成捆圓鋼端面標(biāo)牌自動(dòng)焊接系統(tǒng)的研究

李文忠，張超，張付祥，黃風(fēng)山

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050000)

0 前言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的提出，我國(guó)的工業(yè)技術(shù)體系正在逐步向智能化、自動(dòng)化變革。作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱之一的鋼鐵產(chǎn)業(yè)是傳統(tǒng)的高能耗、高污染重工業(yè)，提高鋼鐵企業(yè)技術(shù)效率是鋼鐵工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的根本[1]，而且鋼鐵企業(yè)仍然存在生產(chǎn)環(huán)境惡劣、容易造成人身傷害等問(wèn)題[2]，生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化轉(zhuǎn)變迫在眉睫。目前鋼鐵企業(yè)智能制造整體處于起步階段，智能制造的標(biāo)準(zhǔn)、軟件、信息安全基礎(chǔ)薄弱，實(shí)現(xiàn)智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的目標(biāo)任重而道遠(yuǎn)[3]。

在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，完成生產(chǎn)的鋼材需要將生產(chǎn)信息標(biāo)記在產(chǎn)品上，以方便技術(shù)人員和工人了解產(chǎn)品的詳細(xì)生產(chǎn)信息，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的生產(chǎn)信息化管理，提高工作效率、流程的連貫性和數(shù)據(jù)的可追溯性[4-5]?，F(xiàn)在鋼鐵企業(yè)一般采用人工對(duì)圓鋼產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)記，所使用的方法主要有手寫(xiě)、打鋼印、噴碼、貼標(biāo)、標(biāo)牌焊接等[6-9]。其中，手寫(xiě)、打標(biāo)、噴碼、貼標(biāo)的標(biāo)記方法存在標(biāo)記易模糊、易脫落導(dǎo)致無(wú)法辨認(rèn)的問(wèn)題。而標(biāo)牌焊接法是采用焊釘穿掛標(biāo)牌，然后焊接到圓鋼端面[9]，具有標(biāo)記明顯、焊接牢固等優(yōu)點(diǎn)。但是人工焊標(biāo)牌過(guò)程比較繁瑣，特別是操作環(huán)境惡劣，還存在成本高、效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。而且該焊接工序要求選擇一根凸出的圓鋼端面焊標(biāo)牌，傳統(tǒng)的固定流程化機(jī)電設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)這一工序，因此本文作者基于視覺(jué)定位配合工業(yè)機(jī)器人工作，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)焊接標(biāo)牌系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化。

1 標(biāo)牌焊接分析

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

在傳統(tǒng)的鋼廠生產(chǎn)過(guò)程中標(biāo)牌焊接作為圓鋼生產(chǎn)整體工藝流程的最后一步，通常由工人將成捆圓鋼對(duì)應(yīng)的標(biāo)牌焊接到鋼材端面上。對(duì)某鋼鐵公司軋鋼線(xiàn)調(diào)研得知：生產(chǎn)中需要打捆的單根圓鋼直徑為13～110 mm，圓鋼的長(zhǎng)度規(guī)格為4～12 m，成捆圓鋼端面各圓鋼的不平齊度在20 mm以?xún)?nèi)，成捆圓鋼端面范圍不大于800 mm×550 mm，單捆圓鋼在傳送線(xiàn)上運(yùn)輸過(guò)程中停留的時(shí)間為30 s左右。

該標(biāo)牌[圖1(a)]為鋁制，長(zhǎng)105 mm，寬65 mm，厚0.5 mm，上面制有直徑5 mm圓孔，用于穿過(guò)焊釘。焊釘[圖1(b)]的上端為尾部，用于夾持，下端為焊接端，直徑為4.5 mm，用于穿過(guò)標(biāo)牌的圓孔，焊接在圓鋼端面。焊接后標(biāo)牌應(yīng)能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，因此需要焊接在凸出在外的一根圓鋼端面，防止其他圓鋼阻礙標(biāo)牌。另外，焊接后焊釘尾部突出較長(zhǎng)，容易被掛住，因此焊后焊釘尾部需要掰斷，而且在掰斷過(guò)程中還可以檢驗(yàn)焊接是否牢固。圖1(c)為原人工焊接的標(biāo)牌示意圖。

綜合上述工況條件，所要設(shè)計(jì)的成捆圓鋼端面標(biāo)牌自動(dòng)焊接系統(tǒng)首先要保證焊接位置準(zhǔn)確及牢固性，因此在系統(tǒng)中采用了雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，準(zhǔn)確測(cè)量圓鋼端面位置，確定焊接位置，以提高焊接準(zhǔn)確度，并且要在規(guī)定的工步時(shí)間內(nèi)完成焊接流程。

圖1 標(biāo)牌(a)、焊釘(b)與成捆圓鋼手工焊牌效果(c)

1.2 系統(tǒng)工作流程

人工焊接標(biāo)牌的過(guò)程是：首先在標(biāo)牌制作室內(nèi)制作標(biāo)牌，人工送到現(xiàn)場(chǎng)，工人一手持焊鉗、一手取焊釘，夾釘、穿掛標(biāo)牌，進(jìn)行焊接，用套管掰斷多余的焊釘尾部。

參考鋼廠人工焊接標(biāo)牌的工作流程，通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行分析，將完整的工作流程分為3個(gè)階段，分別是物料準(zhǔn)備階段、焊接階段和焊釘尾部掰斷階段。

(1)物料準(zhǔn)備階段

①由振動(dòng)上料器、直振導(dǎo)軌工作，送釘裝置將焊釘有序輸送，以正確姿態(tài)送到機(jī)器人夾取位置；

②標(biāo)牌制備系統(tǒng)與企業(yè)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)網(wǎng)獲取當(dāng)前圓鋼的生產(chǎn)信息，按照設(shè)定好的格式制作在標(biāo)牌上，并把標(biāo)牌傳送到機(jī)器人吸取位置。

(2)焊接階段

①成捆圓鋼在輸送線(xiàn)輸送到焊接標(biāo)牌工位，雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)成捆鋼材端面掃描測(cè)量，數(shù)據(jù)發(fā)送給工控機(jī)，處理后得出理想焊接位置的圓鋼端面的三維坐標(biāo)，將其發(fā)送給工業(yè)機(jī)器人；

②由工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)末端操作器到達(dá)取釘位置，夾取焊釘；末端操作器移動(dòng)到吸取標(biāo)牌位置，吸取標(biāo)牌；

③工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)末端操作器到達(dá)指定空間坐標(biāo)，控制電焊機(jī)給焊釘延時(shí)通斷電使焊釘焊接在圓鋼端面，完成焊接。

(3)焊釘尾部掰斷階段

①焊釘焊接完成后，焊鉗張開(kāi)，掰釘氣缸帶動(dòng)套筒推出，套住完成焊接的焊釘尾部，由工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)末端操作器做焊釘中心平面內(nèi)的圓弧擺動(dòng)動(dòng)作，掰斷多余的焊釘尾部；

②掰斷焊釘后掰釘氣缸帶動(dòng)套筒收回，工業(yè)機(jī)器人帶動(dòng)末端操作器回到工作初始位置。

2 焊接系統(tǒng)主要組成

成捆圓鋼端面標(biāo)牌自動(dòng)焊接系統(tǒng)整體組成如圖2所示，主要由工業(yè)機(jī)器人、末端操作器、焊釘供料系統(tǒng)、雙目視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)、標(biāo)牌制備系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)等組成。

圖2 系統(tǒng)整體組成示意Fig.2 Overall system composition

2.1 工業(yè)機(jī)器人

目前工業(yè)機(jī)器人已成為高端裝備的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)信息化、智能化的關(guān)鍵[10]。在自動(dòng)焊接系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人是核心執(zhí)行部件，需要帶動(dòng)末端操作器執(zhí)行夾取焊釘、吸取標(biāo)牌、定位焊接及掰斷焊釘尾部的任務(wù)，對(duì)定位精度、有效載荷及工作范圍都有較高的要求。選用埃夫特公司的ER7L-6型六自由度機(jī)器人，有效載荷70 N，重復(fù)定位精度±0.02 mm，最大臂展713 mm。以上參數(shù)滿(mǎn)足標(biāo)牌焊接的需求。

2.2 末端操作器

標(biāo)牌焊接機(jī)器人專(zhuān)用末端操作器主要包括殼體、焊鉗、真空吸盤(pán)、滑塊氣缸、掰釘套筒、筆形氣缸等，如圖3所示。末端操作器所需要執(zhí)行的任務(wù)有夾取焊釘、吸取標(biāo)牌、定位焊接和掰斷焊釘。每一個(gè)動(dòng)作都需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)焊釘和標(biāo)牌的實(shí)際形態(tài)以及實(shí)際工況，選擇了滑塊氣缸、筆形氣缸、真空吸盤(pán)等元器件，組成氣動(dòng)回路來(lái)完成各動(dòng)作。

殼體左端面與工業(yè)機(jī)器人手臂相連，真空吸盤(pán)通過(guò)導(dǎo)軌安裝在底盤(pán)上，并由彈簧向前壓緊，使吸盤(pán)接觸標(biāo)牌時(shí)產(chǎn)生一個(gè)壓緊力，以吸住標(biāo)牌。焊鉗由滑塊氣缸帶動(dòng)夾持焊釘上端進(jìn)行焊接，掰釘套筒布置在焊鉗中間，由筆形氣缸帶動(dòng)，工作時(shí)向前伸出套住焊釘上端，擺動(dòng)掰斷，然后向后縮回。

圖3 末端操作器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of the end-effector

2.3 焊釘供料系統(tǒng)

焊釘供料系統(tǒng)主要由振動(dòng)上料器、直振導(dǎo)軌、分釘機(jī)構(gòu)、夾釘機(jī)構(gòu)和送釘機(jī)構(gòu)組成，如圖4所示。焊釘放在振動(dòng)上料器的料盤(pán)內(nèi)，通過(guò)振動(dòng)上料器的振動(dòng)在出料口整齊排列輸出；再通過(guò)直振導(dǎo)軌的振動(dòng)送到分釘機(jī)構(gòu)的龍門(mén)口，分釘機(jī)構(gòu)上的滑臺(tái)氣缸控制擋片擋在龍門(mén)口，每次只允許一個(gè)焊釘輸出，并且露出焊釘下端；夾釘機(jī)構(gòu)通過(guò)手指氣缸夾住焊釘?shù)南露?，在送釘機(jī)構(gòu)的無(wú)桿氣缸帶動(dòng)下水平向右移動(dòng)，準(zhǔn)確地將焊釘以固定姿態(tài)運(yùn)送至指定位置，等待機(jī)器人末端操作器來(lái)夾取。

圖4 焊釘供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Supplying system of welding nail

2.4 視覺(jué)測(cè)量定位系統(tǒng)

視覺(jué)測(cè)量定位系統(tǒng)為自動(dòng)焊接系統(tǒng)提供焊牌的焊接位置，采用雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)，主要由雙目相機(jī)對(duì)同一場(chǎng)景從不同的角度獲取兩幅數(shù)字圖像，然后利用立體匹配算法求出兩幅圖像對(duì)應(yīng)像點(diǎn)間的視差，結(jié)合視差圖像與攝像機(jī)標(biāo)定所得參數(shù)求出場(chǎng)景內(nèi)被測(cè)物體各點(diǎn)的三維坐標(biāo)[11-12]。通過(guò)雙目相機(jī)掃描成捆圓鋼端面，并生成三維點(diǎn)云信息，而后經(jīng)過(guò)圖像處理后找出凸出在外的一根圓鋼，作為焊接標(biāo)牌的位置，計(jì)算出理想焊接位置坐標(biāo)并將其發(fā)送給機(jī)器人，引導(dǎo)機(jī)器人定位焊接，所以在視覺(jué)選擇中需要優(yōu)先考慮精度以及工作范圍。在該系統(tǒng)中選擇埃爾森公司的AT-S1000-01A雙目相機(jī)，采用光軸平行的模型，左右兩個(gè)相機(jī)參數(shù)完全一致，便于搭建模型以及后期深度值計(jì)算。此相機(jī)的測(cè)量精度為±(0.2～2 mm，工作距離為1 050～3 250 mm，視野范圍為1 144 mm×802 mm(距離為1 050 mm時(shí))～3 136 mm×2 464 mm(距離為3 250 mm時(shí))，掃描時(shí)間為1～2.5 s，可以滿(mǎn)足焊接系統(tǒng)的工藝需求。雙目視覺(jué)相機(jī)和成捆圓鋼端面的布置距離需根據(jù)成捆圓鋼整體尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得更好的視覺(jué)效果。

2.5 標(biāo)牌制備系統(tǒng)

標(biāo)牌制備系統(tǒng)主要包括激光打標(biāo)機(jī)和標(biāo)牌上下料機(jī)構(gòu)兩部分。激光打標(biāo)機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取當(dāng)前成捆棒材生產(chǎn)信息，自動(dòng)按既定格式排版，在鋁制標(biāo)牌上制作信息。上料機(jī)構(gòu)將成摞放置的標(biāo)牌一張一張地送到打標(biāo)位置；制作完成的標(biāo)牌由下料機(jī)構(gòu)運(yùn)送到指定位置，等待末端操作器吸取。激光打標(biāo)機(jī)及標(biāo)牌上下料機(jī)構(gòu)由標(biāo)牌制備系統(tǒng)自帶的控制器控制。

2.6 氣動(dòng)系統(tǒng)

氣動(dòng)系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、吸取標(biāo)牌的真空吸盤(pán)與真空發(fā)生器、控制氣缸的電磁閥以及氣路等元器件。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

成捆圓鋼端面標(biāo)牌自動(dòng)焊接系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)與PLC控制，與各部件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[13]，完成整個(gè)標(biāo)牌焊接工作過(guò)程?？刂葡到y(tǒng)組成如圖5所示?？紤]到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較差，上位機(jī)采用工控機(jī)。工控機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與企業(yè)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫(kù)相連，接收鋼材的生產(chǎn)信息，并通過(guò)以太網(wǎng)與工業(yè)機(jī)器人、PLC進(jìn)行通信，使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)同工作，控制工業(yè)機(jī)器人完成抓取焊釘、吸取標(biāo)牌、標(biāo)牌焊接、掰斷焊釘尾部等動(dòng)作；工控機(jī)通過(guò)USB接口與雙目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)、標(biāo)牌制備系統(tǒng)進(jìn)行通信，完成視覺(jué)測(cè)量定位、標(biāo)牌制作。圖6為自動(dòng)焊接流程。

圖5 控制系統(tǒng)組成Fig.5 Composition of control system

圖6 自動(dòng)焊接流程Fig.6 Flow of automatic welding process

PLC作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)控制焊釘供料系統(tǒng)、末端操作器抓取焊釘、吸取標(biāo)牌及焊機(jī)的開(kāi)關(guān)等工作。此系統(tǒng)選擇了西門(mén)子S7-200 SMART ST60，其CPU模塊自帶以太網(wǎng)接口，可以方便地通過(guò)交換機(jī)連接以太網(wǎng)與工控機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸。該型號(hào)PLC具有36個(gè)輸入端口和24個(gè)輸出端口，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的輸入輸出端口需求。

在PLC系統(tǒng)硬件組成中，按照焊接動(dòng)作流程，根據(jù)控制要求，確定I/O點(diǎn)數(shù)分別為13個(gè)和12個(gè)，給出相應(yīng)的PLC輸入/輸出端口的地址號(hào)和功能說(shuō)明，確定控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)分配，為編制PLC程序和設(shè)計(jì)I/O硬件接線(xiàn)圖提供依據(jù)，如表1所示。

表1 PLC的 I/O口分配Tab.1 I/O allocation of PLC

在焊接過(guò)程中，工控機(jī)與PLC交互信息，調(diào)用PLC子程序來(lái)完成不同階段的任務(wù)，主要子程序如下：

子程序1：準(zhǔn)備焊釘子程序。PLC的Q0.1輸出高電平信號(hào)，送釘?shù)幕_(tái)氣缸打開(kāi)，允許直振導(dǎo)軌上的焊釘進(jìn)入龍門(mén)口；當(dāng)一顆焊釘觸發(fā)龍門(mén)口的光電傳感器時(shí)，滑臺(tái)氣缸下落關(guān)閉，同時(shí)手指氣缸夾緊焊釘下端，延時(shí)0.5 s后，再由無(wú)桿氣缸將手指氣缸及焊釘推到指定位置。

子程序2：夾取焊釘子程序。焊釘?shù)竭_(dá)夾取位置，PLC的I2.1收到高電平信號(hào)，末端操作器到達(dá)取釘位置，Q0.4輸出高電平信號(hào)，末端操作器的夾釘氣缸夾緊焊釘上端，觸發(fā)上面的磁傳感器后，送釘機(jī)構(gòu)的手指氣缸松開(kāi)；同時(shí)，送釘機(jī)構(gòu)的無(wú)桿氣缸收回。

子程序3：吸取標(biāo)牌子程序。標(biāo)牌滑落到位光電傳感器被觸發(fā)時(shí)，PLC的I2.2收到高電平信號(hào)，末端操作器到達(dá)取牌位置，Q0.3輸出高電平信號(hào)，真空吸盤(pán)工作，吸住標(biāo)牌。

子程序4：焊機(jī)啟動(dòng)子程序。末端操作器到達(dá)焊接點(diǎn)，Q0.6輸出高電平信號(hào)，觸發(fā)焊機(jī)的輸出繼電器置位，進(jìn)行焊接；延時(shí)1 s后，末端操作器夾釘氣缸松開(kāi)。

子程序5：掰釘子程序。焊接完成后，PLC的Q0.5輸出高電平信號(hào)，末端操作器上的掰釘套筒氣缸伸出，掰釘套筒套住焊釘尾部；機(jī)器人帶動(dòng)末端操作器左右擺動(dòng)幾次，將焊釘尾部掰斷。

子程序6：整體復(fù)位，所有氣缸類(lèi)元件復(fù)位。復(fù)位按鈕被按下，PLC的I0.0收到高電平信號(hào)，所有的繼電器輸出點(diǎn)全部復(fù)位，接線(xiàn)安裝的時(shí)候保證全部的復(fù)位點(diǎn)就是初始點(diǎn)。

4 樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

目前已完成初步樣機(jī)(見(jiàn)圖7)，試運(yùn)行結(jié)果顯示標(biāo)牌焊接牢固、機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，標(biāo)牌信息準(zhǔn)確率達(dá)到100%，且焊接位置中心偏差在3 mm以?xún)?nèi)，單捆棒材標(biāo)牌焊接周期18.33 s，滿(mǎn)足標(biāo)牌焊接的時(shí)間要求。

圖7 樣機(jī)Fig.7 Prototype

5 結(jié)束語(yǔ)

基于雙目視覺(jué)定位引導(dǎo)，結(jié)合工控機(jī)與PLC控制，應(yīng)用埃夫特六自由度工業(yè)機(jī)器人，開(kāi)發(fā)了成捆圓鋼端面標(biāo)牌自動(dòng)焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)牌制備、焊釘供料、機(jī)器人定位引導(dǎo)、焊釘焊接等自動(dòng)化流程，提高了工作效率，改善了工人工作條件，并完善了鋼鐵企業(yè)信息化、智能化生產(chǎn)。