魚雷罐車機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)加蓋方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

申 晨,吳瑞珉

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

魚雷罐車(Torpedo car),又名魚雷型混鐵車,因其特有的裝載量大、熱損失小、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn),是目前主流鋼廠內(nèi)用于鐵水運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備[1]。目前,國內(nèi)的魚雷罐車為無蓋式,即魚雷罐車的罐口處無遮擋設(shè)施。根據(jù)鋼廠內(nèi)實(shí)際情況,重罐的魚雷罐車從高爐出發(fā)駛向各受鐵坑進(jìn)行倒鐵水作業(yè)的時(shí)間相對(duì)較短,主要的周轉(zhuǎn)時(shí)間體現(xiàn)在空罐駛回高爐的階段?？展迺r(shí),罐內(nèi)的罐襯與大氣直接接觸,兩者間存在著極大的溫差,在熱交換的過程中,罐襯通過罐口進(jìn)行熱輻射和熱對(duì)流,從而造成空罐內(nèi)的溫度下降[2]。同時(shí),在該過程中,罐內(nèi)的有毒有害廢氣亦不斷地向大氣直接排放,造成污染。

根據(jù)上述文獻(xiàn)研究及分析表明,若能在魚雷罐車空罐周轉(zhuǎn)期間,有效地減小罐內(nèi)溫度下降,就能減小受鐵后的鐵水溫降,從而體現(xiàn)出魚雷罐車在綠色節(jié)能、降本增效的概念下的貢獻(xiàn)。本文中研究一種通過機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)對(duì)魚雷罐車空罐進(jìn)行加蓋的方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用,可智能化地減小空罐內(nèi)的溫降,從而提高受鐵后的鐵水溫度。

1 應(yīng)用前景

檢索相關(guān)專利發(fā)現(xiàn),國內(nèi)目前關(guān)于魚雷罐車加蓋方面的發(fā)明,多為通過隨車安裝的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。主要表現(xiàn)為:魚雷罐車的一側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝有液壓傳動(dòng)裝置,通過驅(qū)動(dòng)帶有鋼結(jié)構(gòu)保溫蓋的連接臂的伸縮,實(shí)現(xiàn)對(duì)魚雷罐車的加蓋及掀蓋作業(yè)。

該類型技術(shù)方案存在一些實(shí)施弊端,如:

(1) 由于該方案需隨魚雷罐車安裝大型機(jī)械結(jié)構(gòu),即一蓋對(duì)一車,需對(duì)鋼鐵廠內(nèi)所有的魚雷罐車進(jìn)行改造后方可安裝,同時(shí),該系統(tǒng)的使用養(yǎng)護(hù)周期小于魚雷罐車本身的使用養(yǎng)護(hù)周期,使使用及養(yǎng)護(hù)成本提高。

(2) 當(dāng)魚雷罐車在高爐受鐵口需開蓋進(jìn)行受鐵作業(yè),若該加蓋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)技術(shù)故障,導(dǎo)致保溫蓋無法從加蓋位收縮至待加蓋位時(shí),將導(dǎo)致該魚雷罐車無法正常受鐵并在廠內(nèi)進(jìn)行周轉(zhuǎn),從而影響廠內(nèi)生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)節(jié)奏和產(chǎn)能。

(3) 該加蓋結(jié)構(gòu)下的保溫蓋為鋼結(jié)構(gòu)保溫蓋,而魚雷罐車的罐口時(shí)常由于倒鐵后殘留的渣形成不規(guī)則的凹凸面,將造成保溫蓋與罐口間存在縫隙,減弱了使用效果。

與上述內(nèi)容相比較,本文中提及的機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)可落位在橫跨兩條鐵軌間的操作平臺(tái)上,對(duì)兩條鐵路來往的魚雷罐車皆可進(jìn)行加蓋作業(yè),對(duì)于國內(nèi)大型鋼廠,只需3～4套機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)即可覆蓋鐵路全線。機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)使用的保溫蓋為一次性結(jié)構(gòu)的保溫蓋,當(dāng)機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)對(duì)魚雷罐車空罐進(jìn)行加蓋作業(yè),經(jīng)過4～6 h的周轉(zhuǎn)時(shí)間后到達(dá)高爐進(jìn)行受鐵作業(yè)時(shí),一次性保溫蓋將被鐵水直接沖入罐內(nèi),一次性保溫蓋的主體結(jié)構(gòu)直接融入鐵水,保溫棉將漂浮于鐵水上,與魚雷罐車內(nèi)襯的保溫材料共同為鐵水進(jìn)行保溫。由于一次性保溫蓋中的保溫棉設(shè)計(jì)為50 mm厚并且呈現(xiàn)柔軟蓬松狀,固定在主體結(jié)構(gòu)的下端,當(dāng)其蓋在魚雷罐車罐口時(shí),保溫棉將與罐口充分接觸,極大程度減小空隙。

通過文獻(xiàn)[3]中的試驗(yàn)研究表明(如圖1所示),對(duì)鋼廠內(nèi)的魚雷罐車空罐在周轉(zhuǎn)時(shí)增加類似的簡易保溫蓋,可有效減小周轉(zhuǎn)時(shí)空罐內(nèi)的溫降,提高后續(xù)出鐵時(shí)鐵水溫度的同時(shí),亦可有效改善魚雷罐車內(nèi)襯保溫材料的使用環(huán)境,減少相關(guān)的運(yùn)維成本,亦減少了有毒有害氣體對(duì)大氣的排放,從而實(shí)現(xiàn)鋼鐵業(yè)的綠色節(jié)能,降本增效。

圖1 魚雷罐車空罐加保溫蓋試驗(yàn)圖Fig.1 Covered torpedo cars

2 項(xiàng)目難點(diǎn)

通過機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)完成對(duì)魚雷罐車罐口加蓋作業(yè)的主要難點(diǎn)體現(xiàn)在:

(1) 魚雷罐車罐口內(nèi)圈直徑達(dá)到1 400 mm,保溫蓋的直徑設(shè)計(jì)至少要≥1 400 mm,才能夠保證在加蓋作業(yè)時(shí)保溫蓋不會(huì)掉入魚雷罐車罐內(nèi)。

(2) 受制于魚雷罐車的車身龐大,要滿足國家制訂的在鐵路旁建造建筑物的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)還需考慮到工業(yè)機(jī)器人使用的環(huán)境等因素,機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備需緊湊排布在坐落于兩條鐵軌間的作業(yè)平臺(tái)的狹小空間內(nèi)。同時(shí),該作業(yè)系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的工具端需具有極長偏置的特點(diǎn),同時(shí)具備有拾取及釋放保溫蓋并能夠?qū)ψ鳂I(yè)全流程進(jìn)行安全監(jiān)控的技術(shù)特征,這意味著在機(jī)器人選型時(shí),需選用重載大型工業(yè)機(jī)器人。

(3) 根據(jù)某鋼廠現(xiàn)場實(shí)測(cè),魚雷罐車罐口的溫度達(dá)到300～400 ℃。機(jī)器人平臺(tái)根據(jù)相關(guān)要求及設(shè)計(jì),當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)作業(yè)時(shí),平臺(tái)外墻距離魚雷罐車罐體只有600 mm。機(jī)器人作業(yè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)需考慮如此高溫的長久烘烤,同時(shí),機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)的工具端在如此高溫的作業(yè)環(huán)境下,將對(duì)內(nèi)部設(shè)置的傳感器、通信模塊及視覺相機(jī)等造成極大的使用困難。

(4) 為了該項(xiàng)目的高效運(yùn)轉(zhuǎn),保溫蓋料垛需至少裝有20～25個(gè)。受制于機(jī)器人平臺(tái)的寬度限制,保溫蓋在運(yùn)輸及上下料的過程中,允許的橫向偏移量僅為±50 mm。需設(shè)計(jì)一種能夠滿足需求的高精度碼垛方式,減少現(xiàn)場操作人員在對(duì)保溫蓋料垛進(jìn)行上下料過程中的工作量的同時(shí),減輕機(jī)器人視覺系統(tǒng)或識(shí)別等形式對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)拾取時(shí)的難度。

根據(jù)上述難點(diǎn)的闡述,本文旨在介紹1套為魚雷罐車智能化自動(dòng)加蓋的機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng),該作業(yè)系統(tǒng)需在狹小空間內(nèi)通過重載大型工業(yè)機(jī)器人攜帶極長偏置的工具端完成對(duì)保溫蓋的定位,進(jìn)行精準(zhǔn)的拾取作業(yè),并利用內(nèi)部設(shè)計(jì)的位移傳感器、視覺系統(tǒng)等,對(duì)整個(gè)作業(yè)過程進(jìn)行安全監(jiān)控及測(cè)量,增強(qiáng)該機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)的作業(yè)穩(wěn)定性、可靠性及作業(yè)成功率的同時(shí),完成對(duì)魚雷罐車加蓋作業(yè)的任務(wù)。

3 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼廠內(nèi)的實(shí)際情況,結(jié)合機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)的實(shí)際工藝參數(shù)和空間需求,對(duì)橫跨兩條鐵軌間的機(jī)器人操作平臺(tái)進(jìn)行初步設(shè)計(jì),完成三維數(shù)模繪制,如圖2所示。本套機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)包括:

圖2 機(jī)器人系統(tǒng)方案圖Fig.2 The scheme of covered torpedo cars with robot operating system

(1) 機(jī)器人。作為加保溫蓋的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu),需選用鑄造級(jí)重載工業(yè)機(jī)器人,并具有隔熱防塵防雨的保護(hù)手段。

(2) 工具端。安裝在機(jī)器人末端法蘭,具有強(qiáng)度高、重量輕等特征,可對(duì)保溫蓋進(jìn)行拾取、運(yùn)輸及釋放的作業(yè)工具。

(3) 卷簾窗。用于在機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)工作時(shí),能夠讓機(jī)器人工具端拾取保溫蓋并移出平臺(tái)外進(jìn)行作業(yè)。

(4) 防護(hù)安全單元。防護(hù)房、隔熱服、雨棚、緊停、門禁及警示燈等。

(5) 檢測(cè)識(shí)別標(biāo)定單元。視覺相機(jī)系統(tǒng)、光電及位移傳感器等組成的檢測(cè)單元。

(6) 機(jī)器人操作平臺(tái)。安裝機(jī)器人本體、電氣柜及作業(yè)系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)設(shè)備的平臺(tái)。

將三維數(shù)模導(dǎo)入相關(guān)軟件進(jìn)行機(jī)器人作業(yè)仿真論證,如圖3所示。在該作業(yè)方案中,伊始,機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)的視覺相機(jī)系統(tǒng)對(duì)一次性保溫蓋料垛中最上層保溫蓋進(jìn)行識(shí)別定位后,機(jī)器人系統(tǒng)通過工具端對(duì)保溫蓋進(jìn)行拾取作業(yè),同時(shí)卷簾窗打開,機(jī)器人通過該窗口將一次性保溫蓋轉(zhuǎn)移至窗外的魚雷罐車的罐口上方,工具端釋放保溫蓋,使其落在罐口上后,機(jī)器人回至操作平臺(tái)內(nèi)的待機(jī)位,卷簾窗關(guān)閉,此為一次完整的作業(yè)過程。

圖3 機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)仿真模擬論證關(guān)鍵位姿圖Fig.3 The simulation of robot operating system

通過軟件進(jìn)行仿真模擬時(shí)發(fā)現(xiàn),受制于機(jī)器人操作平臺(tái)的空間尺寸與機(jī)器人工具端的長度,機(jī)器人底座中心與保溫蓋料垛理論位置中心的距離較短,直接造成機(jī)器人在對(duì)保溫蓋進(jìn)行拾取時(shí)可調(diào)整的位姿余量極小,進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)保溫蓋碼垛及操作人員使用叉車將料垛放至升降平臺(tái)上時(shí)的位置精度的要求苛刻;其次,考慮到保溫蓋的尺寸,在高空釋放后做自由落體時(shí),受環(huán)境因素影響容易產(chǎn)生位移,故設(shè)置工具端釋放保溫蓋的位置距魚雷罐車罐口上方僅為200～400 mm,這意味著,在作業(yè)過程中,整個(gè)工具端與機(jī)器人3～6軸將經(jīng)受300～400 ℃的高溫烘烤,對(duì)相關(guān)設(shè)備的高溫防護(hù)措施將直接影響到后期使用時(shí)的運(yùn)維成本及代價(jià)。為了解決以上問題,提高機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性,進(jìn)行了如下的技術(shù)研究及應(yīng)用。

4 技術(shù)研究及應(yīng)用

4.1 保溫蓋結(jié)構(gòu)研究

本項(xiàng)目中的一次性保溫蓋通過安裝在機(jī)器人法蘭末端的工具端對(duì)其進(jìn)行拾取及釋放。由于該項(xiàng)目中使用的一次性保溫蓋的主體結(jié)構(gòu)中央為200 mm邊長、2 mm厚的正六邊形鋼板,針對(duì)該特征,工具端執(zhí)行器選用4個(gè)吸力生效面積為周長50 mm圓形的工業(yè)吸盤,分布在邊長為150 mm的四邊形上。通過圖4所示可以得出,鋼板中心至邊緣最長距離為200 mm,吸盤分布中心至吸力生效外邊緣為直徑242.13 mm的外切圓,即工具端對(duì)該保溫蓋的理論允許拾取偏差為69 mm。

圖4 保溫蓋與吸盤理論允許偏差示意圖Fig.4 Allowable deviation between the cover and magnetic chunck

以此為主體結(jié)構(gòu)的核心,在其下方焊接方管形成“米”字型結(jié)構(gòu)后,使用耐高溫鐵絲將耐高溫石棉與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行捆綁,形成一次性保溫蓋。耐高溫石棉的厚度需經(jīng)過廠內(nèi)實(shí)測(cè)后,根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。

為了實(shí)現(xiàn)保溫蓋料垛在經(jīng)過運(yùn)輸過程后仍能保持高度的規(guī)整性,在保溫蓋中心設(shè)置φ32 mm的圓孔,并在運(yùn)輸托盤中心焊接一個(gè)M30規(guī)格的螺母,在碼垛前,將1根帶有M30螺紋的圓棒擰在運(yùn)輸托盤中心,將保溫蓋中心從圓棒中心穿過后放至在運(yùn)輸托盤上,如圖5所示,如此可保證保溫蓋在碼垛及運(yùn)輸時(shí)的整齊度。同時(shí),運(yùn)輸托盤下設(shè)置兩條導(dǎo)槽,可便于叉車運(yùn)輸作業(yè)。

圖5 保溫蓋運(yùn)輸結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Transportation structure of the cover

根據(jù)以上設(shè)計(jì),解決了保溫蓋料垛在運(yùn)輸時(shí)的碼垛整齊度,然而最終保溫蓋料垛需要由人工駕駛叉車進(jìn)行上下料,而在此過程中產(chǎn)生的料垛放置位置的不確定性不可避免,故在該項(xiàng)目中考慮使用機(jī)器人視覺伺服技術(shù)完成工具端對(duì)于保溫蓋的精準(zhǔn)拾取。

4.2 機(jī)器人視覺伺服的應(yīng)用

機(jī)器人視覺伺服是指機(jī)器人系統(tǒng)通過手眼視覺系統(tǒng)(eye-in-hand)或場景視覺系統(tǒng)(eye-to-hand)等得到目標(biāo)物體的圖像,以此作為反饋信息,并與機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)工具端與視覺系統(tǒng)間的位置標(biāo)定相關(guān)聯(lián),構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)的位置閉環(huán)反饋,從而實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)的坐標(biāo)系下,對(duì)目標(biāo)物體的精準(zhǔn)拾取或相關(guān)操作[4]。對(duì)于該項(xiàng)目內(nèi)的需求,選擇采用場景視覺系統(tǒng),如圖6所示。

圖6 視覺相機(jī)系統(tǒng)布置圖Fig.6 Visual camera system

由于實(shí)際工作環(huán)境中存在著光照改變的環(huán)境因素影響,在視覺系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中,需存有幾種不同光照條件下的保溫蓋照片作為參照模板。當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)請(qǐng)求視覺系統(tǒng)輸出當(dāng)前保溫蓋中心位時(shí),相機(jī)讀取當(dāng)前保溫蓋圖像并與模板相匹配后,提取保溫蓋中心特征區(qū)域,如圖7所示。

圖7 保溫蓋視覺相機(jī)系統(tǒng)工作原理流程圖Fig.7 Flow chart of working principle of visual camera system

由于保溫蓋中心區(qū)域特征極為明顯,為正六邊形,中心為圓孔,采集到當(dāng)前圓孔位置,即當(dāng)前保溫蓋中心在工具端坐標(biāo)系下的X軸及Y軸坐標(biāo)的位置,從而使機(jī)器人系統(tǒng)捕獲當(dāng)前測(cè)量的保溫蓋的中心位置。

4.3 位移傳感器的應(yīng)用

如圖8所示,當(dāng)前通過場景視覺系統(tǒng)能夠反饋得出保溫蓋的X軸及Y軸的位置。Z軸的位置可通過設(shè)置位移傳感器進(jìn)行計(jì)算得出。當(dāng)機(jī)器人通過視覺系統(tǒng)反饋信息,攜帶工具端移動(dòng)至待拾取保溫蓋正上方后,位移傳感器將讀取當(dāng)前高度下,其安裝位置與待拾取保溫蓋間的距離信息,通過折算其安裝位置與吸盤生效位置間的高度差,可得出當(dāng)前高度下,吸盤生效位置與待拾取保溫蓋間的距離差,從而得出該保溫蓋的Z軸位置。

圖8 位移傳感器示意圖Fig.8 Position of displacement sensor

4.4 防高溫措施

如圖9所示,通過對(duì)機(jī)器人3～6軸穿戴高溫防護(hù)服及對(duì)工具端整體纏繞耐高溫玻纖鋁箔膠帶對(duì)機(jī)器人本體及工具端進(jìn)行耐高溫保護(hù)的同時(shí),在工具端內(nèi)通壓縮空氣,僅在作業(yè)時(shí)開閥,盡可能地將高溫氣體吹離工具端周邊,起到保護(hù)工具端內(nèi)部元器件的作用。

圖9 防高溫措施Fig.9 High temperature protection

5 結(jié)語

本文提供了一種給魚雷罐車空罐周轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行加保溫蓋的機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)的方案及其關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用。在推廣工業(yè)4.0的背景下,該機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)通過給空罐加保溫蓋的形式,有效減小了罐內(nèi)溫降的同時(shí),阻礙了罐內(nèi)廢氣對(duì)大氣的直接排放,從而使魚雷罐車在鐵水運(yùn)輸環(huán)節(jié)上響應(yīng)了鋼鐵業(yè)的綠色生產(chǎn)和降本增效。