工業機器人在冷軋產線的應用實踐

李鵬飛，李子鵬

（1.唐鋼鋼鐵集團高強汽車板有限公司，河北 唐山 063000；2.唐山鋼鐵集團質量管理部，河北 唐山 063000）

1 工業機器人實施背景

2016 年6 月，中國工業和信息化部授予河鋼唐鋼為智能制造試點示范工廠，同年7 月，河鋼唐鋼獲得國家兩化融合管理體系評定證書。同年12 月，河鋼唐鋼與SIEMENS、PRIMETALS 公司簽署智能制造全面戰略合作協議，進一步深化在智能制造方面的緊密合作，攜手打造河鋼唐鋼“工業4.0”智能工廠（高強汽車板公司）的樣板，在深入推進智能制造的過程中，工業機器人替代方面高強汽車板公司進行了有益的實踐。

2 工業機器人實施的具體方法

在產線自動化基礎上應用了入口拆捆帶機器人、出口打捆機器人、撈渣機器人、入口鋼卷端面檢測機器人等工業機器人，進一步提升了勞動效率，降低了安全風險，減少了生產成本。

2.1 拆捆帶機器人、出口打捆機器人

1）拆捆帶機器人。鋼卷被無人天車吊運到產線入口鞍座后，地輥轉動帶動鋼卷轉動，此時，拆捆帶機器人自動尋找鋼卷外圈的帶尾，通過轉動角度和鋼卷直徑的計算，確保在地輥停止轉動時將帶尾壓在地輥上，然后機器人自動識別鋼卷周向捆帶的位置并自動拆除捆帶，之后收集拆除的捆帶到指定位置進行切碎和歸置。

2）出口打捆機器人。鋼卷經產線出口稱重位后，通過步進梁運動進入打捆鞍座，打捆機器人識別鋼卷位置后伸出作業臂進行打捆和鎖扣，打捆機器人的應用節約了人力，減少了打包帶浪費。

2.2 自動標簽打印機

鋼卷在出口經過稱重位后，MES 集成步進梁跟蹤信息，將卷號、規格、鋼種、標準、凈重毛重、日期班組、表面處理等信息發送至打印機，觸發自動打印程序，自動打印標簽。通過將標簽機與MES 系統連通，將步進梁跟蹤信息同步至標簽機，實現標簽自動打印，提高了標簽信息準確率，降低了人力占用。

2.3 撈渣機器人

在鋅鍋區域爐鼻子后應用自動撈渣機器人，主要包括機械手臂系統、PLC 主控柜、撈渣工具、渣料斗等，撈渣工具采用兩段式，上端與法蘭盤連接，各工具相同，下部為工具部分，工具為易損件，為方便更換，兩端內采用螺栓連接。自動撈渣機器人有本地和遠程兩種操作模式，采用1 臺ABB IRB 6700-200/2.6 機器人作為撈渣執行機構，伸出機械臂，帶動撈渣勺緩慢浸入鋅液內，緩慢扒渣后再浮出液面并停留20 s，可實現自動撈渣、過濾并倒渣到指定的渣斗內，同時還具有自動洗勺功能，完全勝任一個撈渣作業人員的工作，為避免機器人作業過程中出現傷人的風險，在鋅鍋區域增加了欄桿防護設備和開關欄桿與機器人啟動停止動作的安全聯鎖裝置，確保機器人能安全、高強地為生產服務。應用自動撈渣機器人后，鋅鍋液位波動更加平穩，高等級產品表面質量明顯改善，利于實現撈渣標準化作業，大幅提升產線智能化程度[1]。

2.4 入口鋼卷端面質量檢測機器人

為保證后續連退、鍍鋅產線的連續穩定生產，杜絕裂邊、松圈等缺陷對后工序的影響，需對產線入口步進梁上的來料卷進行表面檢查，目前大多采用人工排查的方式進行檢測，而且肉眼觀察存在一定主觀性，很難實現長時間的在線精確檢測，對缺陷進行人工檢測已不能適應發展需求[2]。

入口鋼卷端面質量檢測機器人利用工業相機對鋼卷兩側端面進行圖像采集，校正對比度變化和表面特征，根據數據庫內缺陷規則判定合格與否，對于不合格品，機器人將處理后的圖像同步到控制界面，由控制端操作人員決定是否甩卷。在此基礎上，延伸開發了帶鋼表面清潔度實時智能判定系統，實現了點式、線式結果連續顯示、歷史數據保存功能，能夠實時準確檢測殘油殘鐵，為清洗段參數調整提供參考。

2.5 無人天車

科學的庫房管理能為經濟效益注入新的活力，庫區鋼卷智能調度已成為新的發展需求，傳統模式中操作工長期暴露在危險環境中、天車利用率低且動作不平穩、協調困難等已嚴重阻礙效益提升，建立具有自主知識產權的天車無人化及庫房智能調度系統將有效解決存在的問題。

方法是通過統一調度實現庫區天車的自動協同作業，控制系統分為基礎層、執行層、命令層、任務層、計劃層，對應五級控制模塊分別是A 模塊、WMS 系統、一級PLC、傳動設備、傳感器與儀表（見圖1），通過層級間雙向數據實時通訊，對庫內鋼卷調度有機統一管理與執行。

圖1 庫區天車的自動協同作業圖

多部天車自動協同調度模塊簡稱A 模塊，作用是進行計劃分配，接收三級系統計劃序列按順序形成工單，并將工單下發至WMS 系統，具體的任務執行可分為：預約計算、分配天車、工單調整、雙向數據通訊、車輛識別、自動備料上料共計6 個具體功能。

車輛跟蹤是對所有進出廠區的運輸車輛進行詳細路由跟蹤，通過信息共享，將裝卸鋼卷的車輛信息進行采集識別，生成車輛跟蹤信息匯總，建立車輛跟蹤情報單。

天車分配是對同一作業區域內的天車劃分工作任務，若多部天車滿足工作任務，則按主次優先級分配天車。

工單調整根據實際需求動態調整天車工作任務，所有天車受其管理和約束。

預約計算核心是庫位碼放規則，即同一生產訂單統一碼放，同一生產規格統一碼放，優先空庫位碼放，新生產鋼卷不能壓在老鋼卷上，就近原則碼放。

WMS 系統是將天車工作任務進行具體分解的單元，它將多部天車的控制任務分解為一級能夠識別并執行的單部天車控制任務，同時解決多部天車運行中可能出現的避讓問題,WMS 系統具有實施控制、工單分解、庫位轉換、天車主次判定、鋼卷宏跟蹤等功能。

實施控制是WMS 系統的核心部分，WMS 系統啟動后，實施控制首先確認WMS 系統系統狀態，然后通過雙向通訊獲取A 模塊工單計劃，經過庫位轉換、天車主次判定、設備控制等模塊具體分解到一級PLC，形成單一天車的工作任務，并從一級PLC 接收天車狀態反饋。

一級基礎自動控制系統采用模塊化組織架構，實現設備控制、設備狀態檢測、以太網通訊、DP 網通訊等。采用多種傳感器反饋信號共同確認天車夾鉗是否夾緊、有無負載、是否對中三項關鍵數據，因故障因素影響到天車運行時會觸發相應程序自動中斷天車動作，系統大量應用無線技術，有效提升了信號及時性、有效性。

天車動作控制是以庫區端點為坐標原點建立平面坐標系，定義庫位坐標和天車運行前后左右方向，通過激光測距實時定位天車位置并計算到達目標位的剩余距離，根據加速、勻速、減速過程分配天車運行速度；天車吊卷或放卷時，實時跟蹤主鉤高度、夾鉗高度，最終實現在天車移動過程中主鉤擺角0.5°以內的前提下將生產效率最大化。

3 工業機器人應用擴展

3.1 出口取樣機器人

鋼卷產出后需要對鋼卷表面在特性參數、物理性能參數進行表征，需要進行抽樣檢驗，因此必須對產線每個鋼卷帶頭、帶尾或帶中取樣，根據不同要求，對取樣位置和樣板數量有所區別。目前在取樣過程中，線上自動剪切的樣板需要人工搬運至樣板車上，人工打印并貼樣板標簽，此項工作體力勞動大且樣板信息容易混淆，需要應用取樣板機器人，實現取樣板、樣板標識全自動化，剪切后的樣板自動識別、貼標簽、歸類放置并利用二維碼實現可追溯，出口取樣機器人的應用將大大減輕質檢人員勞動負荷，消除作業安全風險，目前正在前期準備工作。

3.2 出口貼標簽機器人

機組連續產出，鋼卷通過步進梁跟蹤、焊縫跟蹤等方式與MES 等系統軟件進行匹配，MES 系統與自動標簽程序配合實現了鋼卷稱重后的自動打標簽，之后由作業人員將標簽貼到步進梁鋼卷上，非常容易出錯，尤其是當產線提速時會出現連續多個鋼卷集中貼錯標簽的情況，信息出錯的鋼卷會導致物流混亂，甚至發錯用戶，后果很嚴重。出口貼標簽機器人應用后，將根據接收到的鋼卷信息自動打印基礎上張貼在鋼卷卷芯和外圈的指定位置，避免了標簽貼錯的情況，有利于標簽標準化作業，目前已在酸軋機組實現出口自動貼簽，自動貼簽系統對類似條件下使用機械臂代替人工作業具有借鑒意義，后續產線將持續推進項目落地。

4 結語

工業機器人的應用提高了工作效率，減少了人力成本，增加安全系統，提升質量控制系統的能力，而且能夠縮短生產準備周期和改善勞動條件。