定尺剪取樣機器人系統(tǒng)研究

張超逸，錢雪平

[摘? ? 要]以南鋼3 500 mm定尺剪為例，詳細介紹工業(yè)機器人在定尺取樣系統(tǒng)的應(yīng)用，視覺與機器人共同坐標系建立，機器人取樣、存料、切割、激光打標、數(shù)據(jù)庫及伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]機器人;視覺;伺服系統(tǒng)

[中圖分類號]TP273+.1 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–00–03

Research on Sampling Robot System of Fixed Length Shear

Zhang Chao-yi，Qian Xue-Ping

[Abstract]Based on 3500 mm fixed length shear as an example， detailed introduces the application of industrial robot in sizing sampling system，vision and robot establish the same coordinate system，the application of Robot sampling、 storage，、cutting、laser marking，database and servo control system.

[Keywords]robot; vision; servo system

南鋼3500定尺剪于2021年投用全球首例工業(yè)機器人視覺伺服自動取樣切割系統(tǒng)，視覺采用3D結(jié)構(gòu)光自動計算樣條角度，與工業(yè)機器人采用同一坐標系，機器人根據(jù)視覺數(shù)據(jù)自動擺動進行取樣。

1 系統(tǒng)控制原理

1.1 取樣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

工業(yè)機器人視覺伺服自動取樣切割系統(tǒng)由取樣軟件系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)、樣條拾取機器人系統(tǒng)、樣條緩存及切割系統(tǒng)、樣塊移栽機器人系統(tǒng)、激光打標系統(tǒng)、樣塊存儲桁架庫系統(tǒng)等7大系統(tǒng)組成，綜合應(yīng)用了MES、數(shù)據(jù)庫、機器人和PLC等多種先手段，實現(xiàn)了樣條識別、拾取、等離子切割、激光打碼、自動庫位存儲、自動出庫等功能，替代人工手動作業(yè)，降低勞動強度和安全風(fēng)險，避免取樣錯誤、混號風(fēng)險、提高智能化水平。具體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)通訊控制

取樣控制系統(tǒng)采用TIA 1516 PLC，通過TCP通訊協(xié)議與定尺剪TDC通訊，獲取剪切試樣長寬厚相關(guān)信息，與MES通訊獲取取樣計劃，與數(shù)據(jù)庫通訊獲取切割計劃、庫位存儲計劃和打標規(guī)則。

取樣PLC控制系統(tǒng)與等離子切割機采用485通訊，根據(jù)鋼板厚度自動計算切割弧壓、切割電流。

取樣PLC與視覺通過TCP通訊，告知視覺樣條長寬厚，視覺根據(jù)樣條規(guī)格切換不同算法自動計算樣條在運輸鏈上樣條姿態(tài)角度信息，取樣機器人與視覺同一坐標系，取樣機器人與控制系統(tǒng)通過Profinet通訊，獲取樣條角度信息，根據(jù)獲取的角度自動調(diào)整姿態(tài)拾取樣條。

取樣控制系統(tǒng)1516 PLC與桁架庫存儲系統(tǒng)三菱FX5U PLC采取TCP通訊，控制已經(jīng)打標完成的成品試樣自動出入庫。

Wincc操作畫面和KP900觸摸屏雙重HMI人機界面，其中Wincc安裝在操作室，便于操作人員日常操作，觸摸屏安裝在現(xiàn)場便于設(shè)備維護及異常就地處理。

2 視覺機器人同坐標系位置定位拾取

2.1 視覺安裝定位

視覺系統(tǒng)安裝于定尺剪出口鏈板線上方，由激光線光源、彩色相機等組成，起到識別大樣條及定位大樣條頭部功能。

樣條頭部通過視覺系統(tǒng)下方時，相機判斷樣條頭部位置，由系統(tǒng)計算后進行大樣條停止位控制。定位精度±10 cm;同時在樣條通過視覺系統(tǒng)下方過程中，相機不斷對其拍照，并將多張照片信息綜合處理，形成完整的樣條姿態(tài)信息，包括判斷樣條傾斜角度、是否豎立等，引導(dǎo)機器人進行定位抓取。

2.2 同坐標系抓取

視覺安裝在樣條運輸鏈上方，與機器人同一坐標系，視覺根據(jù)PLC下發(fā)樣條長寬厚相關(guān)數(shù)據(jù)，通過3D結(jié)構(gòu)光根據(jù)板厚自動計算通過下方樣條姿態(tài)，計算出樣條角度，同時將樣條脫離視覺檢測區(qū)告知PLC系統(tǒng)，PLC自動啟動位置閉環(huán)定位，搬運樣條至拾取機器人下方，如圖2所示，視覺與機器人中心點距離為L，樣條長度為L樣，系統(tǒng)定位距離為L定=L-L樣，當位置閉環(huán)控制結(jié)束運輸鏈停穩(wěn)后，六軸機器人根據(jù)視覺計算的角度，自動調(diào)整自身角度去抓取樣條，同時將樣條ID信息同步傳遞到下一工序。

2.3 定位計算

樣條定位采用位置閉環(huán)控制，如圖3所示，位置閉環(huán)定位距離L定為視覺與機器人坐標中心距離L減去樣條長度一半，即L定=L-L樣，當樣條脫離視覺檢測區(qū)時啟動定位，自動執(zhí)行位置閉環(huán)控制。

3 3D設(shè)計布局及控制方案

3.1 緩存輸送3D機械設(shè)計

樣條在運輸鏈上定位完成后，機器人根據(jù)視覺角度及PLC定位完成信號，自動從運輸鏈上抓取樣條放入緩存切割工位上，緩存3D步進切割設(shè)計圖如圖4所示，緩存裝置有5個緩存位能存儲5塊樣條。樣條拾取機器人將樣條放置于處理輸送線的第一個緩存位，機構(gòu)中Z軸托舉和Y軸推拉兩個氣缸帶動框架動作，以步進方式將其依次向下一個緩存位移動，最終移動至輸送線上。輸送線起始端檢測到有料到達，伺服電機驅(qū)動推送機構(gòu)將樣塊向切割處理區(qū)域輸送，驅(qū)動電機裝有編碼器具有位置測量功能，可精準定位，當樣條被推送到切割輸送線上，數(shù)據(jù)庫根據(jù)MES切割工藝要求，自動計算樣條需要切割成幾塊樣塊，并且在樣條哪個位置進行切割，將切割計劃下發(fā)給取樣控制系統(tǒng)，取樣控制系統(tǒng)根據(jù)小樣塊數(shù)據(jù)將樣條推到合適的位置進行下一步定尺切割。

3.2 切割3D機械設(shè)計

樣塊切割系統(tǒng)設(shè)計在處理輸送線側(cè)面如圖5，由等離子切割設(shè)備和伺服運動機構(gòu)組成。樣條被輸送線推送機構(gòu)推到合適位置后，等離子切割機構(gòu)的Y軸運動機構(gòu)將割嘴平移至切割位置上方，Z軸運動控制機構(gòu)下降自動適應(yīng)樣條的厚度將割嘴調(diào)整到合適的高度（約距樣塊上表面5 mm），等離子切割機起弧，Y軸運動機構(gòu)帶動槍頭垂直樣條方向運動切割。

3.3 打標3D機械設(shè)計

當定位切割完成后，樣塊取料機器人自動將切割完成樣塊搬運到激光打碼機構(gòu)下方，同時切割輸送線根據(jù)切割計劃自動將樣條推送到下一塊切割長度位置。當切割完成樣塊被移載機器人移栽至正、備樣輸送線起始端，激光打碼機構(gòu)X軸運動機構(gòu)根據(jù)鋼板厚度及下方樣塊數(shù)量和光源焦距自動計算激光頭距離樣塊高度，取樣控制系統(tǒng)根據(jù)此高度自動控制焦距調(diào)整伺服上升，當?shù)竭_合理焦距位置后，通過數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)跟蹤，獲取打碼信息，啟動打碼，打碼結(jié)束后，打標推拉小車將打標好樣塊搬運至桁架庫入庫取料位置，桁架庫根據(jù)庫管理系統(tǒng)自動將打標完成樣塊搬運至空閑貨位上。

3.4 試樣庫設(shè)計

試樣庫由桁架系統(tǒng)、2個正樣存放臺、2個備樣存放臺和庫管理軟件組成。桁架機器人將樣塊從正、備樣輸送線末端拾取，在庫管理軟件的統(tǒng)籌管理下分別放于正樣存放臺和備樣存放臺上。存儲臺底部設(shè)計有導(dǎo)軌，在樣塊需要對外運輸時，可將存放臺移動至安全位置，既可以保證人員和設(shè)備安全，又不影響另一存放臺架繼續(xù)工作。兩個存儲臺可滿足一個班8h生產(chǎn)樣塊的存儲。庫管理軟件自動記錄庫內(nèi)貨位存儲情況，便于工人查找所需要搬運的樣塊。

桁架長18 m，設(shè)計有檢修平臺，磁鐵系統(tǒng)配有自備電池和防掉電掉落系統(tǒng)，保證樣條不會意外掉落導(dǎo)致危險。2個正樣存放臺、2個備樣存放臺均為不銹鋼結(jié)構(gòu)。

3.5 信息處理系統(tǒng)

取樣控制系統(tǒng)與現(xiàn)有MES系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接，實現(xiàn)信息自動傳遞下達，機器人系統(tǒng)自動接收MES系統(tǒng)下達的試樣切割要求及試樣標識信息。機器人系統(tǒng)按照指令進行試樣的切割，并按照提供的試樣編號進行標識。信息內(nèi)容主要包括：板材小樣的位置、尺寸、方向、試樣號、數(shù)量、標識及實時跟蹤信息。

3.6 全系統(tǒng)氣路設(shè)計

取樣控制系統(tǒng)機械采用氣動控制，系統(tǒng)氣路原理圖如圖7所示，主氣源通過帶殘壓檢測三聯(lián)件，分3個帶調(diào)壓過濾器支路，第一條支路主要包含上料緩存工位4個托舉氣缸、兩個推拉氣缸、2個輸送線上定位氣缸和切斷檢測氣缸;第二支路主要包含碼放定位無桿氣缸、切割定位無桿氣缸、碼放定位氣缸、打標氣缸;第三支路主要是包含備樣轉(zhuǎn)運氣缸、兩個備樣推板導(dǎo)向氣缸、兩個備樣壓緊氣缸;第四條支路主要給等離子切割供氣。

3.7 氣動系統(tǒng)時序互鎖

取樣控制系統(tǒng)氣動控制回路采用電氣安全互鎖，保證設(shè)備本質(zhì)安全，設(shè)備在初始狀態(tài)時所有氣缸縮回在原位。系統(tǒng)自動時，1#緩存和2#緩存互鎖，1#緩存動作時禁止2#緩存動作，2#緩存動作時，禁止1#緩存動作，每個緩存中提升與推拉動作氣缸相互連鎖，提升不在高位，禁止推拉氣缸動作。

4 結(jié)束語

工業(yè)機器人視覺伺服自動取樣切割系統(tǒng)為全球首套將機器人應(yīng)用于鋼鐵取樣領(lǐng)域，徹底改變目前精整取樣人工作業(yè)易錯、危險、勞動強度大的情況，避免混號的產(chǎn)生，為提升產(chǎn)品質(zhì)量提供了保障，促進了板材剪切線智能化水平的提高。

參考文獻

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