應用于冷軋機組入口雙通道的全自動機器人拆捆設備開發與研究

盧華陽

（上海寶信軟件股份有限公司，上海201900）

0 引言

隨著機器人技術的發展，工業六軸機器人在鋼鐵企業的應用也越來越多。由于靈活性與可靠性高，工業六軸機器人可以代替人在鋼鐵企業很多高溫、高粉塵及安全風險高的惡劣環境下作業，避免了現場危險源對人體的傷害，同時還可以提高勞動效率，提升產品質量。工業六軸機器人在鋼廠很多區域已經有很好的應用，例如在煉鋼區域采用機器人加渣裝置自動將保護渣均勻地散布到連鑄結晶器內，熱軋區域采用機器人攜帶噴號設備，在高溫鋼卷的端面上噴寫鋼卷數據信息，冷軋區域鍍鋅機組采用撈渣機器人自動清除鋅鍋表面浮渣，磨輥車間應用機器人進行軋輥上下料等等[1-6]。

在冷熱軋、硅鋼、不銹鋼等生產機組入口區域，來料鋼卷在上開卷機前要先拆除捆扎在鋼卷上的鋼捆帶。目前國內很多鋼鐵企業仍然是人工拆除捆帶，勞動強度大，效率較低，存在捆帶彈出、帶鋼劃傷等安全風險，且剪斷的捆帶也不易于收集。此外，還有部分企業使用傳統機械式拆捆設備，則存在功能單一且不夠靈活等缺點，尤其是當機組入口是雙通道上卷時，往往需要兩套拆捆設備。

本文根據某冷軋機組入口現場工藝要求，開發與研究全自動機器人拆捆帶設備，利用工業六軸機器人的特點，通過增加移動第7軸，可方便地對兩個通道上的鋼卷進行拆捆，實現鋼卷帶頭定位，并自動收集拆除后的廢捆帶，總投資成本較低。

1 拆捆工藝分析

1.1 工藝參數

某冷軋機組入口為雙通道開卷，鋼卷為臥卷，卷芯朝向與運行方向平行，開卷方向為順時針（運行方向看），外徑范圍1 000～2 200 mm，帶鋼寬度900～1 700 mm，帶鋼厚度0.5～2.3 mm，機組上卷速度為最小5 min/卷。每個通道有4個工位，其中1#～2#鞍座為天車上卷工位，3#地輥為拆捆工位。鋼卷捆帶參數如表1所示，入口打捆帶鋼卷示意圖如圖1所示。

1.2 功能需求

自動拆捆設備需能夠分別對兩個上卷通道地輥鞍座上的鋼卷進行剪捆作業，且剪斷的捆帶需要進行自動收集。鋼卷帶頭在上道工序通常定位在7點鐘左右位置（從入口方向看），但整個轉運過程中會發生偏移甚至將帶頭朝向弄反，所以上卷前需要人工確認。因此對自動拆捆設備的功能需求總結如下：（1）可拆除兩個上卷通道地輥工位的鋼卷上的鋼捆帶；（2）可自動識別捆帶數量并準確定位捆帶位置；（3）可自動識別鋼卷帶頭位置及判斷帶頭朝向，并控制地輥旋轉鋼卷，將帶頭定位在7點鐘位置；（4）可自動收集捆帶并方便運輸；（5）單個鋼卷作業周期小于5 min。

表1 鋼卷捆帶參數

圖1 入口打捆帶鋼卷示意圖

2 設備設計和控制原理

2.1 方案布置

由于機組入口為雙通道，采用一套工業六軸機器人，通過在移動第7軸導軌上行走，分別對每一個通道上的鋼卷進行拆捆作業。入口機器人自動拆捆機的主要設備如下：（1）工業六軸機器人及控制器；（2）移動第7軸導軌機構；（3）PLC控制系統；（4）捆帶回收裝置；（5）剪捆夾具頭；（6）液壓系統；（7）機旁操作盤（含觸摸屏）；（8）安全門鎖及報警燈。

現場設備布置如圖2所示，移動導軌機構安裝在機組入口3#工位的中間區域，機器人固定在移動導軌上，移動范圍可以覆蓋1號通道或2號通道地輥上鋼卷的拆捆作業。捆帶回收裝置固定在地面，位于機器人正前方，便于兩邊的捆帶拆除后放入。機器人工作區域用安全護欄隔離，進入護欄需通過裝有安全鎖的門，PLC控制柜、機器人控制器及機旁操作盤則安裝在安全護欄外。

2.2 主要設備

2.2.1 工業六軸機器人

由于鋼卷規格相差大（外徑1 000～2 200 mm，寬度900～1 700 mm），自動拆捆設備工作范圍要大，因此主機械執行機構選用ABB工業六軸機器人IRB6700-150/3.2，手臂臂長為3.2 m，負載為150 kg，如圖3所示。

圖2 設備布置示意圖

圖3 機器人作業范圍示意圖

2.2.2 移動導軌機構

機器人移動導軌機構采用伺服電機驅動，齒輪齒條傳動，通過化學螺栓固定在基礎地面上，機構總長5.2 m，導軌上有固定機器人的移動平臺，移動范圍可達3.6 m，保證機器人可以移動到兩端，實現對兩個通道上的鋼卷進行拆捆作業。

2.2.3 剪捆夾具頭

剪捆夾具頭固定在機器人第6軸法蘭盤上，安裝有一副夾鉗和剪刀，外形如圖4所示。機器人攜帶剪捆夾具頭可以檢測鋼卷帶頭和捆帶位置，并壓靠在鋼卷上，先用夾鉗將捆帶鏟起并夾住，再用剪刀將捆帶剪斷，然后夾著捆帶由機器人移動放置在回收裝置內。

2.2.4 捆帶收集裝置

捆帶收集裝置可將捆帶卷起并壓縮成型，并自動落在廢料斗中，如圖5所示。機器人將剪斷捆帶之后，將捆帶放置在回收裝置的槽內，隨后兩側氣缸推動壓靠裝置前進到位，旋轉電機轉動，通過檢測裝置，根據捆帶的長度轉動一定圈數后停止。上方液壓驅動的壓緊裝置啟動，將卷起的捆帶壓緊，并推落至下方廢料斗。

圖4 剪捆夾具頭

圖5 捆帶收集裝置

2.3 電氣設計

全自動拆捆帶設備采用西門子S7-300系列PLC為主控制器，內部采用Profibus-DP總線進行通信，DP子站有現場操作盤、伺服控制器及機器人控制柜。

全自動拆捆設備PLC系統采用硬線IO的方式與L1進行安全聯鎖以及地輥控制。拆捆機自動運行中，當檢測到帶頭時，通過L1控制地輥正轉或反轉，調整到帶頭被壓住。采用TCP/IP的方式連接到主線L1網絡，與L1建立通信鏈路，獲取生產鋼卷信息，以便進行鋼卷外形尺寸的核對。系統網絡圖如圖6所示。

圖6 系統網絡圖

2.4 控制流程

當鋼卷到達某一個通道3#拆捆工位時，機組L1“運卷小車鎖住”和“開始拆捆”信號發送給全自動拆捆設備PLC系統，當所有啟動條件都滿足時，設備啟動自動拆捆作業。

機器人首先從待機位移動到導軌上對應的拆捆位置。隨后機器人攜帶剪捆夾具頭移動到鋼卷正上方，通過裝置中的激光測距傳感器檢測鋼卷的外徑、寬度，并與理論值進行復核，如超過偏差范圍，則報警提示。

然后發送命令讓地輥順時針轉動，同時檢測監控鋼卷帶頭，當檢測到帶頭時，首先判斷是否反向，如果不是，地輥繼續轉動一定的圈數（通過卷徑大小計算出轉動到7點鐘方向所需的圈數），將帶頭調整到7點鐘位置，正好被鋼卷壓在地輥輥子處。如鋼卷旋轉一圈后未檢測到帶頭，可再旋轉一圈，如兩圈內未檢測到帶頭，則報警提示。

機器人開始檢測鋼卷周向捆帶的數量及位置，隨后定位到捆帶位置并拆剪，然后將剪斷的捆帶夾送至回收裝置內。啟動回收裝置，通過電機旋轉將捆帶卷曲，并通過液壓油缸將卷好的捆帶壓縮成型。回收裝置內的托舉裝置退回，壓實的捆帶直接掉落在廢料斗內，人工定期清理廢料斗即可。

具體控制流程如圖7所示。

圖7 控制流程圖

3 實現與驗證

該機器人自動拆捆設備設計開發完成后，經過所內長時間疲勞測試，隨后安裝到現場運行一段時間，實現了雙通道鋼卷的拆捆、帶頭定位及朝向判斷功能，收集的廢捆帶也便于運輸，全自動拆捆作業率達到99.5%，基本取代了人工拆捆作業。對于單根捆帶的鋼卷，整個作業周期小于2 min（含地輥轉動時間），兩根捆帶作業周期不超過2′40″，滿足現有生產節奏，達到了預期的效果。現場照片如圖8所示。

圖8 設備及收集后的捆帶照片

4 結語

該機器人全自動拆捆設備采用一套機器人，通過移動第7軸，即實現了對雙通道鋼卷的拆捆作業，可取代人工對入口來料鋼卷進行自動拆捆、廢捆收集、帶頭定位及規格復核等工作，不僅降低了工人勞動強度，提高了生產效率，而且避免了捆帶彈出、工人被帶鋼劃傷等安全風險，同時降低了設備的投資成本。

利用工業六軸機器人的靈活與可靠性，該設備非常適用于機組入口來料復雜的工況，如卷徑、寬度變化大，捆帶數量、位置不確定，帶頭位置不固定等情況，可廣泛應用于鋼鐵企業冷軋機組的入口區域。同時，對于入口區域其他的作業需求，如端部缺陷檢查、來料信息識別等，今后該設備也可以非常方便地增加相應的裝置進行功能擴展。

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