張付祥，趙杰，李俊慧，黃風(fēng)山

(1.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.石家莊鋼鐵有限責(zé)任公司，河北石家莊 050031)

0 前言

鋼廠生產(chǎn)連鑄坯時(shí)有一定比例的廢坯產(chǎn)生，要使廢坯回爐重造，切割廢坯是首道工序[1]。廢舊連鑄坯普遍采用手工方式切割，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、切割質(zhì)量低，工作環(huán)境惡劣[2]。根據(jù)廢坯切割的生產(chǎn)需求，開發(fā)一種適用于任意長(zhǎng)度和截面規(guī)格的廢舊連鑄坯火焰切割機(jī)器人系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)有火焰切割機(jī)器人多采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人和直角坐標(biāo)機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別適用于復(fù)雜和簡(jiǎn)單的切割工作[3]。PC機(jī)開放性好，多用于開放式數(shù)控系統(tǒng)中[4]；PLC性能穩(wěn)定，多用于動(dòng)作簡(jiǎn)單的自動(dòng)化設(shè)備中[5]。

本文作者采用直角坐標(biāo)機(jī)器人作為火焰切割機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，提出可陣列式的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)陣列完全相同的機(jī)器人和連鑄坯支架實(shí)現(xiàn)對(duì)不同長(zhǎng)度連鑄坯的切割。采用PLC控制火焰切割機(jī)器人系統(tǒng)，利用觸摸屏設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)多個(gè)PLC控制系統(tǒng)間的通信，以可陣列的火焰切割機(jī)器人系統(tǒng)提高切割效率和設(shè)備的靈活性。

1 機(jī)械系統(tǒng)

廢舊連鑄坯火焰切割機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)包括直角坐標(biāo)式切割機(jī)器人和連鑄坯支架，如圖1所示。連鑄坯支架布置在切割機(jī)器人的正前方。直角坐標(biāo)式切割機(jī)器人總體為YZX結(jié)構(gòu)，包括機(jī)架、Y向直線模組、Z向直線模組、X向直線模組、支座固定板、T式導(dǎo)向軸支座、導(dǎo)向軸、直線軸承、導(dǎo)向支架、法蘭式導(dǎo)向軸支座、安裝板、測(cè)距傳感器、割炬和點(diǎn)火器。連鑄坯支架的作用是使待切割廢坯與地面有一定間隙，使火焰能夠切斷廢坯。連鑄坯支架上安裝接近開關(guān)用于檢測(cè)連鑄坯是否到達(dá)切割工位。

鋼廠常見的廢舊連鑄坯長(zhǎng)度尺寸有3、6、9、12 m。上述火焰切割機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)以3 m為一個(gè)基本單元，能夠切割3 m內(nèi)任意長(zhǎng)度的廢舊連鑄坯。當(dāng)連鑄坯長(zhǎng)度達(dá)到6、9、12 m，則可以通過(guò)分別陣列2、3、4個(gè)直角坐標(biāo)式切割機(jī)器人和連鑄坯支架的方式實(shí)現(xiàn)切割。

2 控制系統(tǒng)硬件

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為切割不同長(zhǎng)度的廢舊連鑄坯，采用可陣列式廢舊連鑄坯火焰切割機(jī)器人系統(tǒng)。切割長(zhǎng)度3 m內(nèi)的連鑄坯時(shí)，以PLC作為控制器，用觸摸屏來(lái)控制切割機(jī)器人；切割長(zhǎng)度6 m內(nèi)的連鑄坯時(shí)，陣列完全相同的PLC控制系統(tǒng)，以工業(yè)PC作為上位機(jī)將兩個(gè)PLC控制系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)；切割長(zhǎng)度9 m內(nèi)的連鑄坯時(shí)，依次陣列。陣列使用的切割機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 陣列使用的火焰切割機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)架

PLC作為單個(gè)火焰切割機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心部件，控制切割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。PLC的輸入端接收接近開關(guān)、按鈕和限位開關(guān)信號(hào)，PLC輸出端控制伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為電機(jī)調(diào)速，以及控制切割部件各個(gè)電磁閥通斷。激光測(cè)距傳感器測(cè)得連鑄坯尺寸以電流信號(hào)輸出，PLC擴(kuò)展模擬量模塊接收測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)。

觸摸屏可對(duì)切割機(jī)器人直接控制，也可監(jiān)視切割過(guò)程中的多種參數(shù)。

工業(yè)PC作為多個(gè)火焰切割機(jī)器人控制系統(tǒng)的上位機(jī)，作用是將兩個(gè)及以上的PLC聯(lián)系起來(lái)，使PLC間的數(shù)據(jù)得以通信并完成規(guī)劃切割方案，同時(shí)將切割后的廢舊連鑄坯信息存儲(chǔ)起來(lái)，對(duì)已切廢坯進(jìn)行核對(duì)統(tǒng)計(jì)。通過(guò)交換機(jī)和網(wǎng)線將工業(yè)PC和兩個(gè)及以上的PLC連接起來(lái)，通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC與工業(yè)PC的數(shù)據(jù)通信[6-7]。工業(yè)PC中的組態(tài)軟件可遠(yuǎn)程控制切割機(jī)器人并對(duì)工作過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 硬件配置

PLC的I/O點(diǎn)數(shù)使用原則是應(yīng)該預(yù)留10%～15%的I/O點(diǎn)以做備用。系統(tǒng)中實(shí)際需要的輸入點(diǎn)數(shù)為16點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)為15點(diǎn)，且需要PLC給電機(jī)發(fā)送脈沖。控制系統(tǒng)硬件配置如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)硬件配置

選用西門子公司的S7-200 SMART系列PLC，CPU模板的型號(hào)為CPU ST60，共有36個(gè)輸入口、24個(gè)輸出口，滿足設(shè)計(jì)要求。切割機(jī)器人的檢測(cè)裝置為激光測(cè)距傳感器，輸出模擬量信號(hào)，需要配置一塊S7-200 SMART模擬量擴(kuò)展模塊。擴(kuò)展模塊型號(hào)選擇EM AM03，有2個(gè)模擬量輸入口、1個(gè)模擬量輸出口，滿足設(shè)計(jì)要求。

PLC的I/O地址分配如表2所示。

西門子S7-200 SMART PLC自帶一個(gè)RS485通信接口，可以與觸摸屏進(jìn)行通信。用PLC的以太網(wǎng)接口，通過(guò)交換機(jī)將工業(yè)PC和兩個(gè)及以上的PLC以TCP/IP通信的方式連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[8]。

3 控制系統(tǒng)軟件

3.1 PLC控制流程

廢舊連鑄坯火焰切割機(jī)器人需順序啟動(dòng)，PLC的控制流程如圖3所示。

圖3 PLC控制流程

3.2 人機(jī)界面

為了減少傳統(tǒng)控制面板按鈕繁多的問(wèn)題，使用觸摸屏連接PLC，通過(guò)人機(jī)界面設(shè)計(jì)來(lái)控制和監(jiān)測(cè)切割系統(tǒng)。觸摸屏與PLC間的通信方式采用PPI通信。

在自動(dòng)操作界面，單擊啟動(dòng)按鈕，切割機(jī)器人開始工作，直到完成所有割縫切割機(jī)器人停止工作。當(dāng)切割中遇緊急事件時(shí)，按下外置的實(shí)體急停按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止切割，同時(shí)報(bào)警燈亮起提示有故障出現(xiàn)。自動(dòng)切割完成后，單擊“首頁(yè)”按鈕，回到登錄界面，單擊“手動(dòng)操作”和“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”即可進(jìn)入對(duì)應(yīng)界面，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)操作界面

在手動(dòng)操作界面，可以對(duì)切割機(jī)器人3個(gè)軸進(jìn)行手動(dòng)移動(dòng)和回零，也可以控制預(yù)熱氧電磁閥、切割氧電磁閥、切割燃?xì)怆姶砰y、點(diǎn)火燃?xì)怆姶砰y和點(diǎn)火裝置，如圖5所示。

圖5 手動(dòng)操作界面

在狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面，可以查看當(dāng)前已切割的寬度、切割速度、連鑄坯的尺寸規(guī)格和切割機(jī)器人三軸狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置

廢舊連鑄坯火焰切割機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)如圖7所示。在某公司實(shí)際切割了長(zhǎng)度為3 m、兩種截面尺寸的廢舊連鑄坯，分別為2根180 mm×180 mm和1根300 mm×220 mm的廢舊連鑄坯。

圖7 廢舊連鑄坯自動(dòng)切割現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置

采用氧-乙炔切割廢舊連鑄坯，由于廢坯厚度較大，將9罐氧氣并聯(lián)以達(dá)到持續(xù)的高壓氧氣。切割之前需要調(diào)節(jié)乙炔和氧氣的壓力以及割炬閥門，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)得出切割200 mm左右厚度的連鑄坯所需乙炔和氧氣的壓力分別為0.1、1.0 MPa[9]。

4.2 切割試驗(yàn)

切割不同厚度的連鑄坯時(shí)需要調(diào)整預(yù)熱時(shí)間和切割速度。經(jīng)多次切割試驗(yàn)，切割180、220 mm厚的連鑄坯所需預(yù)熱時(shí)間分別為120、140 s，切割速度分別為60、50 mm/min。割縫整齊，縫口粘附殘?jiān)^少，未出現(xiàn)上緣燒塌、下緣掛渣嚴(yán)重和割縫變寬等現(xiàn)象，如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)切割效果展示

5 結(jié)論

為了讓工人擺脫惡劣的工作環(huán)境、提高廢舊連鑄坯的切割效率，研制了一種可陣列式火焰切割機(jī)器人系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了以YZX直角坐標(biāo)式機(jī)器人為主體的切割機(jī)器人結(jié)構(gòu)和連鑄坯支架，提出了可陣列式的火焰切割機(jī)器人系統(tǒng)方案；采用激光測(cè)距傳感器自動(dòng)測(cè)量廢坯規(guī)格，選用PLC作為主控制器，使用觸摸屏設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰切割機(jī)器人的控制；當(dāng)多臺(tái)火焰切割機(jī)器人陣列式使用時(shí)，利用工業(yè)PC作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)與多個(gè)PLC之間信息交互，自動(dòng)規(guī)劃切割工藝過(guò)程。經(jīng)過(guò)火焰切割機(jī)器人的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)切割試驗(yàn)，該機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)廢舊連鑄坯切割，切割質(zhì)量和速度滿足切割工藝要求。