李文忠，張超，張付祥，黃風山

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050000)

0 前言

進入21世紀以來，隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的提出，我國的工業(yè)技術體系正在逐步向智能化、自動化變革。作為國民經濟支柱之一的鋼鐵產業(yè)是傳統(tǒng)的高能耗、高污染重工業(yè)，提高鋼鐵企業(yè)技術效率是鋼鐵工業(yè)綠色轉型的根本[1]，而且鋼鐵企業(yè)仍然存在生產環(huán)境惡劣、容易造成人身傷害等問題[2]，生產環(huán)節(jié)的智能化轉變迫在眉睫。目前鋼鐵企業(yè)智能制造整體處于起步階段，智能制造的標準、軟件、信息安全基礎薄弱，實現智能制造轉型升級的目標任重而道遠[3]。

在鋼鐵企業(yè)生產過程中，完成生產的鋼材需要將生產信息標記在產品上，以方便技術人員和工人了解產品的詳細生產信息，實現企業(yè)的生產信息化管理，提高工作效率、流程的連貫性和數據的可追溯性[4-5]?，F在鋼鐵企業(yè)一般采用人工對圓鋼產品進行標記，所使用的方法主要有手寫、打鋼印、噴碼、貼標、標牌焊接等[6-9]。其中，手寫、打標、噴碼、貼標的標記方法存在標記易模糊、易脫落導致無法辨認的問題。而標牌焊接法是采用焊釘穿掛標牌，然后焊接到圓鋼端面[9]，具有標記明顯、焊接牢固等優(yōu)點。但是人工焊標牌過程比較繁瑣，特別是操作環(huán)境惡劣，還存在成本高、效率低、質量不穩(wěn)定等問題。而且該焊接工序要求選擇一根凸出的圓鋼端面焊標牌，傳統(tǒng)的固定流程化機電設備難以實現這一工序，因此本文作者基于視覺定位配合工業(yè)機器人工作，設計了一套自動焊接標牌系統(tǒng)，以實現這一生產環(huán)節(jié)的智能化。

1 標牌焊接分析

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

在傳統(tǒng)的鋼廠生產過程中標牌焊接作為圓鋼生產整體工藝流程的最后一步，通常由工人將成捆圓鋼對應的標牌焊接到鋼材端面上。對某鋼鐵公司軋鋼線調研得知：生產中需要打捆的單根圓鋼直徑為13～110 mm，圓鋼的長度規(guī)格為4～12 m，成捆圓鋼端面各圓鋼的不平齊度在20 mm以內，成捆圓鋼端面范圍不大于800 mm×550 mm，單捆圓鋼在傳送線上運輸過程中停留的時間為30 s左右。

該標牌[圖1(a)]為鋁制，長105 mm，寬65 mm，厚0.5 mm，上面制有直徑5 mm圓孔，用于穿過焊釘。焊釘[圖1(b)]的上端為尾部，用于夾持，下端為焊接端，直徑為4.5 mm，用于穿過標牌的圓孔，焊接在圓鋼端面。焊接后標牌應能夠靈活轉動，因此需要焊接在凸出在外的一根圓鋼端面，防止其他圓鋼阻礙標牌。另外，焊接后焊釘尾部突出較長，容易被掛住，因此焊后焊釘尾部需要掰斷，而且在掰斷過程中還可以檢驗焊接是否牢固。圖1(c)為原人工焊接的標牌示意圖。

綜合上述工況條件，所要設計的成捆圓鋼端面標牌自動焊接系統(tǒng)首先要保證焊接位置準確及牢固性，因此在系統(tǒng)中采用了雙目視覺測量系統(tǒng)，準確測量圓鋼端面位置，確定焊接位置，以提高焊接準確度，并且要在規(guī)定的工步時間內完成焊接流程。

圖1 標牌(a)、焊釘(b)與成捆圓鋼手工焊牌效果(c)

1.2 系統(tǒng)工作流程

人工焊接標牌的過程是：首先在標牌制作室內制作標牌，人工送到現場，工人一手持焊鉗、一手取焊釘，夾釘、穿掛標牌，進行焊接，用套管掰斷多余的焊釘尾部。

參考鋼廠人工焊接標牌的工作流程，通過對整個系統(tǒng)的工作情況進行分析，將完整的工作流程分為3個階段，分別是物料準備階段、焊接階段和焊釘尾部掰斷階段。

(1)物料準備階段

①由振動上料器、直振導軌工作，送釘裝置將焊釘有序輸送，以正確姿態(tài)送到機器人夾取位置；

②標牌制備系統(tǒng)與企業(yè)生產信息數據庫聯網獲取當前圓鋼的生產信息，按照設定好的格式制作在標牌上，并把標牌傳送到機器人吸取位置。

(2)焊接階段

①成捆圓鋼在輸送線輸送到焊接標牌工位，雙目視覺測量系統(tǒng)對成捆鋼材端面掃描測量，數據發(fā)送給工控機，處理后得出理想焊接位置的圓鋼端面的三維坐標，將其發(fā)送給工業(yè)機器人；

②由工業(yè)機器人帶動末端操作器到達取釘位置，夾取焊釘；末端操作器移動到吸取標牌位置，吸取標牌；

③工業(yè)機器人帶動末端操作器到達指定空間坐標，控制電焊機給焊釘延時通斷電使焊釘焊接在圓鋼端面，完成焊接。

(3)焊釘尾部掰斷階段

①焊釘焊接完成后，焊鉗張開，掰釘氣缸帶動套筒推出，套住完成焊接的焊釘尾部，由工業(yè)機器人帶動末端操作器做焊釘中心平面內的圓弧擺動動作，掰斷多余的焊釘尾部；

②掰斷焊釘后掰釘氣缸帶動套筒收回，工業(yè)機器人帶動末端操作器回到工作初始位置。

2 焊接系統(tǒng)主要組成

成捆圓鋼端面標牌自動焊接系統(tǒng)整體組成如圖2所示，主要由工業(yè)機器人、末端操作器、焊釘供料系統(tǒng)、雙目視覺識別系統(tǒng)、標牌制備系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)等組成。

圖2 系統(tǒng)整體組成示意Fig.2 Overall system composition

2.1 工業(yè)機器人

目前工業(yè)機器人已成為高端裝備的重要組成部分，是實現信息化、智能化的關鍵[10]。在自動焊接系統(tǒng)中工業(yè)機器人是核心執(zhí)行部件，需要帶動末端操作器執(zhí)行夾取焊釘、吸取標牌、定位焊接及掰斷焊釘尾部的任務，對定位精度、有效載荷及工作范圍都有較高的要求。選用埃夫特公司的ER7L-6型六自由度機器人，有效載荷70 N，重復定位精度±0.02 mm，最大臂展713 mm。以上參數滿足標牌焊接的需求。

2.2 末端操作器

標牌焊接機器人專用末端操作器主要包括殼體、焊鉗、真空吸盤、滑塊氣缸、掰釘套筒、筆形氣缸等，如圖3所示。末端操作器所需要執(zhí)行的任務有夾取焊釘、吸取標牌、定位焊接和掰斷焊釘。每一個動作都需要設計相應的執(zhí)行機構，根據焊釘和標牌的實際形態(tài)以及實際工況，選擇了滑塊氣缸、筆形氣缸、真空吸盤等元器件，組成氣動回路來完成各動作。

殼體左端面與工業(yè)機器人手臂相連，真空吸盤通過導軌安裝在底盤上，并由彈簧向前壓緊，使吸盤接觸標牌時產生一個壓緊力，以吸住標牌。焊鉗由滑塊氣缸帶動夾持焊釘上端進行焊接，掰釘套筒布置在焊鉗中間，由筆形氣缸帶動，工作時向前伸出套住焊釘上端，擺動掰斷，然后向后縮回。

圖3 末端操作器結構示意Fig.3 Structure of the end-effector

2.3 焊釘供料系統(tǒng)

焊釘供料系統(tǒng)主要由振動上料器、直振導軌、分釘機構、夾釘機構和送釘機構組成，如圖4所示。焊釘放在振動上料器的料盤內，通過振動上料器的振動在出料口整齊排列輸出；再通過直振導軌的振動送到分釘機構的龍門口，分釘機構上的滑臺氣缸控制擋片擋在龍門口，每次只允許一個焊釘輸出，并且露出焊釘下端；夾釘機構通過手指氣缸夾住焊釘的下端，在送釘機構的無桿氣缸帶動下水平向右移動，準確地將焊釘以固定姿態(tài)運送至指定位置，等待機器人末端操作器來夾取。

圖4 焊釘供料系統(tǒng)結構示意Fig.4 Supplying system of welding nail

2.4 視覺測量定位系統(tǒng)

視覺測量定位系統(tǒng)為自動焊接系統(tǒng)提供焊牌的焊接位置，采用雙目立體視覺系統(tǒng)，主要由雙目相機對同一場景從不同的角度獲取兩幅數字圖像，然后利用立體匹配算法求出兩幅圖像對應像點間的視差，結合視差圖像與攝像機標定所得參數求出場景內被測物體各點的三維坐標[11-12]。通過雙目相機掃描成捆圓鋼端面，并生成三維點云信息，而后經過圖像處理后找出凸出在外的一根圓鋼，作為焊接標牌的位置，計算出理想焊接位置坐標并將其發(fā)送給機器人，引導機器人定位焊接，所以在視覺選擇中需要優(yōu)先考慮精度以及工作范圍。在該系統(tǒng)中選擇埃爾森公司的AT-S1000-01A雙目相機，采用光軸平行的模型，左右兩個相機參數完全一致，便于搭建模型以及后期深度值計算。此相機的測量精度為±(0.2～2 mm，工作距離為1 050～3 250 mm，視野范圍為1 144 mm×802 mm(距離為1 050 mm時)～3 136 mm×2 464 mm(距離為3 250 mm時)，掃描時間為1～2.5 s，可以滿足焊接系統(tǒng)的工藝需求。雙目視覺相機和成捆圓鋼端面的布置距離需根據成捆圓鋼整體尺寸進行調節(jié)，以獲得更好的視覺效果。

2.5 標牌制備系統(tǒng)

標牌制備系統(tǒng)主要包括激光打標機和標牌上下料機構兩部分。激光打標機通過以太網連接鋼鐵企業(yè)的生產信息數據庫，獲取當前成捆棒材生產信息，自動按既定格式排版，在鋁制標牌上制作信息。上料機構將成摞放置的標牌一張一張地送到打標位置；制作完成的標牌由下料機構運送到指定位置，等待末端操作器吸取。激光打標機及標牌上下料機構由標牌制備系統(tǒng)自帶的控制器控制。

2.6 氣動系統(tǒng)

氣動系統(tǒng)包括空氣壓縮機、吸取標牌的真空吸盤與真空發(fā)生器、控制氣缸的電磁閥以及氣路等元器件。

3 電氣控制系統(tǒng)設計

成捆圓鋼端面標牌自動焊接系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)主要由上位機與PLC控制，與各部件進行數據交換[13]，完成整個標牌焊接工作過程?？刂葡到y(tǒng)組成如圖5所示?？紤]到生產現場環(huán)境較差，上位機采用工控機。工控機通過以太網與企業(yè)生產信息數據庫相連，接收鋼材的生產信息，并通過以太網與工業(yè)機器人、PLC進行通信，使整個系統(tǒng)協同工作，控制工業(yè)機器人完成抓取焊釘、吸取標牌、標牌焊接、掰斷焊釘尾部等動作；工控機通過USB接口與雙目視覺測量系統(tǒng)、標牌制備系統(tǒng)進行通信，完成視覺測量定位、標牌制作。圖6為自動焊接流程。

圖5 控制系統(tǒng)組成Fig.5 Composition of control system

圖6 自動焊接流程Fig.6 Flow of automatic welding process

PLC作為下位機，負責控制焊釘供料系統(tǒng)、末端操作器抓取焊釘、吸取標牌及焊機的開關等工作。此系統(tǒng)選擇了西門子S7-200 SMART ST60，其CPU模塊自帶以太網接口，可以方便地通過交換機連接以太網與工控機進行通信，實現快速的數據傳輸。該型號PLC具有36個輸入端口和24個輸出端口，能夠滿足系統(tǒng)的輸入輸出端口需求。

在PLC系統(tǒng)硬件組成中，按照焊接動作流程，根據控制要求，確定I/O點數分別為13個和12個，給出相應的PLC輸入/輸出端口的地址號和功能說明，確定控制系統(tǒng)的I/O點分配，為編制PLC程序和設計I/O硬件接線圖提供依據，如表1所示。

表1 PLC的 I/O口分配Tab.1 I/O allocation of PLC

在焊接過程中，工控機與PLC交互信息，調用PLC子程序來完成不同階段的任務，主要子程序如下：

子程序1：準備焊釘子程序。PLC的Q0.1輸出高電平信號，送釘的滑臺氣缸打開，允許直振導軌上的焊釘進入龍門口；當一顆焊釘觸發(fā)龍門口的光電傳感器時，滑臺氣缸下落關閉，同時手指氣缸夾緊焊釘下端，延時0.5 s后，再由無桿氣缸將手指氣缸及焊釘推到指定位置。

子程序2：夾取焊釘子程序。焊釘到達夾取位置，PLC的I2.1收到高電平信號，末端操作器到達取釘位置，Q0.4輸出高電平信號，末端操作器的夾釘氣缸夾緊焊釘上端，觸發(fā)上面的磁傳感器后，送釘機構的手指氣缸松開；同時，送釘機構的無桿氣缸收回。

子程序3：吸取標牌子程序。標牌滑落到位光電傳感器被觸發(fā)時，PLC的I2.2收到高電平信號，末端操作器到達取牌位置，Q0.3輸出高電平信號，真空吸盤工作，吸住標牌。

子程序4：焊機啟動子程序。末端操作器到達焊接點，Q0.6輸出高電平信號，觸發(fā)焊機的輸出繼電器置位，進行焊接；延時1 s后，末端操作器夾釘氣缸松開。

子程序5：掰釘子程序。焊接完成后，PLC的Q0.5輸出高電平信號，末端操作器上的掰釘套筒氣缸伸出，掰釘套筒套住焊釘尾部；機器人帶動末端操作器左右擺動幾次，將焊釘尾部掰斷。

子程序6：整體復位，所有氣缸類元件復位。復位按鈕被按下，PLC的I0.0收到高電平信號，所有的繼電器輸出點全部復位，接線安裝的時候保證全部的復位點就是初始點。

4 樣機試驗結果

目前已完成初步樣機(見圖7)，試運行結果顯示標牌焊接牢固、機器人系統(tǒng)運行穩(wěn)定，標牌信息準確率達到100%，且焊接位置中心偏差在3 mm以內，單捆棒材標牌焊接周期18.33 s，滿足標牌焊接的時間要求。

圖7 樣機Fig.7 Prototype

5 結束語

基于雙目視覺定位引導，結合工控機與PLC控制，應用埃夫特六自由度工業(yè)機器人，開發(fā)了成捆圓鋼端面標牌自動焊接系統(tǒng)，實現了標牌制備、焊釘供料、機器人定位引導、焊釘焊接等自動化流程，提高了工作效率，改善了工人工作條件，并完善了鋼鐵企業(yè)信息化、智能化生產。