基于工業機器人的全自動鋼卷拆捆系統研發與應用

李康宇，李 柳，趙東洋，左 斌，閆思達

（機科發展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

目前，我國冶金行業正處于裝備轉型升級的關鍵時期。工業機器人由于多自由度、通用性高、工作定位準確等特點，在冶金行業內應用廣泛。如鋅渣打撈機器人、鋼卷取樣機器人、電焊貼標機器人等[1,2]。在鋼卷生產過程中存在著許多高污染、強噪音、高粉塵以及勞動強度大、危險性高的流水線崗位。相比傳統的人工操作，工業機器人不僅能夠有效克服惡劣環境，還可以持續進行標準、穩定的作業，能夠顯著提高生產線的自動化、智能化水平[3,4]。

目前的冷軋生產流程中，原料卷需經過人工拆除捆帶后送入開卷機。人工拆捆存在被崩開的捆帶打傷、被鋼卷劃傷等安全風險。特別是捆帶較長，很容易掉落在運輸軌道中，拾取過程極為危險。現有的自動拆捆設備需要利用地輥旋轉鋼卷，且僅能從帶頭處進行拆捆，耗時久，能耗大，設備布局條件嚴苛[5]。針對以上問題，本文根據某冷軋熱拉伸連續退火機組入口處的拆捆工藝要求，研發了一套基于工業機器人的全自動鋼卷拆捆系統，無需旋轉鋼卷就能夠自動進行尋捆帶、拆捆帶、收捆帶等操作。現場運行表明，該系統不僅節約人工、保障安全，同時穩定可靠、提高了生產效率。

1 鋼卷拆捆工藝分析

1.1 工藝參數

鋼卷由運載車運送至拆捆工位，鋼卷軸向與輸送方向垂直。待作業卷參數規格如表1所示。鋼卷外徑為900mm～2050mm，帶鋼寬度為900mm～1220mm。每個鋼卷由單根捆帶捆緊，捆帶寬度為31.75mm，厚度為0.8mm～1.2mm。拆捆節拍要求單個鋼卷不超過50s。

表1 待作業卷參數規格

1.2 功能需求

常見的拆捆系統在識別出捆帶位置后，需要旋轉鋼卷，將捆帶帶頭定位至固定位置，然后從帶頭處拆除捆帶。在本機組入口處，由于設備布局限制，鋼卷無法旋轉。根據現場情況，對自動拆捆系統的功能需求總結如下：

1）捆帶識別系統可準確識別出捆帶位置；

2）拆捆設備可在捆帶的任意位置將其剪斷、夾緊，鋼卷無需旋轉；

3）可將拆下的舊捆帶收集成便于運送的卷狀圓盤；

4）加入半自動拆捆功能，可由操作員手動確認執行拆捆；

5）單個鋼卷的作業周期小于50s。

1.3 工藝流程描述

全自動鋼卷拆捆系統的動作流程主要由以下四步組成：

1）運載車將來料卷運至拆捆工位，L1鎖定運載設備并給定拆捆指令，拆捆系統開始作業；

2）機器人攜帶拆捆機頭和捆帶檢測裝置，檢測捆帶的位置；

3）檢測到捆帶后，無需調整至帶頭處，拆捆機頭剪斷、夾緊捆帶；

4）機器人將捆帶送至收卷捆帶機處，完成捆帶收集。

2 拆捆系統設備組成

全自動鋼卷拆捆系統主要由工業機器人、捆帶檢測裝置、拆捆機頭、收卷捆帶機、電氣控制及操作系統和安全防護系統構成。拆捆系統設備布局如圖1所示。在安全圍欄內，工業機器人布置在待作業鋼卷和收卷捆帶機中間；電氣控制及操作柜安裝在安全圍欄外，位于工業機器人后方，便于人員操作。

圖1 全自動鋼卷拆捆系統設備布局

工業機器人：根據待作業卷參數規格及載重需求，該系統采用的工業機器人型號為ABB IRB 6700 150/3.20，主要由機器人本體、示教器及控制柜組成。機器人本體額定負載150公斤，工作臂展3.2米，能夠滿足各規格鋼卷的作業需求。

捆帶檢測裝置：機器人攜捆帶檢測裝置沿鋼卷軸向方向采集鋼卷外表面高度數據并反饋到PLC，PLC通過實時比對定位鋼卷捆帶位置。捆帶檢測裝置固定在拆捆機頭上。

拆捆機頭：檢測出捆帶位置后，拆捆裝置能夠自動卡緊捆帶并將其剪斷。機頭如圖2所示，主要由組合式殼體、氣動馬達、反阻力傳動絲桿副、卡捆帶夾鉗爪以及固定剪刃和活動剪刃機構組成。

圖2 拆捆機頭

收卷捆帶機：為便于運輸，收卷捆帶機將剪斷的捆帶卷成卷狀圓盤。收卷捆帶機如圖3所示，該裝置由箱體、卷曲馬達、主動卷帶輪組、浮動卷帶輪組、成型推板和頂壓氣缸等組成。

圖3 收卷捆帶機

電氣控制及操作系統：該系統以Siemens S7-300為主控，外圍由V90伺服驅動器、精簡系列觸摸屏及部分低壓元器件等設備組成。總線采用PROFINET形式通訊，總線連接主控及機器人控制器接口。與主機組之間采用硬線干接點連接，接口信號定義為設備安全連鎖以及機器人拆捆開始、完成信號。主控柜配置觸摸屏顯示設備狀態、報警、以及操作界面。控制柜面板設置有設備啟停開關、急停開關及狀態指示燈。

安全防護系統：對全自動鋼卷拆捆系統進行有效防護，主要由圍欄、維護門及安全鎖組成。

3 拆捆系統控制流程

全自動鋼卷拆捆控制流程如圖4所示。

運載車將鋼卷運送至拆捆作業工位后，機組L1級將“運載系統鎖住”和“啟動拆捆”信號發送給全自動鋼卷拆捆系統，拆捆系統各項就緒后，系統開始拆捆作業。

機器人由原始位移動至鋼卷上方，機械臂攜帶拆捆機頭和激光測距傳感器垂直下移，激光傳感器實時檢測拆捆機頭與鋼卷表面的距離。到達傳感器的最佳精度位置后，機械臂停止垂直下移。

隨后，機械臂攜帶拆捆機頭沿鋼卷軸向方向水平移動，同時檢測捆帶的位置。若未檢測到捆帶，則回到平移前的位置，重新檢測。如重復兩次仍未檢測到捆帶，則報警提示。檢測到捆帶后，機器人攜帶拆捆機頭下移，由接近開關控制，將拆捆機頭輕壓在鋼卷表面。此時，捆帶處于固定剪刃中間位置處。固定剪刃由氣缸推動，將捆帶鏟起、夾緊，再由活動剪刃將捆帶剪斷。如未有效剪斷，則報警提示。

機器人將剪斷的捆帶夾送至收卷捆帶機中，收卷機將卷曲壓縮成卷狀圓盤。同時，機器人回到初始位置。收捆電機釋放，卷曲后的捆帶直接掉落在廢料斗中。

除全自動拆捆外，系統提供了半自動拆捆功能。在該狀態下，操作員人為控制運載車將鋼卷運送至拆捆工位。經操作員確認拆捆系統各項準備就緒后，將控制柜旋鈕旋至半自動狀態，手動點擊“操作員手動剪捆”按鈕進行拆捆。

4 實施效果

經過長時間的現場運行驗證，該全自動鋼卷拆捆系統實現了無需鋼卷旋轉便可在捆帶任意位置將其拆除、回收的功能。系統現場照片及收集后的廢捆帶如圖5、圖6所示。該系統拆捆成功率高于99.5%，拆捆時間約為50s，正常生產節奏下工作效率高于99.8%，能夠較好地代替人工進行拆捆作業，使用及維護方便簡潔，達到了預期的效果。

圖4 全自動鋼卷拆捆控制流程圖

圖5 全自動拆捆設備現場照片

圖6 收集后的卷狀圓盤形捆帶

5 結語

本文設計研發了以工業機器人為核心的全自動鋼卷拆捆系統，可以代替人工實現冷軋入口機組的捆帶位置檢測、拆除，收集等工作，降低了工人的勞動強度，提高了生產效率，有效避免了人為作業風險。相比其他自動化拆捆設備，該系統無需旋轉鋼卷，可從捆帶任意位置將其拆除，能耗更少，作業速度更快，現場應用穩定，適合市場推廣應用。