一種應(yīng)用于鋼擠壓機(jī)生產(chǎn)線的工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

牛 博，秦 琦

（山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司，山西 太原 030008）

0 引言

太鋼鋼管公司從SMS MEER 引進(jìn)的60 MN 臥式鋼擠壓機(jī)為國內(nèi)最大的臥式鋼擠壓機(jī)，該套設(shè)備主要用于生產(chǎn)中高端不銹鋼無縫鋼管，擠壓材料為有色金屬、鈦材和復(fù)合材料等。鋼擠壓機(jī)配套的20 MN 立式擴(kuò)孔機(jī)使坯料在擴(kuò)孔—擠壓步驟時(shí)降低擠壓比，減少坯料的機(jī)加工量，提高成材率。60 MN 鋼擠壓機(jī)和20 MN 擴(kuò)孔機(jī)的控制是“機(jī)—電—液”一體化、自動(dòng)化程度比較高的機(jī)械設(shè)備。為了降低安全隱患，預(yù)防事故的發(fā)生，使用工業(yè)機(jī)器人來代替人工執(zhí)行危險(xiǎn)和枯燥的工作任務(wù)，機(jī)器換人已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)的大趨勢(shì)。工業(yè)機(jī)器人基本沒有工作時(shí)間的限制，通過簡(jiǎn)單編程即可完成所需的工作，可以重復(fù)執(zhí)行同一種任務(wù)，而不會(huì)有厭倦情緒和效率下降的問題。機(jī)器人生產(chǎn)，除了可以減輕工人重復(fù)性體力勞動(dòng)之外，最大的優(yōu)勢(shì)是有利于生產(chǎn)過程標(biāo)準(zhǔn)化。

1 研究目的

在鋼材銷售價(jià)格不變的情況下，型材成本越高，利潤(rùn)越低。目前，原材料價(jià)格上漲、工人工資不斷提高，能源價(jià)格上漲，成本控制精細(xì)化的時(shí)代已經(jīng)到來。

通常，擠壓機(jī)組設(shè)備包括環(huán)形加熱爐、感應(yīng)爐、擴(kuò)孔機(jī)、擠壓機(jī)和出料輥道等，有些產(chǎn)線還包括后部深加工的管軋機(jī)、酸洗和矯直等相關(guān)設(shè)備。在整條生產(chǎn)線上，操作及維護(hù)難度較大且安全風(fēng)險(xiǎn)高的區(qū)域在擠壓機(jī)區(qū)域，其自動(dòng)化程度高、控制難度較大，受連續(xù)作業(yè)的影響，只要這些設(shè)備中有一處發(fā)生故障或安全險(xiǎn)兆，就會(huì)導(dǎo)致整條生產(chǎn)線的停滯。采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行操作，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全、改善勞動(dòng)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的鋼擠壓機(jī)生產(chǎn)線的具體運(yùn)行情況，對(duì)需要機(jī)器進(jìn)行干預(yù)的位置進(jìn)行分析。工業(yè)機(jī)器人的選型根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的空間尺寸以及工藝需求進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于工藝需求的特殊步驟，基于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況重新進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 可用工業(yè)機(jī)器人代替人工的工位

2.1.1 擴(kuò)孔機(jī)玻璃粉潤(rùn)滑裝置和擴(kuò)孔錐安裝小車

玻璃潤(rùn)滑裝置安裝在擴(kuò)孔機(jī)側(cè)面，用于坯料端面的玻璃潤(rùn)滑裝置如圖1 所示，包括機(jī)架1、擺臂2、玻璃粉/玻璃球儲(chǔ)罐3 和玻璃墊吸盤4。擺動(dòng)動(dòng)作由液壓驅(qū)動(dòng)裝置5 實(shí)現(xiàn)。儲(chǔ)罐3 的打開和關(guān)閉靠與氣缸連接的拉桿6 實(shí)現(xiàn)，儲(chǔ)罐3 玻璃粉的補(bǔ)充由自動(dòng)加料設(shè)備進(jìn)行。玻璃墊吸盤的裝載由人工進(jìn)行。當(dāng)坯料裝入擴(kuò)孔筒后，玻璃潤(rùn)滑裝置擺動(dòng)到擴(kuò)孔筒上方，真空吸力被解除，吸盤4 上被吸住的玻璃墊放到坯料的端面上（坯料導(dǎo)向孔被封閉）。然后，儲(chǔ)罐3 打開，玻璃粉/玻璃球通過下方的小孔流到玻璃墊上。

圖1 擴(kuò)孔機(jī)玻璃粉潤(rùn)滑裝置示意圖

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中，擴(kuò)孔機(jī)玻璃粉潤(rùn)滑流程處于開放環(huán)境，由一次感應(yīng)爐—擴(kuò)孔機(jī)潤(rùn)滑平臺(tái)進(jìn)行玻璃粉潤(rùn)滑。固定裝置通過坯料自重將潤(rùn)滑后的坯料送入擴(kuò)孔筒，劇烈震動(dòng)使?jié)櫥_(tái)和坯料表面的玻璃粉在現(xiàn)場(chǎng)彌漫。

擴(kuò)孔錐安裝小車用于在墩粗桿上安裝新的擴(kuò)孔錐，把擴(kuò)孔錐裝入小車是在機(jī)外工作臺(tái)上完成的。擴(kuò)孔錐安裝小車如圖2 所示，由框架1、滑架2、立架3、導(dǎo)桿4、適配架5、頂環(huán)6、導(dǎo)套7 和水套8 組成。滑架2 由液壓缸9 驅(qū)動(dòng)，立架3 的上下運(yùn)動(dòng)由液壓缸10驅(qū)動(dòng)，適配架5 的導(dǎo)桿4 上下運(yùn)動(dòng)由液壓缸11 驅(qū)動(dòng)。

圖2 擴(kuò)孔機(jī)安裝小車示意圖

原始設(shè)計(jì)為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)崗位操作工通過帶線遙控器操作，擴(kuò)孔錐需人工搬運(yùn)至安裝小車上。作業(yè)環(huán)境為高溫環(huán)境，粉塵多、噪聲大。擴(kuò)孔錐適用于擠壓系列450 規(guī)格，質(zhì)量為100 kg，人工操作安全風(fēng)險(xiǎn)很高。因此，有必要用機(jī)器人代替人工操作。

2.1.2 擠壓機(jī)模座滑移機(jī)構(gòu)

模座滑移機(jī)構(gòu)安裝在擠壓機(jī)前梁的內(nèi)側(cè)。模座滑移機(jī)構(gòu)如圖3 所示，包括2 個(gè)彼此銜接并可以推動(dòng)的模具滑架：模座1 和模座2。模座1 內(nèi)安裝當(dāng)前模具3。模座2 內(nèi)安裝了壓余取出套筒和取出環(huán)，用于接納取出壓余和擠壓墊。需要更換模具時(shí)，裝有模具的模座1 被液壓缸4 沿與擠壓方向垂直的方向推到模具更換位置。此時(shí)，模座2 位于擠壓中心線，接納取出壓余和擠壓墊。

圖3 模座滑移機(jī)構(gòu)示意圖

在當(dāng)前生產(chǎn)模式當(dāng)中，圖3 標(biāo)注的當(dāng)前模具3在每次擠壓后，需人工對(duì)擠壓模進(jìn)行打磨，重復(fù)人工作業(yè)可能導(dǎo)致人工檢測(cè)效率不穩(wěn)定，過量粉塵以及噪音是潛在的職業(yè)病隱患，可以由機(jī)器人代替人工操作。

2.1.3 304 坯料壓余上料工序

為減少壓余、節(jié)約生產(chǎn)成本,對(duì)使用304 壓余墊的無壓余熱擠壓技術(shù)進(jìn)行研究。通過采用不同擠壓比、不同加熱溫度的擠壓實(shí)驗(yàn),研究了鋼擠壓機(jī)熱擠壓無壓余工藝的成形性能，并投入使用。在正常無壓余擠壓過程中，使用材質(zhì)為304 的坯料作為壓余墊，擠壓后成為壓余部分為304 材質(zhì)的坯料通過形變成為壓余，以提高高附加值產(chǎn)品成材率。

上料機(jī)械手安裝在擠壓機(jī)的下張力柱的外壓套上，裝錠機(jī)如圖4 所示，包括框架1，擺臂2，擺臂3 以及固定在擺臂上的鉗口4 和5。兩個(gè)擺臂和兩個(gè)鉗口的結(jié)構(gòu)完全相同，擺臂動(dòng)作靠液壓缸6 實(shí)現(xiàn)，鉗口的開閉則由液壓缸7 實(shí)現(xiàn)。

圖4 上料機(jī)械手示意

在接料位置，待擠壓的管坯滾動(dòng)到打開的裝錠機(jī)鉗口內(nèi)，頂料桿把擠壓墊頂推到管坯前端，并連同管坯一起頂?shù)蕉ㄎ粨鯄K處，鉗口閉合。裝錠機(jī)擺臂把管坯和擠壓墊一起送到擠壓機(jī)中心，擠壓軸把管坯推進(jìn)擠壓筒內(nèi)。當(dāng)擠壓墊已經(jīng)離開第一個(gè)鉗口4 后，在不中斷裝料操作的條件下，鉗口4 打開，擺臂2 返回到接料位置，在擠壓墊已經(jīng)離開第二個(gè)鉗口5 后，鉗口5 打開，擺臂3 也返回到接料位置。

在實(shí)際運(yùn)行中，坯料先到達(dá)上料機(jī)械手，到位后，壓余分離裝置自動(dòng)將擠壓墊送到坯料尾端。自動(dòng)運(yùn)行模式下無法預(yù)留304 擠壓墊料位置，需通過工業(yè)機(jī)器人將溫度加熱到1 130 ℃的304 擠壓墊料放置在主要擠壓坯料后，通過PLC 延時(shí)30 s，擠壓墊到位后，進(jìn)行完整工藝的無壓余擠壓。

2.2 工業(yè)機(jī)器人的選型設(shè)計(jì)

2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

簡(jiǎn)單的夾鉗式取料手不能適應(yīng)物體外形的變化，不能對(duì)物體表面施加比較均勻的夾持力。因此，無法對(duì)復(fù)雜形狀、不同材質(zhì)的物體夾持操作。為了提高機(jī)器人手爪和手腕的操作能力和快速反應(yīng)能力，使機(jī)器人能像人手一樣進(jìn)行各種復(fù)雜的作業(yè)，如裝配作業(yè)、維修作業(yè)、設(shè)備操作以及機(jī)器人模特的禮儀手勢(shì)等，就必須有一個(gè)運(yùn)動(dòng)靈活、動(dòng)作多樣的靈巧手。在實(shí)際運(yùn)行過程中，工業(yè)機(jī)器人采用多關(guān)節(jié)柔性手，能針對(duì)不同外形物體實(shí)施抓取，并使物體表面受力比較均勻，每個(gè)手指由多個(gè)關(guān)節(jié)串接而成。手指?jìng)鲃?dòng)部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成。每個(gè)手指由2 根鋼絲繩牽引，一側(cè)為握緊，另一側(cè)為放松。驅(qū)動(dòng)源可采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)或液壓、氣動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)。柔性手腕可抓取凹凸外形物體，并使其受力較為均勻。柔性材料做成的柔性手一端固定，一端為自由的雙管合一的柔性管狀手爪。當(dāng)一側(cè)管內(nèi)充入氣體，另一側(cè)管抽出氣體時(shí)，形成壓力差，柔性手爪就向抽空側(cè)彎曲。工業(yè)機(jī)器人本體選型為IRB 7600-150/3.50，負(fù)載為150 kg，臂展為3 500 mm。IRB7600-150 安裝在壓余分離位置與擠壓機(jī)上料機(jī)械手中間。通過電磁感應(yīng)加熱爐加熱的304 壓余墊料通用區(qū)間范圍為100～120 kg。

2.2.2 控制路徑

CCD 攝像頭光譜共焦位移傳感器用于工模具外觀缺陷檢測(cè)。由于無縫鋼管熱擠壓的工藝限制，擠壓生產(chǎn)中配套使用的工模具可能會(huì)出現(xiàn)各種缺陷，如黏鋼、劃痕和裂紋等。開發(fā)有效的自動(dòng)缺陷檢測(cè)技術(shù)對(duì)查明有缺陷的工模具非常重要，可以提升產(chǎn)品質(zhì)量。例如，對(duì)金屬擠壓模的表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，目前，大多數(shù)無縫鋼管的制造生產(chǎn)線都是通過人工來進(jìn)行質(zhì)量控制。對(duì)于檢測(cè)后需要進(jìn)行修磨要求的擠壓模，人工作業(yè)需要消耗大量工時(shí)。對(duì)連續(xù)批量生產(chǎn)的高附加值產(chǎn)品（如625、8810 和8811 鎳基合金）進(jìn)行人工檢測(cè)修磨，人工成本費(fèi)用過大。

伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，表面缺陷檢測(cè)領(lǐng)域機(jī)器視覺的地位迅速提升，但傳統(tǒng)的圖像識(shí)別方法對(duì)光照條件要求高，適應(yīng)性較差。不同條件下采集的表面缺陷圖像難以滿足識(shí)別要求，此外，傳統(tǒng)的圖像檢測(cè)方法主要通過密集的圖像預(yù)處理來獲取圖像特征。但是，工模具表面缺陷可能非常小，導(dǎo)致特征不是清晰可見，采用傳統(tǒng)方法難以準(zhǔn)確識(shí)別工模具表面的缺陷。利用光譜共焦技術(shù)不受環(huán)境光照和材質(zhì)的干擾，可有效檢測(cè)模具表面輪廓的高度。此外，3D 線光譜共焦傳感器還可對(duì)模具表面進(jìn)行3D 建模，通過3D 點(diǎn)云，可以快速辨別工模具表面的不良數(shù)據(jù)，從而提前為產(chǎn)線制造提供合理的檢測(cè)數(shù)據(jù)，提升質(zhì)檢效率[1-2]。

鋼擠壓機(jī)生產(chǎn)線配套使用工業(yè)機(jī)器人，其控制原理如圖5 所示，CCD 攝像頭和光譜共焦位移傳感器配合使用，平行安裝在機(jī)械手附近，通過掃描數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫內(nèi)預(yù)置信息進(jìn)行比對(duì)，判斷是否進(jìn)行重復(fù)作業(yè)。待檢測(cè)位置發(fā)生異常時(shí)，循環(huán)中斷，執(zhí)行更換工模具作業(yè)。

圖5 工業(yè)機(jī)器人控制原理

3 結(jié)語

全自動(dòng)生產(chǎn)線是未來鋼鐵行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。機(jī)器人與信息化和大數(shù)據(jù)相結(jié)合，并將其納入全過程控制系統(tǒng)，“機(jī)器取代人”已成為必然趨勢(shì)。工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和應(yīng)用需要考慮承受高溫、高壓、高濕、低溫和有毒氣體等惡劣環(huán)境中的穩(wěn)定性。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行智能化改造，形成了低成本、高效率的生產(chǎn)模式，可取代艱苦生產(chǎn)環(huán)境下的人工作業(yè)，為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了重要手段。