李建亮 李 萌 劉占平

（1.安鋼自動(dòng)化軟件股份有限公司； 2.安陽(yáng)鋼鐵建設(shè)有限責(zé)任公司）

0 引言

鋼鐵企業(yè)在鋼材煉軋生產(chǎn)線的連鑄機(jī)上會(huì)用到大量中間穿軸的的金屬輥，生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)了之后，這些金屬輥因軸孔磨損需要更換下來(lái)。通過(guò)對(duì)磨損的輥孔堆焊修復(fù)層再車修后，這些更換下來(lái)的金屬輥就能夠被再次利用，可以節(jié)省大量設(shè)備成本。此前，多數(shù)企業(yè)對(duì)金屬輥輥孔的修復(fù)是靠焊工師傅手工堆焊完成的。手工堆焊采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊方式，焊機(jī)電流設(shè)定在三百多安的大電流檔，這樣近距離的堆焊會(huì)產(chǎn)生大量煙塵和弧光輻射，再加上長(zhǎng)時(shí)間盯著弧光觀察，對(duì)操作人員的健康會(huì)造成極大危害。人工堆焊一根金屬輥用時(shí)1 h 左右，一天需要連續(xù)焊接幾個(gè)小時(shí)，高強(qiáng)度勞動(dòng)產(chǎn)生的疲勞會(huì)導(dǎo)致堆焊質(zhì)量的不穩(wěn)定。大電流也使焊槍手把的損壞量較大。針對(duì)這種情況，筆者考慮通過(guò)技術(shù)革新，采用自動(dòng)化設(shè)備代替人工方式來(lái)完成。

1 設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)有一臺(tái)日本OTC 品牌的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)六軸機(jī)器人可以利舊，本方案是在這臺(tái)機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行配置設(shè)計(jì)的。機(jī)器人需要加裝自動(dòng)焊機(jī)并采用定制焊槍，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)小孔徑金屬輥輥孔的自動(dòng)堆焊。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬輥圓形孔壁的堆焊，一種思路是金屬輥固定不動(dòng)，機(jī)器人焊槍旋轉(zhuǎn)移動(dòng)；另一種思路是讓金屬輥轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，配合機(jī)器人完成一圈一圈的堆焊。本方案采用金屬輥轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)。

為了讓機(jī)器人、焊機(jī)、樣件轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及自動(dòng)清槍站等部件能夠形成一個(gè)自動(dòng)化整體設(shè)備，還需要配置一個(gè)PLC 控制系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。

2 解決方案

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成：（1）工業(yè)六軸機(jī)器人；（2）自動(dòng)焊機(jī)焊槍；（3）金屬輥轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)；（4）自動(dòng)清槍站；（5）PLC 控制柜；（6）操作箱；（7）輔助設(shè)備如氣泵、氣瓶、除煙機(jī)和配電箱等。

2.2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

使用中所涉及的金屬輥樣件品種，按照輥徑、長(zhǎng)短和孔徑等尺寸參數(shù)分為3 類，共13 個(gè)規(guī)格，部分金屬輥的規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 部分金屬輥的規(guī)格

13 個(gè)規(guī)格的金屬輥材質(zhì)接近，形狀相似，用途相仿，因此可以設(shè)計(jì)為共用一種焊材、共用轉(zhuǎn)動(dòng)滾輪架的方式。本方案采用Er50-6 材質(zhì)、線徑1.2 的盤式焊絲，配合自動(dòng)送絲機(jī)和可控滾輪架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)堆焊。

方案設(shè)計(jì)為對(duì)金屬輥兩端的輥孔堆焊由機(jī)器人自動(dòng)連續(xù)完成，且能夠選擇保留鍵槽。

2.2.1 滾輪架和鍵槽檢測(cè)器

在實(shí)現(xiàn)金屬輥轉(zhuǎn)動(dòng)的方式上，可以選用焊接輔助變位機(jī)，但這種設(shè)備成本較高，且對(duì)兩端輥孔的堆焊不能夠一次完成；另一種設(shè)備是滾輪架，但對(duì)于金屬輥樣件，市面上成品滾輪架缺乏精確定位機(jī)構(gòu)，且存在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)沿軸向躥移的問(wèn)題。

本方案對(duì)滾輪架進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)改造：一是加裝了一套能夠使金屬輥一端精確定位的機(jī)械機(jī)構(gòu)；二是在滾輪架的底座位置添加部件，使金屬輥?zhàn)詣?dòng)靠頂在定位機(jī)構(gòu)上。這樣就使金屬輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不再出現(xiàn)軸向移動(dòng)，滿足了使焊槍自動(dòng)化軌跡能夠重現(xiàn)的要求。

對(duì)于需要保留的孔內(nèi)鍵槽，特別設(shè)計(jì)制作了一套鍵槽檢測(cè)器。檢測(cè)器的信號(hào)送入機(jī)器人和PLC，使系統(tǒng)在鍵槽位置停焊，過(guò)了鍵槽再繼續(xù)堆焊，從而實(shí)現(xiàn)保留鍵槽的目的。

2.2.2 PLC 控制系統(tǒng)和HMI

系統(tǒng)控制器選用西門子PLC。PLC 與OTC 機(jī)器人之間涉及編碼、啟停、運(yùn)行、報(bào)警等通訊信號(hào)；PLC 與觸摸操作屏HMI 之間涉及功能切換、運(yùn)行參數(shù)、編碼選擇、系統(tǒng)設(shè)定等信息交換；PLC 與滾輪架之間通過(guò)RS485 接口進(jìn)行電機(jī)調(diào)速變頻器的控制。

HMI 設(shè)備選用一塊10 英寸工業(yè)控制觸摸屏，結(jié)合啟停、功能切換、急停、選碼等按鈕和狀態(tài)指示燈，嵌入單獨(dú)設(shè)立的一個(gè)站立式操作箱。在日常工作中操作人員通過(guò)簡(jiǎn)單幾步按鈕操作，即可實(shí)現(xiàn)所有支持規(guī)格金屬輥樣件的自動(dòng)堆焊工作，同規(guī)格的甚至能做到“一鍵操作”。

2.2.3 焊機(jī)、焊槍與清槍站

由于與機(jī)器人同品牌的專用焊機(jī)價(jià)格較高，出于成本考慮，本方案選用一臺(tái)普通焊機(jī)。焊機(jī)與機(jī)器人的匹配通過(guò)信號(hào)改造來(lái)實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)金屬輥有較小孔徑規(guī)格，焊槍需要深入孔內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間堆焊的特點(diǎn)，本方案選用了特別定制的短槍頭水冷焊槍。

在連續(xù)堆焊過(guò)程中，飛濺的焊渣會(huì)堵住焊槍保護(hù)嘴，必須及時(shí)清理。本方案選用清槍、剪絲、噴油集多功能于一體的清槍站，程序控制機(jī)器人在堆焊過(guò)程中自動(dòng)清槍，做到全自動(dòng)流程不間斷。

2.2.4 信號(hào)連接

機(jī)器人與PLC、焊機(jī)、HMI、清槍站等設(shè)備之間的信號(hào)控制，需要一一對(duì)應(yīng)匹配。

（1）機(jī)器人與PLC。機(jī)器人與PLC 之間需要交換的信號(hào)包括系統(tǒng)急停、啟動(dòng)、準(zhǔn)備、運(yùn)行、報(bào)警、規(guī)格編碼、響應(yīng)反饋等。因方案使用的這臺(tái)OTC機(jī)器人型號(hào)不具備常規(guī)的設(shè)備間通訊方式，只能采用數(shù)據(jù)輸入輸出端口、逐個(gè)信號(hào)分立收發(fā)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接線如圖1 所示。

圖1 OTC 機(jī)器人與PLC 之間的接線

（2）機(jī)器人與HMI。機(jī)器人與交互操作箱之間主要涉及系統(tǒng)急停、焊點(diǎn)坐標(biāo)微調(diào)以及狀態(tài)顯示等信號(hào)。

（3）機(jī)器人與清槍站。清槍站外接口的連接線中有9 根有效線，分別是鉸刀轉(zhuǎn)動(dòng)、夾緊、噴油、剪絲、動(dòng)作到位以及公共COM。

2.2.5 機(jī)器人編程

對(duì)這臺(tái)OTC 機(jī)器人采用示教器編程，焊槍軌跡采用手動(dòng)示教和坐標(biāo)偏移相結(jié)合的方法。

機(jī)器人自動(dòng)堆焊主程序的流程如圖2 所示。程序會(huì)先接收從主控PLC 發(fā)送過(guò)來(lái)的規(guī)格編碼，判斷編碼有效后，調(diào)取相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)和軌跡參數(shù)，引導(dǎo)焊槍自動(dòng)完成金屬輥樣件A、B 兩端輥孔的堆焊。在需要保留鍵槽的一端，會(huì)依據(jù)所選開(kāi)關(guān)信號(hào)和鍵槽檢測(cè)器信號(hào)，使焊槍停焊跳過(guò)鍵槽一段。在自動(dòng)堆焊過(guò)程中，機(jī)器人還能夠自行完成對(duì)焊槍保護(hù)嘴上飛渣的清理、焊絲剪切、槍頭噴防飛濺油三個(gè)動(dòng)作。整個(gè)堆焊流程完成后，機(jī)器人回到原點(diǎn)開(kāi)始位置，等待下一個(gè)樣件。

圖2 機(jī)器人程序流程

2.2.6 機(jī)器人急停返回處理

在系統(tǒng)異常情況被處理后，機(jī)器人需要返回到一個(gè)正常準(zhǔn)備狀態(tài)。這一功能機(jī)器人本身是沒(méi)有的，需要編程開(kāi)發(fā)者自行設(shè)計(jì)。本方案設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)立的急停返回程序，操作人員通過(guò)操作箱上的功能切換和啟動(dòng)按鈕激活程序，就能使機(jī)器人自動(dòng)返回。

3 應(yīng)用效果

本套輥孔自動(dòng)堆焊機(jī)器人調(diào)試完成后即投入生產(chǎn)使用。操作人員只需要上電、吊裝放樣、插入鍵槽檢測(cè)器、按鈕轉(zhuǎn)動(dòng)滾輪使輥樣定位、選規(guī)格編碼、啟動(dòng)、等待完成、吊裝下樣等幾個(gè)動(dòng)作即可完成一根金屬輥的堆焊工作。在機(jī)器人自動(dòng)堆焊過(guò)程中，操作人員可以躲在保護(hù)板后面的防護(hù)區(qū)，避免了煙塵吸入和弧光輻射帶來(lái)的健康危害。操作時(shí)，吊裝金屬輥采用工具協(xié)助，勞動(dòng)強(qiáng)度也大為降低。

在工作效率上，輥孔自動(dòng)堆焊機(jī)器人至少比人工堆焊提高了1.6 ～2.1 倍。之前手工堆焊每根樣件的完成時(shí)長(zhǎng)在40 min ～1 h，而采用輥孔自動(dòng)堆焊機(jī)器人，每根樣件用時(shí)在20 min 左右，同輥徑規(guī)格的樣件用時(shí)基本一致。具體用時(shí)比較見(jiàn)表2。

表2 手工堆焊和機(jī)器人堆焊用時(shí)對(duì)比

堆焊機(jī)器人在生產(chǎn)投用的幾個(gè)月時(shí)間里，工作狀態(tài)良好，性能穩(wěn)定。軌跡動(dòng)作高度的復(fù)現(xiàn)性使機(jī)器人對(duì)金屬輥樣件堆焊出的焊層厚度一致、質(zhì)量統(tǒng)一，全部達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

使用工業(yè)機(jī)器人，通過(guò)焊機(jī)、滾輪架、清槍站等設(shè)備配合，通過(guò)PLC 進(jìn)行系統(tǒng)整體聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)連鑄輥輥孔的自動(dòng)堆焊功能。這證明通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備代替工人對(duì)連鑄輥進(jìn)行修復(fù)堆焊完全可行，而且機(jī)器人堆焊質(zhì)量好、效率高，能夠?yàn)槭褂脝挝粍?chuàng)造更多的效益，具有在同行業(yè)或其他類似應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行推廣的價(jià)值。