全自動焊牌機器人在棒材軋制生產線的應用研究

羅 斌

（新余鋼鐵集團有限公司，江西 新余 338000）

近些年，我國經濟水平明顯提升，但是在全自化操作的工業用機器人方面，還需要更加努力，才能跟上國際發達國家在全自動化工業用機器人的發展腳步，典型的就是國內很少有全自動的焊牌機器人在棒材軋制的生產中。但是，焊接標牌是非常關鍵的環節，標牌上需要標明關于成品鋼的信息，然后才能入庫并外銷。以前的棒材軋制中，標牌焊接由人工完成，容易出現漏焊、錯韓、掉牌的問題；也容易出現危害焊接人員人身安全的問題[1]。目前，開始運用自動焊牌系統，可機器人只能進行焊接工作，與生產線、計量系統沒有交互，所以并不是真正的全自動化及無人化，為此，需要加大棒材軋制中全自動焊牌機器人的研究，設計開發此類機器人，將其用在軋制的生產線上，并與計量系統相關聯，從而真正實現整體生產的全自動化。

1 傳統自動焊牌機器人的組成

1）工業機器人系統包含機器人控制系統、機器人本體兩個部分。機器人的主要責任有分揀焊釘、分揀標牌、焊接標牌。

2）焊釘分揀和移載裝置包括焊釘振動盤、移載臺、直線導軌。振動盤以及直線導軌的控制由振動控制器進行，從而對焊釘位移進行控制，并且，在直線導軌以及移載臺上，配置焊釘檢測的傳感器。此部分功能是有序提供焊釘，將焊釘移動到指定的位置，以便機器人獲取。

3）視覺定位系統包括服務器、視覺相機、光源和視覺軟件系統。主要的功能就是拍攝出鋼捆的端面情況，在處理之后，把最合適的焊接坐標傳遞給機器人進行焊接，在機器人焊接完成之后，還能判斷出焊接的質量。

4）焊接系統包括焊機、焊槍、吸盤機構、推排機構、傳感器等。主要功能是機器人以前端的手臂去夾取焊釘，拿到指定的標牌，慢慢向指定的焊接位置移動，以控制系統啟動焊機的發電，進而進行標牌的焊接。

5）電氣控制系統：具體組成部分有傳感器、電磁閥、磁性開關、交換機、中間繼電器、斷路器、PLC柜體、CPU和配套的IO模塊、電源、插座等。中心部分是電氣柜，其更是整個系統和現場設備進行交互的重要紐帶，類似人體大腦[2]。

該自動焊牌機器人可進行自動化焊接，但是并不能與計量系統和生產系統相關聯，很多數據需要人工采集，還達不到生產全方位的自動化，為此需要對其進行升級。

2 全自動焊牌機器人系統的構成

為達到棒材生產的無人化和全自動化，設計并開發了全自動的焊牌機器人，這就實現了標牌自動焊接、關聯生產線和接入計量系統的目標，從而做到真正的生產自動化。此系統的主要構成部分包括機器人本體、輔助焊牌裝置、圖像定位分析系統、電氣自動化控制系統、焊牌信息跟蹤系統。主要設備包括自動打印標牌的打印機、配置焊牌夾具的機器人、焊釘自動輸送裝置、用來采集圖像的攝像裝置、照明裝置等。

在棒材軋制生產中，需要將標識牌焊接到鋼捆兩端，為此，于每臺成品計量秤后部運輸鏈上焊牌的工位兩旁，各自設置了焊牌機器人系統，并且由同一個電氣控制系統進行控制，這樣就能進行同步焊牌，還可進行單獨一端的焊牌。實際生產中，棒材產品的長度不同，但是可區分成幾種規格，為此需要將焊接機器人系統設置到可以移動的平臺上，這是移動端，伺服電機帶動移動平臺，通過控制器進行精準定位，進而可保證圖像定位以及焊牌動作更準確和可靠。

3 全自動焊牌機器人系統的實際應用

3.1 全自動焊牌流程

當棒材生產完成之后，鋼捆需要進行打捆，接著運送到成本計量秤位置進行稱重，此時計量系統會采集鋼捆的規格和質量，而焊牌信息跟蹤系統可以獲取到這些信息，將其整理成需要焊接標牌上的數據，加入到鋼捆的跟蹤隊列之中；鋼捆稱重完畢后，依照順序在成品運輸鏈上運輸，此時電氣自動化控制系統可以接收到來自生產線的運輸鏈信號，可以預測到沒有進行焊接標牌的鋼捆的具體位置，對該鋼捆進行跟蹤；由系統判定出其已經進入到可采集圖像的區域內，相機會自動觸發，然后采集鋼捆的圖像，并對圖像進行分析與定位，得到鋼捆具體位置信息，將此位置的坐標發送機器人，此時機器人會拾起焊釘、標牌，進而焊牌。當焊牌結束之后，會有新的標牌信息傳遞給機器人系統，為接下來的作業做準備，整個流程見圖1。

圖1 自動焊接流程

此時需要計算出兩個距離，其一是焊牌目標位置；其二是極限移動位置。前者是下一捆沒有進行標牌焊接的鋼捆移動到相機視野內的具體移動距離；后者是把圖像采集的視野中最少有一捆已經完成標牌焊接的鋼捆設定為參照物時可以運動的最大距離。這兩個距離計算出來之后，需要將其同運輸鏈的前進距離作比較，如果前進的距離已經在目標位置上，并且運輸鏈停止的時候，需要將運輸鏈鎖定，同時自動地開啟機器人焊牌的流程。如果僅僅在移動目標的位置上，需要強行將運輸鏈鎖定，同時開啟機器人焊牌的流程。只有在焊牌結束之后，才能將運輸鏈解鎖，給出燈光信號，提醒生產線的操作人員，讓鋼捆運輸恢復正常。

3.2 自動控制機器人焊牌

當機器人做焊牌動作的時候，需要以圖像的分析結果和定位結果為依據，具體是一種坐標，所以，必須將兩個系統不同位置的坐標，做一致性的換算處理。焊接機器人的基本工具坐標系是機頭焊槍頭的位置，此過程中，定位系統需要將兩個像素之間距離和實際距離的換算值Me計算出來，將基準坐標設定成定位系統原點坐標A（X，Y），相對于機器人的工具坐標B（Y,，Z,）進行轉換，方法如公式（1）。

公式（1）中：△X是圖像定位系統提供的X軸坐標；△Y是圖像定位系統提供的Y軸坐標；Me是攝像機和機器人之間的坐標轉換的參數。

當機器人收到真實的焊牌定位的坐標之后，系統可以對機器人的行進路徑進行規劃，得到最佳運動路線，避免機器人碰撞到其他設備或者地方，還能保持最佳姿態和最快速度移動到最佳焊接點。

3.3 圖像的分析和定位

在整個自動化焊接系統中，圖像的分析及定位系統的關鍵功能就是，將沒有進行焊接標牌的鋼捆分辨出來，對鋼捆鋼棒的端面進行識別，并定位其位置；還可以檢測已經完成焊接標牌的鋼捆是否合格[3]。

對于整個系統而言，此部分是非常關鍵的系統，對于能不能保證焊牌標準，有著極大的保證作用。首先，系統會采集到高清圖像，然后對圖像做預處理，包括校準和濾波以及二值化等，接著會用到圖像分割算法、特征提取算法、邊緣檢測算法等，將沒有焊牌的稱重后的鋼捆識別出來，運用模式匹配圖像分析方法和顆粒分析方法，可以識別出鋼棒的具體位置信息及外形信息，針對采集到的輪廓圓度、亮度信息，進行綜合分析，計算出最佳的鋼棒坐標。

另外，需要總結鋼捆運行規律和外形特征，結合標牌尺寸以及亮度的特點，進行圖像分析，將一些外部約束條件加入到圖像分析算法中，進而能規避環境光變、不規則的鋼捆端面形狀等一些因素對于具體位置識別產生的影響；還可以避免因為多種軋制的處理方法和端面剪切平整度不夠，造成鋼棒截面的顏色出現深淺變化，而識別準度降低的影響，這樣可以提高分捆、定位識別準確率，焊接系統運行更可靠[4]。

在圖像分析及定位的監控界面上，可以顯示出采集到的兩端圖像、焊牌過程中的識別信息和定位信息，還有系統當下的狀態。因為圖像定位僅僅可以提供二維坐標，所以在機器人的機頭夾具位置設置了高精度的激光測距傳感器，可以在焊接標牌之前，從定位的坐標中選擇三個點測量距離，選擇高于其他鋼棒的端面進行焊接，進而防止機器人機頭同不規則鋼捆端面發生碰撞，也就能提升焊牌適應性。

3.4 焊牌信息跟蹤系統

在整個生產線中，鋼捆稱重連接著計量系統。傳統生產方式下，計量工作需要以人工方式進行，工人確定稱重數量，接著手動打印出標牌，手動焊接標牌。這種工作方式的效率非常低，并且工作強度很高，也難免會出現漏焊、錯焊的問題，還可能會焊接不牢固，運輸過程中標牌掉落。為解決這些問題，實現全部生產的自動化，開始運用全自動焊牌機器人系統，而為實現與計量系統和生產線的連接，需要在原來的焊接機器人系統上增加焊牌信息跟蹤系統[5]。焊牌總系統可以直接獲取計量系統的數據信息，自動生成標牌信息，將此信息傳遞給焊牌信息跟蹤系統。焊牌信息跟蹤系統可以跟蹤全部的沒有進行焊牌的鋼捆，自動地開啟焊牌流程，在焊牌結束之后，還能把焊好的標牌識別號傳給計量系統，計量系統自動進行入庫處理。所以，這樣的計量過程就實現了無人化，計量效率大大提高，焊接準確性也提高[6]。本系統中設置了外在數據接口，計量人員可輕松獲得計量數據，對于實現全廠的集中計量智能化管理奠定了基礎。

4 結語

升級的自動焊牌機器人實現了全面的自動化操作，將其用在棒材軋制的生產線上，有著較好的適應性和實用性，應當推廣到更多鋼材棒材生產企業中，從而全面提升生產效率，減少人力成本，還能提高生產的全面控制水平。