拆捆帶機器人在薄板冷軋線上的應用

劉成虎，劉維鴿,徐 江,秦 毅

(1.日照鋼鐵有限公司 電控處 山東 日照276800；2.中國重型機械研究院股份公司 陜西 西安 710018)

0 前言

人工智能是冶金自動化的重要發(fā)展方向[1-2]。機器人是智能化的重要組成元素，隨著其技術(shù)的成熟，工業(yè)應用日益增多，在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中的應用也有得到了快速的推廣。工業(yè)機器人可以代替人工在很多高溫、高粉塵及高風險的惡劣環(huán)境下作業(yè)，避免現(xiàn)場危險源對人體傷害的同時，還可以提高勞動效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量。例如：在煉鋼區(qū)域采用機器人加渣裝置，自動將保護渣均勻地散布到連鑄結(jié)晶器內(nèi)；在熱軋區(qū)域采用機器人攜帶噴號設備，對高溫鋼卷的端面噴寫鋼卷數(shù)據(jù)信息；在冷軋區(qū)域鍍鋅機組采用撈渣機器人，自動清除鋅鍋表面浮渣；還有磨輥車間應用機器人進行軋輥上下料操作等場景[3-7]。近年來，國內(nèi)有相關(guān)學者對工業(yè)機器人在冷軋機組上的應用展開相關(guān)研究，盧華陽[8]針對某冷軋機組入口雙通道開卷的工藝特點，選擇工業(yè)六軸機器人作為執(zhí)行機構(gòu)，制定了采用移動第7軸的全自動拆捆工藝方案，并對相應的機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)進行了設計。曾求洪等[9]針對酸軋入口的鋼卷進行動拆捆系統(tǒng)開發(fā)與應用。葛祥等[10]通過新增多功能機器人取代人工對鋼卷捆帶進行自動拆除及回收，并實現(xiàn)自動掃碼確認，提高了工作效率及掃碼準確率，實現(xiàn)了鋼卷拆捆帶掃碼工序的全自動化。

在冷熱軋、硅鋼、不銹鋼等生產(chǎn)機組入口區(qū)域，來料鋼卷由開卷機進行開卷,帶頭經(jīng)過轉(zhuǎn)向夾送輥開始軋制過程，但在上開卷機前要先拆除捆扎在鋼卷上的鋼捆帶。目前國內(nèi)大多鋼鐵企業(yè)仍然是人工拆除捆帶，入口拆捆作業(yè)是整條生產(chǎn)線風險最高、作業(yè)環(huán)境最差的崗位之一。作業(yè)時，人員需要進入步進梁區(qū)域，使用專用剪刀對鋼卷進行捆帶拆除并回收捆帶，捆帶在拆除時是繃緊狀態(tài)，剪斷后可能崩開傷人，存在較大機械傷害及物體打擊風險；同時為落實國家智能制造戰(zhàn)略，減少操作人員勞動強度和安全風險，提升產(chǎn)線智能化水平，需要使用工業(yè)機器人將工人從機械重復、枯燥危險的工作中解放出來，進入更重要的工作崗位。

某鋼廠共有九條薄板冷軋線，分別為五條酸平機組、兩條鍍鋅機組、兩條平整機組。入口原料卷規(guī)格：鋼卷寬度900～1600 mm，鋼卷外徑900～2100 mm。在產(chǎn)線入口段，原料卷上線前需要對外圈鋼質(zhì)捆帶進行拆除，原料卷通常有一至三道捆帶，目前捆帶拆除主要依靠人在步進梁地輥區(qū)域手工操作，每班平均剪切捆帶70次余次。每條產(chǎn)線需要專門配置一名專人進行拆捆帶作業(yè),現(xiàn)需要對其進行技改提升。

1 機器人拆捆帶系統(tǒng)組成

機器人拆捆帶系統(tǒng)是將機器人、人工智能、智能傳感等技術(shù)充分融合集成為機器人智能系統(tǒng)，主要由控制系統(tǒng)、機器人、剪捆帶裝置和廢帶回收裝置組成。系統(tǒng)具有自動、半自動、維護模式等三種工作模式，正常情況下使用自動模式進行工作，無需人工干預，系統(tǒng)自動完成全部拆帶流程；半自動模式需要人工觸發(fā)拆帶信號；維護模式主要用于檢修維護。

1.1 自動控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)整個拆捆帶機器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、通訊、安全聯(lián)鎖、動作控制，系統(tǒng)控制器使用西門子S7-1500PLC，PLC通過 Profinet協(xié)議與機器人、操作面板進行通信，采用 G120變頻器控制機器人導軌運行，通過Profibus-DP協(xié)議與機組L1通訊，獲得鋼卷數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設備及網(wǎng)絡組態(tài)如圖1所示，使用TIA Protal V16軟件，配置兼顧了技術(shù)先進性和經(jīng)濟性。

圖1 拆捆帶系統(tǒng)設備及網(wǎng)絡組態(tài)

1.2 機器人系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用ABB工業(yè)六軸機器人，防護等級IP67，重復定位精度0.1 mm，作為拆帶系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，完成卷寬、卷徑測量，定位帶頭位置，實現(xiàn)拆帶、牽引捆帶至收捆等動作；按照安全工作的原則，機器人具備碰撞自診斷功能，待鋼卷就位，其主要工作流程：

(1)自動識別鋼卷帶尾位置和方向，并控制升降粱和地輥旋轉(zhuǎn)鋼卷，使鋼卷帶尾的位置而被鋼卷壓在地輥上。

(2)自動識別鋼卷上捆帶的數(shù)量和準確位置。

(3)按識別位置，自動攜帶剪捆帶裝置，拆除待剪捆工位的鋼卷捆帶。

(4)自動回收被剪斷的捆帶。

1.3 剪捆帶裝置

剪捆帶裝置用法蘭盤與機器人末節(jié)聯(lián)接，裝置由激光測距儀、接近開關(guān)、光電開關(guān)、夾鉗、切刀和固定臺等組成，如圖2所示。機器人利用裝置下端的激光測距儀通過掃描計算出鋼卷寬度及捆帶的數(shù)量和位置，繼續(xù)緊密壓靠貼服鋼卷后，精準定位至捆帶，夾鉗上的斜塊插入鋼卷與捆帶間的縫隙，夾鉗夾緊捆帶，再用刀片將捆帶剪斷后，剪捆裝置夾住剪下的捆帶移動投入廢帶收集系統(tǒng)的斗內(nèi)。

圖2 剪捆帶裝置

1.4 廢帶收集系統(tǒng)

廢帶收集系統(tǒng)主要完成剪切后捆帶的打捆與收集。系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)繞帶裝置、液壓裝置和回收槽組成。機器人將剪下的舊捆帶放置于回收裝置內(nèi)，然后啟動輔機電機及液壓缸將剪下的舊捆帶旋繞壓成塊狀，隨后從卸料口自動掉落在廢料斗內(nèi)。

2 機器人拆捆帶系統(tǒng)自動工作流程

機器人拆捆帶系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

圖3 自動拆帶工作流程

自動模式下整個工作過程：

(1)自動狀態(tài)，當步進梁載鋼卷到達拆捆工位，系統(tǒng)獲取拆捆啟動信號并鎖止步進梁動作。

(2)機器人動作，攜帶拆剪和測量定位工具移動地輥中心線的上方位置，該位置距離最大鋼卷上沿20 mm。

(3)機器人垂直向下運動，直至激光測距儀尋找到鋼卷位置，測量鋼卷外徑；(激光測距儀進入有效量程)拆捆頭水平橫移，檢測鋼卷兩側(cè)卷邊的位置，即鋼卷寬度。

(4)然后發(fā)送命令讓地輥順時針轉(zhuǎn)動，同時檢測鋼卷帶頭，檢測到帶頭后，發(fā)送命令讓地輥再轉(zhuǎn)大約70°，將帶頭壓在地輥輥子處(5點鐘或7點鐘方向)，防止捆帶拆除后帶頭彈出。如鋼卷旋轉(zhuǎn)一圈后未檢測到帶頭，可再旋轉(zhuǎn)一圈，如兩圈內(nèi)未檢測到帶頭，則報警提示。

(5)機器人水平移動到鋼卷一側(cè)邊沿位置(激光測距儀在有效量程內(nèi))，反方向水平橫移，查找橫移過程中激光測距儀產(chǎn)生突變的位置，即計算識別捆帶的位置，系統(tǒng)實時發(fā)送捆帶信號給機器人，機器人記錄捆帶位置坐標。

(6)檢測完捆帶后，機器人將拆捆頭移至鋼卷上方捆帶位置；機器人下降，至拆捆頭壓到位檢測傳感器觸發(fā)；鏟刀推進，至捆帶鏟起檢測傳感器觸發(fā)；切刀動作，剪斷捆帶。

(7)機器人帶鋼帶一起升高，并橫移至一定位置，等待輔機處于初始位置；輔機處于可回收捆帶狀態(tài)后，啟動輔機自動流程。

(8)捆帶落入輔機回收槽內(nèi)；壓帶頭氣缸下降，壓平捆帶；機器人將鋼帶拉直；推板氣缸前進；旋轉(zhuǎn)電機氣缸前進到位后，給出拆捆頭釋放鋼帶信號。

(9)拆捆頭釋放鋼帶信號，切刀退，切刀原點位傳感器觸發(fā)，給輔機和機器人鋼帶釋放完成信號；接收到鋼帶釋放完全信號，輔機電機旋轉(zhuǎn)；電機旋轉(zhuǎn)完畢，鋼帶回收完成，電機后退。

(10)液壓缸下降，將鋼帶壓縮 ，同時電機慢速旋轉(zhuǎn)，繞帶輪找平；液壓缸上升一定高度后，推板氣缸后退；液壓缸再次下壓，將壓縮的捆帶壓入廢料斗內(nèi)；壓帶氣缸上升、液壓缸上升回原位等待。

(11)機器人接收到鋼帶釋放完成信號，機器人垂直抬起，等待地輥旋轉(zhuǎn)完成后，回到鋼卷上方，對比捆帶數(shù)量，檢查是否完成所有捆帶的剪切，如沒有則繼續(xù)掃查并剪切下一根鋼帶，直至所有鋼帶剪切完成。所有捆帶剪切完成后或者檢測行程完成后回原點，完成一個鋼卷的拆捆帶過程。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 捆帶測量和定位

采用高精度激光傳感器測量進行探測、計算，捆帶識別和精確定位是拆帶的前提；因為鋼卷和捆帶為同種材質(zhì)，機械特性、電磁特性、顏色均相同或接近，并且捆帶緊貼鋼卷表面，造成識別困難。捆帶識別和精確定位出現(xiàn)問題，直接導致機器人拆捆帶失敗。鋼卷捆帶識別是根據(jù)剪捆帶頭的激光測距值的變化值信號識別捆帶，并由PLC記錄捆帶坐標值。經(jīng)過實驗，周期采用100 ms可達到良好的檢測精度，計算當前實時值與上一周期值的差值量，當差值處于鋼卷存在條件時，并保持500 ms(防止干擾)，結(jié)合光電開關(guān)信號，記錄為檢測到捆帶邊沿，再經(jīng)過兩周期差值滿足鋼帶持續(xù)比較值條時，觸發(fā)記錄“鋼帶位置點”，實現(xiàn)捆帶識別和精確定位,如圖4所示。

圖4 定位鋼帶觸發(fā)程序

3.2 捆帶剪切和牽引

(1)拆剪工具采用鏟起、剪切的捆帶拆除方案，采用一只液壓缸驅(qū)動鏟刀拆除捆帶。控制系統(tǒng)檢測到捆帶并確定精確位置后，機器人攜帶拆捆工具頭壓靠在鋼卷上，用鏟刀將捆帶鏟起并夾緊，鏟刀夾緊的捆帶由機器人移動放置在收集裝置內(nèi)。

(2)拆剪工具與工業(yè)6軸機器人連接處采用浮動連接裝置。機器人拆捆帶時要求拆剪工具與鋼卷表面貼服緊密，因此要求拆剪工具能夠跟隨鋼卷表面進行小幅度的各個方向轉(zhuǎn)動，同時要求拆剪工具壓緊在鋼卷表面， 該拆捆帶機器人采用浮動連接裝置，如圖5所示。拆捆頭和機械臂的每個連接螺栓處采用特殊結(jié)構(gòu)，中間安裝特殊彈簧裝置，這樣在末端執(zhí)行器接觸鋼卷前，末端執(zhí)行器與機器人剛度很大，不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，定位準；在末端執(zhí)行器接觸鋼卷后，末端執(zhí)行器與機器人機械臂間因彈簧的作用在一定范圍內(nèi)剛度較小，這使得末端執(zhí)行器能與鋼卷貼服較好。

圖5 浮動連接裝置

(3)機器人拆捆帶時，拆剪工具的鏟刀需將捆帶從鋼卷表面鏟起，然后剪切，完成捆帶拆除工作。捆帶與鋼卷貼合緊密，拆剪過程中運動幅度很小，很難分辯，拆剪是否成功的檢測一直很難實現(xiàn)。系統(tǒng)設置的捆帶檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單，通過檢測組件可實時檢測待拆捆帶是否被鏟起，同時在拖拽捆帶時，可實時檢測捆帶是否滑脫。

3.3 質(zhì)量判定

多功能拆捆機器人還設置了一套對鋼卷邊部、內(nèi)圈、外圈拍照掃描系統(tǒng)，使用相機對鋼卷進行拍照并傳到識別系統(tǒng)。通過缺陷檢測系統(tǒng)的自學習優(yōu)化算法，顯示缺陷類型和位置，通過計算機識別和人工確認鋼卷缺陷是否可以放行。端部表面成像采用成熟的面陣或者線陣視覺系統(tǒng)，可檢測的缺陷類型有：亮點、飛刺、邊損、邊裂、頭尾折疊、扁卷、內(nèi)外松卷等。

4 設備運行與維護

4.1 防碰撞

防止天車吊物碰撞機器人系統(tǒng)，在鋼鐵企業(yè)中天車吊物通常質(zhì)量較大，一旦與機器人發(fā)生碰撞，將產(chǎn)生不可修復性故障；再者當系統(tǒng)發(fā)生故障，機器人未回到原位時，萬不可采取短接、封點等手段強制解除拆帶系統(tǒng)與步進梁的連鎖，避免鋼卷與機器人發(fā)生碰撞，也是會產(chǎn)生不可修復性故障。

4.2 安全防護

安全防護系統(tǒng)由安全圍欄、安全門、安全門鎖、三色燈等組成，系統(tǒng)設計了安全圍欄將拆帶系統(tǒng)設備放置在圍欄內(nèi)，按照安全原則進行設計，當設備需要檢修或者緊急情況可按下急停按鈕，停止系統(tǒng)運行；設備正常運行時嚴禁進入圍欄內(nèi)部，當系統(tǒng)安全門一旦打開，安全門鎖被觸發(fā)，系統(tǒng)自動停止運行，觸發(fā)聲光報警；生產(chǎn)實踐中常常發(fā)生誤開安全門或安全門連鎖誤動作而引發(fā)系統(tǒng)停機事件，因此要采取措施防止誤碰急停按鈕和誤開安全門，加強安全設備維護 。

4.3 輔機收捆帶系統(tǒng)維護

輔機收捆帶系統(tǒng)設備看似都為常規(guī)設備，好像沒有技術(shù)含量，但整套系統(tǒng)運行中往往是此系統(tǒng)報故障最多，因此需要定期巡檢、維護，保證氣壓、油壓在正常范圍內(nèi)，各個氣缸磁性開關(guān)位置正常、電路正常；保證液壓系統(tǒng)正常，各個導軌滑塊潤滑正常。

4.4 拆捆頭的維護

拆捆頭是拆帶系統(tǒng)的重要部件，設備精密度要求高，導軌滑塊間隙過大或過緊都不能滿足，需要經(jīng)常檢查、調(diào)整并潤滑；鏟刀及切刀需要定期檢查定期更換。

5 結(jié)束語

該機器人拆捆帶系統(tǒng)利用機器人自動對鋼卷外圈捆帶進行識別、拆除、收集，有效減少了生產(chǎn)參與人員，大幅降低作業(yè)人員的安全隱患，自2021年投產(chǎn)以來，自動拆捆機器人對冷軋機組生產(chǎn)率的提高起到了重要作用。同期，該廠的九條產(chǎn)線還投用了自動貼標機器人、自動噴號機器人、鋅鍋撈渣機器人等，大量機器人的投用，大大提升了該廠產(chǎn)線的自動化水平。

隨著數(shù)字化、智能化、可視化技術(shù)的成熟發(fā)展，其新技術(shù)的集成應用，對傳統(tǒng)的人工操作和自動化控制都起到了顛覆性的迭代，改善了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了經(jīng)濟效益，減輕了勞動強度，保護了生態(tài)環(huán)境，是工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，也是發(fā)展鋼鐵行業(yè)智能控制的必由之路。