全自動(dòng)激光打標(biāo)焊牌機(jī)器人在方坯連鑄機(jī)上的應(yīng)用

徐林林，戴本俊，尹 平，陳中凱，葉 飛

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

隨著我國(guó)智能制造、信息技術(shù)水平的明顯提升，為促進(jìn)制造場(chǎng)景與智能技術(shù)的深度融合，國(guó)內(nèi)眾多冶金企業(yè)開始實(shí)施機(jī)器人代人作業(yè)［1］。加速工業(yè)機(jī)器人上崗，打造極致少人化、無(wú)人化現(xiàn)場(chǎng)，革新生產(chǎn)作業(yè)方式，邁向以“三跨融合”為特征的智慧制造2.0 企業(yè)［2］。同時(shí)推進(jìn)安全生產(chǎn)“鑄安”行動(dòng)常態(tài)化、實(shí)效化，踐行“生命至上，安全第一”的安全管理理念［3］，避免現(xiàn)場(chǎng)高危險(xiǎn)源崗位對(duì)人的潛在危害，提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。高溫連鑄坯的標(biāo)識(shí)作業(yè)就是典型的高危險(xiǎn)源崗位，人工標(biāo)識(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)危險(xiǎn)屬性高，且容易出現(xiàn)漏標(biāo)識(shí)、錯(cuò)標(biāo)識(shí)等問題［4-5］。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)高溫連鑄坯的在線標(biāo)識(shí)，主流方式還是采用噴號(hào)標(biāo)識(shí)，早些年部分連鑄機(jī)使用鋼印標(biāo)識(shí)，辨識(shí)度低、成本高，逐漸被后來(lái)的占主流的噴號(hào)方式代替［6］。噴號(hào)標(biāo)識(shí)方式又有噴涂料以及電弧焊絲噴號(hào)等幾種類型，均不同程度存在噴頭易堵塞、因氧化皮脫落影響標(biāo)識(shí)完整性等問題，無(wú)法完全滿足鋼鐵企業(yè)對(duì)熱鑄坯全流程自動(dòng)化信息準(zhǔn)確跟蹤、質(zhì)量溯源自動(dòng)識(shí)別信息的需求。

某特鋼公司新建的大方坯連鑄機(jī)，主要生產(chǎn)250 mm×250 mm、380 mm×450 mm 兩種鑄坯斷面，連鑄坯在吊離冷床前，應(yīng)用全自動(dòng)、高可靠性的鑄坯在線激光打印焊接標(biāo)識(shí)機(jī)器人，對(duì)連鑄坯的信息化數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量異常進(jìn)行溯源，實(shí)現(xiàn)連鑄坯入緩冷坑、熱送進(jìn)加熱爐等全流程物流信息跟蹤，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化操作，取得了更好的效果。

1 工藝技術(shù)需求分析

某特鋼公司新建的大方坯連鑄機(jī)，是利用現(xiàn)有廠房空間實(shí)施的改造項(xiàng)目，設(shè)計(jì)之初就存在連鑄機(jī)工藝設(shè)備布置緊湊、出坯輥道較短、只占有1 跨空間、拉速較快以及出坯周期時(shí)間短等特點(diǎn)。連鑄機(jī)出坯區(qū)域設(shè)置有2 套冷床，其中1#冷床用于紅坯熱送進(jìn)加熱爐，2#冷床布置在另外一跨，熱坯經(jīng)熱送過跨輥道進(jìn)緩冷坑。250 mm×250 mm 小斷面采取雙坯輸送，380 mm×450 mm 大斷面采用單坯輸送。為實(shí)現(xiàn)熱坯標(biāo)識(shí)的物流信息化、自動(dòng)化、無(wú)人化程度，工藝技術(shù)需求如下。

（1）采用2 套焊牌機(jī)器人，分別用來(lái)標(biāo)識(shí)2 個(gè)冷床出坯方向的熱鑄坯。

（2）標(biāo)牌焊接位置布置在大方坯的端面位置。

（3）標(biāo)識(shí)信息格式為：爐號(hào)+流號(hào)+坯號(hào)+鋼種，字符數(shù)30個(gè)左右。

（4）標(biāo)識(shí)字符按工藝需求設(shè)置，由數(shù)字、字母、漢字、二維碼或條形碼組成。

（5）標(biāo)識(shí)周期小于30 s，從焊標(biāo)啟動(dòng)到完成為1個(gè)時(shí)間周期。

（6）標(biāo)識(shí)耐溫大于800 ℃。

（7）標(biāo)牌料倉(cāng)容量應(yīng)滿足連續(xù)工作8 h 的需求量。

2 現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備布置

由于連鑄機(jī)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置空間限制以及出坯周期時(shí)間短的特點(diǎn)，對(duì)鑄坯焊牌標(biāo)識(shí)的周期時(shí)間有嚴(yán)格的上限限制，必須對(duì)焊牌機(jī)器人的布置充分論證，保證標(biāo)識(shí)操作不影響生產(chǎn)效率。2 套機(jī)器人鑄坯自動(dòng)焊牌系統(tǒng)分別安裝在熱送輥道邊部及1#冷床中部區(qū)域，對(duì)鋼坯進(jìn)行焊掛標(biāo)牌標(biāo)識(shí)，完全滿足了對(duì)空間及周期的要求。

3 激光焊牌系統(tǒng)主要設(shè)備組成

激光打標(biāo)焊牌系統(tǒng)主要有六自由度工業(yè)機(jī)器人、標(biāo)牌打印系統(tǒng)、標(biāo)牌整理取牌系統(tǒng)、自動(dòng)送釘系統(tǒng)、自動(dòng)焊牌系統(tǒng)、焊牌自動(dòng)定位系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、操作控制HMI 軟件系統(tǒng)及控制柜、設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置隔熱輔助裝置等部件組成，實(shí)現(xiàn)激光打印、自動(dòng)取牌、自動(dòng)焊牌和信息確認(rèn)的全自動(dòng)過程。

3.1 六自由度機(jī)器人

主體設(shè)備支撐系統(tǒng)采用ABB 六自由度工業(yè)機(jī)器人作為平臺(tái)載體，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際空間布置情況，考慮單根焊牌和雙根焊牌同時(shí)出現(xiàn)的情況，以及鑄坯高溫的工作環(huán)境，并考慮對(duì)熱敏感性較強(qiáng)的電氣元器件的影響，選用ABB IRB4600-40∕2.55 型工業(yè)機(jī)器人，最遠(yuǎn)作用距離達(dá)2.55 m，本體有效遠(yuǎn)離高溫?zé)崤鞯臒彷椛洌行ж?fù)載40 kg，重復(fù)定位精度達(dá)到0.10 mm，最高IP67 防護(hù)等級(jí)，最大限度保證焊牌系統(tǒng)工作可靠性。

3.2 標(biāo)牌打標(biāo)系統(tǒng)

標(biāo)牌打標(biāo)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)金屬基牌的取牌、輸牌及激光雕刻打印信息的過程。標(biāo)牌打標(biāo)系統(tǒng)根據(jù)連鑄機(jī)控制系統(tǒng)傳輸?shù)蔫T坯信息數(shù)據(jù)，通過激光打標(biāo)機(jī)，在金屬標(biāo)牌上雕刻好設(shè)定的二維碼及參數(shù)信息，標(biāo)牌整理定位機(jī)構(gòu)將打印好的標(biāo)牌定好位，對(duì)已打印好的標(biāo)牌進(jìn)行圖像識(shí)別，判斷打印內(nèi)容是否正確。激光打標(biāo)系統(tǒng)包含激光打標(biāo)機(jī)及標(biāo)牌送料機(jī)構(gòu)兩大部分，其中標(biāo)牌送料機(jī)構(gòu)包含標(biāo)牌存儲(chǔ)箱、標(biāo)牌輸送模組和標(biāo)牌上料部件等。

3.3 自動(dòng)送釘系統(tǒng)

自動(dòng)送釘系統(tǒng)用來(lái)將焊釘料倉(cāng)中的小焊釘自動(dòng)按照設(shè)定的流程進(jìn)行搓釘，并將焊釘送至機(jī)械手取釘位置，主要包含搓釘定位機(jī)構(gòu)、直振平送機(jī)構(gòu)、搓釘氣缸機(jī)構(gòu)以及焊釘料倉(cāng)等功能部件，自動(dòng)完成輸送焊釘?shù)街付ㄈ♂斘恢玫膭?dòng)作過程。

3.4 自動(dòng)標(biāo)牌定位及焊牌系統(tǒng)

安裝在機(jī)械手前端的工業(yè)相機(jī)對(duì)高溫連鑄機(jī)的端面進(jìn)行拍照定位，檢測(cè)識(shí)別端面位置，識(shí)別出標(biāo)牌的焊接位置，機(jī)器人自動(dòng)焊牌系統(tǒng)將焊槍上的焊釘穿過標(biāo)牌孔，并通過工裝夾具取起標(biāo)牌，六軸協(xié)同運(yùn)動(dòng)使標(biāo)牌及焊釘接觸到鋼坯表面，焊槍頭部傳感器檢測(cè)到接觸鋼坯端面后，系統(tǒng)發(fā)出焊接指令，焊機(jī)焊接完成，然后對(duì)標(biāo)牌上的二維碼進(jìn)行圖像識(shí)別并記錄。

3.5 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)包含電氣控制柜、機(jī)器人控制器、送釘系統(tǒng)控制模塊、標(biāo)牌整理定位驅(qū)動(dòng)模塊、輸入輸出模塊、電源模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊模塊等，控制原理示意圖如圖1 所示。系統(tǒng)操作軟件設(shè)計(jì)友好，操作簡(jiǎn)單，方便生產(chǎn)操作人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，自動(dòng)接收連鑄機(jī)二、三級(jí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或人工輸入數(shù)據(jù)后進(jìn)行標(biāo)識(shí)打印，具備人工數(shù)據(jù)錄入或者聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)取數(shù)的方式供用戶選擇，具備自動(dòng)檢測(cè)與報(bào)警功能，打印數(shù)據(jù)記錄與查詢及報(bào)表功能。

圖1 焊標(biāo)機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)原理示意圖

3.6 安全、隔熱輔助裝置

連鑄機(jī)出坯區(qū)域工作環(huán)境苛刻，存在高溫?zé)彷椛洌笜?biāo)位置的鑄坯溫度仍然有700～850 ℃，機(jī)器人周圍配置有隔熱護(hù)板，同時(shí)機(jī)器人自動(dòng)化程度較高，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作及維護(hù)人員起到安全防護(hù)作用。焊標(biāo)機(jī)器人本體及附屬電氣元件、電纜等的熱防護(hù)措施必須設(shè)計(jì)完善，工作期間必須安全門聯(lián)鎖，防止安全事故發(fā)生，主要包括安全防護(hù)欄、隔熱板、電子安全門禁及壓縮空氣冷卻管路等輔助設(shè)施。

4 應(yīng)用效果

某特鋼公司方坯連鑄焊標(biāo)機(jī)器人自2020 年4月熱試投產(chǎn)以來(lái)，激光打印焊標(biāo)機(jī)器人使用過程暴露出一些問題，應(yīng)用初期焊標(biāo)合格率僅85%～90%（焊標(biāo)合格率=成功打印焊接的連鑄坯支數(shù)÷連鑄坯總支數(shù)×100%）。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)摸索與分析，焊標(biāo)合格率偏低的主要原因是系統(tǒng)相關(guān)外圍因素波動(dòng)，如壓縮空氣供氣壓力在生產(chǎn)期間有波動(dòng)導(dǎo)致聯(lián)鎖不動(dòng)作；參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、焊牌采購(gòu)質(zhì)量不同批次有質(zhì)量波動(dòng)導(dǎo)致焊標(biāo)效果不良；焊釘里面有異形釘導(dǎo)致頻繁卡釘?shù)龋绊懥饲捌谠戮笜?biāo)合格率的提升。經(jīng)過一年多的摸索與實(shí)踐，解決了各外圍因素的影響，改善了焊標(biāo)合格率，經(jīng)統(tǒng)計(jì)18 個(gè)月的使用數(shù)據(jù)，改善趨勢(shì)如圖2所示，焊標(biāo)合格率基本穩(wěn)定在99%以上，焊標(biāo)焊接牢固無(wú)脫落，激光打印信息符號(hào)及二維碼清晰度如圖3 所示，鑄坯后期入加熱爐前標(biāo)識(shí)識(shí)別率100%，滿足了連鑄高溫?zé)徼T坯的在線標(biāo)識(shí)、信息識(shí)別和溯源的要求。

圖2 方坯連鑄機(jī)月平均焊標(biāo)合格率趨勢(shì)圖

圖3 自動(dòng)焊牌作業(yè)與焊牌效果

5 結(jié)束語(yǔ)

大方坯連鑄機(jī)配套機(jī)器人自動(dòng)激光打標(biāo)焊牌系統(tǒng)，配合耐高溫金屬標(biāo)簽以及工業(yè)掃碼儀器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高溫連鑄坯的冷床出坯焊牌標(biāo)識(shí)及熱送入爐前的識(shí)別追溯、入緩冷坑鑄坯的成品識(shí)別，使用近2年來(lái)系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了不漏標(biāo)、錯(cuò)標(biāo)，達(dá)到了99%以上的焊標(biāo)合格率。鑄坯成品質(zhì)檢人員使用專業(yè)掃碼儀器，對(duì)連鑄坯數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、復(fù)核，實(shí)現(xiàn)了連鑄坯的全流程信息跟蹤，設(shè)備運(yùn)行可靠性高，維護(hù)量小，顯著降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了連鑄生產(chǎn)信息化、高效化、無(wú)人化程度，踐行了鋼鐵企業(yè)綠色發(fā)展、智慧制造的發(fā)展理念。