用于冷軋鋼卷的機器人激光標識設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用

龍 萌，徐恒翼，楊 賀

（1.岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，湖南岳陽 414000；2.江蘇金恒信息科技股份有限公司，南京 210000；3.杭州電子科技大學(xué)機械工程學(xué)院，杭州 310000）

0 引言

我國鋼鐵企業(yè)近年來發(fā)展迅速，工業(yè)機器人的應(yīng)用越來越多，但在煉鋼、軋鋼主線上的一些輔助工藝流程，卻很多都是人工作業(yè)。鋼鐵企業(yè)工作環(huán)境惡劣，高溫、高粉塵，安全風(fēng)險高，在“中國制造2025”方針的推動下，越來越多鋼鐵企業(yè)開始實施機器人代人作業(yè)[1-3]，一方面避免了現(xiàn)場危險源對人的潛在危害，還能提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面，隨著社會的不斷發(fā)展進步，年輕人的擇業(yè)觀發(fā)生了改變，不愿到惡劣環(huán)境下工作[4]，機器人代人則能很好地緩解這一供求矛盾。目前，在保護渣下渣[5]、板坯貼標[6]、拆捆帶[7]等工藝部位，已有機器人應(yīng)用案例。

在冷軋廠鋼卷進入罩式退火爐之前，需要在冷軋標識區(qū)進行標識，用于產(chǎn)品的追溯。目前國內(nèi)較多鋼廠仍是人工寫編號，標識工作量大，效率低，容易出現(xiàn)編號寫錯的情況，并且手寫的字跡會隨著時間而淡化、模糊，不便于長期保存，另外作業(yè)人員在產(chǎn)線移動過程中，有被鋼卷劃傷、傾翻砸中等安全風(fēng)險，亟需引入自動化標識設(shè)備，解決以上問題，推動鋼鐵企業(yè)的“智能制造”升級。

目前，應(yīng)用在鋼鐵企業(yè)的自動化標識方法主要有噴碼、貼標、焊標等形式。

有些企業(yè)在鋼材表面采用了貼紙質(zhì)標簽的方式進行標識[8-10]，取得了較好的應(yīng)用成果，但由于某鋼廠的鋼卷后續(xù)工序為罩式退火爐退火（800 ℃），如果有標簽，會被燒毀，無法發(fā)揮標識的作用。劉增漢等[11]對鋼捆端面采用焊釘焊接標牌的方式進行標識，但由于冷軋鋼卷很薄，最薄只有0.3 mm，采用焊針標識將會損傷鋼卷的外圈鋼帶。此外，還有部分企業(yè)采用了噴碼機對鋼材表面進行字符標識[12-14]，有字符串和筆畫式[15]兩種形式。但噴碼機采用的是水性涂料，無法穿透保護油膜，經(jīng)過退火爐后，保護油膜揮發(fā)，噴上去的字符也會消失；另外水性涂料會揮發(fā)，在退火爐的熱風(fēng)循環(huán)過程中，過濾器會被堵住，工藝不允許這種情況的發(fā)生。除了上述原因外，無論是貼標還是噴碼，標識的介質(zhì)都屬于耗材，耗材噸鋼成本約為0.2～1 元，以某鋼廠年產(chǎn)能180 萬t 計算，耗材費用支出約為36～180萬元，年度費用支出較大。

本文根據(jù)某冷軋廠罩式退火爐前標識的現(xiàn)場工藝要求，研究與設(shè)計了全自動機器人激光標識設(shè)備，取代人工作業(yè)，利用六軸工業(yè)機器人的特點，采用CMOS 激光傳感器檢測鋼卷表面素線，調(diào)整機頭與之平行，并將激光打標機鏡頭中心線與鋼卷表面法線方向重合；PLC 系統(tǒng)自動獲取標識內(nèi)容，可準確、清晰地將包含鋼卷信息的二維碼和字符刻蝕到鋼卷表面指定位置。整套設(shè)備無耗材，降低了噸鋼成本，提高了生產(chǎn)效率。

1 標識工藝分析

1.1 工藝參數(shù)

某冷軋廠鋼卷來料形式為臥式單卷，放置在一對V 型鞍座上，卷芯方向與運動方向垂直。鋼卷參數(shù)如表1 所示，現(xiàn)場鋼卷作業(yè)位置如圖1所示。

表1 待標識鋼卷參數(shù)

圖1 現(xiàn)場鋼卷標識作業(yè)位置

1.2 工藝要求

全自動激光標識設(shè)備每次標識對象為單個鋼卷，需要在鋼卷表面指定區(qū)域沿著鋼卷軸線方向在鋼卷表面排布內(nèi)容。對全自動激光標識設(shè)備的功能要求如下：（1）單卷標識時間周期小于2 min；（2）在-20 ℃～60 ℃的環(huán)境溫度條件下可正常工作；（3）標識區(qū)域小于210 mm×297 mm，采用二維碼及字符串標識；（4）要求標識在經(jīng)過罩式退火爐800 ℃烘烤后，依然可識別。

2 設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計

2.1 現(xiàn)場布局

鋼卷放置在地軌輸送帶上的一對V 型鞍座上，通過鞍座下方的步進梁循環(huán)向前等距移動，所以標識位置保持不變，采用一套底座固定的六軸工業(yè)機器人作為載體進行標識作業(yè)。全自動機器人激光標識設(shè)備由以下主要部件組成：（1）六軸工業(yè)機器人；（2）機器人底座；（3）激光打標機；（4）PLC 電氣控制柜；（5）機器人防護鎧；（6）打標機機頭姿態(tài)調(diào)整裝置；（7）安全系統(tǒng)。

設(shè)備的現(xiàn)場布局如圖2 所示，機器人底座固定在地軌輸送帶右側(cè)的混凝土地基區(qū)上，六軸機器人安裝在機器人底座上，機器人末端的工作范圍覆蓋鋼卷的各類尺寸規(guī)格。激光打標機打標頭通過法蘭安裝在機器人末端上；激光打標機控制器安裝在六軸機器人的第四節(jié)臂頂部的平面上；PLC 電氣控制柜放置在機器人一側(cè)，便于現(xiàn)場操作；機器人防護鎧套在機器人本體上，將機器人本體完全包裹，用于低溫保護，防止機器人本體溫度低于0 ℃。

圖2 設(shè)備現(xiàn)場布局示意圖

2.2 主要設(shè)備

2.2.1 六軸工業(yè)機器人

鋼卷的外形尺寸不固定（外徑?600 mm～?1 900 mm，寬度910 mm～1 280 mm），且尺寸變化范圍較大，所以需要采用靈活、工作范圍大的執(zhí)行機構(gòu)來帶動激光打標頭運動，另外考慮負載等因素，選用KUKA 的六軸工業(yè)機器人KR60-3，最遠可達距離為2 033 mm，有效負載為60 kg。

2.2.2 激光打標機

激光打標機主要由打標機機頭、觸摸屏和控制器組成，通過觸摸屏可設(shè)定字符形式、標識區(qū)域大小等內(nèi)容?？刂破鹘邮丈嫌蜳LC 控制系統(tǒng)的標識信息，經(jīng)過處理后，通過打標頭將二維碼及字符刻蝕在鋼卷表面上。為保證標識效果以及控制打標時間節(jié)拍要求，激光打標機功率為20 W，焦距50～420 mm可調(diào)。

圖3 激光打標機機頭及控制器

2.2.3 打標機機頭姿態(tài)調(diào)整裝置

打標機機頭姿態(tài)調(diào)整裝置主要由2 個CMOS 激光測距儀組成，檢測有效距離為140～600 mm。鋼卷打捆后并非是理想圓形，而是不規(guī)則的類橢圓形，如圖4 所示。如果將實際鋼卷當(dāng)作理想圓形進行激光打標（即使激光打標機機頭的鏡頭對正理想圓輪廓的半徑方向），當(dāng)機器人帶動機頭移動到打標位置后，機頭的鏡頭并不是垂直與鋼卷表面的，并且鏡頭離帶標識區(qū)域各處的距離是不確定的，導(dǎo)致打標的物距是不可控的（不同點的物距差值在10 mm 以上），將嚴重影響標識效果，刻蝕的標識有的部分清晰、痕跡深，有的部位標識模糊，影響生產(chǎn)使用。

圖4 鋼卷實際輪廓示意圖

為了解決上述問題，將兩個激光傳感器集成在激光打標頭集成裝置上，兩者相距105 mm，如圖5所示。它們用于檢測各自離鋼卷表面的距離，在待標識區(qū)域，激光測距儀檢測距鋼卷表面5 個點距離，將激光鏡頭姿態(tài)調(diào)整為平行鋼卷表面素線（兩者平行度偏差小于3 mm）。

圖5 激光打標頭集成裝置

當(dāng)兩個CMOS 激光測距儀檢測距離的差值為Δt=t1-t2≤1mm 時，控制系統(tǒng)判定激光打標機機頭鏡頭的中心線處于與鋼卷表面的法線重合的位置。刻蝕的二維碼面積為50.8 mm×50.8 mm，字符串的高度為38.1 mm，在法線重合的情況下，激光刻蝕的區(qū)域表面距鏡頭的高度變化在允許范圍內(nèi)，鏡頭能夠正常聚焦，從而保證了激光刻蝕的二維碼和字符串痕跡清晰、均勻可見。如圖6所示。

圖6 打標機頭鏡頭與鋼卷表面法線重合示意圖

2.3 控制流程

當(dāng)步進梁推動鋼卷運行到標識工位時，鋼廠L1 系統(tǒng)將“啟動標識”信號發(fā)送給激光打標設(shè)備的PLC 電氣系統(tǒng)，滿足啟動條件后，設(shè)備啟動自動打標作業(yè)。

設(shè)備的PLC 電氣系統(tǒng)從L1 獲取鋼卷標識內(nèi)容信息，包括二維碼信息和字符串信息兩部分內(nèi)容，并將信息內(nèi)容發(fā)送到激光打標機控制器。機器人帶動激光打標機機頭移動到鋼卷正上方，通過設(shè)備的激光測距儀檢測鋼卷的外徑和寬度，并與理論值復(fù)核，確認鋼卷的型號，如超過允許偏差，則報警。

機器人將打標機機頭帶動到標識位置，通過打標機機頭姿態(tài)調(diào)整裝置測量到鋼卷表面的距離，將機頭調(diào)整為與鋼卷素線平行，繼而重新標定工具坐標；完成工具坐標重新標定后，將機頭鏡頭的中心線調(diào)整成與鋼卷表面法線重合，將打標機鏡頭與鋼卷表面之間的距離調(diào)整到210 mm 的工藝距離，之后復(fù)測平行度，如果滿足平行度偏差小于3 mm 的要求，則開始啟動激光器，進行二維碼及字符串的刻蝕；若平行度不滿足要求，PLC 控制系統(tǒng)則通過使激光打標機機頭通過小幅“擺頭”的方式，重新進行姿態(tài)調(diào)整，保證平行度后再執(zhí)行后續(xù)流程?？涛g完成后，機器人回到待機位置，PLC 電氣系統(tǒng)將標識完成信號發(fā)送給L1。具體控制流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)控制流程

3 應(yīng)用驗證與結(jié)果分析

該全自動機器人激光打標設(shè)備研究設(shè)計完成后，在某鋼廠試車一個月后驗收，投入運行。試車情況如表2 所示。實現(xiàn)了二維碼、字符串標識功能，全自動標識成功率達到99.9%以上，完全取代了人工標識作業(yè)，單次標識周期小于2 min，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)節(jié)拍，達到功能要求。投入運行以來，設(shè)備標識工作正常，鋼廠取消了該工位的操作人員，節(jié)省了人員費用。

表2 試車情況表

激光打標設(shè)備在使用過程中無需耗材，某鋼廠每年產(chǎn)量約為180 萬t，與噴碼、貼標兩種自動標識方式相比，節(jié)省了大量成本費用支出，如表3所示。

表3 耗材支出費用對比表

另外，設(shè)備維護成本極低，除了特殊情況需要手動輸入信息外，正常工作時段近于免維護?，F(xiàn)場作業(yè)照片以及標識效果如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場設(shè)備運行以及標識效果照片

4 結(jié)束語

本文針對某廠冷軋廠罩式退火爐前鋼卷表面由人工寫碼標識的情況，設(shè)計出全自動機器人激光打標設(shè)備，取代了人工寫碼標識工作，實現(xiàn)了鋼卷表面的全自動標識作業(yè)。

對于標識的二維碼和字符串深度不均勻、部分區(qū)域模糊等問題，通過分析工藝要求、現(xiàn)場工況，研究了使打標機機頭與鋼卷素線保持平行度要求、激光鏡頭中心線與鋼卷標識區(qū)域表面法線重合等方法，保證了二維碼和字符串的清晰、均勻，不僅省去了該崗位的工人，提高了生產(chǎn)效率，也降低了人工成本，從而提升了企業(yè)的生產(chǎn)效益。另外還能有效避免地軌輸送帶移動時撞人的安全風(fēng)險。

該設(shè)備采用六軸工業(yè)機器人，能很好地適應(yīng)多規(guī)格鋼卷來料的工況，全天候24 h工作，并且二維碼可包含信息量大，靈活性好，可廣泛應(yīng)用于冷軋廠鋼卷表面的標識。