應(yīng)用于冷軋機(jī)組入口雙通道的全自動(dòng)機(jī)器人拆捆設(shè)備開(kāi)發(fā)與研究

盧華陽(yáng)

（上海寶信軟件股份有限公司，上海201900）

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)六軸機(jī)器人在鋼鐵企業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越多。由于靈活性與可靠性高，工業(yè)六軸機(jī)器人可以代替人在鋼鐵企業(yè)很多高溫、高粉塵及安全風(fēng)險(xiǎn)高的惡劣環(huán)境下作業(yè)，避免了現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)源對(duì)人體的傷害，同時(shí)還可以提高勞動(dòng)效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)六軸機(jī)器人在鋼廠很多區(qū)域已經(jīng)有很好的應(yīng)用，例如在煉鋼區(qū)域采用機(jī)器人加渣裝置自動(dòng)將保護(hù)渣均勻地散布到連鑄結(jié)晶器內(nèi)，熱軋區(qū)域采用機(jī)器人攜帶噴號(hào)設(shè)備，在高溫鋼卷的端面上噴寫鋼卷數(shù)據(jù)信息，冷軋區(qū)域鍍鋅機(jī)組采用撈渣機(jī)器人自動(dòng)清除鋅鍋表面浮渣，磨輥車間應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行軋輥上下料等等[1-6]。

在冷熱軋、硅鋼、不銹鋼等生產(chǎn)機(jī)組入口區(qū)域，來(lái)料鋼卷在上開(kāi)卷機(jī)前要先拆除捆扎在鋼卷上的鋼捆帶。目前國(guó)內(nèi)很多鋼鐵企業(yè)仍然是人工拆除捆帶，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率較低，存在捆帶彈出、帶鋼劃傷等安全風(fēng)險(xiǎn)，且剪斷的捆帶也不易于收集。此外，還有部分企業(yè)使用傳統(tǒng)機(jī)械式拆捆設(shè)備，則存在功能單一且不夠靈活等缺點(diǎn)，尤其是當(dāng)機(jī)組入口是雙通道上卷時(shí)，往往需要兩套拆捆設(shè)備。

本文根據(jù)某冷軋機(jī)組入口現(xiàn)場(chǎng)工藝要求，開(kāi)發(fā)與研究全自動(dòng)機(jī)器人拆捆帶設(shè)備，利用工業(yè)六軸機(jī)器人的特點(diǎn)，通過(guò)增加移動(dòng)第7軸，可方便地對(duì)兩個(gè)通道上的鋼卷進(jìn)行拆捆，實(shí)現(xiàn)鋼卷帶頭定位，并自動(dòng)收集拆除后的廢捆帶，總投資成本較低。

1 拆捆工藝分析

1.1 工藝參數(shù)

某冷軋機(jī)組入口為雙通道開(kāi)卷，鋼卷為臥卷，卷芯朝向與運(yùn)行方向平行，開(kāi)卷方向?yàn)轫槙r(shí)針（運(yùn)行方向看），外徑范圍1 000～2 200 mm，帶鋼寬度900～1 700 mm，帶鋼厚度0.5～2.3 mm，機(jī)組上卷速度為最小5 min/卷。每個(gè)通道有4個(gè)工位，其中1#～2#鞍座為天車上卷工位，3#地輥為拆捆工位。鋼卷捆帶參數(shù)如表1所示，入口打捆帶鋼卷示意圖如圖1所示。

1.2 功能需求

自動(dòng)拆捆設(shè)備需能夠分別對(duì)兩個(gè)上卷通道地輥鞍座上的鋼卷進(jìn)行剪捆作業(yè)，且剪斷的捆帶需要進(jìn)行自動(dòng)收集。鋼卷帶頭在上道工序通常定位在7點(diǎn)鐘左右位置（從入口方向看），但整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生偏移甚至將帶頭朝向弄反，所以上卷前需要人工確認(rèn)。因此對(duì)自動(dòng)拆捆設(shè)備的功能需求總結(jié)如下：（1）可拆除兩個(gè)上卷通道地輥工位的鋼卷上的鋼捆帶；（2）可自動(dòng)識(shí)別捆帶數(shù)量并準(zhǔn)確定位捆帶位置；（3）可自動(dòng)識(shí)別鋼卷帶頭位置及判斷帶頭朝向，并控制地輥旋轉(zhuǎn)鋼卷，將帶頭定位在7點(diǎn)鐘位置；（4）可自動(dòng)收集捆帶并方便運(yùn)輸；（5）單個(gè)鋼卷作業(yè)周期小于5 min。

表1 鋼卷捆帶參數(shù)

圖1 入口打捆帶鋼卷示意圖

2 設(shè)備設(shè)計(jì)和控制原理

2.1 方案布置

由于機(jī)組入口為雙通道，采用一套工業(yè)六軸機(jī)器人，通過(guò)在移動(dòng)第7軸導(dǎo)軌上行走，分別對(duì)每一個(gè)通道上的鋼卷進(jìn)行拆捆作業(yè)。入口機(jī)器人自動(dòng)拆捆機(jī)的主要設(shè)備如下：（1）工業(yè)六軸機(jī)器人及控制器；（2）移動(dòng)第7軸導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)；（3）PLC控制系統(tǒng)；（4）捆帶回收裝置；（5）剪捆夾具頭；（6）液壓系統(tǒng)；（7）機(jī)旁操作盤（含觸摸屏）；（8）安全門鎖及報(bào)警燈。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置如圖2所示，移動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)組入口3#工位的中間區(qū)域，機(jī)器人固定在移動(dòng)導(dǎo)軌上，移動(dòng)范圍可以覆蓋1號(hào)通道或2號(hào)通道地輥上鋼卷的拆捆作業(yè)。捆帶回收裝置固定在地面，位于機(jī)器人正前方，便于兩邊的捆帶拆除后放入。機(jī)器人工作區(qū)域用安全護(hù)欄隔離，進(jìn)入護(hù)欄需通過(guò)裝有安全鎖的門，PLC控制柜、機(jī)器人控制器及機(jī)旁操作盤則安裝在安全護(hù)欄外。

2.2 主要設(shè)備

2.2.1 工業(yè)六軸機(jī)器人

由于鋼卷規(guī)格相差大（外徑1 000～2 200 mm，寬度900～1 700 mm），自動(dòng)拆捆設(shè)備工作范圍要大，因此主機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用ABB工業(yè)六軸機(jī)器人IRB6700-150/3.2，手臂臂長(zhǎng)為3.2 m，負(fù)載為150 kg，如圖3所示。

圖2 設(shè)備布置示意圖

圖3 機(jī)器人作業(yè)范圍示意圖

2.2.2 移動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)

機(jī)器人移動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，齒輪齒條傳動(dòng)，通過(guò)化學(xué)螺栓固定在基礎(chǔ)地面上，機(jī)構(gòu)總長(zhǎng)5.2 m，導(dǎo)軌上有固定機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)，移動(dòng)范圍可達(dá)3.6 m，保證機(jī)器人可以移動(dòng)到兩端，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)通道上的鋼卷進(jìn)行拆捆作業(yè)。

2.2.3 剪捆夾具頭

剪捆夾具頭固定在機(jī)器人第6軸法蘭盤上，安裝有一副夾鉗和剪刀，外形如圖4所示。機(jī)器人攜帶剪捆夾具頭可以檢測(cè)鋼卷帶頭和捆帶位置，并壓靠在鋼卷上，先用夾鉗將捆帶鏟起并夾住，再用剪刀將捆帶剪斷，然后夾著捆帶由機(jī)器人移動(dòng)放置在回收裝置內(nèi)。

2.2.4 捆帶收集裝置

捆帶收集裝置可將捆帶卷起并壓縮成型，并自動(dòng)落在廢料斗中，如圖5所示。機(jī)器人將剪斷捆帶之后，將捆帶放置在回收裝置的槽內(nèi)，隨后兩側(cè)氣缸推動(dòng)壓靠裝置前進(jìn)到位，旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)裝置，根據(jù)捆帶的長(zhǎng)度轉(zhuǎn)動(dòng)一定圈數(shù)后停止。上方液壓驅(qū)動(dòng)的壓緊裝置啟動(dòng)，將卷起的捆帶壓緊，并推落至下方廢料斗。

圖4 剪捆夾具頭

圖5 捆帶收集裝置

2.3 電氣設(shè)計(jì)

全自動(dòng)拆捆帶設(shè)備采用西門子S7-300系列PLC為主控制器，內(nèi)部采用Profibus-DP總線進(jìn)行通信，DP子站有現(xiàn)場(chǎng)操作盤、伺服控制器及機(jī)器人控制柜。

全自動(dòng)拆捆設(shè)備PLC系統(tǒng)采用硬線IO的方式與L1進(jìn)行安全聯(lián)鎖以及地輥控制。拆捆機(jī)自動(dòng)運(yùn)行中，當(dāng)檢測(cè)到帶頭時(shí)，通過(guò)L1控制地輥正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，調(diào)整到帶頭被壓住。采用TCP/IP的方式連接到主線L1網(wǎng)絡(luò)，與L1建立通信鏈路，獲取生產(chǎn)鋼卷信息，以便進(jìn)行鋼卷外形尺寸的核對(duì)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

2.4 控制流程

當(dāng)鋼卷到達(dá)某一個(gè)通道3#拆捆工位時(shí)，機(jī)組L1“運(yùn)卷小車鎖住”和“開(kāi)始拆捆”信號(hào)發(fā)送給全自動(dòng)拆捆設(shè)備PLC系統(tǒng)，當(dāng)所有啟動(dòng)條件都滿足時(shí)，設(shè)備啟動(dòng)自動(dòng)拆捆作業(yè)。

機(jī)器人首先從待機(jī)位移動(dòng)到導(dǎo)軌上對(duì)應(yīng)的拆捆位置。隨后機(jī)器人攜帶剪捆夾具頭移動(dòng)到鋼卷正上方，通過(guò)裝置中的激光測(cè)距傳感器檢測(cè)鋼卷的外徑、寬度，并與理論值進(jìn)行復(fù)核，如超過(guò)偏差范圍，則報(bào)警提示。

然后發(fā)送命令讓地輥?lái)槙r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)監(jiān)控鋼卷帶頭，當(dāng)檢測(cè)到帶頭時(shí)，首先判斷是否反向，如果不是，地輥繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的圈數(shù)（通過(guò)卷徑大小計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)到7點(diǎn)鐘方向所需的圈數(shù)），將帶頭調(diào)整到7點(diǎn)鐘位置，正好被鋼卷壓在地輥輥?zhàn)犹帯Ｈ玟摼硇D(zhuǎn)一圈后未檢測(cè)到帶頭，可再旋轉(zhuǎn)一圈，如兩圈內(nèi)未檢測(cè)到帶頭，則報(bào)警提示。

機(jī)器人開(kāi)始檢測(cè)鋼卷周向捆帶的數(shù)量及位置，隨后定位到捆帶位置并拆剪，然后將剪斷的捆帶夾送至回收裝置內(nèi)。啟動(dòng)回收裝置，通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)將捆帶卷曲，并通過(guò)液壓油缸將卷好的捆帶壓縮成型。回收裝置內(nèi)的托舉裝置退回，壓實(shí)的捆帶直接掉落在廢料斗內(nèi)，人工定期清理廢料斗即可。

具體控制流程如圖7所示。

圖7 控制流程圖

3 實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

該機(jī)器人自動(dòng)拆捆設(shè)備設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)完成后，經(jīng)過(guò)所內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間疲勞測(cè)試，隨后安裝到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行一段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了雙通道鋼卷的拆捆、帶頭定位及朝向判斷功能，收集的廢捆帶也便于運(yùn)輸，全自動(dòng)拆捆作業(yè)率達(dá)到99.5%，基本取代了人工拆捆作業(yè)。對(duì)于單根捆帶的鋼卷，整個(gè)作業(yè)周期小于2 min（含地輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間），兩根捆帶作業(yè)周期不超過(guò)2′40″，滿足現(xiàn)有生產(chǎn)節(jié)奏，達(dá)到了預(yù)期的效果。現(xiàn)場(chǎng)照片如圖8所示。

圖8 設(shè)備及收集后的捆帶照片

4 結(jié)語(yǔ)

該機(jī)器人全自動(dòng)拆捆設(shè)備采用一套機(jī)器人，通過(guò)移動(dòng)第7軸，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙通道鋼卷的拆捆作業(yè)，可取代人工對(duì)入口來(lái)料鋼卷進(jìn)行自動(dòng)拆捆、廢捆收集、帶頭定位及規(guī)格復(fù)核等工作，不僅降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，而且避免了捆帶彈出、工人被帶鋼劃傷等安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)降低了設(shè)備的投資成本。

利用工業(yè)六軸機(jī)器人的靈活與可靠性，該設(shè)備非常適用于機(jī)組入口來(lái)料復(fù)雜的工況，如卷徑、寬度變化大，捆帶數(shù)量、位置不確定，帶頭位置不固定等情況，可廣泛應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)冷軋機(jī)組的入口區(qū)域。同時(shí)，對(duì)于入口區(qū)域其他的作業(yè)需求，如端部缺陷檢查、來(lái)料信息識(shí)別等，今后該設(shè)備也可以非常方便地增加相應(yīng)的裝置進(jìn)行功能擴(kuò)展。

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