張巍 ，賈昊 ，劉思洋 ，林東盛 ，劉宇 ，卜俊男

（1.鞍鋼股份有限公司大型總廠，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼股份有限公司系統(tǒng)創(chuàng)新部，遼寧 鞍山 114021）

工業(yè)機(jī)器人作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展壯大對我國制造業(yè)具有多重意義：一是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)是應(yīng)對勞動力成本上漲以及老齡化日益嚴(yán)重的一種有效方式；二是其能夠提高我國制造業(yè)的生產(chǎn)效率及國際競爭力，幫助中國由制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國；三是工業(yè)機(jī)器人制造是工業(yè)4.0的發(fā)展基礎(chǔ)。

根據(jù)智慧鞍鋼發(fā)展規(guī)劃要求，在關(guān)鍵工藝和環(huán)節(jié)，推廣應(yīng)用先進(jìn)的智能裝備，積極開發(fā)利用機(jī)器人等智能化技術(shù)，補(bǔ)齊基礎(chǔ)自動化短板，打破制造環(huán)節(jié)各個工序不通、不聯(lián)的問題，實(shí)現(xiàn)制造環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。隨著鞍鋼股份有限公司型鋼產(chǎn)線生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)及生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)需求的增加，迫切需要加速推進(jìn)型鋼生產(chǎn)線智能化裝備升級，重點(diǎn)在“3D”崗位開展機(jī)器人應(yīng)用，以此加強(qiáng)鋼材質(zhì)量控制、有效解決大量危險作業(yè)仍需人工干預(yù)等問題。工業(yè)機(jī)器人可配合MES系統(tǒng)、物料識別系統(tǒng)跟蹤每一塊鋼坯的加工過程，實(shí)現(xiàn)對鋼坯科學(xué)的管理，增加產(chǎn)品的可追溯性，防止混坯等事故的發(fā)生；同時機(jī)器人的應(yīng)用能夠極大的提高包裝質(zhì)量，減少發(fā)貨及下游用戶識別不準(zhǔn)確等問題，提升企業(yè)的產(chǎn)品形象。本文對工業(yè)機(jī)器人在鞍鋼型鋼生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

1 工業(yè)機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)主要包括一臺定位噴碼機(jī)器人、一臺修磨貼標(biāo)機(jī)器人，配套3D視覺定位系統(tǒng)、標(biāo)簽打印分離系統(tǒng)、噴碼系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。其中，3D視覺系統(tǒng)通過上位機(jī)PLC分別引導(dǎo)兩臺機(jī)器人工作；機(jī)器人之間劃定工作區(qū)間，互不干涉。

圖1 機(jī)器人自動貼標(biāo)噴碼系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Structure Diagram of Automatic Labeling and Code Spraying System for Robot

1.2 機(jī)器人本體

由于成品落垛鋼材捆扎帶會影響機(jī)器人的臂展，系統(tǒng)采用六軸工業(yè)機(jī)器人為動作平臺，負(fù)載35 kg，臂長2.5 m。該機(jī)器人能在冶金工業(yè)惡劣環(huán)境下達(dá)到高穩(wěn)定性和低故障率，實(shí)現(xiàn)多角度自由貼標(biāo)噴碼的功能。

1.3 定位及噴碼機(jī)器人

（1）視覺定位系統(tǒng)

采用3D相機(jī)對型材表面進(jìn)行識別數(shù)據(jù)分析，得出型材捆型、頭部貼標(biāo)、噴碼位置和打捆帶位置等信息，并通過數(shù)據(jù)通信接口傳輸至機(jī)器人系統(tǒng)?；诮邮盏降臄?shù)據(jù)，機(jī)器人準(zhǔn)確判定打捆帶位置，噴碼時自動避開打捆帶；對原始采集圖像進(jìn)行處理，自動定位出靠近、遠(yuǎn)離機(jī)器人側(cè)的型材。此外，也可人工干預(yù)選擇其它已識別型材位置進(jìn)行噴碼貼標(biāo)作業(yè)。

（2） 噴碼系統(tǒng)

噴碼系統(tǒng)包括噴槍和油墨供料系統(tǒng)。噴槍采用16點(diǎn)陣式結(jié)構(gòu)，噴印字符的高度、距離、速度、方向、行數(shù)等都可以自由調(diào)節(jié)。油墨供料系統(tǒng)柜內(nèi)設(shè)油漆供料系統(tǒng)和清洗液循環(huán)系統(tǒng)，同時設(shè)有油漆和清洗液自動加熱裝置，保證油漆和清洗液的溫度在控制范圍內(nèi)。噴涂時，由噴涂系統(tǒng)柜通過氣動隔膜泵將油漆送至噴槍，實(shí)現(xiàn)噴碼作業(yè)。每次噴碼完成后自動將清洗液打入噴槍，將噴槍內(nèi)部油漆清理干凈，防止噴槍堵塞。

1.4 修磨貼標(biāo)機(jī)器人

（1）表面清理系統(tǒng)

表面清理系統(tǒng)分為兩部分：第一部分在貼標(biāo)噴碼位置，由管路引出風(fēng)刀設(shè)備，采用高壓型工業(yè)熱風(fēng)機(jī)清除型材表面水、冰等雜物；第二部分為機(jī)器人手臂位置的拋光打磨機(jī)，主要由修磨刷頭、打磨電機(jī)、柔性連接裝置和位置傳感器等設(shè)備組成，當(dāng)型材表面冰層較厚時，啟用拋光打磨機(jī)，同時輔助熱風(fēng)機(jī)風(fēng)刀吹掃，以保證型材表面達(dá)到貼標(biāo)噴碼要求。

（2） 貼標(biāo)機(jī)構(gòu)

標(biāo)簽主要采用氣動裝置進(jìn)行定位與吸取，氣動元件包括氣缸、電磁閥、節(jié)流閥、吸盤和真空系統(tǒng)等。裝置配有真空檢測傳感器和到位傳感器，所有傳感器信號接入主控制系統(tǒng)，判斷標(biāo)簽是否到位、吸取是否成功，實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的協(xié)調(diào)動作。標(biāo)簽通過自動分離機(jī)構(gòu)分離，貼標(biāo)機(jī)構(gòu)取到標(biāo)簽后，工業(yè)機(jī)器人按照視覺定位系統(tǒng)得到的型材位置坐標(biāo)進(jìn)行貼標(biāo)作業(yè)。

（3）讀碼器

在貼標(biāo)機(jī)構(gòu)旁設(shè)置高速讀碼器，對型材表面標(biāo)簽一維碼或二維碼信息進(jìn)行快速識別，并把讀取信息與接收的MES信息進(jìn)行比對，確認(rèn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.5 電氣系統(tǒng)

電氣控制柜為整個機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，包含機(jī)器人控制柜、視覺處理控制器，噴槍控制器，輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、繼電器、觸摸屏等電氣器件。 機(jī)器人自動貼標(biāo)噴碼控制系統(tǒng)示意圖見圖2。

圖2 機(jī)器人自動貼標(biāo)噴碼控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Automatic Labeling and Code Spraying Control System for Robot

1.6 檢測系統(tǒng)

打捆型材檢測系統(tǒng)與現(xiàn)有輥道控制系統(tǒng)連鎖，實(shí)現(xiàn)型材到貼標(biāo)位置自動停止，自動鎖定輥道，為貼標(biāo)噴碼系統(tǒng)運(yùn)行提供先決條件。

1.7 安全防護(hù)系統(tǒng)

安全防護(hù)系統(tǒng)由安全圍欄和安全門鎖組成，用于隔離自動噴涂作業(yè)區(qū)域，保證作業(yè)安全。當(dāng)安全圍欄的門打開時，機(jī)器人將不能啟動，若機(jī)器人正在作業(yè)則將立即停止。如需進(jìn)入安全護(hù)欄內(nèi)，要先將操作箱上的轉(zhuǎn)換開關(guān)打到檢修模式。

2 機(jī)器人系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方案

2.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)

自動噴碼貼標(biāo)機(jī)器人控制系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。具體流程為：①打捆后的型材經(jīng)過輸送輥道到達(dá)成品收集區(qū)，通過設(shè)置于成品收集區(qū)輥道的2個到位檢測傳感器，使型材停止于輥道指定位置。②輥道停止后，機(jī)器人系統(tǒng)判斷視覺系統(tǒng)、噴碼系統(tǒng)等設(shè)備已準(zhǔn)備好后，向原區(qū)域堆垛PLC控制系統(tǒng)發(fā)送“鎖定輥道”信號，將輥道與升降鏈鎖定。③輥道鎖定后，標(biāo)識系統(tǒng)向MES系統(tǒng)申請標(biāo)識信息；如果MES連接異常，則手動添加標(biāo)識信息。④定位噴碼機(jī)器人對型材位置進(jìn)行采集分析。⑤識別完成后定位噴碼機(jī)器人退出至干涉區(qū)外，啟動修磨貼標(biāo)機(jī)器人對型材表面進(jìn)行修磨，同時標(biāo)簽打印系統(tǒng)根據(jù)MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，將標(biāo)簽打印好。⑥機(jī)器人根據(jù)檢測后轉(zhuǎn)換的空間坐標(biāo)信息，取標(biāo)簽并將其貼至型材對應(yīng)位置，貼標(biāo)完成后自動檢查貼標(biāo)結(jié)果。⑦貼標(biāo)完成后，噴碼機(jī)器人根據(jù)檢測后轉(zhuǎn)換的空間坐標(biāo)信息在型材表面中心準(zhǔn)確位置進(jìn)行噴碼作業(yè)。⑧全部作業(yè)結(jié)束后，機(jī)器人系統(tǒng)回復(fù)安全位置，系統(tǒng)輸出“輥道解鎖”信號，釋放輥道，已貼標(biāo)噴碼完成的型材可繼續(xù)往下輸送。⑨機(jī)器人自動貼標(biāo)噴碼系統(tǒng)進(jìn)入下一輪貼標(biāo)處理進(jìn)程，等待下一次作業(yè)。

圖3 自動噴碼貼標(biāo)機(jī)器人控制系統(tǒng)工藝流程Fig.3 Process Flow of Automatic Code Spraying and Labeling Control System for Robot

2.2 堆垛控制系統(tǒng)配套改造

堆垛控制系統(tǒng)的設(shè)備采用西門子S7-400系列PLC。通過增加通訊模塊實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人系統(tǒng)的通訊，使機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對堆垛控制系統(tǒng)輥道、擋板、運(yùn)輸鏈等設(shè)備的自動連鎖控制功能。

2.3 MES系統(tǒng)配套改造

針對產(chǎn)線自動噴碼貼標(biāo)機(jī)器人業(yè)務(wù)功能需要，對現(xiàn)有MES系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加與機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信接口，完善物料實(shí)時跟蹤管理功能，實(shí)現(xiàn)按計(jì)劃組織生產(chǎn)，實(shí)時反映生產(chǎn)實(shí)際信息，達(dá)成產(chǎn)線管理的高度自動化。

2.4 網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用

機(jī)器人自動貼標(biāo)噴碼系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置見圖4。該系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)設(shè)備均連接至現(xiàn)場交換機(jī)，現(xiàn)場交換機(jī)通過光纖連接至主控室工控機(jī)。主控室工控機(jī)設(shè)置雙網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)備及MES網(wǎng)絡(luò)的雙重連接。

圖4 機(jī)器人自動貼標(biāo)噴碼系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖Fig.4 Network Configuration Diagram of Automatic Labeling and Code Spraying System for Robot

2.5 人機(jī)界面

整套機(jī)器人系統(tǒng)采用WINCC畫面遠(yuǎn)程操作，畫面顯示機(jī)器人系統(tǒng)中各組成部分運(yùn)行狀態(tài)、報警信息、通訊狀態(tài)等，同時設(shè)有手動錄入貼標(biāo)噴碼信息窗口?？刂葡到y(tǒng)HMI主界面如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)HMI主界面圖Fig.5 HMI Main Interface Diagram of Control System

3 應(yīng)用效果

（1）工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)上線運(yùn)行后，通過3D視覺識別技術(shù)可準(zhǔn)確識別出產(chǎn)品的物料類型、捆型、物料頭部尾部位置、打捆帶位置等，指導(dǎo)機(jī)器人執(zhí)行貼標(biāo)、噴碼作業(yè)。測試期，3D視覺識別相機(jī)識別率可達(dá)100%，具體如圖6所示。

圖6 3D視覺識別效果圖Fig.6 Effect Diagram of 3D Visual Recognition

（2）分別選取球扁鋼、槽鋼、角鋼、工字鋼四種類型鋼中的各一種規(guī)格型鋼共計(jì)400捆進(jìn)行測試，機(jī)器人自動貼標(biāo)噴碼系統(tǒng)貼標(biāo)準(zhǔn)確率和噴碼準(zhǔn)確率分別達(dá)99%，未發(fā)生系統(tǒng)故障，滿足產(chǎn)線工藝要求?，F(xiàn)場實(shí)際貼標(biāo)機(jī)噴標(biāo)效果如圖7所示。

圖7 機(jī)器人貼標(biāo)噴碼效果圖Fig.7 Effect Diagram of Labeling and Code Spraying for Robot

（3）工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)上線運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了危險崗位無人化，優(yōu)化崗位人員3人，每年優(yōu)化人力資源可降低成本30萬元。同時在生產(chǎn)效率方面，該系統(tǒng)運(yùn)行周期約為90 s，與原有人工貼標(biāo)噴碼周期2 min相比，作業(yè)周期縮短了25%，準(zhǔn)確率高，極大地適應(yīng)了產(chǎn)線的快節(jié)奏生產(chǎn)。

4 結(jié)語

鞍鋼股份有限公司型鋼生產(chǎn)線設(shè)計(jì)了工業(yè)機(jī)器人貼標(biāo)噴碼系統(tǒng)，此系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)中能夠滿足產(chǎn)線工藝要求，切實(shí)提升了產(chǎn)線生產(chǎn)效率，提高了產(chǎn)品標(biāo)識的準(zhǔn)確性和可追溯性，貼標(biāo)準(zhǔn)確率和噴碼準(zhǔn)確率均達(dá)到99%，實(shí)現(xiàn)了危險崗位無人化，作業(yè)周期縮短了25%；同時，統(tǒng)一規(guī)范的產(chǎn)品標(biāo)識提高了企業(yè)的產(chǎn)品形象。該機(jī)器人系統(tǒng)的成功應(yīng)用提升了鞍鋼智能化產(chǎn)線裝備能力，為后續(xù)在其它產(chǎn)線工序開展機(jī)器人應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)，值得推廣和借鑒。