鍍鋅線鋅鍋機器人無人化清渣系統開發

劉杰中，曾求洪，馮力力，陳奇福

（湖南華菱漣源鋼鐵有限公司 檢修中心，湖南 婁底 417009）

熱鍍鋅板生產線是用于把成卷的鋼板連續浸入盛有熔融鋅液的鋅鍋裝置中，使其表面覆蓋一定厚度的鋅，制成防銹鍍鋅鋼板的生產設備。鍍鋅是一種國內外常采用的、經濟有效的金屬防腐方式，全球鋅產量的一半以上均用于此工藝。我國生產的鍍鋅板主要用于家電、船舶、建筑等行業，目前生產效率不高，汽車、高鐵所用的高品質鍍鋅板任然依靠進口。因此，有必要提高我國的鍍鋅生產線自動化水平和鍍鋅板品質。

雖然影響鍍鋅板表面質量的因素較多，但是氧化浮渣是影響鍍鋅板質量一個至關重要的因素。鋅鍋裝置造成的惡劣環境因素主要有460℃左右高溫輻射、強噪音、鋅液飛濺以及電磁輻射等等。然而，國內清理鋅鍋氧化渣主要依靠2～3名操作工操持自制簡易工具協作完成，人工清渣主要存在清渣不及時、清渣不徹底、清渣效率低、工人勞動強度和危害風險較大等問題，然而人工清渣的不及時和不徹底會影響鍍鋅板表面質量，清渣效率低會影響到整條生產線的自動化水平和生產效率，由于采用人工清渣，操作工長時間暴露在惡劣環境中，導致操作工勞動強度和危害風險較大。

針對清渣不及時、清渣不徹底等影響鍍鋅板表面質量的問題，采用工業機器人代替人工進行清渣工作，能夠按照操作工的意愿和無情緒干擾的方式工作，從而及時徹底的清除鋅鍋浮渣，有利于鍍鋅板表面質量的提高，產品質量更可靠和穩定。

針對清渣效率低、工人勞動強度和危害風險較大等問題，采用機器人系統代替人工24小時不間斷進行清渣工作，不僅提高了清渣效率，實現了無人清渣，而且減少了操作工在高溫、強噪聲、粉塵以及電離輻射等惡劣環境中的作業時間，改善了員工的安全狀況，提高了員工的安全保障。然而，國內存在單臺機器人系統進行鋅鍋清渣工作，離不開操作工的輔助，沒有實現無人化清渣，因此通過研發一種鍍鋅線鋅鍋機器人清渣系統來代替人工，實現無人化清渣具有重大意義。

1 機器人清渣區域及安裝位置

1.1 清渣區域

氧化浮渣覆蓋在鋅鍋鋅液表層，為了實現無人化清渣，將鋅鍋劃分為趕渣區域A、趕渣區域B、趕渣區域C以及撈渣區域D。機器人清渣區域如圖1所示。采用機器人系統清渣主要有兩個步驟。

（1）將鋅鍋中鋅液表層的鋅渣均趕至撈渣區域D。

（2）將匯聚到撈渣區域D的鋅渣撈起，放入指定鋅渣收集斗里，待收集滿后通過懸臂吊吊走已成形好的鋅渣錠。

1.2 安裝位置

采用單臺機器人清渣很難做到完全取代人工，即無人化清渣，而只能將其中最繁重危險的工作交給機器人完成，比如撈渣，抖渣，倒渣等等。因此要實現鍍鋅線無人化清渣，需要多臺機器人協作才能實現。本系統共設置了4臺機器人，其中趕渣區域A、趕渣區域B、趕渣區域C以及撈渣區域D對應的梁上分別設置有一臺機器人，機器人本體的擬安裝位置如圖1所示，每臺機器人的作業范圍：機器人工作半徑為球體的1/4區域。清渣機器人系統三維模型如圖2所示。

圖1 機器人清渣區域及擬安裝位置

圖2 清渣機器人系統三維模型示意圖

2 機器人系統工作流程

清渣機器人系統啟動后，機器人A、機器人B以及機器人C分別負責將各自趕渣區域的氧化浮渣均趕至撈渣區域D，由機器人D將集中在撈渣區域D處的氧化浮渣清除干凈，機器人D的工作過程是通過清渣執行器將鋅鍋內較遠處的鋅渣耙到靠近機器人的位置，隨著鋅渣在該區域的匯集，機器人按照程序指令執行撈渣動作，在清渣過程中為使鋅液最大限度的流回鋅鍋內，機器人執行抖清渣執行器動作，再執行倒渣動作。經過若干次撈取以后為了避免鋅渣堵塞清渣執行器的濾孔，需要進行一次洗執行器動作。機器人清渣系統工作流程如圖3所示。

圖3 機器人清渣系統工作流程

3 機器人選型及主要參數

3.1 品牌選型

考慮到現場環境的惡劣及機器人系統軟、硬件運行的穩定性和可靠性，擬采用ABB、發那科、安川、庫卡等進口機器人，由于考慮到ABB機器人示教器具有與其它品牌機器人所沒有的方便在線編程的運動控制搖桿，故本系統采用ABB生產的機器人。

3.2 主要參數

（1）自由度：6自由度（六軸式），鑄造版。

（2）該機器人無人化清渣系統四臺機器人分別負責鋅鍋均約1/4的區域清渣，因此四臺機器人的工作半徑可以選擇一致，下面以撈渣機器人D為例來分析選擇機器人的工作半徑，機器人型號：IRB4600_60_255_C_01腕關節、帶末端執行器工作空間（球體區域）如圖4所示，由圖4-a可知該機器人腕關節的工作空間能夠覆蓋50%的撈渣區域，由圖4-b可知該機器人帶末端執行器的工作空間能夠覆蓋整個撈渣區域，因此機器人D的工作半徑取2.55m可滿足作業范圍要求。

（3）額定負載：45～60kg。

（4）最大工作速度：5000。

（5）安裝方式：粱上安裝。

（6）機器人本體自重：560kg。

（7）工作精度：重復定位精度≤1 mm。

（8）安全連鎖。

（9）24h工作制。

（10）環境參數：工作環境溫度80℃（加防護）、鋅液飛濺保護（加防護）、強噪音。

（11）帶便攜式操作面板(手持式示教器)，手動及自動模式等等。

圖4 機器人腕關節、帶撈渣執行器工作空間

4 系統配置與主要功能

4.1 系統配置

軟件：ABB機器人操作系統；硬件：機器人本體、控制器、機器人滑動底座、清渣執行器、現場操作面板、示教器、鋅渣回收斗以及各線路電纜等。其中機器人滑動底座和清渣執行器是該系統結構設計中的關鍵，圖5為機器人滑動底座三維模型，圖6為清渣執行器，圖7為現場操作面板，圖8為示教器在線編程界面。

該機器人滑動底座包括用于安裝機器人的活動底座；設于活動底座上的用于支撐活動底座并用于調節活動底座的可調支座；設于可調支座下部并用于支撐可調支座的軌道；設于活動底座下部并用于固定機器人的固定座；以及用于驅動活動底座相對于軌道移動的驅動裝置。該機器人滑動底座通過可調支座將活動底座升高或者降低，當活動底座降低后，將機器人固定在活動底座下的固定座上。當活動底座升高后，動底座可以沿軌道移動到安全區域，進行檢修維修或者安裝。避免了惡劣的施工環境導致施工人員勞動強度較大、施工不方便、較長時間的作業對施工人員造成的危害，該裝置可以滿足冷軋鋅鍋無人化撈渣系統的結構要求，也可廣泛適用于各種惡劣環境中。

圖5 機器人滑動底座

圖6 所示的清渣裝置,包括：第一桿件；與第一桿件鉸接的并能相對于第一桿件擺動的第二桿件；用于驅動第二桿件相對于第一桿件擺動的驅動裝置；以及與第二桿件連接并用于撈渣的清渣斗；緩沖器能夠緩沖第二桿件相對于第一桿件擺動時的沖擊力；隔熱板由酚醛樹脂壓層板制成，能夠隔絕鋅鍋高溫鋅液對機器人末端伺服電機的高溫破壞，即保護伺服電機。能夠安裝在機器人的執行手臂上，從而及時的清理了鋅鍋在工作時產生的氧化浮渣，并能直接運送到指定的區域或者盛渣斗內。

圖6 清渣執行器

圖7 所示的機器人系統現場操作面板，該面板上設計的按鈕控制功能介紹如下：（1）操作電源開關，按下該按鈕，機器人控制器得電；（2）自動/手動，用來在線編程、程序調試以及機器人執行程序指令自動運行；（3）運轉準備，按下該按鈕時，機器人本體各伺服電機上電；（4）啟動，按下該按鈕，機器人系統準備就緒；（5）回到原點，按下該按鈕，機器人自動回到機械原點或者程序指令預先設置的原點；（6）暫停，按下該按鈕，機器人立即停止，但伺服電機不下電；（7）重新啟動，該按鈕用于重新啟動機器人控制系統；（8）確認啟動，當按下啟動后，機器人不能動作，得按下該確認啟動按鈕后，機器人才能動作；（9）急停，按下該按鈕，機器人立即停止，所有伺服電機都下電；（10）安全鎖，只有插入鑰匙打開鎖，才能開啟該控制面板上的所有按鈕，否則對任意按鈕執行操作均無效。

圖7 現場操作面板

如圖8所示為機器人D的示教器在線編程界面，對機器人示教編程主要注意以下幾個問題：（1）機器人控制器要打到手動模式；（2）運動速度設置要適宜，不能過快；（3）所有指令設置完成后，要先調試確認指令無誤后才能打到自動模式。

圖8 示教器在線編程界面

4.2 主要功能

（1）系統提供趕渣、耙渣、撈渣、抖清渣執行器、倒渣及洗清渣執行器功能；（2）趕渣由機器人A、B以及C完成，機器人D在每次耙渣、抖清渣執行器以及倒渣循環以后，相鄰兩循環間的時間間隔可調；（3）趕渣、耙渣、撈渣速度和次數可調；（4）抖渣幅度和時間可調；（5）倒渣可按由遠及近或者由中間到四周的順序依次放滿整個盛渣斗；（6）機器人整個撈渣過程中，執行預先設置的程序指令而無人為干涉工作；（7）整機提供碰撞檢測智能防護及碰撞區域智能檢測（ABB系統帶智能干涉監測模塊）；（8）離機器人工作半徑邊緣1m以外設置安全圍欄，也可以考慮電子柵欄，圍欄設置1-2扇門（與機器人構成安全聯鎖）等等。

4.3 機器人隔熱與防護

為了保證機器人本體在45℃以下工作，采取以下防護措施。（1）給機器人穿隔熱防護服，隔絕高溫鋅液飛濺和熱傳導，如圖9所示為穿戴隔熱防護服的清渣機器人；（2）清渣執行器設置膠木板（酚醛樹脂壓層）隔絕熱傳導，隔絕高溫鋅液對機器人末端關節的熱傳導；（3）采用壓縮空氣或者風扇冷卻機器人關節等。

表1 機器人清渣與人工清渣效果對比

圖9 穿戴隔熱防護服的清渣機器人

4.4 電氣信號接口

（1）鋅鍋液位信號；（2）加鋅信號；（3）實時溫度信號；（4）通訊接口：以太網（ETHERNET）通信協議等等。

4.5 機器人清渣效果

以1000m鋼帶為基準對人工清渣與機器人清渣在清渣效率、產品質量百分率、人為干預程度以及清渣標準化程度等方面進行對比分析。機器人清渣與人工清渣效果對比結果如表1所示，結果顯示：機器人清渣效率是22kg/min，是人工清渣的2倍以上；機器人清渣產品質量合格率為94%，而人工清渣只有87%，產品質量合格率提高了8%以上；人工清渣需要100%人工干預，而機器人清渣人工干預率為2%,基本上實現了無人化清渣；機器人清渣可以做到100%的標準化清渣，然而人工清渣存在情緒、惡劣環境等的干擾，標準化清渣率不到65%，清渣標準化程度提高了54%。

5 結語

鍍鋅線鋅鍋生產過程中熔融鋅液會產生漂浮在鋅液表面的浮渣，人工清渣會存在清渣不及時、清渣不徹底、清渣效率低、工人勞動強度和危害風險較大等問題，通過采用機器人無人化清渣系統解決了上述問題，結論如下：

第一，采用機器人系統代替人工進行清渣工作，清渣效率提高1倍以上，產品質量合格率提高了8%以上。

第二，采用機器人系統代替人工可24h不間斷進行清渣工作，基本上不存在人為干預，實現了無人化清渣，清渣標準化程度提高了54%。

第三，采用機器人系統清渣人為干預程度為2%，相對于人工清渣減少了操作工在高溫、強噪聲、粉塵以及強磁輻射等惡劣環境中的作業時間，降低了惡劣環境對操作工的傷害風險。