連退機(jī)組入口多功能機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

葛祥，賈建，余瓊，王浩晴，王成鵬

（馬鋼（合肥）板材有限責(zé)任公司，安徽合肥，230011）

1 概述

馬鋼（合肥）板材公司連退機(jī)組入口原設(shè)計采用人工方式對鋼卷打包帶進(jìn)行手動剪切,再放置在收集槽。打包帶拆除后，操作人員需使用掃碼槍對鋼卷條形碼掃碼后再次核實方可在二級系統(tǒng)確認(rèn)鋼卷信息。為降低危害風(fēng)險，減少勞動強(qiáng)度，打造智慧工廠，馬鋼（合肥）板材公司通過新增多功能機(jī)器人取代人工對鋼卷打包帶進(jìn)行自動拆除及回收，并實現(xiàn)自動掃碼確認(rèn)，提高了工作效率及掃碼準(zhǔn)確率。多功能機(jī)器人機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)為ABB工業(yè)六軸機(jī)器人，布置于1#機(jī)組與2#機(jī)組通道中間，機(jī)器人采用地面導(dǎo)軌形式，在正常情況時1#機(jī)器人主要用于1#連退機(jī)組作業(yè)，特殊情況下可對2#線進(jìn)行作業(yè)，2#機(jī)器人功能亦如此，具體布置圖如圖1所示。

圖1 1#、2#連退機(jī)組入口多功能機(jī)器人布置圖

2 系統(tǒng)組成

工業(yè)六軸機(jī)器人主要由剪捆夾具頭、標(biāo)簽識別及撕除裝置、捆帶收集裝置、移動導(dǎo)軌裝置及電氣控制系統(tǒng)組成。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

多功能機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖2所示。剪捆夾具頭上安裝有夾鉗和剪刀，機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)上裝有超聲波和激光傳感元件，可以檢測鋼卷帶頭及捆帶位置。檢測定位完成后，先用夾鉗將捆帶鏟起并夾住，再用剪刀將捆帶剪斷，然后夾著捆帶由機(jī)器人通過導(dǎo)向架將捆帶成U型放置于回收槽內(nèi)，回收槽由兩個小回收槽和移動底座組成，通過移動底座可將回收槽拉移至天車吊運(yùn)范圍，方便運(yùn)走廢捆帶。標(biāo)簽識別及撕除裝置上安裝有尋找標(biāo)簽及識別標(biāo)簽傳感器及撕標(biāo)簽裝置，當(dāng)尋找到標(biāo)簽并掃碼識別后，撕標(biāo)簽裝置通過氣缸夾住標(biāo)簽，并將其撕除，放置于廢桶內(nèi)。當(dāng)其中一臺機(jī)器人出現(xiàn)故障時，另一臺機(jī)器人在移動導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)上移動對兩個入口的鋼卷進(jìn)行拆捆作業(yè)，移動導(dǎo)軌由伺服馬達(dá)驅(qū)動齒輪傳動。

圖2 多功能機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.2 電氣控制系統(tǒng)

多功能機(jī)器人采用西門子S7-1215C為主控制器，PLC通過Profinet與機(jī)器人進(jìn)行通信，采用S-120變頻器控制機(jī)器人導(dǎo)軌運(yùn)行，通過硬線I/O的方式與機(jī)組L1建立聯(lián)鎖，采用Profibus-DP形式與機(jī)組L1進(jìn)行鋼卷數(shù)據(jù)通信，獲取生產(chǎn)鋼卷信息，1#與2#機(jī)器人之間采用Profinet進(jìn)行通信，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖如圖3所示。

圖3 多功能機(jī)器人系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2.2.1 PLC硬件結(jié)構(gòu)

PLC控制系統(tǒng)采用S-1200系列控制器，使用TIA Portal V16軟件編程，工業(yè)機(jī)器人自帶DPCOUPLER，通信采用Profibus-DP通信方式，硬件組成見表1。

表1 PLC硬件結(jié)構(gòu)

2.2.2 PLC程序開發(fā)

機(jī)器人整個作業(yè)流程分為標(biāo)簽識別、帶尾識別、拆捆作業(yè)及捆帶收集，均為全自動運(yùn)行，針對作業(yè)流程開發(fā)相關(guān)程序。

2.2.2.1 機(jī)器人自動作業(yè)流程圖

根據(jù)安全可靠有效的原則，編寫機(jī)器人工作流程圖，如圖4所示。

（1）當(dāng)入口步進(jìn)梁運(yùn)送鋼卷到達(dá)拆捆工位并放下時，L1將“地輥鞍座有卷”和“允許啟動拆捆”信號通過硬線I/O點發(fā)給拆捆機(jī)器人PLC，拆捆機(jī)器人PLC判斷條件滿足后啟動機(jī)器人作業(yè)。

（2）拆捆機(jī)器人與L1通信，獲取當(dāng)前鋼卷的卷號及規(guī)格數(shù)據(jù)。

圖4 機(jī)器人工作流程圖

（3）機(jī)器人啟動標(biāo)簽識別作業(yè)。

機(jī)器人攜帶剪捆頭夾具（含讀碼設(shè)備），首先定位到地輥鋼卷正上方，然后通過其激光傳感器檢測鋼卷并經(jīng)機(jī)器人控制程序中公式計算出鋼卷的外徑。

移動到掃描標(biāo)簽初始位置，機(jī)器人開始圓弧運(yùn)動。如果在掃描范圍內(nèi)未掃描到標(biāo)簽，則發(fā)送命令給L1讓地輥轉(zhuǎn)動一定角度，繼續(xù)掃描標(biāo)簽，直到掃描到標(biāo)簽鋼卷號為止，并與L1下發(fā)的鋼卷號進(jìn)行比對，當(dāng)掃描獲得的卷號與機(jī)組所給信息一致時，則執(zhí)行撕標(biāo)簽的作業(yè)流程；不一致則報警提示，機(jī)器人返回原始位停止作業(yè)。

（4）如標(biāo)簽撕除成功后，則進(jìn)入帶頭識別作業(yè)。

帶頭識別裝置啟動拍照，判斷帶頭是否出現(xiàn)在視野范圍內(nèi)，如出現(xiàn)則進(jìn)行拆捆作業(yè)，如未出現(xiàn)，則機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)送命令給L1，讓地輥順著帶頭方向轉(zhuǎn)動，機(jī)器人拆捆夾具上的激光傳感檢測鋼卷帶頭。檢測到帶頭后則發(fā)送命令讓地輥繼續(xù)轉(zhuǎn)動，將帶頭壓在地輥上，如果兩圈內(nèi)激光傳感元件未檢測到帶頭，則報警提示。

（5）將帶頭定位到指定位置后，定位捆帶位置，判斷哪些捆帶位于地輥槽內(nèi)，不在槽中則報警提示。

（6）機(jī)器人剪掉位于地輥槽中的捆帶夾送至回收槽，如該數(shù)量不唯一，則重復(fù)該過程，直到全部剪完。

（7）拆捆機(jī)器人自動回到原始位，并發(fā)送L1解鎖命令，整個作業(yè)流程結(jié)束。

2.2.2.2 PLC程序開發(fā)

根據(jù)機(jī)器人工作流程圖，開發(fā)PLC控制程序，如圖5所示。

圖5 PLC程序截圖（局部）

2.2.3 HMI畫面開發(fā)

為方便操作，開發(fā)HMI觸摸屏，通過TIA Portal V16軟件開發(fā)HMI操作畫面，并對各類報警信息作出顯示，同時對各自動步驟 運(yùn)行條件是否滿足作出提示，并保留重要參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，操作人員只需點開相關(guān)畫面即可，如圖6所示。

圖6 HMI畫面開發(fā)

3 實施效果

通過多功能機(jī)器人的開發(fā)與應(yīng)用，滿足生產(chǎn)節(jié)奏的同時又提高了拆捆效率，消除了人工拆捆、帶頭彈出造成人身傷害的風(fēng)險，同時代替人工掃碼鋼卷信息，避免了人工核對錯誤，該設(shè)備通用性及移植性較強(qiáng)。