成捆圓鋼端面標牌自動焊接系統(tǒng)的研究

李文忠，張超，張付祥，黃風山

(河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050000)

0 前言

進入21世紀以來，隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的提出，我國的工業(yè)技術(shù)體系正在逐步向智能化、自動化變革。作為國民經(jīng)濟支柱之一的鋼鐵產(chǎn)業(yè)是傳統(tǒng)的高能耗、高污染重工業(yè)，提高鋼鐵企業(yè)技術(shù)效率是鋼鐵工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的根本[1]，而且鋼鐵企業(yè)仍然存在生產(chǎn)環(huán)境惡劣、容易造成人身傷害等問題[2]，生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化轉(zhuǎn)變迫在眉睫。目前鋼鐵企業(yè)智能制造整體處于起步階段，智能制造的標準、軟件、信息安全基礎(chǔ)薄弱，實現(xiàn)智能制造轉(zhuǎn)型升級的目標任重而道遠[3]。

在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程中，完成生產(chǎn)的鋼材需要將生產(chǎn)信息標記在產(chǎn)品上，以方便技術(shù)人員和工人了解產(chǎn)品的詳細生產(chǎn)信息，實現(xiàn)企業(yè)的生產(chǎn)信息化管理，提高工作效率、流程的連貫性和數(shù)據(jù)的可追溯性[4-5]。現(xiàn)在鋼鐵企業(yè)一般采用人工對圓鋼產(chǎn)品進行標記，所使用的方法主要有手寫、打鋼印、噴碼、貼標、標牌焊接等[6-9]。其中，手寫、打標、噴碼、貼標的標記方法存在標記易模糊、易脫落導致無法辨認的問題。而標牌焊接法是采用焊釘穿掛標牌，然后焊接到圓鋼端面[9]，具有標記明顯、焊接牢固等優(yōu)點。但是人工焊標牌過程比較繁瑣，特別是操作環(huán)境惡劣，還存在成本高、效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。而且該焊接工序要求選擇一根凸出的圓鋼端面焊標牌，傳統(tǒng)的固定流程化機電設(shè)備難以實現(xiàn)這一工序，因此本文作者基于視覺定位配合工業(yè)機器人工作，設(shè)計了一套自動焊接標牌系統(tǒng)，以實現(xiàn)這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能化。

1 標牌焊接分析

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

在傳統(tǒng)的鋼廠生產(chǎn)過程中標牌焊接作為圓鋼生產(chǎn)整體工藝流程的最后一步，通常由工人將成捆圓鋼對應(yīng)的標牌焊接到鋼材端面上。對某鋼鐵公司軋鋼線調(diào)研得知：生產(chǎn)中需要打捆的單根圓鋼直徑為13～110 mm，圓鋼的長度規(guī)格為4～12 m，成捆圓鋼端面各圓鋼的不平齊度在20 mm以內(nèi)，成捆圓鋼端面范圍不大于800 mm×550 mm，單捆圓鋼在傳送線上運輸過程中停留的時間為30 s左右。

該標牌[圖1(a)]為鋁制，長105 mm，寬65 mm，厚0.5 mm，上面制有直徑5 mm圓孔，用于穿過焊釘。焊釘[圖1(b)]的上端為尾部，用于夾持，下端為焊接端，直徑為4.5 mm，用于穿過標牌的圓孔，焊接在圓鋼端面。焊接后標牌應(yīng)能夠靈活轉(zhuǎn)動，因此需要焊接在凸出在外的一根圓鋼端面，防止其他圓鋼阻礙標牌。另外，焊接后焊釘尾部突出較長，容易被掛住，因此焊后焊釘尾部需要掰斷，而且在掰斷過程中還可以檢驗焊接是否牢固。圖1(c)為原人工焊接的標牌示意圖。

綜合上述工況條件，所要設(shè)計的成捆圓鋼端面標牌自動焊接系統(tǒng)首先要保證焊接位置準確及牢固性，因此在系統(tǒng)中采用了雙目視覺測量系統(tǒng)，準確測量圓鋼端面位置，確定焊接位置，以提高焊接準確度，并且要在規(guī)定的工步時間內(nèi)完成焊接流程。

圖1 標牌(a)、焊釘(b)與成捆圓鋼手工焊牌效果(c)

1.2 系統(tǒng)工作流程

人工焊接標牌的過程是：首先在標牌制作室內(nèi)制作標牌，人工送到現(xiàn)場，工人一手持焊鉗、一手取焊釘，夾釘、穿掛標牌，進行焊接，用套管掰斷多余的焊釘尾部。

參考鋼廠人工焊接標牌的工作流程，通過對整個系統(tǒng)的工作情況進行分析，將完整的工作流程分為3個階段，分別是物料準備階段、焊接階段和焊釘尾部掰斷階段。

(1)物料準備階段

①由振動上料器、直振導軌工作，送釘裝置將焊釘有序輸送，以正確姿態(tài)送到機器人夾取位置；

②標牌制備系統(tǒng)與企業(yè)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫聯(lián)網(wǎng)獲取當前圓鋼的生產(chǎn)信息，按照設(shè)定好的格式制作在標牌上，并把標牌傳送到機器人吸取位置。

(2)焊接階段

①成捆圓鋼在輸送線輸送到焊接標牌工位，雙目視覺測量系統(tǒng)對成捆鋼材端面掃描測量，數(shù)據(jù)發(fā)送給工控機，處理后得出理想焊接位置的圓鋼端面的三維坐標，將其發(fā)送給工業(yè)機器人；

②由工業(yè)機器人帶動末端操作器到達取釘位置，夾取焊釘；末端操作器移動到吸取標牌位置，吸取標牌；

③工業(yè)機器人帶動末端操作器到達指定空間坐標，控制電焊機給焊釘延時通斷電使焊釘焊接在圓鋼端面，完成焊接。

(3)焊釘尾部掰斷階段

①焊釘焊接完成后，焊鉗張開，掰釘氣缸帶動套筒推出，套住完成焊接的焊釘尾部，由工業(yè)機器人帶動末端操作器做焊釘中心平面內(nèi)的圓弧擺動動作，掰斷多余的焊釘尾部；

②掰斷焊釘后掰釘氣缸帶動套筒收回，工業(yè)機器人帶動末端操作器回到工作初始位置。

2 焊接系統(tǒng)主要組成

成捆圓鋼端面標牌自動焊接系統(tǒng)整體組成如圖2所示，主要由工業(yè)機器人、末端操作器、焊釘供料系統(tǒng)、雙目視覺識別系統(tǒng)、標牌制備系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)等組成。

圖2 系統(tǒng)整體組成示意Fig.2 Overall system composition

2.1 工業(yè)機器人

目前工業(yè)機器人已成為高端裝備的重要組成部分，是實現(xiàn)信息化、智能化的關(guān)鍵[10]。在自動焊接系統(tǒng)中工業(yè)機器人是核心執(zhí)行部件，需要帶動末端操作器執(zhí)行夾取焊釘、吸取標牌、定位焊接及掰斷焊釘尾部的任務(wù)，對定位精度、有效載荷及工作范圍都有較高的要求。選用埃夫特公司的ER7L-6型六自由度機器人，有效載荷70 N，重復定位精度±0.02 mm，最大臂展713 mm。以上參數(shù)滿足標牌焊接的需求。

2.2 末端操作器

標牌焊接機器人專用末端操作器主要包括殼體、焊鉗、真空吸盤、滑塊氣缸、掰釘套筒、筆形氣缸等，如圖3所示。末端操作器所需要執(zhí)行的任務(wù)有夾取焊釘、吸取標牌、定位焊接和掰斷焊釘。每一個動作都需要設(shè)計相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)焊釘和標牌的實際形態(tài)以及實際工況，選擇了滑塊氣缸、筆形氣缸、真空吸盤等元器件，組成氣動回路來完成各動作。

殼體左端面與工業(yè)機器人手臂相連，真空吸盤通過導軌安裝在底盤上，并由彈簧向前壓緊，使吸盤接觸標牌時產(chǎn)生一個壓緊力，以吸住標牌。焊鉗由滑塊氣缸帶動夾持焊釘上端進行焊接，掰釘套筒布置在焊鉗中間，由筆形氣缸帶動，工作時向前伸出套住焊釘上端，擺動掰斷，然后向后縮回。

圖3 末端操作器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of the end-effector

2.3 焊釘供料系統(tǒng)

焊釘供料系統(tǒng)主要由振動上料器、直振導軌、分釘機構(gòu)、夾釘機構(gòu)和送釘機構(gòu)組成，如圖4所示。焊釘放在振動上料器的料盤內(nèi)，通過振動上料器的振動在出料口整齊排列輸出；再通過直振導軌的振動送到分釘機構(gòu)的龍門口，分釘機構(gòu)上的滑臺氣缸控制擋片擋在龍門口，每次只允許一個焊釘輸出，并且露出焊釘下端；夾釘機構(gòu)通過手指氣缸夾住焊釘?shù)南露?，在送釘機構(gòu)的無桿氣缸帶動下水平向右移動，準確地將焊釘以固定姿態(tài)運送至指定位置，等待機器人末端操作器來夾取。

圖4 焊釘供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Supplying system of welding nail

2.4 視覺測量定位系統(tǒng)

視覺測量定位系統(tǒng)為自動焊接系統(tǒng)提供焊牌的焊接位置，采用雙目立體視覺系統(tǒng)，主要由雙目相機對同一場景從不同的角度獲取兩幅數(shù)字圖像，然后利用立體匹配算法求出兩幅圖像對應(yīng)像點間的視差，結(jié)合視差圖像與攝像機標定所得參數(shù)求出場景內(nèi)被測物體各點的三維坐標[11-12]。通過雙目相機掃描成捆圓鋼端面，并生成三維點云信息，而后經(jīng)過圖像處理后找出凸出在外的一根圓鋼，作為焊接標牌的位置，計算出理想焊接位置坐標并將其發(fā)送給機器人，引導機器人定位焊接，所以在視覺選擇中需要優(yōu)先考慮精度以及工作范圍。在該系統(tǒng)中選擇埃爾森公司的AT-S1000-01A雙目相機，采用光軸平行的模型，左右兩個相機參數(shù)完全一致，便于搭建模型以及后期深度值計算。此相機的測量精度為±(0.2～2 mm，工作距離為1 050～3 250 mm，視野范圍為1 144 mm×802 mm(距離為1 050 mm時)～3 136 mm×2 464 mm(距離為3 250 mm時)，掃描時間為1～2.5 s，可以滿足焊接系統(tǒng)的工藝需求。雙目視覺相機和成捆圓鋼端面的布置距離需根據(jù)成捆圓鋼整體尺寸進行調(diào)節(jié)，以獲得更好的視覺效果。

2.5 標牌制備系統(tǒng)

標牌制備系統(tǒng)主要包括激光打標機和標牌上下料機構(gòu)兩部分。激光打標機通過以太網(wǎng)連接鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫，獲取當前成捆棒材生產(chǎn)信息，自動按既定格式排版，在鋁制標牌上制作信息。上料機構(gòu)將成摞放置的標牌一張一張地送到打標位置；制作完成的標牌由下料機構(gòu)運送到指定位置，等待末端操作器吸取。激光打標機及標牌上下料機構(gòu)由標牌制備系統(tǒng)自帶的控制器控制。

2.6 氣動系統(tǒng)

氣動系統(tǒng)包括空氣壓縮機、吸取標牌的真空吸盤與真空發(fā)生器、控制氣缸的電磁閥以及氣路等元器件。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

成捆圓鋼端面標牌自動焊接系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)主要由上位機與PLC控制，與各部件進行數(shù)據(jù)交換[13]，完成整個標牌焊接工作過程?？刂葡到y(tǒng)組成如圖5所示?？紤]到生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境較差，上位機采用工控機。工控機通過以太網(wǎng)與企業(yè)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)庫相連，接收鋼材的生產(chǎn)信息，并通過以太網(wǎng)與工業(yè)機器人、PLC進行通信，使整個系統(tǒng)協(xié)同工作，控制工業(yè)機器人完成抓取焊釘、吸取標牌、標牌焊接、掰斷焊釘尾部等動作；工控機通過USB接口與雙目視覺測量系統(tǒng)、標牌制備系統(tǒng)進行通信，完成視覺測量定位、標牌制作。圖6為自動焊接流程。

圖5 控制系統(tǒng)組成Fig.5 Composition of control system

圖6 自動焊接流程Fig.6 Flow of automatic welding process

PLC作為下位機，負責控制焊釘供料系統(tǒng)、末端操作器抓取焊釘、吸取標牌及焊機的開關(guān)等工作。此系統(tǒng)選擇了西門子S7-200 SMART ST60，其CPU模塊自帶以太網(wǎng)接口，可以方便地通過交換機連接以太網(wǎng)與工控機進行通信，實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸。該型號PLC具有36個輸入端口和24個輸出端口，能夠滿足系統(tǒng)的輸入輸出端口需求。

在PLC系統(tǒng)硬件組成中，按照焊接動作流程，根據(jù)控制要求，確定I/O點數(shù)分別為13個和12個，給出相應(yīng)的PLC輸入/輸出端口的地址號和功能說明，確定控制系統(tǒng)的I/O點分配，為編制PLC程序和設(shè)計I/O硬件接線圖提供依據(jù)，如表1所示。

表1 PLC的 I/O口分配Tab.1 I/O allocation of PLC

在焊接過程中，工控機與PLC交互信息，調(diào)用PLC子程序來完成不同階段的任務(wù)，主要子程序如下：

子程序1：準備焊釘子程序。PLC的Q0.1輸出高電平信號，送釘?shù)幕_氣缸打開，允許直振導軌上的焊釘進入龍門口；當一顆焊釘觸發(fā)龍門口的光電傳感器時，滑臺氣缸下落關(guān)閉，同時手指氣缸夾緊焊釘下端，延時0.5 s后，再由無桿氣缸將手指氣缸及焊釘推到指定位置。

子程序2：夾取焊釘子程序。焊釘?shù)竭_夾取位置，PLC的I2.1收到高電平信號，末端操作器到達取釘位置，Q0.4輸出高電平信號，末端操作器的夾釘氣缸夾緊焊釘上端，觸發(fā)上面的磁傳感器后，送釘機構(gòu)的手指氣缸松開；同時，送釘機構(gòu)的無桿氣缸收回。

子程序3：吸取標牌子程序。標牌滑落到位光電傳感器被觸發(fā)時，PLC的I2.2收到高電平信號，末端操作器到達取牌位置，Q0.3輸出高電平信號，真空吸盤工作，吸住標牌。

子程序4：焊機啟動子程序。末端操作器到達焊接點，Q0.6輸出高電平信號，觸發(fā)焊機的輸出繼電器置位，進行焊接；延時1 s后，末端操作器夾釘氣缸松開。

子程序5：掰釘子程序。焊接完成后，PLC的Q0.5輸出高電平信號，末端操作器上的掰釘套筒氣缸伸出，掰釘套筒套住焊釘尾部；機器人帶動末端操作器左右擺動幾次，將焊釘尾部掰斷。

子程序6：整體復位，所有氣缸類元件復位。復位按鈕被按下，PLC的I0.0收到高電平信號，所有的繼電器輸出點全部復位，接線安裝的時候保證全部的復位點就是初始點。

4 樣機試驗結(jié)果

目前已完成初步樣機(見圖7)，試運行結(jié)果顯示標牌焊接牢固、機器人系統(tǒng)運行穩(wěn)定，標牌信息準確率達到100%，且焊接位置中心偏差在3 mm以內(nèi)，單捆棒材標牌焊接周期18.33 s，滿足標牌焊接的時間要求。

圖7 樣機Fig.7 Prototype

5 結(jié)束語

基于雙目視覺定位引導，結(jié)合工控機與PLC控制，應(yīng)用埃夫特六自由度工業(yè)機器人，開發(fā)了成捆圓鋼端面標牌自動焊接系統(tǒng)，實現(xiàn)了標牌制備、焊釘供料、機器人定位引導、焊釘焊接等自動化流程，提高了工作效率，改善了工人工作條件，并完善了鋼鐵企業(yè)信息化、智能化生產(chǎn)。