可陣列式廢舊連鑄坯火焰切割機器人系統設計

張付祥，趙杰，李俊慧，黃風山

(1.河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018；2.石家莊鋼鐵有限責任公司，河北石家莊 050031)

0 前言

鋼廠生產連鑄坯時有一定比例的廢坯產生，要使廢坯回爐重造，切割廢坯是首道工序[1]。廢舊連鑄坯普遍采用手工方式切割，費時、費力、切割質量低，工作環境惡劣[2]。根據廢坯切割的生產需求，開發一種適用于任意長度和截面規格的廢舊連鑄坯火焰切割機器人系統具有現實意義。現有火焰切割機器人多采用關節型機器人和直角坐標機器人作為執行機構，分別適用于復雜和簡單的切割工作[3]。PC機開放性好，多用于開放式數控系統中[4]；PLC性能穩定，多用于動作簡單的自動化設備中[5]。

本文作者采用直角坐標機器人作為火焰切割機器人的執行機構，提出可陣列式的機械系統結構，通過陣列完全相同的機器人和連鑄坯支架實現對不同長度連鑄坯的切割。采用PLC控制火焰切割機器人系統，利用觸摸屏設計人機交互界面，通過上位機實現多個PLC控制系統間的通信，以可陣列的火焰切割機器人系統提高切割效率和設備的靈活性。

1 機械系統

廢舊連鑄坯火焰切割機器人機械系統包括直角坐標式切割機器人和連鑄坯支架，如圖1所示。連鑄坯支架布置在切割機器人的正前方。直角坐標式切割機器人總體為YZX結構，包括機架、Y向直線模組、Z向直線模組、X向直線模組、支座固定板、T式導向軸支座、導向軸、直線軸承、導向支架、法蘭式導向軸支座、安裝板、測距傳感器、割炬和點火器。連鑄坯支架的作用是使待切割廢坯與地面有一定間隙，使火焰能夠切斷廢坯。連鑄坯支架上安裝接近開關用于檢測連鑄坯是否到達切割工位。

鋼廠常見的廢舊連鑄坯長度尺寸有3、6、9、12 m。上述火焰切割機器人機械結構以3 m為一個基本單元，能夠切割3 m內任意長度的廢舊連鑄坯。當連鑄坯長度達到6、9、12 m，則可以通過分別陣列2、3、4個直角坐標式切割機器人和連鑄坯支架的方式實現切割。

2 控制系統硬件

2.1 系統架構

為切割不同長度的廢舊連鑄坯，采用可陣列式廢舊連鑄坯火焰切割機器人系統。切割長度3 m內的連鑄坯時，以PLC作為控制器，用觸摸屏來控制切割機器人；切割長度6 m內的連鑄坯時，陣列完全相同的PLC控制系統，以工業PC作為上位機將兩個PLC控制系統聯系起來；切割長度9 m內的連鑄坯時，依次陣列。陣列使用的切割機器人控制系統架構如圖2所示。

圖2 陣列使用的火焰切割機器人控制系統構架

PLC作為單個火焰切割機器人控制系統的核心部件，控制切割機器人運動。PLC的輸入端接收接近開關、按鈕和限位開關信號，PLC輸出端控制伺服電機和步進電機驅動器為電機調速，以及控制切割部件各個電磁閥通斷。激光測距傳感器測得連鑄坯尺寸以電流信號輸出，PLC擴展模擬量模塊接收測距傳感器數據。

觸摸屏可對切割機器人直接控制，也可監視切割過程中的多種參數。

工業PC作為多個火焰切割機器人控制系統的上位機，作用是將兩個及以上的PLC聯系起來，使PLC間的數據得以通信并完成規劃切割方案，同時將切割后的廢舊連鑄坯信息存儲起來，對已切廢坯進行核對統計。通過交換機和網線將工業PC和兩個及以上的PLC連接起來，通過TCP/IP協議實現PLC與工業PC的數據通信[6-7]。工業PC中的組態軟件可遠程控制切割機器人并對工作過程進行實時監控。

2.2 硬件配置

PLC的I/O點數使用原則是應該預留10%～15%的I/O點以做備用。系統中實際需要的輸入點數為16點，輸出點數為15點，且需要PLC給電機發送脈沖。控制系統硬件配置如表1所示。

表1 控制系統硬件配置

選用西門子公司的S7-200 SMART系列PLC，CPU模板的型號為CPU ST60，共有36個輸入口、24個輸出口，滿足設計要求。切割機器人的檢測裝置為激光測距傳感器，輸出模擬量信號，需要配置一塊S7-200 SMART模擬量擴展模塊。擴展模塊型號選擇EM AM03，有2個模擬量輸入口、1個模擬量輸出口，滿足設計要求。

PLC的I/O地址分配如表2所示。

西門子S7-200 SMART PLC自帶一個RS485通信接口，可以與觸摸屏進行通信。用PLC的以太網接口，通過交換機將工業PC和兩個及以上的PLC以TCP/IP通信的方式連接，實現數據交換[8]。

3 控制系統軟件

3.1 PLC控制流程

廢舊連鑄坯火焰切割機器人需順序啟動，PLC的控制流程如圖3所示。

圖3 PLC控制流程

3.2 人機界面

為了減少傳統控制面板按鈕繁多的問題，使用觸摸屏連接PLC，通過人機界面設計來控制和監測切割系統。觸摸屏與PLC間的通信方式采用PPI通信。

在自動操作界面，單擊啟動按鈕，切割機器人開始工作，直到完成所有割縫切割機器人停止工作。當切割中遇緊急事件時，按下外置的實體急停按鈕，系統會自動停止切割，同時報警燈亮起提示有故障出現。自動切割完成后，單擊“首頁”按鈕，回到登錄界面，單擊“手動操作”和“狀態監測”即可進入對應界面，如圖4所示。

圖4 自動操作界面

在手動操作界面，可以對切割機器人3個軸進行手動移動和回零，也可以控制預熱氧電磁閥、切割氧電磁閥、切割燃氣電磁閥、點火燃氣電磁閥和點火裝置，如圖5所示。

圖5 手動操作界面

在狀態監測界面，可以查看當前已切割的寬度、切割速度、連鑄坯的尺寸規格和切割機器人三軸狀態，如圖6所示。

圖6 狀態監測界面

4 試驗驗證

4.1 試驗系統現場設置

廢舊連鑄坯火焰切割機器人系統樣機如圖7所示。在某公司實際切割了長度為3 m、兩種截面尺寸的廢舊連鑄坯，分別為2根180 mm×180 mm和1根300 mm×220 mm的廢舊連鑄坯。

圖7 廢舊連鑄坯自動切割現場設置

采用氧-乙炔切割廢舊連鑄坯，由于廢坯厚度較大，將9罐氧氣并聯以達到持續的高壓氧氣。切割之前需要調節乙炔和氧氣的壓力以及割炬閥門，經過多次試驗得出切割200 mm左右厚度的連鑄坯所需乙炔和氧氣的壓力分別為0.1、1.0 MPa[9]。

4.2 切割試驗

切割不同厚度的連鑄坯時需要調整預熱時間和切割速度。經多次切割試驗，切割180、220 mm厚的連鑄坯所需預熱時間分別為120、140 s，切割速度分別為60、50 mm/min。割縫整齊，縫口粘附殘渣較少，未出現上緣燒塌、下緣掛渣嚴重和割縫變寬等現象，如圖8所示。

圖8 現場切割效果展示

5 結論

為了讓工人擺脫惡劣的工作環境、提高廢舊連鑄坯的切割效率，研制了一種可陣列式火焰切割機器人系統。設計了以YZX直角坐標式機器人為主體的切割機器人結構和連鑄坯支架，提出了可陣列式的火焰切割機器人系統方案；采用激光測距傳感器自動測量廢坯規格，選用PLC作為主控制器，使用觸摸屏設計了人機交互界面，實現對火焰切割機器人的控制；當多臺火焰切割機器人陣列式使用時，利用工業PC作為上位機，實現與多個PLC之間信息交互，自動規劃切割工藝過程。經過火焰切割機器人的工業現場切割試驗，該機器人能實現全自動廢舊連鑄坯切割，切割質量和速度滿足切割工藝要求。