冷軋成品機組三合一全自動機器人研發(fā)與實踐

曹凱¹  鄭昊¹  柳軍¹  李婷²  李志鋒²

（1. 鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山 114021；

2. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009）

摘要: 針對由人工擔任冷軋各成品機組出口處鋼卷套筒和貼標簽工作, 存在勞動強度較大、工作效率較低以及危害風險較高等難題，采用系統(tǒng)集成技術研發(fā)了一款三合一全自動機器人系統(tǒng)代替人工從事的搬運套筒、鋼卷貼膠帶、鋼卷貼標簽等工作。通過現場運行表明, 整套系統(tǒng)設計合理、工作穩(wěn)定可靠。該機器人自動紙?zhí)淄蚕到y(tǒng)可廣泛應用于各出口機組打包工序上。

關鍵詞: 三合一全自動工業(yè)機器人；紙筒輸送裝置；視覺識別系統(tǒng)

按照，2021年中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會圍繞行業(yè)數字化轉型持續(xù)開展工作，據鋼協(xié)統(tǒng)計，截至2021年11月底，國內已有約80%的鋼鐵企業(yè)在推進智能制造，數字化轉型成效初顯。隨著科學技術的發(fā)展，工業(yè)機器人技術的應用變得越來越廣泛，尤其是在切割、搬運、碼垛、焊接、噴涂等方面應用較多^[1-3]。在中國制造 2025 方針的推動下^[4-6]，努力消除我國鋼鐵行業(yè)工業(yè)機器人技術應用存在的短板問題，有必要開發(fā)應用于鋼鐵行業(yè)惡劣環(huán)境下的工業(yè)機器人自動化系統(tǒng)。

由于成品下線機組出口處人工搬運套筒、人工套筒時存在勞動強度較大、工作效率較低以及危害風險較高等難題，在滿足成品下線機組出口處鋼卷打包工藝的前提下, 采用系統(tǒng)集成技術設計了三合一全自動機器人系統(tǒng)代替人工從事的搬運套筒、鋼卷貼膠帶、鋼卷貼標簽等工作，并開展了現場運行實踐，本文對此做一介紹。

1 鋼卷套筒現場工藝

1.1 工藝參數  

卷取機上鋼卷下料至移動小車，小車將鋼卷輸送到鞍座位置，紙筒搬運裝置接收到上紙筒命令，到鋼卷下料移動到天車吊卷位置貼標完成為止，要滿足出口鋼卷下線速度，保證機組連續(xù)生產要求。時間控制滿足工藝要求。

1.2 鋼卷套筒系統(tǒng)原工藝流程

天車將紙筒吊到指定位置，人工將紙筒搬運到手動上料架上，在由人工推送紙筒到芯軸上。鋼卷下料后需要人工打印標簽，再去貼標簽。人工粘膠帶需要事先準備好長膠帶，在由工人去鋼卷側面把鋼卷帶頭找出，并粘貼牢固。原有貼標方式存在貼標不及時，或人工打印標簽有誤等現象。

2 基于視覺的三合一全自動工業(yè)機器人

為了解決原鋼卷套筒系統(tǒng)存在的問題，開展了基于視覺的三合一全自動工業(yè)機器人研發(fā)。

2.1  設備布局

基于視覺的三合一全自動工業(yè)機器人機器人系統(tǒng)包括機器人控制柜和紙?zhí)淄才_架以及安全圍欄等防護設備，主要布局如圖1所示。

圖1  設備布局示意圖

2.2  系統(tǒng)配置

該系統(tǒng)主要包括以下設備：工業(yè)機器人、行走機構、紙筒搬運抓手和輸送裝置、粘膠帶裝置、標簽打印和貼標裝置、視覺識別系統(tǒng)和PLC控制柜等。

（1）工業(yè)機器人

系統(tǒng)執(zhí)行機構工業(yè)機器人本體如圖2所示，六軸機器人工作參數如表2所示。

圖2  工業(yè)機器人本體

表2  工業(yè)機器人工作參數

機器人控制單元包含電機驅動器、IO單元、通訊模塊等等，并配備一個機器人示教器。                 

（2）行走機構

機器人安裝固定在行走機構上，行走機構通過化學螺栓固定在車間混凝土地面上，行走機構由伺服電機驅動，精準的將機器人輸送到所需位置。

（3）紙筒搬運抓手和輸送裝置

連接于機器人T軸上，配裝ATC，進行機器人抓手快換，搬運裝置用來搬運紙筒并安裝到芯軸上，配有激光測距裝置。

（4）粘膠帶裝置

粘膠帶裝置集成了激光檢測裝置、粘貼膠帶裝置等。激光掃描裝置用于確認鋼卷大小及位置并確認粘膠帶位置。

（5）標簽打印和貼標裝置

標簽打印裝置與現場機組網絡連接，打印出需要的標簽信息。貼標裝置集成了激光檢測裝置、掃碼裝置、貼標組件等。激光掃描裝置用于確認鋼卷大小及位置并確認貼標位置；掃碼裝置用于掃描二維碼確認鋼卷信息；貼標裝置用于完成吸取標簽并且貼到鋼卷指定位置。

（6）視覺識別系統(tǒng)

視覺識別系統(tǒng)，用于識別芯軸上橡膠外圈變形量，通過計算進行上紙筒位置補償。

（7）PLC控制柜

主PLC控制柜，包含PLC主控制單元，輸入輸出模塊，以太網通訊模塊，串口通訊模塊等。

2.3 電氣系統(tǒng)

機器人自動控制系統(tǒng)采用SIEMENS系列的 PLC 為該系統(tǒng)控制器，并采用 Profibus－DP接口方式進行通信，DP 從站有現場 HMI 操作箱、伺服控制器及機器人控制器。整套自動控制 PLC 控制系統(tǒng)采用硬接線 I/O的方式與 L1 服務器進行安全聯(lián)鎖以及搬運機器人、機器人粘膠帶裝置、步進梁小車和機器人貼標系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制。 采用以太網（ETHERNET）、Profinet、TCP/IP通信協(xié)議。設備通過硬線與L1實現通訊，獲取連鎖控制等信息。機器人上位機與三級通訊，機器人PLC根據跟蹤信號向上位機申請數據，獲取卷號等基礎信息上位機將相應的鋼卷數據發(fā)給PLC。

2.4 系統(tǒng)工藝流程設計及控制原理

改進后鋼卷套筒系統(tǒng)工作流程示意圖見圖3。

圖3  改進后鋼卷塔筒系統(tǒng)工藝流程示意圖

該系統(tǒng)的主要功能如下：

(1) 機器人搬運系統(tǒng)收到機組“上料紙筒”信息，搬運抓手對紙筒進行確認并抓取紙筒，搬運抓手對芯軸掃描確認上紙筒位置，通過視覺識別系統(tǒng)對芯軸上橡膠套變形進行位置補償，將紙筒上到指定位置；

(2) 機器人粘膠帶系統(tǒng)收到“鋼卷到位”信號，通過激光掃描裝置確認鋼卷直徑和帶頭位置，精確計算出預先設定粘膠帶位置，并準確的將膠帶粘到設定位置，并粘貼牢固;

(3) 步進梁小車收到“膠帶粘貼完成”信號，將鋼卷從鞍座輸送到天車吊卷鞍座工位；

(4) 機器人貼標系統(tǒng)收到鋼卷到位”信號，機器人帶著貼標裝置移動到指定貼標位置，下壓將標簽粘貼。

(5) 掃碼裝置拍照檢驗，判斷標簽是否有效，如無效報警提示操作人員。

在輸送裝置中，天車將紙筒存放至緩存輸送線上，緩存區(qū)可以存放紙筒；紙筒輸送和提升系統(tǒng)將紙筒輸送到機器人搬運位置，并進行對中定位；當卷取機上的鋼卷下線，機器人搬運系統(tǒng)收到機組“上料紙筒”信息，搬運抓手對紙筒進行確認并抓取紙筒，搬運抓手對芯軸掃描確認上紙筒位置，通過視覺識別系統(tǒng)識別芯軸上橡膠外圈變形量，通過計算進行上紙筒位置補償；搬運機器人確認好芯軸位置，將紙筒上到指定位置后撤回到原始位置，并發(fā)送“上料完成”信號給機組。

卷取機上鋼卷下料至移動小車，小車將鋼卷輸送到鞍座位置，并發(fā)送“鋼卷到位”信號到機器人粘膠帶系統(tǒng)；粘膠帶裝置集成了激光檢測裝置、粘貼膠帶裝置等。激光掃描裝置用于確認鋼卷大小及位置并確認粘膠帶位置，通過激光掃描裝置確認鋼卷直徑和帶頭位置，精確計算出預先設定粘膠帶位置，并準確的將膠帶粘到設定位置，并粘貼牢固；機器人粘膠帶裝置完成膠帶設定位置粘膠帶動作后，機器人回原位，并發(fā)送“膠帶粘貼完成”信號給步進梁小車信號，步進梁小車將鋼卷從鞍座輸送到天車吊卷鞍座工位。

鋼卷輸送到指定鞍座后，發(fā)送“鋼卷到位”信號給機器人貼標系統(tǒng)；貼標機PLC訪問讀取三級系統(tǒng)（L3）數據庫的鋼卷信息后，打印機出標簽；機器人向打印機運動并吸取標簽；機器人帶著貼標裝置移動到指定貼標位置，下壓將標簽粘貼；貼標簽機器人配置視覺定位系統(tǒng)及標簽識別系統(tǒng)能夠自動識別鋼卷上的最佳貼標簽位置，引導機器人自動進行標簽粘貼。保存拍照內容，原始數據可追溯。通過掃描標簽上的二維碼信息，復核標簽準確性：確認標簽已可靠粘貼在捆帶上，且標簽信息與鋼卷信息一致。判斷標簽是否有效，如無效報警提示操作人員；標簽貼完后，機器人回到原位等待，步進梁解鎖，可以動作；依次循環(huán)。

3 實施效果

基于視覺的三合一全自動工業(yè)機器人現場運行結果表明，所設計的機器人搬運系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)、機器人粘膠帶系統(tǒng)和機器人貼標系統(tǒng)，實現了對實現鋼卷自動換紙筒粘膠帶貼標簽功能，不僅降低了工人的勞動強度、提高了工作效率，而且降低了工人的危害風險。該系統(tǒng)周期內無故障率99.8%以上，日歷作業(yè)率大于80%，工作周期能夠滿足生產節(jié)奏要求，達到了預期的效果，貼標成功率、上紙筒成功率和標簽信息準確率99%。

4 結論

采用工業(yè)機器人集成技術，所研發(fā)的基于視覺的三合一全自動工業(yè)機器人的開發(fā)和應用代替人工從事鋼卷換紙筒、粘膠帶、貼標簽等工作，從而降低了工人的勞動強度、提高了工作效率，而且避免了現場作業(yè)環(huán)境空間狹小，存在一定的安全隱患，甚至是鋼卷的松動對操作工造成的危害風險。該三合一全自動工業(yè)機器人可以廣泛應用于成品下線工序上，同時能夠對工業(yè)機器人的應用開發(fā)起指導和參考作用。

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