智能加鉛物流系統(tǒng)在海纜鉛護套生產過程中的應用

趙海倫

（南昌大學，江西 南昌 330031）

1 實施背景

海底電纜是用絕緣材料包裹的導線，敷設在海底及河流水下，用于電信及電力傳輸。海底電纜分海底通信電纜和海底電力電纜。海底通信電纜主要用于通信業(yè)務，費用昂貴，但保密程度高。海底電力電纜主要用于水下傳輸大功率電能，與地下電力電纜的作用等同，只不過應用的場合和敷設的方式不同。海底電纜工程被世界各國公認為復雜困難的大型工程，從環(huán)境探測、海洋物理調查，以及電纜的設計、制造和安裝，都應用復雜技術。

海底電纜結構復雜，主要由阻水導體、導電帶、擠包內屏、XLPE絕緣、擠包外屏、阻水緩沖層、鋼套（鉛套）、內護套、噴印標志、光單元+PE棒、擠塑鋼絲鎧裝、瀝青+PP繩+標志帶以及軟接頭標志+米記等部件組成。海纜生產一直是重勞動力的行業(yè)，主要工作量集中在金屬護套輔料的添加。金屬護套在海纜中起到重要的保護作用，可避免海水對纜芯的侵蝕并增加海纜的耐壓力性能，極大程度上增加海纜的使用壽命。護套主要有鉛、鋁等材料，目前主要添加方式均采用人工吊運，人工進鉛的方式。由于單塊鉛錠重量大，人工作業(yè)的勞動強度比較大，同時在鉛熔化過程中會有微量鉛蒸汽產生，長期靠近作業(yè)會對人體健康存在一定的影響。海底電纜結構截面圖如圖1所示。

圖1 海底電纜結構截面圖

隨著人力成本的上升及安全生產體制日趨健全，國家政策大力鼓勵生產企業(yè)采用機器人及自動化裝置進行設備和工藝升級。同時，由于自動化、智能化行業(yè)的迅速崛起，各種各樣的智能裝備被研制生產并廣泛應用于生產作業(yè)過程中，讓存在危險、勞動力繁重、重復性高的工作被替代，增強了企業(yè)的綜合競爭力，提升了工人在工廠中的幸福指數，這也是工廠向工業(yè)4.0發(fā)展的必經之路。

2 技術調研與分析

伴隨海上風電項目、海上石油平臺及新島嶼資源的開發(fā)，海底電纜需求量與日俱增，單根海底電纜的長度越來越長，電壓等級由原來的10～35 kV逐漸上升至220 kV甚至500 kV。海上電力傳輸電纜一般采用鉛套+聚乙烯護套的徑向阻水結構，與聚合物護套和綜合護套相比，鉛套能夠有效阻擋水分的入侵和潮氣的滲透，海纜中鉛套主要通過精密擠鉛機擠壓高溫鉛液，并通過預裝的成型模具擠壓成型。

智能加鉛物流系統(tǒng)為精密擠鉛機進料的重要保障設備，也是穩(wěn)定鉛源的唯一途徑，以前現(xiàn)場使用的老式加鉛系統(tǒng)為早期從歐洲進口，結構相對簡單，主要通過人工輔助進行氣吸式夾送，工作量大，重復動作多，特別是在冬天和夏天，現(xiàn)場作業(yè)工人條件艱苦，經常發(fā)生加鉛不及時或者過量加鉛問題，同時老舊的輸送鉛機構功能不全，經常發(fā)生鉛塊卡死現(xiàn)象，影響擠鉛機的整體連續(xù)性工作。

通過多次現(xiàn)場技術調研和分析，老加鉛系統(tǒng)及加鉛過程存在的問題如下：

1）鉛塊表面形狀誤差較大，真空吸盤吸取時經常會吸取失敗，需要重復多次吸取，重復無用功勞動明顯；

2）原先鉛塊輸送裝置在送鉛過程中經常出現(xiàn)跳鉛和卡鉛現(xiàn)象，鉛塊工位卡死后必須通過人工復位恢復。且不具備單塊鉛重量數據統(tǒng)計功能，對于日用鉛量和月用鉛量缺乏自動計量和統(tǒng)計；

3）鉛塊自重大，且上游鉛塊生產廠家在鉛塊堆疊時由于需提升效率，有時在鉛塊尚未完全冷卻時就進行堆疊，由于自重及周邊毛刺影響容易發(fā)生粘連情況，導致手動抓取前需要進行修正邊幅，不然會出現(xiàn)掛鉛現(xiàn)象，掉落砸人傷設備；

4）人工吸放鉛的節(jié)拍與2個鉛爐熔化的速度難以匹配，特別是在交接班之際，很容易出現(xiàn)鉛爐液位偏低，需要緊急加鉛處理的情況。

3 方案設計和實施

設計前期多次組織不同專業(yè)的設計人員與現(xiàn)場操作工人交流現(xiàn)有生產模式和環(huán)境中存在的痛點、難點，以及對現(xiàn)有加鉛設備結構、操作流程、操作方法逐步進行分解和確認，梳理出全新的自動化作業(yè)流程和節(jié)拍，再組織機械工程師、電氣工程師、視覺工程師根據各自專業(yè)調研結果編制具體實施技術方案，完成后組織現(xiàn)場評審，獲得工藝人員的認可后再進行深化設計。新智能物流加鉛系統(tǒng)的設計主要涵蓋以下四個方面：①精密機器人夾具設計和開發(fā)；②高自由度第七軸機器人系統(tǒng)的設計和開發(fā)；③復雜光照度環(huán)境下雙目視覺定位系統(tǒng)開發(fā)；④多工位多級鉛塊輸送系統(tǒng)開發(fā)。

3.1 精密機器人夾具設計和開發(fā)

工業(yè)機器人智能柔性夾具是機器人技術與產品柔性制造的有機結合，為現(xiàn)代工廠的智能制造帶來了新的機遇，使產品的全線生產加工向全自動化、高柔性、智能化的模式轉變。原有系統(tǒng)中抓取夾具采用真空吸盤式結構，受鉛塊表面平整度影響，存在脫鉛、無法吸附等問題。新系統(tǒng)重新設計一種機械結構式夾具，采取下托上壓的方式固定，主要由兩組氣缸實現(xiàn)其動作，一組氣缸控制夾爪，使其能拖住鉛塊底部，另一組氣缸進行下壓，通過其下壓力保證鉛塊的固定，在擺放至傳送鏈時，下壓氣缸回縮，可保證放置時傳送鏈僅受鉛塊重力，不存在機器人向下的壓力，提升傳送鏈穩(wěn)定性及避免機器人下放物件時受到反作用力，氣動夾緊工件時，兩側夾臂上安裝有閉環(huán)反饋磁性開關對物料有無進行檢測。具體結構設計如圖2所示。

圖2 夾具結構設計

考慮鉛不同于常規(guī)鐵、鋼等硬質金屬，需確認夾具在抓取時變形數據，確保變形范圍在允許范圍內，防止變形量過大導致抓取和搬運過程中掉落。通過三維設計軟件對其在抓取狀態(tài)下的受力情況進行分析，最終確認氣缸的缸徑、夾持距離、工作壓力等。抓取狀態(tài)下受力情況分析時材料參數見表1。

表1 抓取狀態(tài)下受力情況分析材料參數

通過模擬計算，完成推動氣缸型號確定，進而完成整體夾具結構設計，模擬計算如圖3所示。

圖3 模擬計算

3.2 高自由度第七軸機器人系統(tǒng)的設計和開發(fā)

機器人第七軸主要由以下四個部分組成：①軌道基座、②機器人安裝底座、③控制系統(tǒng)、④安全防護裝置。第七軸本體結構如圖4所示。

圖4 第七軸本體結構

機器人第七軸行走軌道基座方面采用高剛性的結構件，經過精密加工處理，在海纜生產車間正常使用過程中不會變形、精度不會丟失，穩(wěn)定耐用。常規(guī)第七軸導向部分一般采用直線導軌導向，雖然直線導軌精度高安裝方便，但是由于滑塊內滾珠直徑小，七軸整體移動速度低，搬運效率低，不滿足實際使用工況。本項目創(chuàng)新使用定制的高精度滾輪及導軌進行導向，可以有效提升移動速度，同時滑輪組部分采用模塊化設計，后期維護保養(yǎng)更加方便。

機器人控制系統(tǒng)集成于整機控制系統(tǒng)中，通過控制機器人手臂抓取、機器人底座平移、機器人手臂放鉛、與傳送鏈協(xié)同動作，根據鉛爐內液位水平，自動選擇液位較低設備進行進鉛，同時可通過設定液位范圍，液位過低狀態(tài)下系統(tǒng)可自行提升進鉛速度，最終使得液位保持工藝設定范圍。七軸系統(tǒng)設計有3套安全防護裝置：①區(qū)域光幕人體防護系統(tǒng)，有人進入機器人運轉區(qū)域，系統(tǒng)自動暫停運行，主要防止機器人運轉過程中閑雜人等誤入，導致人員意外受傷；②機器人底座移動部件雙工位電氣限位保護，主要用來判定機器人移動是否一次還是二次超程；③機器人移動底座機械式限位，防止電氣二次超程限位失靈后發(fā)生沖頂事故。機器人安裝底座設計如圖5所示，七軸系統(tǒng)安裝如圖6所示。電控系統(tǒng)架構圖如圖7所示。

圖5 機器人安裝底座設計

圖6 七軸系統(tǒng)安裝

圖7 電控系統(tǒng)框架圖

3.3 復雜光照度環(huán)境下雙目視覺定位系統(tǒng)開發(fā)

傳統(tǒng)視覺系統(tǒng)均在一個光照相對穩(wěn)定的環(huán)境下進行，一般用暗箱隔斷所有自然光源后再使用穩(wěn)定的LED光源進行補光，以保證視覺識別時工件表面的光照恒定。如果環(huán)境中存在可變光的污染，即便增加LED補光源，對視覺識別的影響也是很大的，例如白天和黑夜就是兩種完全不同的光環(huán)境。視覺系統(tǒng)對材質本身的特性也有要求，低反光及不透明物體相對容易識別，鉛塊屬于高反光物品，非常容易出現(xiàn)識別錯誤。針對以上兩點問題，系統(tǒng)設計過程中采用雙目結構光視覺鏡頭，通過視差及深度計算進行三維重組，能夠有效避開可變光環(huán)境及工件表面高反光的技術難點，此外視覺識別的算法為直接從底層開始編寫，而非套用現(xiàn)成子程序算法導致后續(xù)視覺深度學習優(yōu)化無法進行。雙目視覺的相機類似人類的雙眼，它不對外主動投射光源，完全依靠拍攝的兩張圖片的彩色RGB或者灰度圖來計算深度。雙目相機基本原理是通過左右相機的視差(Disparity)（將手指置于雙目之間，分別開閉左右眼，發(fā)現(xiàn)手指不在同一個位置，這就是視差。）及深度計算實現(xiàn)物品的三維重組。當左右相機同時觀察三維點時，該點分別投影在左右相機的相平面上，這兩個投影點之間的差異就是視差。雙目相機定位原理如圖8所示，雙目相機確定鉛塊位置如圖9所示。

圖8 雙目相機定位原理

圖9 雙目相機確定鉛塊位置

3.4 多工位多級鉛塊輸送系統(tǒng)開發(fā)

海纜生產現(xiàn)場的搬運系統(tǒng)對應兩條生產裝置，此兩條生產裝置間隔在4.6 m，一套機器人搬運裝置無法滿足兩條生產線的上料需求，為降低成本，自主開發(fā)一套雙線多級運輸傳送鏈，通過機器人七軸將鉛塊放置與中轉傳送鏈，該傳送鏈可以正反傳送，對應兩側傳送鏈，可實現(xiàn)鉛塊往兩個方向運輸。此外，兩條生產線存在約1.45 m高度差，右側傳送線存在30°左右坡度，為避免鉛塊在上升傳送過程中下滑，設計時對傳送鏈條增加防墜落卡件，保證鉛塊在運動過程中的平穩(wěn)性。鉛塊運輸至爐口工位后需要將鉛送入爐膛，通常采用兩種方式：①無動力滾動輸送裝置，依靠鉛塊自重及帶坡度的滾筒裝置，鉛塊滑入鉛爐；②通過設計推桿裝置實施外力推入。因鉛塊在落入熔鉛爐膛時會有鉛液濺出，無動力滾筒線在長時間使用后會因為鉛液的慢慢堆積影響滑道順暢性，最終卡死，本系統(tǒng)最終選用液壓外力推鉛裝置。由于鉛塊滑動時所受摩擦力較大，且滑槽行程約為2塊鉛塊的長度，容易出現(xiàn)多個鉛塊擠在滑槽中，常規(guī)氣缸無法推動，因此本次設計選用液壓頂升系統(tǒng)，通過啟動液壓泵通過液壓推力將鉛推入熔鉛爐膛，該方案中滑槽選用5 mm厚碳鋼鋼板焊接，結構簡單且不易損壞，表面有積鉛時容易清理。在鉛塊輸送系統(tǒng)中設計有單塊鉛塊重量計量功能，每一塊鉛塊在由機器人移放后重量數據經現(xiàn)場PLC采集并傳輸至海纜MES中自動進行當班用鉛量統(tǒng)計，為鉛護套制造過程成本控制提供了原始數據支撐。

4 實施成效分析

本研究產品通過針對海纜生產制造現(xiàn)場的痛點全自主設計開發(fā)，該技術的推廣應用可有效解決原先海纜鉛護套生產線在加鉛速率不穩(wěn)定、鉛液位置不可控、人員勞動強度大、同一動作的重復頻度高等問題，實現(xiàn)生產過程中加鉛動作全自動化，利于海纜制造公司獲得良好的經濟效益（可直接減少2人/班次）。

智能加鉛物流系統(tǒng)的成功應用，讓現(xiàn)場操作人員遠離危險源，有效避免了鉛護套生產作業(yè)中鉛蒸汽對人體的傷害，使得鉛護套生產更加安全，有助于降低生產職業(yè)病的產生，推動鉛護套生產升級及技術革新，能讓海纜制造公司在社會中豎立良好的企業(yè)形象。