工業(yè)機器人在鞍鋼型鋼生產(chǎn)線的設計與應用

張巍 ，賈昊 ，劉思洋 ，林東盛 ，劉宇 ，卜俊男

（1.鞍鋼股份有限公司大型總廠，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼股份有限公司系統(tǒng)創(chuàng)新部，遼寧 鞍山 114021）

工業(yè)機器人作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展壯大對我國制造業(yè)具有多重意義：一是工業(yè)機器人應用于生產(chǎn)性服務業(yè)是應對勞動力成本上漲以及老齡化日益嚴重的一種有效方式；二是其能夠提高我國制造業(yè)的生產(chǎn)效率及國際競爭力，幫助中國由制造大國轉變?yōu)橹圃鞆妵?；三是工業(yè)機器人制造是工業(yè)4.0的發(fā)展基礎。

根據(jù)智慧鞍鋼發(fā)展規(guī)劃要求，在關鍵工藝和環(huán)節(jié)，推廣應用先進的智能裝備，積極開發(fā)利用機器人等智能化技術，補齊基礎自動化短板，打破制造環(huán)節(jié)各個工序不通、不聯(lián)的問題，實現(xiàn)制造環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。隨著鞍鋼股份有限公司型鋼產(chǎn)線生產(chǎn)工藝的不斷改進及生產(chǎn)管理業(yè)務需求的增加，迫切需要加速推進型鋼生產(chǎn)線智能化裝備升級，重點在“3D”崗位開展機器人應用，以此加強鋼材質量控制、有效解決大量危險作業(yè)仍需人工干預等問題。工業(yè)機器人可配合MES系統(tǒng)、物料識別系統(tǒng)跟蹤每一塊鋼坯的加工過程，實現(xiàn)對鋼坯科學的管理，增加產(chǎn)品的可追溯性，防止混坯等事故的發(fā)生；同時機器人的應用能夠極大的提高包裝質量，減少發(fā)貨及下游用戶識別不準確等問題，提升企業(yè)的產(chǎn)品形象。本文對工業(yè)機器人在鞍鋼型鋼生產(chǎn)線的設計和應用進行了介紹。

1 工業(yè)機器人硬件設計方案

1.1 系統(tǒng)構成

工業(yè)機器人系統(tǒng)主要包括一臺定位噴碼機器人、一臺修磨貼標機器人，配套3D視覺定位系統(tǒng)、標簽打印分離系統(tǒng)、噴碼系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等，系統(tǒng)構成如圖1所示。其中，3D視覺系統(tǒng)通過上位機PLC分別引導兩臺機器人工作；機器人之間劃定工作區(qū)間，互不干涉。

圖1 機器人自動貼標噴碼系統(tǒng)構成圖Fig.1 Structure Diagram of Automatic Labeling and Code Spraying System for Robot

1.2 機器人本體

由于成品落垛鋼材捆扎帶會影響機器人的臂展，系統(tǒng)采用六軸工業(yè)機器人為動作平臺，負載35 kg，臂長2.5 m。該機器人能在冶金工業(yè)惡劣環(huán)境下達到高穩(wěn)定性和低故障率，實現(xiàn)多角度自由貼標噴碼的功能。

1.3 定位及噴碼機器人

（1）視覺定位系統(tǒng)

采用3D相機對型材表面進行識別數(shù)據(jù)分析，得出型材捆型、頭部貼標、噴碼位置和打捆帶位置等信息，并通過數(shù)據(jù)通信接口傳輸至機器人系統(tǒng)?；诮邮盏降臄?shù)據(jù)，機器人準確判定打捆帶位置，噴碼時自動避開打捆帶；對原始采集圖像進行處理，自動定位出靠近、遠離機器人側的型材。此外，也可人工干預選擇其它已識別型材位置進行噴碼貼標作業(yè)。

（2） 噴碼系統(tǒng)

噴碼系統(tǒng)包括噴槍和油墨供料系統(tǒng)。噴槍采用16點陣式結構，噴印字符的高度、距離、速度、方向、行數(shù)等都可以自由調節(jié)。油墨供料系統(tǒng)柜內設油漆供料系統(tǒng)和清洗液循環(huán)系統(tǒng)，同時設有油漆和清洗液自動加熱裝置，保證油漆和清洗液的溫度在控制范圍內。噴涂時，由噴涂系統(tǒng)柜通過氣動隔膜泵將油漆送至噴槍，實現(xiàn)噴碼作業(yè)。每次噴碼完成后自動將清洗液打入噴槍，將噴槍內部油漆清理干凈，防止噴槍堵塞。

1.4 修磨貼標機器人

（1）表面清理系統(tǒng)

表面清理系統(tǒng)分為兩部分：第一部分在貼標噴碼位置，由管路引出風刀設備，采用高壓型工業(yè)熱風機清除型材表面水、冰等雜物；第二部分為機器人手臂位置的拋光打磨機，主要由修磨刷頭、打磨電機、柔性連接裝置和位置傳感器等設備組成，當型材表面冰層較厚時，啟用拋光打磨機，同時輔助熱風機風刀吹掃，以保證型材表面達到貼標噴碼要求。

（2） 貼標機構

標簽主要采用氣動裝置進行定位與吸取，氣動元件包括氣缸、電磁閥、節(jié)流閥、吸盤和真空系統(tǒng)等。裝置配有真空檢測傳感器和到位傳感器，所有傳感器信號接入主控制系統(tǒng)，判斷標簽是否到位、吸取是否成功，實現(xiàn)與機器人的協(xié)調動作。標簽通過自動分離機構分離，貼標機構取到標簽后，工業(yè)機器人按照視覺定位系統(tǒng)得到的型材位置坐標進行貼標作業(yè)。

（3）讀碼器

在貼標機構旁設置高速讀碼器，對型材表面標簽一維碼或二維碼信息進行快速識別，并把讀取信息與接收的MES信息進行比對，確認數(shù)據(jù)的準確性。

1.5 電氣系統(tǒng)

電氣控制柜為整個機器人控制系統(tǒng)的核心，包含機器人控制柜、視覺處理控制器，噴槍控制器，輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、繼電器、觸摸屏等電氣器件。 機器人自動貼標噴碼控制系統(tǒng)示意圖見圖2。

圖2 機器人自動貼標噴碼控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Automatic Labeling and Code Spraying Control System for Robot

1.6 檢測系統(tǒng)

打捆型材檢測系統(tǒng)與現(xiàn)有輥道控制系統(tǒng)連鎖，實現(xiàn)型材到貼標位置自動停止，自動鎖定輥道，為貼標噴碼系統(tǒng)運行提供先決條件。

1.7 安全防護系統(tǒng)

安全防護系統(tǒng)由安全圍欄和安全門鎖組成，用于隔離自動噴涂作業(yè)區(qū)域，保證作業(yè)安全。當安全圍欄的門打開時，機器人將不能啟動，若機器人正在作業(yè)則將立即停止。如需進入安全護欄內，要先將操作箱上的轉換開關打到檢修模式。

2 機器人系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方案

2.1 機器人控制系統(tǒng)

自動噴碼貼標機器人控制系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。具體流程為：①打捆后的型材經(jīng)過輸送輥道到達成品收集區(qū)，通過設置于成品收集區(qū)輥道的2個到位檢測傳感器，使型材停止于輥道指定位置。②輥道停止后，機器人系統(tǒng)判斷視覺系統(tǒng)、噴碼系統(tǒng)等設備已準備好后，向原區(qū)域堆垛PLC控制系統(tǒng)發(fā)送“鎖定輥道”信號，將輥道與升降鏈鎖定。③輥道鎖定后，標識系統(tǒng)向MES系統(tǒng)申請標識信息；如果MES連接異常，則手動添加標識信息。④定位噴碼機器人對型材位置進行采集分析。⑤識別完成后定位噴碼機器人退出至干涉區(qū)外，啟動修磨貼標機器人對型材表面進行修磨，同時標簽打印系統(tǒng)根據(jù)MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，將標簽打印好。⑥機器人根據(jù)檢測后轉換的空間坐標信息，取標簽并將其貼至型材對應位置，貼標完成后自動檢查貼標結果。⑦貼標完成后，噴碼機器人根據(jù)檢測后轉換的空間坐標信息在型材表面中心準確位置進行噴碼作業(yè)。⑧全部作業(yè)結束后，機器人系統(tǒng)回復安全位置，系統(tǒng)輸出“輥道解鎖”信號，釋放輥道，已貼標噴碼完成的型材可繼續(xù)往下輸送。⑨機器人自動貼標噴碼系統(tǒng)進入下一輪貼標處理進程，等待下一次作業(yè)。

圖3 自動噴碼貼標機器人控制系統(tǒng)工藝流程Fig.3 Process Flow of Automatic Code Spraying and Labeling Control System for Robot

2.2 堆垛控制系統(tǒng)配套改造

堆垛控制系統(tǒng)的設備采用西門子S7-400系列PLC。通過增加通訊模塊實現(xiàn)與機器人系統(tǒng)的通訊，使機器人系統(tǒng)實現(xiàn)對堆垛控制系統(tǒng)輥道、擋板、運輸鏈等設備的自動連鎖控制功能。

2.3 MES系統(tǒng)配套改造

針對產(chǎn)線自動噴碼貼標機器人業(yè)務功能需要，對現(xiàn)有MES系統(tǒng)進行改造，增加與機器人系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信接口，完善物料實時跟蹤管理功能，實現(xiàn)按計劃組織生產(chǎn)，實時反映生產(chǎn)實際信息，達成產(chǎn)線管理的高度自動化。

2.4 網(wǎng)絡與應用

機器人自動貼標噴碼系統(tǒng)網(wǎng)絡配置見圖4。該系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)設備均連接至現(xiàn)場交換機，現(xiàn)場交換機通過光纖連接至主控室工控機。主控室工控機設置雙網(wǎng)卡實現(xiàn)與現(xiàn)場設備及MES網(wǎng)絡的雙重連接。

圖4 機器人自動貼標噴碼系統(tǒng)網(wǎng)絡配置圖Fig.4 Network Configuration Diagram of Automatic Labeling and Code Spraying System for Robot

2.5 人機界面

整套機器人系統(tǒng)采用WINCC畫面遠程操作，畫面顯示機器人系統(tǒng)中各組成部分運行狀態(tài)、報警信息、通訊狀態(tài)等，同時設有手動錄入貼標噴碼信息窗口。控制系統(tǒng)HMI主界面如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)HMI主界面圖Fig.5 HMI Main Interface Diagram of Control System

3 應用效果

（1）工業(yè)機器人系統(tǒng)上線運行后，通過3D視覺識別技術可準確識別出產(chǎn)品的物料類型、捆型、物料頭部尾部位置、打捆帶位置等，指導機器人執(zhí)行貼標、噴碼作業(yè)。測試期，3D視覺識別相機識別率可達100%，具體如圖6所示。

圖6 3D視覺識別效果圖Fig.6 Effect Diagram of 3D Visual Recognition

（2）分別選取球扁鋼、槽鋼、角鋼、工字鋼四種類型鋼中的各一種規(guī)格型鋼共計400捆進行測試，機器人自動貼標噴碼系統(tǒng)貼標準確率和噴碼準確率分別達99%，未發(fā)生系統(tǒng)故障，滿足產(chǎn)線工藝要求?，F(xiàn)場實際貼標機噴標效果如圖7所示。

圖7 機器人貼標噴碼效果圖Fig.7 Effect Diagram of Labeling and Code Spraying for Robot

（3）工業(yè)機器人系統(tǒng)上線運行后，實現(xiàn)了危險崗位無人化，優(yōu)化崗位人員3人，每年優(yōu)化人力資源可降低成本30萬元。同時在生產(chǎn)效率方面，該系統(tǒng)運行周期約為90 s，與原有人工貼標噴碼周期2 min相比，作業(yè)周期縮短了25%，準確率高，極大地適應了產(chǎn)線的快節(jié)奏生產(chǎn)。

4 結語

鞍鋼股份有限公司型鋼生產(chǎn)線設計了工業(yè)機器人貼標噴碼系統(tǒng)，此系統(tǒng)應用于生產(chǎn)中能夠滿足產(chǎn)線工藝要求，切實提升了產(chǎn)線生產(chǎn)效率，提高了產(chǎn)品標識的準確性和可追溯性，貼標準確率和噴碼準確率均達到99%，實現(xiàn)了危險崗位無人化，作業(yè)周期縮短了25%；同時，統(tǒng)一規(guī)范的產(chǎn)品標識提高了企業(yè)的產(chǎn)品形象。該機器人系統(tǒng)的成功應用提升了鞍鋼智能化產(chǎn)線裝備能力，為后續(xù)在其它產(chǎn)線工序開展機器人應用提供了經(jīng)驗，值得推廣和借鑒。