趙亞楠， 陳發(fā)林， 陳代兵， 趙學敏

(1.酒泉鋼鐵(集團)有限責任公司 信息自動化分公司，甘肅 嘉峪關 735100；2.甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關 735100)

0 引 言

隨著國家對鋼鐵工業(yè)轉型升級的迫切需求，各個鋼鐵公司對鋼產(chǎn)品結構進行了大規(guī)模調整。近年來，超純鐵素體鋼產(chǎn)品需求量不斷增加，而常規(guī)鋼種大幅縮減，這導致在對鋼種及超純鋼進行平整作業(yè)時，在線或平整機鋼輥缺陷發(fā)生率明顯提升。當平整輥產(chǎn)生缺陷時，為控制并消除缺陷，需要操作人員手動對高速工作輥進行打磨。而人員手動打磨具有時效性差，打磨效果不佳，缺陷不能及時消除等問題，從而導致含有缺陷的鋼輥繼續(xù)工作，從而使生產(chǎn)的鋼板表面出現(xiàn)瑕疵，進而出現(xiàn)產(chǎn)品質量下降甚至降級的風險，嚴重影響企業(yè)聲譽。而且人員手動打磨工作輥時，離運行的設備較近，手部直接接觸高速轉動的工作輥，危險系數(shù)較大，存在很大安全隱患，一旦發(fā)生生產(chǎn)事故，后果極為嚴重。

近年來，工業(yè)機器人技術發(fā)展迅速，它作為一種高端的裝備，在不同的生產(chǎn)線中得到了廣泛的應用[1-2]，由于PLC的穩(wěn)定性、靈活性和抗干擾性好，PLC常常應用于機器人控制系統(tǒng)設計過程中[3-5]。筆者以平整機工作輥表面瑕疵打磨作為研究內(nèi)容，對平整機工作輥打磨工作流程進行分析，設計了一套基于PLC與工業(yè)機器人的打磨工作站控制系統(tǒng)，并在某大型鋼廠的平整機上進行了打磨應用，實踐驗證了打磨工作站取得了良好的打磨效果。

1 系統(tǒng)構成及工作原理

打磨機器人工作站由工業(yè)機器人、電氣控制系統(tǒng)、自動更換砂紙裝置、力控系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)、除塵裝置組成。根據(jù)平整機機組所在空間位置的實際情況、打磨系統(tǒng)載荷重量等因素選用了ABBIRB-6700機器人，其有效工作半徑3.2 m，承重150 kg，具有機身緊湊，工作范圍大，操作速度快等特點。電氣控制系統(tǒng)以西門子 S7-1200 PLC 為核心，系統(tǒng)具備更快的處理速度，更強的診斷能力以及更高的安全可靠性，可有效提高工作效率。自動更換砂紙裝置由主體箱、撕砂紙機構、砂紙檢測傳感器、砂紙庫和控制盒組成。力控系統(tǒng)由浮動單元、伺服閥、控制器和打磨頭組成，該系統(tǒng)主要目的是實現(xiàn)打磨過程的自動、恒定的打磨壓力。工業(yè)機器人工作時通過機器人控制器和PLC之間的ProfiNet總線連接，來完成機器人在平整機工作輥上的運動軌跡控制的指令傳輸和人機交互。

根據(jù)工作空間和生產(chǎn)流程，打磨機器人工作站的系統(tǒng)仿真如圖1所示。其工作原理如下：取砂紙工作時，PLC系統(tǒng)先進行程序初始化，不同的砂紙放在對應的砂紙庫，機器人接收到PLC 發(fā)送的取砂紙信號(包括取砂紙的類型和取砂紙的啟動信號)后啟動執(zhí)行換砂紙程序，砂紙更換成功或取砂紙失敗三次，機器人自動回原位，并向 PLC 反饋信息；打磨工作時，機器人的打磨模式分為離線打磨模式和在線打磨兩種，離線打磨時，首先將平整機啟動到最大速度200 m/min并將平整工作面抬升至固定高度，啟動前PLC系統(tǒng)先進行程序初始化，機器人接收到 PLC 發(fā)送的離線打磨啟動指令后(啟動指令中包括人工在PLC界面設置的機器人打磨起點坐標、終點坐標、打磨速度、打磨力度等信息)，機器人從初始位置啟動，通過程序設定的路徑到鋼輥打磨的起點，開始對平整機工作輥以設定的恒定力進行直線式移動打磨，直到機器人接收到停止打磨信號，機器人則以原路徑返回起始點。在線打磨和離線打磨相似，區(qū)別是離線打磨時工作輥抬升到固定高度，不進行平整生產(chǎn)作業(yè)，而在線打磨時平整機同時也在進行平整作業(yè)，平整機的工作速率隨生產(chǎn)工藝要求不斷變化，工作輥的位置也處于工作高度，因此離線打磨和在線打磨時機器人的打磨路徑稍有區(qū)別。

圖1 系統(tǒng)仿真圖

2 控制系統(tǒng)的硬件設計

打磨工作站控制系統(tǒng)硬件主要包括PLC、機器人控制器、HMI觸摸屏、砂紙舉升氣缸、電磁閥和傳感器、監(jiān)控設備、力控系統(tǒng)等，其電氣硬件設計結構圖如圖2所示。在整個控制系統(tǒng)中，PLC和機器人控制器IRC5是整體系統(tǒng)的控制核心單元，機器人采用ProfiNet總線與PLC通信，完成接收和采集以及相應外部控制信息的工作，實現(xiàn)機器人打磨啟停、砂紙更換、參數(shù)設置、打磨狀態(tài)監(jiān)控等。

圖2 硬件設計結構圖

控制系統(tǒng)硬件選型如下。

(1) 機器人控制器：采用 ABB 第五代機器人控制器IRC5，其擁有卓越的運動控制功能，配備有含觸摸屏和操縱桿編程功能的 FlexPendant 示教器、靈活的 RAPID 編程語言及強大的通信能力[6]，控制器選用帶ProfiNet總線接口的模塊，方便與PLC進行通信。

(2) PLC控制器：采用西門子S7-1200系列的1214C，該PLC自帶ProfiNet通訊接口，方便與機器人控制器通訊，實現(xiàn)電磁閥、生產(chǎn)線連鎖信號、傳感器等信號的控制和信息處理。

(3) HMI人機界面：采用西門子 9寸觸摸屏，可以與西門子S7-1200 PLC集成連接，實現(xiàn)工業(yè)機器人工藝參數(shù)的設置和監(jiān)控功能。

(4) 力控系統(tǒng)：采用DFRC1201的力控系統(tǒng)，支持20～120 N恒力控制及0～30 mm伸縮量，打磨力值在±2 N內(nèi)浮動，能在精細的操作中保證快速的響應時間以及高度的時效性。

(5) 工控機：采用研華控端 IPC-610 小型工控機，支持以太網(wǎng)通信模式；工控機實現(xiàn)上位機對力控系統(tǒng)的監(jiān)控，并對實時打磨力值進行記錄，便于現(xiàn)場人員對打磨效果進行分析，為后續(xù)打磨力值設定起到參考作用。

3 控制系統(tǒng)的程序設計與運行

3.1 控制系統(tǒng)的程序設計

打磨工作站控制系統(tǒng)的程序設計主要包括PLC程序設計和機器人程序設計。根據(jù)打磨工作站的工作原理，機器人依次進行末端力控系統(tǒng)準備、砂紙到位準備、砂紙更換、機器人按照預定路徑移動到打磨起點位置處、在設定的打磨區(qū)間內(nèi)進行打磨、打磨結束后按原路徑返回原始位、整個打磨系統(tǒng)程序的設計包括工業(yè)機器人和控制系統(tǒng)初始化、工作人員在HMI上設置工藝參數(shù)、系統(tǒng)自動運行、輸入輸出I/O信號監(jiān)控系統(tǒng)等，程序流程圖如圖3所示。

圖3 工作站程序流程圖

控制系統(tǒng)的程序設計內(nèi)容如下。

(1) 控制系統(tǒng)初始化：在HMI中選擇一鍵初始化或選擇逐個模塊初始化，打磨工作站機器人控制系統(tǒng)按照一定的順序運行到初始化狀態(tài)，使工作站恢復到原始狀態(tài)，工作站準備完成。

(2) HMI工藝參數(shù)設置：根據(jù)打磨對象和工藝要求，在HMI人機界面中設置相對應的參數(shù)，機器人程序會根據(jù)參數(shù)自動設定初始值，以滿足設備生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

(3) 系統(tǒng)自動運行：當參數(shù)設置完成以后，將工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)設定為自動運行狀態(tài)，工業(yè)機器人自動完成砂紙的換取，工作輥的打磨、除塵，最后回原位。整個系統(tǒng)的啟動和停止由觸摸屏上的啟停觸點控制，控制柜上安裝有緊急停止按鈕，便于緊急停車。

(4) 輸入輸出I/O信號監(jiān)控系統(tǒng)：通過對信號監(jiān)視可以監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況，主要有機器人的運行速率、力控系統(tǒng)的反饋力值大小、機器人的打磨區(qū)間等，使整個生產(chǎn)過程處于控制中。

工業(yè)機器人控制程序的設計采用ABB工業(yè)機器人的RAPID編程語言，整個系統(tǒng)設計包括主程序設計和子程序設計，子程序設計包括選取不同砂紙庫的程序、離線打磨程序、在線打磨程序、中斷程序等功能模塊，主程序設計通過程序初始化、打磨或換砂紙判斷，子程序調用等實現(xiàn)打磨功能和運動軌跡的控制，機器人打磨主程序如下所示：

MODULE Main_Job

PROC main() // 主程序

initialize; // 程序初始化

Pro_Main:

IF Q26=1 AND Q90=0 THEN // 選擇取砂紙

SetDO I680,0; // 置位機器人啟動信號

Discharge_Paper; // 執(zhí)行撕砂紙

IF Q20=1 THEN // 選擇1號砂紙

Pick_Paper_Job_1; // 取1號砂紙

endif

IF Q21=1 THEN // 選擇2號砂紙

Pick_Paper_Job_2; // 取2號砂紙

endif

IF Q22=1 THEN // 選擇3號砂紙

Pick_Paper_Job_3; // 取3號砂紙

endif

IF Q23=1 THEN // 選擇4號砂紙

Pick_Paper_Job_4; // 取4號砂紙

endif

ELSEIF Q26=0AND Q90=1 THEN // 選擇離線打磨

SetDO I680,0; // 置位機器人啟動信號

robotStopTrap; // 執(zhí)行中斷程序

Go_Polish_Up; // 執(zhí)行離線打磨

GOTO Pro_Main;

ENDPROC

PLC控制程序采用西門子博圖15編寫，對砂紙庫的選擇、機器人的打磨速率、力控系統(tǒng)的力值大小、機器人的打磨區(qū)間、機器人的啟動停止、打磨工作站與生產(chǎn)線的連鎖等進行控制，軟件集成了PLC程序開發(fā)和上位機畫面開發(fā)，PLC監(jiān)控畫面如圖4所示。

圖4 PLC監(jiān)控畫面

3.2 工作站控制系統(tǒng)的運行

機器人離線打磨如圖5所示，以平整機工作輥為打磨對象，整個工作站設置安全門鎖、急停按鈕進行安全防護。該系統(tǒng)在自動運行時，機器人通過砂紙庫快速換取砂紙，對平整機工作輥進行打磨，整個打磨過程工作迅速，運行穩(wěn)定，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的要求。

圖5 機器人離線打磨 圖6 工件打磨前后

3.3 平整機工作輥打磨前與打磨后對比

工件打磨前后對比如圖6所示，可看到打磨效果較為明顯。機器人自動打磨可以24 h連續(xù)不間歇高速工作，不受任何外界因素的干擾，以設定的速度恒力打磨鋼輥，大大提高鋼輥的打磨效率，鋼輥表面95%的缺陷都能得到及時消除，從而提高了鋼輥的平整度，提升了鋼板的整體品質，取得了不錯的效果。

4 結 語

針對人員手動打磨高速工作輥的問題，設計了打磨工作站控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)以ABB工業(yè)機器人IRC5和西門子 S7-1200 PLC為控制核心，結合觸摸屏、力控系統(tǒng)等智能設備，可以自動完成砂紙換取、工作輥打磨等功能。實際應用證明，該打磨工作站整體運行良好，工作速度穩(wěn)定，工作速率快，打磨效果明顯，可供同行參考。