曹凱，鄭昊，柳軍，李婷，李志鋒

（1. 鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山 114021；2. 鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用變得越來越廣泛，尤其是在切割、搬運(yùn)、碼垛、焊接、噴涂等方面應(yīng)用較多[1-3]。 在《中國制造2025》方針的推動下[4-6]，結(jié)合我國鋼鐵行業(yè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用存在的短板問題，開發(fā)應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)惡劣環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人自動化系統(tǒng)勢在必行，鞍鋼為加速推進(jìn)鋼鐵行業(yè)智能制造和數(shù)字化轉(zhuǎn)型，針對冷軋成品機(jī)組出口處人工搬運(yùn)和套筒時(shí)存在勞動強(qiáng)度較大、 工作效率較低以及危害風(fēng)險(xiǎn)較高等難題，在滿足成品下線機(jī)組出口處鋼卷打包工藝要求的前提下, 采用系統(tǒng)集成技術(shù)設(shè)計(jì)研制開發(fā)了一款機(jī)器人自動套紙筒系統(tǒng)，并開展了現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)踐。

1 鋼卷套筒原工藝流程及存在問題

鋼卷套筒原工藝流程如圖1 所示。 天車將紙筒吊到指定位置，人工將紙筒搬運(yùn)到手動上料架上，由人工推送紙筒到芯軸上。鋼卷下料后需要人工打印標(biāo)簽，再去貼標(biāo)簽。人工粘膠帶需要事先準(zhǔn)備好200 mm 長膠帶，再由工人去鋼卷側(cè)面把鋼卷帶頭找出，并粘貼牢固。原有貼標(biāo)方式存在貼標(biāo)不及時(shí)，或人工打印標(biāo)簽有誤等問題。

圖1 鋼卷套筒原工藝流程Fig. 1 Original Process Flow of Steel Coil Sleeve

2 基于視覺的全自動機(jī)器人紙?zhí)淄蚕到y(tǒng)

為了解決原鋼卷套筒系統(tǒng)存在的問題，開展了基于視覺的全自動機(jī)器人紙?zhí)淄蚕到y(tǒng)研發(fā)。

2.1 設(shè)備布局

基于視覺的全自動機(jī)器人紙?zhí)淄蚕到y(tǒng)的機(jī)器人本體為安川GP180，紙?zhí)淄蚕到y(tǒng)包括機(jī)器人控制柜、紙?zhí)淄才_架以及安全圍欄等防護(hù)設(shè)備，主要布局見圖2。

圖2 設(shè)備布局示意圖Fig. 2 Equipment Layout Diagram

2.2 系統(tǒng)配置

該系統(tǒng)主要包括安川GP180 工業(yè)機(jī)器人，行走機(jī)構(gòu)，紙筒搬運(yùn)抓手和輸送裝置，粘膠帶裝置，標(biāo)簽打印和貼標(biāo)裝置，視覺識別系統(tǒng)以及PLC 控制柜等。

（1）安川GP180 工業(yè)機(jī)器人

安川GP180 工業(yè)機(jī)器人本體如圖3 所示，其工作參數(shù)如表1 所示。

表1 安川GP180 工業(yè)機(jī)器人工作參數(shù)Table 1 Working Parameters for Yaskawa GP180 Industrial Robot

圖3 安川GP180 工業(yè)機(jī)器人本體Fig. 3 Yaskawa GP180 Industrial Robot Body

機(jī)器人控制單元包含電機(jī)驅(qū)動器、IO 單元、通訊模塊等，并配備一個(gè)機(jī)器人示教器。

（2）行走機(jī)構(gòu)

機(jī)器人安裝固定在行走機(jī)構(gòu)上，行走機(jī)構(gòu)通過化學(xué)螺栓固定在車間混凝土地面上，由伺服電機(jī)驅(qū)動，將機(jī)器人精準(zhǔn)輸送到所需位置。

（3）紙筒搬運(yùn)抓手和輸送裝置

連接于機(jī)器人T 軸上，配裝ATC（端識器自動更換裝置），進(jìn)行機(jī)器人抓手快換，搬運(yùn)裝置用來搬運(yùn)紙筒并安裝到芯軸上，配有激光測距裝置。

（4）粘膠帶裝置

粘膠帶裝置集成了激光檢測裝置和粘貼膠帶裝置。 激光檢測裝置用于確認(rèn)鋼卷大小及位置并確認(rèn)粘貼膠帶位置。

（5）標(biāo)簽打印和貼標(biāo)裝置

標(biāo)簽打印裝置與現(xiàn)場機(jī)組網(wǎng)絡(luò)連接，打印出需要的標(biāo)簽信息。貼標(biāo)裝置集成了激光檢測裝置、掃碼裝置、貼標(biāo)組件等。激光檢測裝置用于確認(rèn)鋼卷大小及位置并確認(rèn)貼標(biāo)位置； 掃碼裝置用于掃描二維碼確認(rèn)鋼卷信息； 貼標(biāo)組件用于完成吸取標(biāo)簽并且貼到鋼卷指定位置。

（6）視覺識別系統(tǒng)

視覺識別系統(tǒng)，用于識別芯軸上橡膠外圈變形量，通過計(jì)算進(jìn)行上紙筒位置補(bǔ)償。

（7）主PLC 控制柜

主PLC 控制柜，包含PLC 主控制單元、輸入輸出模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、串口通訊模塊等。

2.3 電氣系統(tǒng)

機(jī)器人自動紙?zhí)淄蚕到y(tǒng)采用SIEMENS S7-1200 系列的PLC 作為該系統(tǒng)控制器，并采用Profibus－DP 接口方式進(jìn)行通信，DP 從站有現(xiàn)場HMI 操作箱、伺服控制器及機(jī)器人控制器。 整套自動控制PLC 控制系統(tǒng)采用硬接線I/O 的方式與L1服務(wù)器進(jìn)行安全聯(lián)鎖以及搬運(yùn)機(jī)器人、機(jī)器人粘膠帶裝置、 步進(jìn)梁小車和機(jī)器人貼標(biāo)系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制。采用以太網(wǎng)、Profinet、TCP/IP 通信協(xié)議。設(shè)備通過硬線與L1 實(shí)現(xiàn)通訊，獲取聯(lián)鎖控制等信息。機(jī)器人上位機(jī)與三級通訊，機(jī)器人PLC 根據(jù)跟蹤信號向上位機(jī)申請數(shù)據(jù)，獲取卷號、寬度、卷徑等基礎(chǔ)信息上位機(jī)將相應(yīng)的鋼卷數(shù)據(jù)發(fā)給PLC。

3 改進(jìn)后鋼卷套筒工藝流程及參數(shù)

3.1 工藝流程

改進(jìn)后鋼卷套筒系統(tǒng)工藝流程示意圖見圖4。

圖4 改進(jìn)后鋼卷塔筒系統(tǒng)工藝流程示意圖Fig. 4 Process Flow Diagram for Upgraded Steel Coil Tower Sleeve System

該系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)收到機(jī)組“上料紙筒”信息，搬運(yùn)抓手對紙筒進(jìn)行確認(rèn)并抓取紙筒，搬運(yùn)抓手對芯軸掃描確認(rèn)上紙筒位置，通過視覺識別系統(tǒng)對芯軸上橡膠套變形進(jìn)行位置補(bǔ)償，將紙筒上到指定位置；

（2）機(jī)器人粘膠帶系統(tǒng)收到 “鋼卷到位”信號，通過激光掃描裝置確認(rèn)鋼卷直徑和帶頭位置，精確計(jì)算出預(yù)先設(shè)定粘膠帶位置，并準(zhǔn)確的將膠帶粘到設(shè)定位置，并粘貼牢固;

（3）步進(jìn)梁小車收到“膠帶粘貼完成”信號，將鋼卷從1#鞍座輸送到2#天車吊卷鞍座工位；

（4）機(jī)器人貼標(biāo)系統(tǒng)收到“鋼卷到位”信號，機(jī)器人帶著貼標(biāo)裝置移動到指定貼標(biāo)位置，下壓將標(biāo)簽粘貼；

（5）掃碼裝置拍照檢驗(yàn)，判斷標(biāo)簽是否有效，如無效報(bào)警，提示操作人員。

3.2 工藝參數(shù)

從卷取機(jī)上鋼卷下料至移動小車，小車將鋼卷輸送到1#鞍座位置，紙筒搬運(yùn)裝置接收到上紙筒命令，到鋼卷下料移動到天車吊卷位置貼標(biāo)完成為止，要滿足出口鋼卷下線速度，保證機(jī)組連續(xù)生產(chǎn)要求。 滿足時(shí)間控制在480 s/卷，工藝參數(shù)見表2。

表2 工藝參數(shù)Table 2 Process Parameters

4 系統(tǒng)應(yīng)用及效果

基于視覺的全自動機(jī)器人紙?zhí)淄蚕到y(tǒng)現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)、 機(jī)器人粘膠帶系統(tǒng)和機(jī)器人貼標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鋼卷自動換紙筒粘膠帶貼標(biāo)簽功能，不僅降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，而且降低了因鋼卷松動對操作工造成的危害風(fēng)險(xiǎn)。 該系統(tǒng)周期內(nèi)無故障率99.8%以上，日作業(yè)率＞80%，工作周期480 s/卷，能夠滿足生產(chǎn)節(jié)奏要求，達(dá)到了預(yù)期的效果，貼標(biāo)成功率、上紙筒成功率和標(biāo)簽信息準(zhǔn)確率均接近99%，上紙筒節(jié)拍時(shí)間縮短了4.5 s，貼標(biāo)簽時(shí)間縮短了20 s。

5 結(jié)語

采用工業(yè)機(jī)器人集成技術(shù)研發(fā)的基于視覺的全自動機(jī)器人紙?zhí)淄蚕到y(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用代替人工從事鋼卷換紙筒、粘膠帶、貼標(biāo)簽等工作，上紙筒節(jié)拍時(shí)間由初始設(shè)計(jì)的10 s 壓縮至5.5 s，貼標(biāo)簽時(shí)間縮短了20 s，能夠降低工人的勞動強(qiáng)度，提高工作效率，而且避免了現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境空間狹小，存在一定的安全隱患，甚至是鋼卷的松動對操作工造成的危害風(fēng)險(xiǎn)。 該全自動機(jī)器人紙?zhí)淄蚕到y(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于成品下線工序上，同時(shí)能夠?qū)I(yè)機(jī)器人的應(yīng)用開發(fā)起指導(dǎo)和參考作用。