一種基于機(jī)器人的 磨床智能化換輥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文|上海寶信軟件股份有限公司 劉志

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

不銹鋼鋼廠或硅鋼單機(jī)架冷軋磨輥間主要承擔(dān)各20 輥（或18 輥）軋機(jī)的工作輥/中間輥表面磨削、軸承座拆裝等任務(wù)，其最重要的設(shè)備是工作輥/中間輥小磨床。

為了滿足磨輥間對(duì)高質(zhì)量、高產(chǎn)量、高效益和低能耗的總體要求，減小軋輥在裝卸時(shí)對(duì)磨床的撞擊，提高軋輥磨削精度、降低磨床的故障率，一般在磨輥車間配備軋輥?zhàn)詣?dòng)裝載裝置。由于單機(jī)架冷軋軋輥的重量都在30～300kg 之間，且目前全國(guó)使用的磨床大部分都是依靠人工操作的手動(dòng)磨床，因此通過(guò)對(duì)手動(dòng)磨床的部分改造實(shí)現(xiàn)磨床智能化換輥是當(dāng)前要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)磨輥間非常重要的一步。

上海寶信軟件股份有限公司智能裝備事業(yè)本部自主研發(fā)的一種基于機(jī)器人的磨床智能化換輥系統(tǒng)全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了單機(jī)架冷軋磨輥間軋輥上下磨床的工作，實(shí)現(xiàn)了工作區(qū)的自動(dòng)化和無(wú)人化、設(shè)備操作自動(dòng)運(yùn)行控制，建立了全自動(dòng)的安全的工作環(huán)境，提高設(shè)備的利用率，減輕了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。軋輥磨床智能化換輥機(jī)器人系統(tǒng)采用ABB工業(yè)機(jī)器人及智能夾鉗系統(tǒng)，自動(dòng)搬運(yùn)重量最高達(dá)300kg 的軋輥時(shí)其定位精度達(dá)到±1mm，大大減小了軋輥在裝卸時(shí)對(duì)磨床的撞擊，提高了磨輥的精度和質(zhì)量。

本項(xiàng)目是在寧波寶新不銹鋼3#冷軋磨輥間，該磨輥間選用2套軋輥磨床智能化換輥機(jī)器人系統(tǒng)，負(fù)責(zé)磨輥間內(nèi)4 臺(tái)軋輥磨床的自動(dòng)裝、卸軋輥（工作輥）的工作。

二、工藝介紹

在輥車間每2 臺(tái)磨床的操作側(cè)安裝載有換輥機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)器人第七軸，在各機(jī)床的機(jī)器人第七軸的對(duì)側(cè)設(shè)有兩個(gè)帶有定位功能的軋輥輥箱和一組中間緩沖輥架。操作工通過(guò)車間行車將待磨削的軋輥及輥箱（工作輥）吊入待磨輥箱存放區(qū)。軋輥磨床智能化換輥機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)一鍵下輥指令自動(dòng)由將待磨輥箱存放區(qū)內(nèi)的6 根軋輥搬運(yùn)到中間緩沖輥架，智能化換輥機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行軋輥配對(duì)后根據(jù)磨輥間管理系統(tǒng)（RSMS）下發(fā)的生產(chǎn)計(jì)劃把對(duì)應(yīng)的軋輥搬運(yùn)到磨床的工作位置上，由磨床自行完成磨削任務(wù)，當(dāng)軋輥磨削完成后，由軋輥磨床智能化換輥機(jī)器人系統(tǒng)將機(jī)床上的軋輥?zhàn)詣?dòng)卸下搬運(yùn)到成品輥存放區(qū)的輥箱上。軋輥進(jìn)出自動(dòng)區(qū)域的吊運(yùn)由操作工通過(guò)車間行車完成，軋輥在自動(dòng)區(qū)域內(nèi)的搬運(yùn)由軋輥磨床智能化換輥機(jī)器人系統(tǒng)全自動(dòng)完成。工藝布置簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 工藝布置簡(jiǎn)圖

三、控制系統(tǒng)構(gòu)成

冷軋磨輥間磨床智能化換輥控制系統(tǒng)主要包含地面主控系統(tǒng)、機(jī)器人第七軸控制系統(tǒng)和機(jī)器人運(yùn)行控制系統(tǒng)。

1、地面主控系統(tǒng)

地面主控系統(tǒng)采用西門子CPU314-2DP 的CPU，在主機(jī)架上同時(shí)集成了I/O 模塊、CP343-1 模塊等。CP343-1 負(fù)責(zé)同RSMS 系統(tǒng)建立Ethernet-Connection 接收及發(fā)送地面系統(tǒng)設(shè)備相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù),同時(shí)負(fù)責(zé)和HMI 服務(wù)器進(jìn)行通訊鏈接。由于磨輥間的磨床、AGV 及磨床智能化換輥系統(tǒng)都是獨(dú)立的DP 網(wǎng)絡(luò)，相互之間的通訊速率及站地址也不盡相同，設(shè)備間跨越的距離也較遠(yuǎn)，因此我們采用西門子的DP/DP Coupler 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)地面主控系統(tǒng)與各個(gè)地面系統(tǒng)設(shè)備之間的控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的數(shù)據(jù)信息的傳遞。

2、機(jī)器人第七軸控制系統(tǒng)

每套冷軋磨輥間磨床智能化換輥系統(tǒng)同時(shí)為2 臺(tái)磨床進(jìn)行上下輥服務(wù)，因此需要配備機(jī)器人第七軸來(lái)作為機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)。

由于智能化換輥系統(tǒng)要求做到軋輥在磨床裝卸時(shí)輕起輕放，杜絕磨床因軋輥的撞擊而損壞精度，因此智能化換輥系統(tǒng)定位精度要求非常高，達(dá)到定位精度小于±1mm，為此機(jī)器人第七軸的傳動(dòng)部分我們采用了SIEMENS SINAMICS伺服定位控制系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)和電機(jī)選擇了西門子S120 書本型模塊和1FK7 系列伺服電機(jī)。采用SINAMICS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在電氣上保證了定位的精度和運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3、機(jī)器人運(yùn)行控制系統(tǒng)

機(jī)器人運(yùn)行控制系統(tǒng)主要由ABB 公司的IRB 6700 六軸機(jī)器人本體和及安裝在機(jī)器人上的自動(dòng)夾具組成。IRB 6700六軸機(jī)器人具有維修間隔時(shí)間長(zhǎng)，維修次數(shù)少；精確度高，重復(fù)定位精度0.5mm；平均無(wú)故障間隔時(shí)間最低達(dá)到8 760小時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，在智能制造領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。自動(dòng)夾具采用單電機(jī)雙出軸同步設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)上采用機(jī)械式扭矩限制器來(lái)保證夾取的夾緊力恒定并對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。同時(shí)恒定的夾緊力可以保證夾具上安裝的基于SICK OD2的自動(dòng)輥徑測(cè)量系統(tǒng)的精度達(dá)到±0.1mm，為智能化換輥系統(tǒng)的自動(dòng)配輥功能的實(shí)現(xiàn)提供了有力的精度和準(zhǔn)確度支撐。

四、控制系統(tǒng)完成的功能

冷軋磨輥間磨床智能化換輥控制系統(tǒng)按照軟件功能來(lái)劃分的話主要包含六大子系統(tǒng)：主控命令收發(fā)系統(tǒng)、輥徑測(cè)量及配對(duì)系統(tǒng)、物流跟蹤及管理系統(tǒng)、機(jī)器人運(yùn)行控制系統(tǒng)、自動(dòng)步執(zhí)行系統(tǒng)和錯(cuò)誤報(bào)警系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)可以在有限的系統(tǒng)資源的情況下標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)冷軋磨輥間磨床智能化換輥功能。其功能框架圖如圖2 所示。

圖2 功能框架圖

冷軋磨輥間磨床智能化換輥控制系統(tǒng)運(yùn)行總的流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

當(dāng)系統(tǒng)初始化之后，程序初始化系統(tǒng)需要通過(guò)看門狗對(duì)主控命令收發(fā)系統(tǒng)鏈路的有效性進(jìn)行判斷，當(dāng)判斷的看門狗正確后物流跟蹤及管理系統(tǒng)的服務(wù)端口可以啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的物流跟蹤和軋輥管理。機(jī)器人運(yùn)行及管理系統(tǒng)及自動(dòng)步執(zhí)行系統(tǒng)可以在有限的系統(tǒng)資源的情況下標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)冷軋磨輥間磨床智能化換輥功能。

冷軋磨輥間磨床智能化換輥控制系統(tǒng)主要包含以下六大子系統(tǒng)。

1、主控命令收發(fā)系統(tǒng)

由于該軟件系統(tǒng)是基于磨輥間軋輥磨削工藝自動(dòng)化流程管理的終端實(shí)現(xiàn)，因此在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中需要接收周邊其他控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)及相關(guān)控制命令。為了合理利用整個(gè)冷軋磨輥間流程管理通訊自動(dòng)化資源，本系統(tǒng)的控制人員可以有選擇的通過(guò)主控系統(tǒng)進(jìn)行和各磨床收發(fā)系統(tǒng)服務(wù)的啟動(dòng)和停止。主控命令收發(fā)系統(tǒng)可以在工作安全的前提下進(jìn)行人工自動(dòng)生成相應(yīng)磨床的自動(dòng)上下輥?zhàn)鳂I(yè)。

2、輥徑測(cè)量及配對(duì)系統(tǒng)

輥徑測(cè)量及配對(duì)系統(tǒng)通過(guò)工藝配方算法進(jìn)行比較，可以通過(guò)對(duì)測(cè)量到的精度在±0.1mm 范圍內(nèi)的軋輥直徑數(shù)據(jù)的比較判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)軋輥的配對(duì)功能；同時(shí)通過(guò)精確的輥徑測(cè)量系統(tǒng)為智能磨輥間的軋輥的物流跟蹤和管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3、物流跟蹤及管理系統(tǒng)

由于磨輥間一般都存在上百個(gè)輥位，軋輥又包括工作輥及中間輥等，單工作輥又包括需要配對(duì)的G 輥或H 輥等，因此必須按照輥位及軋輥類型并根據(jù)智能化換輥系統(tǒng)的工作流程對(duì)整個(gè)區(qū)域內(nèi)軋輥進(jìn)行物流跟蹤及管理。物流跟蹤及管理系統(tǒng)就是按照智能化換輥系統(tǒng)的工作流程，依據(jù)輥徑測(cè)量及配對(duì)系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)及機(jī)器人讀取的軋輥RFID 信息來(lái)判斷和實(shí)現(xiàn)每個(gè)工位的軋輥狀態(tài)及數(shù)據(jù)。

4、機(jī)器人運(yùn)行控制系統(tǒng)

采用基于Robot Studio 6.0 的RAPID 編程語(yǔ)言編寫的機(jī)器人運(yùn)行控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用不同運(yùn)行子程序的方式實(shí)現(xiàn)輥箱一鍵下輥功能、磨床自動(dòng)上輥功能及磨床自動(dòng)下輥功能。六軸工業(yè)機(jī)器人作為實(shí)現(xiàn)高精密柔性運(yùn)行的載體，通過(guò)安裝在第六軸上的自動(dòng)夾鉗實(shí)現(xiàn)了對(duì)軋輥的夾取和放置。

機(jī)器人運(yùn)行控制系統(tǒng)依靠IRC5 機(jī)器人控制器為硬件驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)在自動(dòng)模式激活狀態(tài)下，可以調(diào)用預(yù)先保存在機(jī)器人控制器中的*.Main 程序、系統(tǒng)將主控PLC 發(fā)送下來(lái)的系統(tǒng)狀態(tài)及控制信息通過(guò)處理變成機(jī)器人識(shí)別的十進(jìn)制ASCII 碼，連同系統(tǒng)狀態(tài)碼，位置坐標(biāo)，程序號(hào)等參數(shù)通過(guò)調(diào)用FC47 及FC48 軟件模塊發(fā)送給機(jī)器人主程序，主程序分析后調(diào)用各個(gè)RAPID 子程序完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。

5、自動(dòng)步執(zhí)行系統(tǒng)

自動(dòng)步執(zhí)行系統(tǒng)按照西門子S7-GRAPH 編程實(shí)現(xiàn)， 程序是按照工藝流程及條件判斷來(lái)完成整個(gè)智能化換輥系統(tǒng)工作的每個(gè)工作步驟，并通過(guò)判斷在系統(tǒng)出錯(cuò)的情況下跳轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤報(bào)警系統(tǒng)。

6、錯(cuò)誤報(bào)警系統(tǒng)

錯(cuò)誤報(bào)警系統(tǒng)提供系統(tǒng)錯(cuò)誤代碼及處理建議，從而幫助系統(tǒng)維護(hù)人員快速排障。

五、項(xiàng)目運(yùn)行

項(xiàng)目于2019 年2 月上線運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行良好穩(wěn)定，系統(tǒng)設(shè)備如圖4 所示。

圖4 磨床智能化換輥系統(tǒng)設(shè)備示圖

六、結(jié)論

國(guó)內(nèi)第一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單機(jī)架冷軋磨輥間磨床智能化換輥系統(tǒng)在寧波寶新3#磨輥間的順利應(yīng)用，引起了國(guó)內(nèi)業(yè)界的高度關(guān)注?；跈C(jī)器人的磨床智能化換輥系統(tǒng)是現(xiàn)代單機(jī)架冷軋廠磨輥車間的標(biāo)配設(shè)備。真正做到了軋輥在磨床裝卸時(shí)的輕起輕放，對(duì)確保磨床的磨削精度起著關(guān)鍵作用，有效地保障了冷軋鋼板的精度和板形質(zhì)量，同時(shí)減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)安全性。