程明森^①

( 寶山鋼鐵股份有限公司總部煉鐵廠 上海 201900)

摘 要：寶鋼股份煉鐵廠 3DL 燒結(jié)機(jī)車輪自動(dòng)化給脂裝置是國(guó)內(nèi)第 1 套利用工業(yè)機(jī)器人裝置進(jìn)行臺(tái)車車輪油嘴跟蹤給脂的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能包括: 臺(tái)車車輪油嘴的預(yù)清潔、臺(tái)車車輪運(yùn)行跟蹤、加脂、加油數(shù)量及故障統(tǒng)計(jì)。目前該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，車輪油嘴成功加油率在 98% 以上，車輪油嘴給油脂效果較好，設(shè)計(jì)功能全部實(shí)現(xiàn)，各項(xiàng)指標(biāo)都比較穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；燒結(jié)機(jī)；臺(tái)車輪；自動(dòng)化跟蹤給脂

1  前言

隨著信息革命的不斷發(fā)展，新一輪的制造業(yè)格局引發(fā)了對(duì)未來(lái)制造模式的思考，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和新一代機(jī)器人作為未來(lái)智能制造的代表，對(duì)未來(lái)制造起著決定性作用^［1］。近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化程度不斷提高，隨著“中國(guó)制造 2025”計(jì)劃的實(shí)施以及“工業(yè) 4. 0”戰(zhàn)略的推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人被越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，尤其是鋼鐵行業(yè)^［2］。

鋼鐵廠燒結(jié)工藝生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)燒結(jié)主體設(shè)備燒結(jié)機(jī)的臺(tái)車輪進(jìn)行定期給脂作業(yè)，確保車輪的良好潤(rùn)滑狀態(tài)。目前燒結(jié)產(chǎn)線通用的臺(tái)車車輪給脂方式是通過(guò)作業(yè)人員蹲守在運(yùn)轉(zhuǎn)移動(dòng)的燒結(jié)機(jī)臺(tái)車車輪旁，操作給脂槍對(duì)準(zhǔn)臺(tái)車車輪油嘴進(jìn)行依次同步注脂。人工給脂作業(yè)量大，勞動(dòng)強(qiáng)度高; 同時(shí)人工加油脂作業(yè)環(huán)境差( 高溫、高粉塵、煤氣區(qū)域) ，作業(yè)空間狹小，存在人機(jī)結(jié)合作業(yè)，有安全風(fēng)險(xiǎn)。

由于需要在線周期打油，作業(yè)時(shí)臺(tái)車車輪是運(yùn)轉(zhuǎn)的，存在人機(jī)接觸，作業(yè)人員存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn); 同時(shí)，燒結(jié)機(jī)旁高溫、粉塵以及噪聲較大，打油作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度非常大，燒結(jié)機(jī)臺(tái)車裝機(jī)量大，( 一般 600 平米左右的燒結(jié)機(jī)臺(tái)車裝機(jī)量為 180塊，每塊臺(tái)車 4 只車輪，合計(jì) 800 多只車輪) 。因此，用工業(yè)機(jī)器人代替人工進(jìn)行給脂作業(yè)具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

因此，寶鋼寶山基地?zé)掕F廠 3DL 燒結(jié)機(jī) 2019年在燒結(jié)機(jī)產(chǎn)線上采用了機(jī)器人自動(dòng)給脂系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)編碼器傳來(lái)的位置信息，將信號(hào)送給工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)末端手臂實(shí)現(xiàn)與臺(tái)車輪油嘴的同步移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車輪油嘴的預(yù)清潔和給脂動(dòng)作，以此來(lái)代替人工對(duì)臺(tái)車輪進(jìn)行周期給脂。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

2． 1 工藝介紹

目前，國(guó)內(nèi)外鋼鐵廠燒結(jié)礦生產(chǎn)普遍采用 DL型帶式燒結(jié)機(jī)，該型燒結(jié)機(jī)由頭尾星輪驅(qū)動(dòng)臺(tái)車在軌道上運(yùn)行，臺(tái)車采用四輪支持的形式在軌道上運(yùn)行，從燒結(jié)機(jī)工作面機(jī)頭位置接受礦料，經(jīng)點(diǎn)火、抽風(fēng)、燒結(jié)，到達(dá)機(jī)尾將成品熱礦排走，同時(shí)臺(tái)車經(jīng)尾部星輪翻轉(zhuǎn)至非工作面軌道，然后運(yùn)行至機(jī)頭重 新 裝 料 循 環(huán)。燒 結(jié) 機(jī) 臺(tái) 車 結(jié) 構(gòu) 如 圖 1 所示。

考慮到運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境惡劣，高溫、粉塵較多，臺(tái)車軸承及卡套容易進(jìn)灰、磨損老化，需要周期性地對(duì)臺(tái)車車輪進(jìn)行注油，改善軸承潤(rùn)滑狀況，提高車輪的壽命。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外普遍的做法是人工在線注油，利用氣動(dòng)高壓油脂泵將潤(rùn)滑脂打入牛油槍，作業(yè)人員手持牛油槍蹲立在運(yùn)轉(zhuǎn)的臺(tái)車輪旁，依次對(duì)車輪軸承油嘴進(jìn)行注脂。

2． 2 應(yīng)用情況

1960 年 ～ 1970 年左右，燒結(jié)機(jī)臺(tái)車車輪自動(dòng)給脂在國(guó)外已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，例如蘇聯(lián)烏拉爾重型機(jī)器廠、日本新日鐵設(shè)計(jì)的燒結(jié)機(jī)成套設(shè)備中已經(jīng)有臺(tái)車自動(dòng)潤(rùn)滑裝置^［3］。國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的應(yīng)用較少，最早是 1985 年上海寶鋼一期項(xiàng)目從日本引進(jìn)的燒結(jié)機(jī)成套設(shè)備上應(yīng)用過(guò)一種機(jī)械定位式氣動(dòng)給油脂裝置，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

工作原理如下: 車輪觸及限位開(kāi)關(guān)后，電磁閥動(dòng)作，氣缸帶動(dòng)導(dǎo)桿伸出，臺(tái)車沿軌道前行觸碰導(dǎo)桿后拖動(dòng)給脂機(jī)行走機(jī)構(gòu)同步行走。車輪繼續(xù)行走約 15mm 后，碰通機(jī)控閥使給脂槍頭伸出并對(duì)準(zhǔn)車輪油嘴，同時(shí)壓緊油嘴給脂。給脂以后，給脂槍頭自動(dòng)縮回，并觸碰機(jī)控閥使導(dǎo)桿縮回，脫離與輪面的接觸。同時(shí)行走機(jī)構(gòu)返回原位，接著又使導(dǎo)桿伸到下一個(gè)輪子的前面，準(zhǔn)備對(duì)下一個(gè)輪子給脂，如此連續(xù)循環(huán)完成給每個(gè)臺(tái)車輪自動(dòng)給脂 的工序。

近年來(lái)，由于傳感器及電氣控制技術(shù)的改進(jìn)，限位開(kāi)關(guān)、機(jī)控閥等已經(jīng)被光電開(kāi)關(guān)、電磁閥等替代，但車輪自動(dòng)給脂的基本原理不變，仍是利用擋塊推移定位跟蹤對(duì)車輪油嘴進(jìn)行加脂。

此類擋桿定位式自動(dòng)加油裝置，由于現(xiàn)場(chǎng)粉塵較多，動(dòng)作頻繁，故障率較高，壽命短，自動(dòng)化程度低，與當(dāng)下“工業(yè) 4. 0”的智能生產(chǎn)不相匹配，不能滿足目前現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際需求。

3 工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)給脂裝置應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人最早出現(xiàn)在上世紀(jì) 60 年代，在上世紀(jì) 90 年代得到了快速發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，能夠推動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、智能化、高效化的發(fā)展，減少對(duì)人力資源的需求，降低生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效率。工業(yè)機(jī)器人作為一 種先進(jìn)、高效、智能、精確可控的生產(chǎn)工具，其在制造行業(yè)中的應(yīng)用，不僅有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量，還能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的高度自動(dòng)化，是中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵舉措^［4］。

寶鋼股份公司煉鐵廠某燒結(jié)機(jī)已經(jīng)安裝了在線的工業(yè)機(jī)器人給脂裝置，該裝置采用了 ABB 六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行臺(tái)車車輪的自動(dòng)化跟蹤給脂，在國(guó)內(nèi)外屬于首例。

3． 1 系統(tǒng)組成

臺(tái)車輪機(jī)器人自動(dòng)給脂裝置主要包含總控制柜及 PLC 系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人裝置、專用車輪供脂系統(tǒng)、車輪油嘴定位系統(tǒng)等，另外還包含車輪油嘴清潔裝置、底座平臺(tái)及安全欄桿和安全光柵報(bào)警裝置及緊停裝置等。

3． 1． 1 總控制柜及 PLC 系統(tǒng)

總控制柜從電氣室接入380V 三相交流電源，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柜、油泵、清潔電機(jī)供電，同時(shí)接入220V 作 為 PLC 的 電 源。同 時(shí) 采 用 SIEMENSS1200 型號(hào) PLC，利用 Profibus DP 通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人加脂系統(tǒng)與中央控制室的聯(lián)系，機(jī)器人可將相關(guān)信號(hào)送入中央控制室，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信及邏輯控制。HMI 畫面集成了操作控制、運(yùn)行狀態(tài)顯示、運(yùn)行歷史、參數(shù)控制、報(bào)警信息等功能。

3． 1． 2 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

采用工業(yè)機(jī)器人 IＲB2600，負(fù)載為 20kg，工作范圍為 1. 65m，可實(shí)現(xiàn) 6 個(gè)自由度的位置移動(dòng)及伺 服 控 制。 機(jī) 器 人 安 裝 了 系 統(tǒng) 軟 件ＲobotWare6. 08 之 外，控 制 模 塊 選 項(xiàng) 有: PCInterface、Multitasking 等，還有 DeviceNet Master/ Slave 和 PＲOFINET Device 選項(xiàng)模塊用于通訊，其中與 PLC 通 信 采 用 Profinet 協(xié) 議，SoftMove 和Collision Detectiont 選 項(xiàng) 用 于 末 端 碰 撞 監(jiān) 測(cè); Integrated Vision Interface 選項(xiàng)用于視覺(jué)識(shí)別; 機(jī)器人控制單元有電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、I/O 單元、通信模塊等。

3． 1． 3 專用車輪供脂系統(tǒng)

專用車輪供脂系統(tǒng)由專用給脂槍、油泵站及油管、氣動(dòng)油路切斷閥等組成。油槍頭為圓筒狀中空，加油時(shí)套在車輪的油嘴上，其內(nèi)部特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證油槍頭與車輪油嘴的緊密貼合。油泵將油脂從油桶中吸出，通過(guò)溢流閥設(shè)定系統(tǒng)安全壓力，利用 PLC 及機(jī)器人相關(guān)信號(hào)來(lái)控制氣動(dòng)油路切斷閥的通斷，并將切斷閥的狀態(tài)信息反饋給機(jī)器人和 PLC，實(shí)現(xiàn)油路通斷的實(shí)時(shí)邏輯控制。

3． 1． 4 車輪油嘴定位系統(tǒng)

車輪油嘴定位系統(tǒng)由 ABB 集成自帶 2D 相機(jī)、臺(tái)車位置旋轉(zhuǎn)編碼器等組成，利用 ABB 控制系統(tǒng)選項(xiàng) 606 － 1 Conveyor Tracking 模塊實(shí)現(xiàn)輸送鏈跟蹤的功能。

3． 2 工作流程及原理

3． 2． 1 主要應(yīng)用技術(shù)

將專用給脂油槍安裝在六軸工業(yè)機(jī)器人手臂末端，采用輸送鏈跟蹤模塊控制機(jī)器人手臂與運(yùn)行車輪油嘴同步給脂，動(dòng)作原理流程圖如圖 3 所示。

3． 2． 2 動(dòng)作原理

1) 臺(tái)車車輪沿軌道行走至油嘴清洗系統(tǒng)，觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)，油嘴清潔裝置對(duì)車輪進(jìn)行跟蹤清潔，清潔結(jié)束后，等待加脂。

2) 車輪運(yùn)行至加油機(jī)器人等待位置，觸發(fā)輸送鏈跟蹤，同時(shí)相機(jī)對(duì)車輪進(jìn)行拍照，通過(guò)圖像識(shí)別精確定位車輪油嘴位置，引導(dǎo)機(jī)器人帶動(dòng)油槍與車輪油嘴同步運(yùn)行。

3) 同步過(guò)程中油槍伸出，套在車輪油嘴上，油路電磁閥導(dǎo)通，進(jìn)行加油。

4) 加油設(shè)定時(shí)間及壓力到設(shè)定值后，油路電磁閥切斷，機(jī)器人帶動(dòng)油槍回縮，并移動(dòng)至油槍待機(jī)位置，等待下一車輪到來(lái)。

同時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)生產(chǎn)使用實(shí)踐對(duì)加脂時(shí)間、油槍頂出深度等數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，可以對(duì)每個(gè)車輪的給脂量進(jìn)行根據(jù)記錄，以便進(jìn)行趨勢(shì)管理。

3． 2． 3 系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)

本自動(dòng)給脂系統(tǒng)利用工業(yè)機(jī)器人的輸送鏈跟蹤技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪相對(duì)位置的跟蹤，并控制機(jī)器人手臂與運(yùn)行車輪油嘴同步移動(dòng)，同時(shí)通過(guò)安裝在機(jī)器人手臂末端的專用給脂油槍來(lái)實(shí)現(xiàn)與油嘴的貼合。

1) 動(dòng)態(tài)追蹤

目前常用的動(dòng)態(tài)追蹤方法主要以視覺(jué)圖像進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)視覺(jué)識(shí)別算法運(yùn)算識(shí)別物料的特征點(diǎn)，確定對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)的位置，本例中所用的動(dòng)態(tài)追蹤方法是一種直線追蹤定位方法，該方法基于 ABB 機(jī)器人的 DSQC377B 追蹤模塊，物料( 本例中即車輪油嘴) 沿著輸送鏈方向( 本例中即軌道) 移動(dòng)，機(jī)器人根據(jù) DSQC377B 追蹤模塊反饋的信息實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪油嘴的動(dòng)態(tài)追蹤^［5］，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪油嘴的同步，輸送鏈跟蹤原理圖如圖 4 所示。

2) 專用油槍設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主要技術(shù)難點(diǎn)，在于如何控制車輪給脂油槍的頂出力，保證給脂油槍頭既可以有效貼合車輪油嘴，又可以防止頂出力度過(guò)大造成機(jī)器人過(guò)扭矩報(bào)警。

3． 3 效果與趨勢(shì)

通過(guò)增設(shè)臺(tái)車輪機(jī)器人自動(dòng)給脂裝置，解決了燒結(jié)機(jī)臺(tái)車輪加油這一環(huán)節(jié)存在的自動(dòng)化孤島問(wèn)題，提升了企業(yè)整體智能化制造水平，減少了該崗位的危險(xiǎn)因素，有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)^［6］。

在鋼鐵生產(chǎn)的過(guò)程中，將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于高溫、高粉塵、高精度等工序，不僅提高了鋼鐵生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，還提高了鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化水平，對(duì)于提高整個(gè)鋼鐵企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力具有積極的促進(jìn)作用^［7］。

該自動(dòng)化給脂項(xiàng)目安裝調(diào)試完成后，進(jìn)行了工業(yè)機(jī)器人加脂裝置的試用，燒結(jié)機(jī)機(jī)速 2. 3m /min，單個(gè)車輪給脂時(shí)間為 7s。車輪油嘴給脂效果達(dá)到功能要求，該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，車輪油嘴給脂成功加油率在 98% 以上。車輪油嘴油脂效果較好，設(shè)計(jì)功能全部實(shí)現(xiàn)，各項(xiàng)指標(biāo)都比較穩(wěn)定。目前應(yīng)用的機(jī)器人系統(tǒng)還只能歸 為 重 演( Playback) 機(jī)器人和操縱機(jī)器人的范疇，還稱不上為智能機(jī)器人^［8］。后續(xù)應(yīng)該朝著智能機(jī)器人的方向繼續(xù)努力，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)增設(shè)智能 3D 相機(jī)及 AI 系統(tǒng)，使機(jī)器人直接通過(guò)圖像識(shí)別分析車輪油嘴的位置及車輪軸向的位置，實(shí)時(shí)跟蹤對(duì)車輪油嘴進(jìn)行加油，從而摒棄原有的輸送鏈跟蹤模塊及固有框架程序，實(shí)現(xiàn)車輪給脂的真正智能化。

4 結(jié)論

介紹了臺(tái)車車輪傳統(tǒng)的機(jī)械擋桿定位式加油裝置的原理，分析了其存在的缺點(diǎn)，并著重研究了基于工業(yè)機(jī)器人的臺(tái)車輪自動(dòng)給脂裝置，利用輸送鏈跟蹤及專用油嘴給脂槍等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車輪的跟蹤給脂。提升了企業(yè)整體智能化制造水平，減少了該崗位的危險(xiǎn)因素，有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)。

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