棒材生產(chǎn)線打標(biāo)系統(tǒng)智能化研究與開發(fā)

楊秀文

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，韶關(guān) 512126）

《中國制造2025》指出數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是制造業(yè)未來發(fā)展的十大核心領(lǐng)域的重要內(nèi)容，制造業(yè)生產(chǎn)線的智能化將是中國制造業(yè)的主攻方向，智能化程度將成為企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。在此帶動(dòng)下，國內(nèi)一大批制造公司面臨從傳統(tǒng)制造到智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的問題[1]。

目前，我國生產(chǎn)作業(yè)智能化處于初級(jí)階段，是生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。很多企業(yè)正在進(jìn)行系統(tǒng)智能升級(jí)，但直接購進(jìn)成套智能化生產(chǎn)系統(tǒng)成本高。以一托二生產(chǎn)線（2臺(tái)數(shù)控機(jī)床配套1臺(tái)工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)線）為例，大約需要投資200萬元，且會(huì)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備造成重復(fù)建設(shè)和不必要的浪費(fèi)。因此，在企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，自行升級(jí)智能生產(chǎn)系統(tǒng)是重要手段，也是企業(yè)智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 棒材生產(chǎn)線打標(biāo)系統(tǒng)

鋼鐵是工業(yè)的基礎(chǔ)，是目前使用最多的金屬材料。鋼鐵生產(chǎn)是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱。鋼材產(chǎn)品主要有線材、板材、型材和棒材等，其中棒材是鋼材的主要規(guī)格之一。棒材是截面為圓、粗細(xì)在20 mm以上的鋼材，廣泛用于建筑、機(jī)械、汽車以及船舶等工業(yè)領(lǐng)域，其中70%棒材用作建筑，其余用作各類軸、螺栓、螺母、錨鏈以及彈簧等用材[2]。

棒材打標(biāo)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將采集的鋼材信息（鋼號(hào)、爐號(hào)、鋼種、質(zhì)保牌、日期以及二維碼等信息）打印在標(biāo)牌上，并將標(biāo)牌固定在捆綁打包好的棒材上，為后續(xù)客戶提供產(chǎn)品信息和追蹤信息。目前，棒材生產(chǎn)線打標(biāo)系統(tǒng)工藝主要包括鋼材打包、通過運(yùn)輸軌道送到稱臺(tái)上稱重、判斷鋼材的重量（超重不打標(biāo)，正常重量打標(biāo)）、采集其他產(chǎn)品信息、出牌以及找出鋼材合適的位置焊接標(biāo)牌等。

通常剛剛軋制的棒材溫度高，生產(chǎn)線生產(chǎn)速度高，打包打標(biāo)工序煩瑣，工作條件惡劣。傳統(tǒng)生產(chǎn)線采用人工手動(dòng)進(jìn)行打包打標(biāo)掛牌，工作繁重，效率低，不能適用于高速生產(chǎn)的現(xiàn)代化棒材生產(chǎn)流水線。圖1為人工打標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 人工打標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)

2 棒材生產(chǎn)線打標(biāo)系統(tǒng)智能升級(jí)改造系統(tǒng)研發(fā)

棒材生產(chǎn)線智能化打標(biāo)系統(tǒng)是集工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）工業(yè)控制技術(shù)、視覺技術(shù)于一體，以PLC為控制中心，通過稱量系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、焊接機(jī)器人等完成掛牌。智能化打標(biāo)系統(tǒng)還可以基于大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等技術(shù)，開發(fā)實(shí)現(xiàn)作業(yè)線核心設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)采集監(jiān)控，監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況、故障頻發(fā)區(qū)域與周期，通過數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析預(yù)測(cè)故障的發(fā)生，降低維修保障費(fèi)用，提高設(shè)備完好率，從而大幅降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和運(yùn)維效率。

智能化打標(biāo)系統(tǒng)主要包括智能稱量系統(tǒng)、打標(biāo)控制系統(tǒng)及機(jī)器人掛牌系統(tǒng)。通過棒材生產(chǎn)線工控系統(tǒng)控制工業(yè)機(jī)器人對(duì)鋼材打包、智能稱量系統(tǒng)稱量，采集監(jiān)控系統(tǒng)判定鋼材的重量。確認(rèn)重量正常后，采集系統(tǒng)采集鋼材信息、打標(biāo)機(jī)出牌、焊接機(jī)器人取牌，機(jī)器人移動(dòng)到拍照位，視覺系統(tǒng)對(duì)鋼材拍照3D成像，并將自動(dòng)定位坐標(biāo)系并發(fā)送給機(jī)器人。視覺系統(tǒng)判別突出鋼材，機(jī)器人吸取標(biāo)牌移動(dòng)到指定位置焊接標(biāo)牌。機(jī)器人返回取釘位取釘，取釘完后回至取牌位等待打標(biāo)流程完成[3]。平臺(tái)在線完成打標(biāo)工作系統(tǒng)的運(yùn)行狀況監(jiān)控，采集生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，完成運(yùn)行監(jiān)控和故障預(yù)警。棒材智能化打標(biāo)系統(tǒng)布置規(guī)劃如圖2所示。

圖2 棒材智能化打標(biāo)系統(tǒng)布置規(guī)劃圖

智能稱重系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)稱量與控制。一方面，在稱量完成后發(fā)出信號(hào)至PLC控制系統(tǒng)控制稱臺(tái)抬鋼，且在沒有完成焊接前不拉鋼離開秤臺(tái)；另一方面，將系統(tǒng)采集的鋼材信號(hào)打印出牌，同時(shí)為尾端機(jī)器人尋位提供規(guī)格長度輸入。

機(jī)器人掛牌系統(tǒng)包括2臺(tái)機(jī)器人、活動(dòng)端機(jī)器人移動(dòng)地軌、機(jī)器人移動(dòng)支撐架、標(biāo)牌鉚釘送料機(jī)構(gòu)、標(biāo)牌自動(dòng)定位機(jī)構(gòu)、標(biāo)牌吸取焊接機(jī)構(gòu)、視覺和激光測(cè)距系統(tǒng)以及PLC電氣控制系統(tǒng)等。

掛牌系統(tǒng)機(jī)器人根據(jù)實(shí)際工作需要，設(shè)置2臺(tái)焊接機(jī)器人，主要應(yīng)用于棒材螺紋鋼固定端面和活動(dòng)端面的標(biāo)牌焊接固定，實(shí)現(xiàn)焊釘及標(biāo)牌自動(dòng)抓取。通過視覺傳感器掃描鋼材端部，通過算法確定標(biāo)牌焊接位置并實(shí)施焊接，自動(dòng)完成標(biāo)牌焊接任務(wù)。

機(jī)器人實(shí)現(xiàn)過程運(yùn)動(dòng)，完成連續(xù)動(dòng)作。

機(jī)器人行走地軌滿足不同工件長度需求，調(diào)整活動(dòng)端焊接機(jī)器人位置。活動(dòng)端焊接機(jī)器人側(cè)裝于C形架懸臂梁上。立柱安裝于外部軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的地軌行走上，滿足不同長度工件需求。地軌的控制不僅可以采用PLC控制，也可以直接采用七軸機(jī)器人實(shí)訓(xùn)。系統(tǒng)所有線纜通過地軌行走導(dǎo)線槽進(jìn)入立柱。

鉚釘送料機(jī)構(gòu)主要完成焊釘排序，在生產(chǎn)過程中不斷為機(jī)器人提供擺放位置規(guī)則的焊釘，以待機(jī)器人需要時(shí)進(jìn)行抓取。

如圖3所示，標(biāo)牌自動(dòng)定位機(jī)構(gòu)主要用于標(biāo)牌的定位及裁切，完成生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)各種標(biāo)牌的打印，并能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，通過光電傳感器感應(yīng)到位。底部真空定位吸緊整形，裁剪氣缸對(duì)標(biāo)牌進(jìn)行裁剪、裁切后，等待吸取機(jī)構(gòu)拾取[4]。

圖3 標(biāo)牌自動(dòng)定位機(jī)構(gòu)

吸取焊接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)焊接鉚釘和信息標(biāo)牌的拾取，通過機(jī)器人運(yùn)動(dòng)定位定制焊槍壓取鉚釘，真空裝置吸取已經(jīng)定位待定標(biāo)牌并完成焊接定位。焊接時(shí)，機(jī)構(gòu)帶有柔性緩沖機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 吸取焊接機(jī)構(gòu)

吸取焊接機(jī)構(gòu)通過視覺系統(tǒng)電荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）將圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送至控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接位置數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)完成信號(hào)預(yù)處理，找出焊接的合適位置。

升級(jí)后棒材打標(biāo)系統(tǒng)焊接機(jī)器人工作圖如圖5所示。

圖5 棒材打標(biāo)系統(tǒng)焊接機(jī)器人工作圖

3 棒材打標(biāo)系統(tǒng)智能化開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵

針對(duì)棒材生產(chǎn)線打標(biāo)系統(tǒng)關(guān)鍵工序智能化、數(shù)字化改造需求，推廣應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人智能化裝備，可提高設(shè)計(jì)、制造、工藝及智能管理水平，使發(fā)展層次邁向中高端[4]。加強(qiáng)生產(chǎn)作業(yè)線綠色改造，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)間綠色循環(huán)鏈接，提升重點(diǎn)制造技術(shù)綠色化水平，是生產(chǎn)制造裝備和制造過程智能化的核心目標(biāo)[5]。

以工業(yè)機(jī)器人技術(shù)為依托，以PLC控制為中心，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與打標(biāo)設(shè)備的通信，形成工業(yè)機(jī)器人+PLC+視覺技術(shù)+棒材生產(chǎn)線打標(biāo)系統(tǒng)的智能生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人換人工程，完成復(fù)雜流程的柔性控制。這是棒材打標(biāo)系統(tǒng)智能化開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵，也是制造類企業(yè)的智能化技術(shù)關(guān)鍵[6]。

4 結(jié)語

目前，我國大數(shù)據(jù)技術(shù)和云平臺(tái)技術(shù)處于研發(fā)及應(yīng)用起步階段，雖然智能化技術(shù)發(fā)展迅猛，但在面向生產(chǎn)作業(yè)智能化及基于云服務(wù)的生產(chǎn)作業(yè)智能化的應(yīng)用上仍面臨一些技術(shù)難題。基于智能化技術(shù)，根據(jù)具體情況對(duì)生產(chǎn)線核心設(shè)備建立參數(shù)約束函數(shù)，采用先進(jìn)合理的數(shù)據(jù)采集設(shè)備開發(fā)具有針對(duì)性的設(shè)備健康運(yùn)行云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)最佳工作參數(shù)組合，將是智能制造生產(chǎn)線系統(tǒng)研發(fā)的目標(biāo)和趨勢(shì)。