工業機器人在鞍鋼型鋼生產線的設計與應用

張巍 ，賈昊 ，劉思洋 ，林東盛 ，劉宇 ，卜俊男

（1.鞍鋼股份有限公司大型總廠，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼股份有限公司系統創新部，遼寧 鞍山 114021）

工業機器人作為我國戰略性新興產業，其發展壯大對我國制造業具有多重意義：一是工業機器人應用于生產性服務業是應對勞動力成本上漲以及老齡化日益嚴重的一種有效方式；二是其能夠提高我國制造業的生產效率及國際競爭力，幫助中國由制造大國轉變為制造強國；三是工業機器人制造是工業4.0的發展基礎。

根據智慧鞍鋼發展規劃要求，在關鍵工藝和環節，推廣應用先進的智能裝備，積極開發利用機器人等智能化技術，補齊基礎自動化短板，打破制造環節各個工序不通、不聯的問題，實現制造環節數據互聯互通。隨著鞍鋼股份有限公司型鋼產線生產工藝的不斷改進及生產管理業務需求的增加，迫切需要加速推進型鋼生產線智能化裝備升級，重點在“3D”崗位開展機器人應用，以此加強鋼材質量控制、有效解決大量危險作業仍需人工干預等問題。工業機器人可配合MES系統、物料識別系統跟蹤每一塊鋼坯的加工過程，實現對鋼坯科學的管理，增加產品的可追溯性，防止混坯等事故的發生；同時機器人的應用能夠極大的提高包裝質量，減少發貨及下游用戶識別不準確等問題，提升企業的產品形象。本文對工業機器人在鞍鋼型鋼生產線的設計和應用進行了介紹。

1 工業機器人硬件設計方案

1.1 系統構成

工業機器人系統主要包括一臺定位噴碼機器人、一臺修磨貼標機器人，配套3D視覺定位系統、標簽打印分離系統、噴碼系統、電氣系統、安全系統等，系統構成如圖1所示。其中，3D視覺系統通過上位機PLC分別引導兩臺機器人工作；機器人之間劃定工作區間，互不干涉。

圖1 機器人自動貼標噴碼系統構成圖Fig.1 Structure Diagram of Automatic Labeling and Code Spraying System for Robot

1.2 機器人本體

由于成品落垛鋼材捆扎帶會影響機器人的臂展，系統采用六軸工業機器人為動作平臺，負載35 kg，臂長2.5 m。該機器人能在冶金工業惡劣環境下達到高穩定性和低故障率，實現多角度自由貼標噴碼的功能。

1.3 定位及噴碼機器人

（1）視覺定位系統

采用3D相機對型材表面進行識別數據分析，得出型材捆型、頭部貼標、噴碼位置和打捆帶位置等信息，并通過數據通信接口傳輸至機器人系統?；诮邮盏降臄祿?，機器人準確判定打捆帶位置，噴碼時自動避開打捆帶；對原始采集圖像進行處理，自動定位出靠近、遠離機器人側的型材。此外，也可人工干預選擇其它已識別型材位置進行噴碼貼標作業。

（2） 噴碼系統

噴碼系統包括噴槍和油墨供料系統。噴槍采用16點陣式結構，噴印字符的高度、距離、速度、方向、行數等都可以自由調節。油墨供料系統柜內設油漆供料系統和清洗液循環系統，同時設有油漆和清洗液自動加熱裝置，保證油漆和清洗液的溫度在控制范圍內。噴涂時，由噴涂系統柜通過氣動隔膜泵將油漆送至噴槍，實現噴碼作業。每次噴碼完成后自動將清洗液打入噴槍，將噴槍內部油漆清理干凈，防止噴槍堵塞。

1.4 修磨貼標機器人

（1）表面清理系統

表面清理系統分為兩部分：第一部分在貼標噴碼位置，由管路引出風刀設備，采用高壓型工業熱風機清除型材表面水、冰等雜物；第二部分為機器人手臂位置的拋光打磨機，主要由修磨刷頭、打磨電機、柔性連接裝置和位置傳感器等設備組成，當型材表面冰層較厚時，啟用拋光打磨機，同時輔助熱風機風刀吹掃，以保證型材表面達到貼標噴碼要求。

（2） 貼標機構

標簽主要采用氣動裝置進行定位與吸取，氣動元件包括氣缸、電磁閥、節流閥、吸盤和真空系統等。裝置配有真空檢測傳感器和到位傳感器，所有傳感器信號接入主控制系統，判斷標簽是否到位、吸取是否成功，實現與機器人的協調動作。標簽通過自動分離機構分離，貼標機構取到標簽后，工業機器人按照視覺定位系統得到的型材位置坐標進行貼標作業。

（3）讀碼器

在貼標機構旁設置高速讀碼器，對型材表面標簽一維碼或二維碼信息進行快速識別，并把讀取信息與接收的MES信息進行比對，確認數據的準確性。

1.5 電氣系統

電氣控制柜為整個機器人控制系統的核心，包含機器人控制柜、視覺處理控制器，噴槍控制器，輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、繼電器、觸摸屏等電氣器件。 機器人自動貼標噴碼控制系統示意圖見圖2。

圖2 機器人自動貼標噴碼控制系統示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Automatic Labeling and Code Spraying Control System for Robot

1.6 檢測系統

打捆型材檢測系統與現有輥道控制系統連鎖，實現型材到貼標位置自動停止，自動鎖定輥道，為貼標噴碼系統運行提供先決條件。

1.7 安全防護系統

安全防護系統由安全圍欄和安全門鎖組成，用于隔離自動噴涂作業區域，保證作業安全。當安全圍欄的門打開時，機器人將不能啟動，若機器人正在作業則將立即停止。如需進入安全護欄內，要先將操作箱上的轉換開關打到檢修模式。

2 機器人系統軟件實現方案

2.1 機器人控制系統

自動噴碼貼標機器人控制系統工藝流程如圖3所示。具體流程為：①打捆后的型材經過輸送輥道到達成品收集區，通過設置于成品收集區輥道的2個到位檢測傳感器，使型材停止于輥道指定位置。②輥道停止后，機器人系統判斷視覺系統、噴碼系統等設備已準備好后，向原區域堆垛PLC控制系統發送“鎖定輥道”信號，將輥道與升降鏈鎖定。③輥道鎖定后，標識系統向MES系統申請標識信息；如果MES連接異常，則手動添加標識信息。④定位噴碼機器人對型材位置進行采集分析。⑤識別完成后定位噴碼機器人退出至干涉區外，啟動修磨貼標機器人對型材表面進行修磨，同時標簽打印系統根據MES系統的數據，將標簽打印好。⑥機器人根據檢測后轉換的空間坐標信息，取標簽并將其貼至型材對應位置，貼標完成后自動檢查貼標結果。⑦貼標完成后，噴碼機器人根據檢測后轉換的空間坐標信息在型材表面中心準確位置進行噴碼作業。⑧全部作業結束后，機器人系統回復安全位置，系統輸出“輥道解鎖”信號，釋放輥道，已貼標噴碼完成的型材可繼續往下輸送。⑨機器人自動貼標噴碼系統進入下一輪貼標處理進程，等待下一次作業。

圖3 自動噴碼貼標機器人控制系統工藝流程Fig.3 Process Flow of Automatic Code Spraying and Labeling Control System for Robot

2.2 堆垛控制系統配套改造

堆垛控制系統的設備采用西門子S7-400系列PLC。通過增加通訊模塊實現與機器人系統的通訊，使機器人系統實現對堆垛控制系統輥道、擋板、運輸鏈等設備的自動連鎖控制功能。

2.3 MES系統配套改造

針對產線自動噴碼貼標機器人業務功能需要，對現有MES系統進行改造，增加與機器人系統數據通信接口，完善物料實時跟蹤管理功能，實現按計劃組織生產，實時反映生產實際信息，達成產線管理的高度自動化。

2.4 網絡與應用

機器人自動貼標噴碼系統網絡配置見圖4。該系統中，控制系統設備均連接至現場交換機，現場交換機通過光纖連接至主控室工控機。主控室工控機設置雙網卡實現與現場設備及MES網絡的雙重連接。

圖4 機器人自動貼標噴碼系統網絡配置圖Fig.4 Network Configuration Diagram of Automatic Labeling and Code Spraying System for Robot

2.5 人機界面

整套機器人系統采用WINCC畫面遠程操作，畫面顯示機器人系統中各組成部分運行狀態、報警信息、通訊狀態等，同時設有手動錄入貼標噴碼信息窗口?？刂葡到yHMI主界面如圖5所示。

圖5 控制系統HMI主界面圖Fig.5 HMI Main Interface Diagram of Control System

3 應用效果

（1）工業機器人系統上線運行后，通過3D視覺識別技術可準確識別出產品的物料類型、捆型、物料頭部尾部位置、打捆帶位置等，指導機器人執行貼標、噴碼作業。測試期，3D視覺識別相機識別率可達100%，具體如圖6所示。

圖6 3D視覺識別效果圖Fig.6 Effect Diagram of 3D Visual Recognition

（2）分別選取球扁鋼、槽鋼、角鋼、工字鋼四種類型鋼中的各一種規格型鋼共計400捆進行測試，機器人自動貼標噴碼系統貼標準確率和噴碼準確率分別達99%，未發生系統故障，滿足產線工藝要求。現場實際貼標機噴標效果如圖7所示。

圖7 機器人貼標噴碼效果圖Fig.7 Effect Diagram of Labeling and Code Spraying for Robot

（3）工業機器人系統上線運行后，實現了危險崗位無人化，優化崗位人員3人，每年優化人力資源可降低成本30萬元。同時在生產效率方面，該系統運行周期約為90 s，與原有人工貼標噴碼周期2 min相比，作業周期縮短了25%，準確率高，極大地適應了產線的快節奏生產。

4 結語

鞍鋼股份有限公司型鋼生產線設計了工業機器人貼標噴碼系統，此系統應用于生產中能夠滿足產線工藝要求，切實提升了產線生產效率，提高了產品標識的準確性和可追溯性，貼標準確率和噴碼準確率均達到99%，實現了危險崗位無人化，作業周期縮短了25%；同時，統一規范的產品標識提高了企業的產品形象。該機器人系統的成功應用提升了鞍鋼智能化產線裝備能力，為后續在其它產線工序開展機器人應用提供了經驗，值得推廣和借鑒。