huì)影響鍍鋅板表面質(zhì)量，清渣效率低會(huì)影響到整條生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率，由于采用人工清渣，操作工長時(shí)間暴露在惡劣環(huán)境中，導(dǎo)致操作工勞動(dòng)強(qiáng)度和危害風(fēng)險(xiǎn)較大。

針對(duì)清渣不及時(shí)、清渣不徹底等影響鍍鋅板表面質(zhì)量的問題，采用工業(yè)機(jī)器人代替人工進(jìn)行清渣工作，能夠按照操作工的意愿和無情緒干擾的方式工作，從而及時(shí)徹底的清除鋅鍋浮渣，有利于鍍鋅板表面質(zhì)量的提高，產(chǎn)品質(zhì)量更可靠和穩(wěn)定。

針對(duì)清渣效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度和危害風(fēng)險(xiǎn)較大等問題，采用機(jī)器人系統(tǒng)代替人工24小時(shí)不間斷進(jìn)行清渣工作，不僅提高了清渣效率，實(shí)現(xiàn)了無人清渣，而且減少了操作工在高溫、強(qiáng)噪聲、粉塵以及電離輻射等惡劣環(huán)境中的作業(yè)時(shí)間，改善了員工的安全狀況，提高了員工的安全保障。然而，國內(nèi)存在單臺(tái)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行鋅鍋清渣工作，離不開操作工的輔助，沒有實(shí)現(xiàn)無人化清渣，因此通過研發(fā)一種鍍鋅線鋅鍋機(jī)器人清渣系統(tǒng)來代替人工，實(shí)現(xiàn)無人化清渣具有重大意義。

1 機(jī)器人清渣區(qū)域及安裝位置

1.1 清渣區(qū)域

氧化浮渣覆蓋在鋅鍋鋅液表層，為了實(shí)現(xiàn)無人化清渣，將鋅鍋劃分為趕渣區(qū)域A、趕渣區(qū)域B、趕渣區(qū)域C以及撈渣區(qū)域D。機(jī)器人清渣區(qū)域如圖1所示。采用機(jī)器人系統(tǒng)清渣主要有兩個(gè)步驟。

（1）將鋅鍋中鋅液表層的鋅渣均趕至撈渣區(qū)域D。

（2）將匯聚到撈渣區(qū)域D的鋅渣撈起，放入指定鋅渣收集斗里，待收集滿后通過懸臂吊吊走已成形好的鋅渣錠。

1.2 安裝位置

采用單臺(tái)機(jī)器人清渣很難做到完全取代人工，即無人化清渣，而只能將其中最繁重危險(xiǎn)的工作交給機(jī)器人完成，比如撈渣，抖渣，倒渣等等。因此要實(shí)現(xiàn)鍍鋅線無人化清渣，需要多臺(tái)機(jī)器人協(xié)作才能實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)共設(shè)置了4臺(tái)機(jī)器人，其中趕渣區(qū)域A、趕渣區(qū)域B、趕渣區(qū)域C以及撈渣區(qū)域D對(duì)應(yīng)的梁上分別設(shè)置有一臺(tái)機(jī)器人，機(jī)器人本體的擬安裝位置如圖1所示，每臺(tái)機(jī)器人的作業(yè)范圍：機(jī)器人工作半徑為球體的1/4區(qū)域。清渣機(jī)器人系統(tǒng)三維模型如圖2所示。

圖1 機(jī)器人清渣區(qū)域及擬安裝位置

圖2 清渣機(jī)器人系統(tǒng)三維模型示意圖

2 機(jī)器人系統(tǒng)工作流程

清渣機(jī)器人系統(tǒng)啟動(dòng)后，機(jī)器人A、機(jī)器人B以及機(jī)器人C分別負(fù)責(zé)將各自趕渣區(qū)域的氧化浮渣均趕至撈渣區(qū)域D，由機(jī)器人D將集中在撈渣區(qū)域D處的氧化浮渣清除干凈，機(jī)器人D的工作過程是通過清渣執(zhí)行器將鋅鍋內(nèi)較遠(yuǎn)處的鋅渣耙到靠近機(jī)器人的位置，隨著鋅渣在該區(qū)域的匯集，機(jī)器人按照程序指令執(zhí)行撈渣動(dòng)作，在清渣過程中為使鋅液最大限度的流回鋅鍋內(nèi)，機(jī)器人執(zhí)行抖清渣執(zhí)行器動(dòng)作，再執(zhí)行倒渣動(dòng)作。經(jīng)過若干次撈取以后為了避免鋅渣堵塞清渣執(zhí)行器的濾孔，需要進(jìn)行一次洗執(zhí)行器動(dòng)作。機(jī)器人清渣系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 機(jī)器人清渣系統(tǒng)工作流程

3 機(jī)器人選型及主要參數(shù)

3.1 品牌選型

考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的惡劣及機(jī)器人系統(tǒng)軟、硬件運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，擬采用ABB、發(fā)那科、安川、庫卡等進(jìn)口機(jī)器人，由于考慮到ABB機(jī)器人示教器具有與其它品牌機(jī)器人所沒有的方便在線編程的運(yùn)動(dòng)控制搖桿，故本系統(tǒng)采用ABB生產(chǎn)的機(jī)器人。

3.2 主要參數(shù)

（1）自由度：6自由度（六軸式），鑄造版。

（2）該機(jī)器人無人化清渣系統(tǒng)四臺(tái)機(jī)器人分別負(fù)責(zé)鋅鍋均約1/4的區(qū)域清渣，因此四臺(tái)機(jī)器人的工作半徑可以選擇一致，下面以撈渣機(jī)器人D為例來分析選擇機(jī)器人的工作半徑，機(jī)器人型號(hào)：IRB4600_60_255_C_01腕關(guān)節(jié)、帶末端執(zhí)行器工作空間（球體區(qū)域）如圖4所示，由圖4-a可知該機(jī)器人腕關(guān)節(jié)的工作空間能夠覆蓋50%的撈渣區(qū)域，由圖4-b可知該機(jī)器人帶末端執(zhí)行器的工作空間能夠覆蓋整個(gè)撈渣區(qū)域，因此機(jī)器人D的工作半徑取2.55m可滿足作業(yè)范圍要求。

（3）額定負(fù)載：45～60kg。

（4）最大工作速度：5000。

（5）安裝方式：粱上安裝。

（6）機(jī)器人本體自重：560kg。

（7）工作精度：重復(fù)定位精度≤1 mm。

（8）安全連鎖。

（9）24h工作制。

（10）環(huán)境參數(shù)：工作環(huán)境溫度80℃（加防護(hù)）、鋅液飛濺保護(hù)（加防護(hù)）、強(qiáng)噪音。

（11）帶便攜式操作面板(手持式示教器)，手動(dòng)及自動(dòng)模式等等。

圖4 機(jī)器人腕關(guān)節(jié)、帶撈渣執(zhí)行器工作空間

4 系統(tǒng)配置與主要功能

4.1 系統(tǒng)配置

軟件：ABB機(jī)器人操作系統(tǒng)；硬件：機(jī)器人本體、控制器、機(jī)器人滑動(dòng)底座、清渣執(zhí)行器、現(xiàn)場(chǎng)操作面板、示教器、鋅渣回收斗以及各線路電纜等。其中機(jī)器人滑動(dòng)底座和清渣執(zhí)行器是該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，圖5為機(jī)器人滑動(dòng)底座三維模型，圖6為清渣執(zhí)行器，圖7為現(xiàn)場(chǎng)操作面板，圖8為示教器在線編程界面。

該機(jī)器人滑動(dòng)底座包括用于安裝機(jī)器人的活動(dòng)底座；設(shè)于活動(dòng)底座上的用于支撐活動(dòng)底座并用于調(diào)節(jié)活動(dòng)底座的可調(diào)支座；設(shè)于可調(diào)支座下部并用于支撐可調(diào)支座的軌道；設(shè)于活動(dòng)底座下部并用于固定機(jī)器人的固定座；以及用于驅(qū)動(dòng)活動(dòng)底座相對(duì)于軌道移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。該機(jī)器人滑動(dòng)底座通過可調(diào)支座將活動(dòng)底座升高或者降低，當(dāng)活動(dòng)底座降低后，將機(jī)器人固定在活動(dòng)底座下的固定座上。當(dāng)活動(dòng)底座升高后，動(dòng)底座可以沿軌道移動(dòng)到安全區(qū)域，進(jìn)行檢修維修或者安裝。避免了惡劣的施工環(huán)境導(dǎo)致施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度較大、施工不方便、較長時(shí)間的作業(yè)對(duì)施工人員造成的危害，該裝置可以滿足冷軋鋅鍋無人化撈渣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求，也可廣泛適用于各種惡劣環(huán)境中。

圖5 機(jī)器人滑動(dòng)底座

圖6 所示的清渣裝置,包括：第一桿件；與第一桿件鉸接的并能相對(duì)于第一桿件擺動(dòng)的第二桿件；用于驅(qū)動(dòng)第二桿件相對(duì)于第一桿件擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置；以及與第二桿件連接并用于撈渣的清渣斗；緩沖器能夠緩沖第二桿件相對(duì)于第一桿件擺動(dòng)時(shí)的沖擊力；隔熱板由酚醛樹脂壓層板制成，能夠隔絕鋅鍋高溫鋅液對(duì)機(jī)器人末端伺服電機(jī)的高溫破壞，即保護(hù)伺服電機(jī)。能夠安裝在機(jī)器人的執(zhí)行手臂上，從而及時(shí)的清理了鋅鍋在工作時(shí)產(chǎn)生的氧化浮渣，并能直接運(yùn)送到指定的區(qū)域或者盛渣斗內(nèi)。

圖6 清渣執(zhí)行器

圖7 所示的機(jī)器人系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)操作面板，該面板上設(shè)計(jì)的按鈕控制功能介紹如下：（1）操作電源開關(guān)，按下該按鈕，機(jī)器人控制器得電；（2）自動(dòng)/手動(dòng)，用來在線編程、程序調(diào)試以及機(jī)器人執(zhí)行程序指令自動(dòng)運(yùn)行；（3）運(yùn)轉(zhuǎn)準(zhǔn)備，按下該按鈕時(shí)，機(jī)器人本體各伺服電機(jī)上電；（4）啟動(dòng)，按下該按鈕，機(jī)器人系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒；（5）回到原點(diǎn)，按下該按鈕，機(jī)器人自動(dòng)回到機(jī)械原點(diǎn)或者程序指令預(yù)先設(shè)置的原點(diǎn)；（6）暫停，按下該按鈕，機(jī)器人立即停止，但伺服電機(jī)不下電；（7）重新啟動(dòng)，該按鈕用于重新啟動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)；（8）確認(rèn)啟動(dòng)，當(dāng)按下啟動(dòng)后，機(jī)器人不能動(dòng)作，得按下該確認(rèn)啟動(dòng)按鈕后，機(jī)器人才能動(dòng)作；（9）急停，按下該按鈕，機(jī)器人立即停止，所有伺服電機(jī)都下電；（10）安全鎖，只有插入鑰匙打開鎖，才能開啟該控制面板上的所有按鈕，否則對(duì)任意按鈕執(zhí)行操作均無效。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)操作面板

如圖8所示為機(jī)器人D的示教器在線編程界面，對(duì)機(jī)器人示教編程主要注意以下幾個(gè)問題：（1）機(jī)器人控制器要打到手動(dòng)模式；（2）運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置要適宜，不能過快；（3）所有指令設(shè)置完成后，要先調(diào)試確認(rèn)指令無誤后才能打到自動(dòng)模式。

圖8 示教器在線編程界面

4.2 主要功能

（1）系統(tǒng)提供趕渣、耙渣、撈渣、抖清渣執(zhí)行器、倒渣及洗清渣執(zhí)行器功能；（2）趕渣由機(jī)器人A、B以及C完成，機(jī)器人D在每次耙渣、抖清渣執(zhí)行器以及倒渣循環(huán)以后，相鄰兩循環(huán)間的時(shí)間間隔可調(diào)；（3）趕渣、耙渣、撈渣速度和次數(shù)可調(diào)；（4）抖渣幅度和時(shí)間可調(diào)；（5）倒渣可按由遠(yuǎn)及近或者由中間到四周的順序依次放滿整個(gè)盛渣斗；（6）機(jī)器人整個(gè)撈渣過程中，執(zhí)行預(yù)先設(shè)置的程序指令而無人為干涉工作；（7）整機(jī)提供碰撞檢測(cè)智能防護(hù)及碰撞區(qū)域智能檢測(cè)（ABB系統(tǒng)帶智能干涉監(jiān)測(cè)模塊）；（8）離機(jī)器人工作半徑邊緣1m以外設(shè)置安全圍欄，也可以考慮電子?xùn)艡?，圍欄設(shè)置1-2扇門（與機(jī)器人構(gòu)成安全聯(lián)鎖）等等。

4.3 機(jī)器人隔熱與防護(hù)

為了保證機(jī)器人本體在45℃以下工作，采取以下防護(hù)措施。（1）給機(jī)器人穿隔熱防護(hù)服，隔絕高溫鋅液飛濺和熱傳導(dǎo)，如圖9所示為穿戴隔熱防護(hù)服的清渣機(jī)器人；（2）清渣執(zhí)行器設(shè)置膠木板（酚醛樹脂壓層）隔絕熱傳導(dǎo)，隔絕高溫鋅液對(duì)機(jī)器人末端關(guān)節(jié)的熱傳導(dǎo)；（3）采用壓縮空氣或者風(fēng)扇冷卻機(jī)器人關(guān)節(jié)等。

表1 機(jī)器人清渣與人工清渣效果對(duì)比

圖9 穿戴隔熱防護(hù)服的清渣機(jī)器人

4.4 電氣信號(hào)接口

（1）鋅鍋液位信號(hào)；（2）加鋅信號(hào)；（3）實(shí)時(shí)溫度信號(hào)；（4）通訊接口：以太網(wǎng)（ETHERNET）通信協(xié)議等等。

4.5 機(jī)器人清渣效果

以1000m鋼帶為基準(zhǔn)對(duì)人工清渣與機(jī)器人清渣在清渣效率、產(chǎn)品質(zhì)量百分率、人為干預(yù)程度以及清渣標(biāo)準(zhǔn)化程度等方面進(jìn)行對(duì)比分析。機(jī)器人清渣與人工清渣效果對(duì)比結(jié)果如表1所示，結(jié)果顯示：機(jī)器人清渣效率是22kg/min，是人工清渣的2倍以上；機(jī)器人清渣產(chǎn)品質(zhì)量合格率為94%，而人工清渣只有87%，產(chǎn)品質(zhì)量合格率提高了8%以上；人工清渣需要100%人工干預(yù)，而機(jī)器人清渣人工干預(yù)率為2%,基本上實(shí)現(xiàn)了無人化清渣；機(jī)器人清渣可以做到100%的標(biāo)準(zhǔn)化清渣，然而人工清渣存在情緒、惡劣環(huán)境等的干擾，標(biāo)準(zhǔn)化清渣率不到65%，清渣標(biāo)準(zhǔn)化程度提高了54%。

5 結(jié)語

鍍鋅線鋅鍋生產(chǎn)過程中熔融鋅液會(huì)產(chǎn)生漂浮在鋅液表面的浮渣，人工清渣會(huì)存在清渣不及時(shí)、清渣不徹底、清渣效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度和危害風(fēng)險(xiǎn)較大等問題，通過采用機(jī)器人無人化清渣系統(tǒng)解決了上述問題，結(jié)論如下：

第一，采用機(jī)器人系統(tǒng)代替人工進(jìn)行清渣工作，清渣效率提高1倍以上，產(chǎn)品質(zhì)量合格率提高了8%以上。

第二，采用機(jī)器人系統(tǒng)代替人工可24h不間斷進(jìn)行清渣工作，基本上不存在人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了無人化清渣，清渣標(biāo)準(zhǔn)化程度提高了54%。

第三，采用機(jī)器人系統(tǒng)清渣人為干預(yù)程度為2%，相對(duì)于人工清渣減少了操作工在高溫、強(qiáng)噪聲、粉塵以及強(qiáng)磁輻射等惡劣環(huán)境中的作業(yè)時(shí)間，降低了惡劣環(huán)境對(duì)操作工的傷害風(fēng)險(xiǎn)。