冷軋成品機(jī)組三合一全自動(dòng)機(jī)器人研發(fā)與實(shí)踐

曹凱¹  鄭昊¹  柳軍¹  李婷²  李志鋒²

（1. 鞍鋼股份有限公司冷軋廠(chǎng)，遼寧 鞍山 114021；

2. 鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

摘要: 針對(duì)由人工擔(dān)任冷軋各成品機(jī)組出口處鋼卷套筒和貼標(biāo)簽工作, 存在勞動(dòng)強(qiáng)度較大、工作效率較低以及危害風(fēng)險(xiǎn)較高等難題，采用系統(tǒng)集成技術(shù)研發(fā)了一款三合一全自動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)代替人工從事的搬運(yùn)套筒、鋼卷貼膠帶、鋼卷貼標(biāo)簽等工作。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明, 整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定可靠。該機(jī)器人自動(dòng)紙?zhí)淄蚕到y(tǒng)可廣泛應(yīng)用于各出口機(jī)組打包工序上。

關(guān)鍵詞: 三合一全自動(dòng)工業(yè)機(jī)器人；紙筒輸送裝置；視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)

按照，2021年中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)圍繞行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型持續(xù)開(kāi)展工作，據(jù)鋼協(xié)統(tǒng)計(jì)，截至2021年11月底，國(guó)內(nèi)已有約80%的鋼鐵企業(yè)在推進(jìn)智能制造，數(shù)字化轉(zhuǎn)型成效初顯。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(lái)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(guó)制造 2025 方針的推動(dòng)下^[4-6]，努力消除我國(guó)鋼鐵行業(yè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用存在的短板問(wèn)題，有必要開(kāi)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(dòng)化系統(tǒng)。

由于成品下線(xiàn)機(jī)組出口處人工搬運(yùn)套筒、人工套筒時(shí)存在勞動(dòng)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(mǎn)足成品下線(xiàn)機(jī)組出口處鋼卷打包工藝的前提下, 采用系統(tǒng)集成技術(shù)設(shè)計(jì)了三合一全自動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)代替人工從事的搬運(yùn)套筒、鋼卷貼膠帶、鋼卷貼標(biāo)簽等工作，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐，本文對(duì)此做一介紹。

1 鋼卷套筒現(xiàn)場(chǎng)工藝

1.1 工藝參數(shù)  

卷取機(jī)上鋼卷下料至移動(dòng)小車(chē)，小車(chē)將鋼卷輸送到鞍座位置，紙筒搬運(yùn)裝置接收到上紙筒命令，到鋼卷下料移動(dòng)到天車(chē)吊卷位置貼標(biāo)完成為止，要滿(mǎn)足出口鋼卷下線(xiàn)速度，保證機(jī)組連續(xù)生產(chǎn)要求。時(shí)間控制滿(mǎn)足工藝要求。

1.2 鋼卷套筒系統(tǒng)原工藝流程

天車(chē)將紙筒吊到指定位置，人工將紙筒搬運(yùn)到手動(dòng)上料架上，在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)備好長(zhǎng)膠帶，在由工人去鋼卷側(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)簽有誤等現(xiàn)象。

2 基于視覺(jué)的三合一全自動(dòng)工業(yè)機(jī)器人

為了解決原鋼卷套筒系統(tǒng)存在的問(wèn)題，開(kāi)展了基于視覺(jué)的三合一全自動(dòng)工業(yè)機(jī)器人研發(fā)。

2.1  設(shè)備布局

基于視覺(jué)的三合一全自動(dòng)工業(yè)機(jī)器人機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)器人控制柜和紙?zhí)淄才_(tái)架以及安全圍欄等防護(hù)設(shè)備，主要布局如圖1所示。

圖1  設(shè)備布局示意圖

2.2  系統(tǒng)配置

該系統(tǒng)主要包括以下設(shè)備：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(jué)識(shí)別系統(tǒng)和PLC控制柜等。

（1）工業(yè)機(jī)器人

系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工業(yè)機(jī)器人本體如圖2所示，六軸機(jī)器人工作參數(shù)如表2所示。

圖2  工業(yè)機(jī)器人本體

表2  工業(yè)機(jī)器人工作參數(shù)

機(jī)器人控制單元包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、IO單元、通訊模塊等等，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(guò)化學(xué)螺栓固定在車(chē)間混凝土地面上，行走機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，精準(zhǔn)的將機(jī)器人輸送到所需位置。

（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，進(jìn)行機(jī)器人抓手快換，搬運(yùn)裝置用來(lái)搬運(yùn)紙筒并安裝到芯軸上，配有激光測(cè)距裝置。

（4）粘膠帶裝置

粘膠帶裝置集成了激光檢測(cè)裝置、粘貼膠帶裝置等。激光掃描裝置用于確認(rèn)鋼卷大小及位置并確認(rèn)粘膠帶位置。

（5）標(biāo)簽打印和貼標(biāo)裝置

標(biāo)簽打印裝置與現(xiàn)場(chǎng)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(cè)裝置、掃碼裝置、貼標(biāo)組件等。激光掃描裝置用于確認(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)裝置用于完成吸取標(biāo)簽并且貼到鋼卷指定位置。

（6）視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)

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

（7）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(dòng)控制系統(tǒng)采用SIEMENS系列的 PLC 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(chǎng) HMI 操作箱、伺服控制器及機(jī)器人控制器。整套自動(dòng)控制 PLC 控制系統(tǒng)采用硬接線(xiàn) 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(chē)和機(jī)器人貼標(biāo)系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制。 采用以太網(wǎng)（ETHERNET）、Profinet、TCP/IP通信協(xié)議。設(shè)備通過(guò)硬線(xiàn)與L1實(shí)現(xiàn)通訊，獲取連鎖控制等信息。機(jī)器人上位機(jī)與三級(jí)通訊，機(jī)器人PLC根據(jù)跟蹤信號(hào)向上位機(jī)申請(qǐng)數(shù)據(jù)，獲取卷號(hào)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。

2.4 系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)及控制原理

改進(jìn)后鋼卷套筒系統(tǒng)工作流程示意圖見(jiàn)圖3。

圖3  改進(jìn)后鋼卷塔筒系統(tǒng)工藝流程示意圖

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(duì)紙筒進(jìn)行確認(rèn)并抓取紙筒，搬運(yùn)抓手對(duì)芯軸掃描確認(rèn)上紙筒位置，通過(guò)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)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(hào)，通過(guò)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(chē)收到“膠帶粘貼完成”信號(hào)，將鋼卷從鞍座輸送到天車(chē)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(hào)，機(jī)器人帶著貼標(biāo)裝置移動(dòng)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(wú)效報(bào)警提示操作人員。

在輸送裝置中，天車(chē)將紙筒存放至緩存輸送線(xiàn)上，緩存區(qū)可以存放紙筒；紙筒輸送和提升系統(tǒng)將紙筒輸送到機(jī)器人搬運(yùn)位置，并進(jìn)行對(duì)中定位；當(dāng)卷取機(jī)上的鋼卷下線(xiàn)，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(duì)紙筒進(jìn)行確認(rèn)并抓取紙筒，搬運(yùn)抓手對(duì)芯軸掃描確認(rèn)上紙筒位置，通過(guò)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別芯軸上橡膠外圈變形量，通過(guò)計(jì)算進(jìn)行上紙筒位置補(bǔ)償；搬運(yùn)機(jī)器人確認(rèn)好芯軸位置，將紙筒上到指定位置后撤回到原始位置，并發(fā)送“上料完成”信號(hào)給機(jī)組。

卷取機(jī)上鋼卷下料至移動(dòng)小車(chē)，小車(chē)將鋼卷輸送到鞍座位置，并發(fā)送“鋼卷到位”信號(hào)到機(jī)器人粘膠帶系統(tǒng)；粘膠帶裝置集成了激光檢測(cè)裝置、粘貼膠帶裝置等。激光掃描裝置用于確認(rèn)鋼卷大小及位置并確認(rèn)粘膠帶位置，通過(guò)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；機(jī)器人粘膠帶裝置完成膠帶設(shè)定位置粘膠帶動(dòng)作后，機(jī)器人回原位，并發(fā)送“膠帶粘貼完成”信號(hào)給步進(jìn)梁小車(chē)信號(hào)，步進(jìn)梁小車(chē)將鋼卷從鞍座輸送到天車(chē)吊卷鞍座工位。

鋼卷輸送到指定鞍座后，發(fā)送“鋼卷到位”信號(hào)給機(jī)器人貼標(biāo)系統(tǒng)；貼標(biāo)機(jī)PLC訪(fǎng)問(wèn)讀取三級(jí)系統(tǒng)（L3）數(shù)據(jù)庫(kù)的鋼卷信息后，打印機(jī)出標(biāo)簽；機(jī)器人向打印機(jī)運(yùn)動(dòng)并吸取標(biāo)簽；機(jī)器人帶著貼標(biāo)裝置移動(dòng)到指定貼標(biāo)位置，下壓將標(biāo)簽粘貼；貼標(biāo)簽機(jī)器人配置視覺(jué)定位系統(tǒng)及標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別鋼卷上的最佳貼標(biāo)簽位置，引導(dǎo)機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)行標(biāo)簽粘貼。保存拍照內(nèi)容，原始數(shù)據(jù)可追溯。通過(guò)掃描標(biāo)簽上的二維碼信息，復(fù)核標(biāo)簽準(zhǔn)確性：確認(rèn)標(biāo)簽已可靠粘貼在捆帶上，且標(biāo)簽信息與鋼卷信息一致。判斷標(biāo)簽是否有效，如無(wú)效報(bào)警提示操作人員；標(biāo)簽貼完后，機(jī)器人回到原位等待，步進(jìn)梁解鎖，可以動(dòng)作；依次循環(huán)。

3 實(shí)施效果

基于視覺(jué)的三合一全自動(dòng)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)、視覺(jué)識(shí)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)了對(duì)實(shí)現(xiàn)鋼卷自動(dòng)換紙筒粘膠帶貼標(biāo)簽功能，不僅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了工作效率，而且降低了工人的危害風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)周期內(nèi)無(wú)故障率99.8%以上，日歷作業(yè)率大于80%，工作周期能夠滿(mǎn)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99%。

4 結(jié)論

采用工業(yè)機(jī)器人集成技術(shù)，所研發(fā)的基于視覺(jué)的三合一全自動(dòng)工業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用代替人工從事鋼卷?yè)Q紙筒、粘膠帶、貼標(biāo)簽等工作，從而降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了工作效率，而且避免了現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)對(duì)操作工造成的危害風(fēng)險(xiǎn)。該三合一全自動(dòng)工業(yè)機(jī)器人可以廣泛應(yīng)用于成品下線(xiàn)工序上，同時(shí)能夠?qū)I(yè)機(jī)器人的應(yīng)用開(kāi)發(fā)起指導(dǎo)和參考作用。

參考文獻(xiàn)

[1]  駱敏舟，方健，趙江海. 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化，2015，44（01)：1－4.

[2]  王田苗，陶永. 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（09)：1－13.

[3]  蔡自興，郭璠. 中國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的若干問(wèn)題[ J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2013（03)：9－12.

[4]  李金華. 德國(guó)“工業(yè) 4. 0”與“中國(guó)制造 2025”的比較及啟示[J]. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版)，2015，15（05)：71－79.

[5]  工信部裝備工業(yè)司. 《中國(guó)制造 2025》 推動(dòng)機(jī)器人發(fā)展[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2015（03)：31－33.

[6]  郭朝暉. 鋼鐵行業(yè)與工業(yè) 4. 0[ J]. 冶金自動(dòng)化，2015，39（04)：7－11，44.