淺談工業機器人技術在球墨鑄鐵管生產線中的應用

張濟凡1，蒿潤濤1，武月梅2,胡橋木1

[中圖分類號] TM76

[文獻標志碼]A

[文章編號]2095-6487 （2021） 02-0032-03

Talking about the Application oflndustrial Robot Technology

in the Production Line of Ductile Iron Pipe

Zhang Ji-fan，

Hao Run-tao，

WuYue-mei，

Hu Qiao-mu

[ Abstract]

nie development of science and technology has promoted the development and application ofindustrial robots， and the applicationscope ofindustrial robots has been continuously expanded. With the maruriry of robot technology， the application of industrial robots has penetrated intoall aspects ofindustrial production. This article takes a production line of emerging cast pipes as the background， and srudies the application and practiceof industrial robots in the production line of ductile iron pipes. Firstly， it explains the difficulties in production in this field， then introduces the systemcomposition ofindustrial robots in practical applications， and fmally analyzes industrial robots in depth. The application results and development trends ofthe company are aimed at promoting the innovation of automation technology in the traditional foundry industry.

[ Keywords] industrialrobots; automation conrrol; PLC technology; ductile iron pipe

1 球磨鑄鐵管生產工藝中的難點

球墨鑄鐵管生產工藝流程包括五機一爐一窯，如圖1所示。

如圖1所示，經過各工序，離心鑄造成成品入庫。該生產線已經可以做到來料成分跟蹤、設備運行狀態監控、故障遠傳報警、虛擬物料及訂單號追蹤、生產任務下發、報表自動生成等功能，基本實現整條線的自動化、智能化生產。

但是在球墨鑄鐵管生產線中，仍有幾個使用傳統設備難以實現或代價太高的環節：①離心機砂芯搬運：該工位需要將砂芯安裝到離心機上，一般這個環節是由人工徒手搬運安裝或借助吊具安裝，這個過程耗時耗力。且由于環境差、溫度高，工人的身體健康和安全也難以保證。并且由于人工干預，此處無法保證設備的連續自動化運行。②鑄管承口精打磨：該工位位于三磨精整區域，傳統方式是人工手持打磨工具，對承口內多個小立而、平而、斜而進行打磨。這個過程同樣耗時耗力、環境差。③承插口局部精確噴漆：由于球墨鑄鐵管承插口邊緣狹小，難以使用傳統專機設備實現，該工位一般需要人工手持刷子對鑄管承插口邊緣斜而、端面進行補刷，這就造成該工位勞動強度人，且由于瀝青對人體存在傷害，該工位更無法保證工人身體健康。

2 整體控制方案

2.1 工業機器人控制

工業機器人由控制系統、傳感器及機器人本體組成。文中所描述的球墨鑄鐵管生產線所采用的是六軸關節型工業機器人。

工業機器人的核心是控制系統。可以通過示教器、拖拽示教或離線編程軟件進行命令輸入，為控制機器人本體做準備。控制系統的作業形式基本可以分為點控制、連續軌跡控制及力矩控制;其控制方式有兩種：分散控制和集中控制。工業機器人發展到現在，與計算機技術、視覺傳感技術高度融合，使其具備一定的圖像處理能力，還使得機器人具有學習功能和自適應能力，可以進行自編輯。這極大提高了機器人在復雜環境下的作業能力，拓展了工業機器人的可應用范圍。機器人可以根據程序的設定進行各種工業操作，通過對采集到的環境信息的處理，優化具體的操作行為。

工業機器人可以通過傳感器來感知周圍環境。傳感器的使用對機器人有重要意義，相當于機器人的神經系統，是極重要的監測裝置，對內可以榆測機器人的加速度、速度和位移情況，對外可以榆測機器人的工作環境。隨著科技的發展進步，機器人的感知能力還會有更人的發展。

工業機器人本體關節包括旋轉（S軸）、臂（L軸）、上臂（U軸）、手腕旋轉（R軸）、手腕擺動（B軸）和手腕回轉（T軸）6個軸，由動力裝置和傳動裝置組成，動力裝置包括伺服驅動電機、液壓、氣動等部位;傳動裝置由動力元件驅動執行系統執行傳送命令，實現本體的位移。

2.2 PLC控制技術

PLC控制技術在工業機器人系統中應用土要集中在順序控制、過程控制、信息傳遞等幾個方面。順序控制是幫助工業機器人融入現有生產線中，按照生產工藝預先規定的順序，機器人及生產線其他設備自動地有秩序地進行操作。過程控制主要對機器人進行模擬量方面的控制，對機器人及現場工件的溫度、壓力、電壓等各個因素進行實時控制，并根據計算變量制定一系列控制策略。信息傳遞是通過工業控制總線將機器人的通信等數據與上級PLC或遠程MES進行傳輸、處理、存儲、采集等操作。

文中所述的球墨鑄鐵管生產線所采用的PLC系統是西門子1500系列，為保證前后控制系統的一致性，這里工業機器人的上級控制器也選用相應的PLC產品。

2.3 安全保護策略

安全系統可謂是工業機器人應用中的關鍵部分。主要起到的作用是：①保護工人不被傷害;②保護設備不被傷害;③保護工裝不被傷害。由于控制系統比較復雜，所以安全系統對計算機控制系統能夠起到很好的調配作用，同時還能通過PLC實現對安全區域的實時監控，一旦出現故障可以及時報警，從而實現了故障點位的可視化，并且進一步保證了自動化生產線能夠安全、穩定、正常地運行。

2.4 工業機器人控制系統構成

這里工業機器人系統構成如圖2所示。

工業機器人控制系統包括一臺工業機器人、控制柜、工裝、PLC（采用西門子S7-1500系列CPU及若干IO模塊：其IO模塊控制工裝所安裝電氣、氣動、液壓、傳感囂等）、觸摸屏（采用西門子精致系列產品，用以實現狀態顯示、配方設定、故障顯示、報警提示等）、安全繼電器及安全門鎖。其中，機器人PLC、工業機器人、觸摸屏通過交換機與外圍PLC及其他通信設備，采用PROFINET協議。安全門鎖輸入輸出信號與PLC的IO模塊連接，其安全通道通過安全繼電器與工業機器人安全段子連接，當安全門鎖打開時同時控制工業機器人斷電，以保證安全。

3 工業機器人應用

這里，結合球墨鑄鐵管生產線的難點及該生產線所取得的實際成果來詳細介紹一下工業機器人在球墨鑄鐵管生產線中的應用。

3.1 砂芯搬運機器人

在球墨鑄鐵管離心機生產中，鐵水澆筑前需要根據需求（規格、接口、訂單）將目標砂芯安裝在離心機上。傳統工藝中，由于離心機區域環境惡劣、環境溫度高，砂芯規格多種多樣、異而多，安裝精度高、生產節奏塊，以及砂芯易碎等原因，傳統設備無法實現對砂芯的精確抓取并安裝到位。因此，傳統生產線中，都是人工安裝，這就導致了工作效率低、人工勞動強度人、工作環境惡略、無法保證安全、自動化生產被割裂等缺點。

砂芯搬運機器人的選取應充分考慮負載重量和工裝重量，選用人質量負載機器人。所設計工裝安裝識別攝像頭及夾取工裝，機器人通過攝像頭拍照識別砂芯的規格并確定圓心，工裝移動到砂芯圓心處進行抓取，之后安裝到位。

經過長期實踐調試運行，該工位人人提高了自動化生產水平。

3.2 承口精打磨機器人

球墨鑄鐵管承口精打磨的難點在于鑄管承口而的復雜及承口規格的多種多樣，這就造成使用傳統打磨專機無法滿足生產，并且打磨效果無法保證，需要人工修補打磨，造成勞動力的浪費，割裂自動化生產節奏。

根據鑄管規格直徑變化和打磨強度要求，打磨機器人應根據機器人臂展范圍和打磨強度選擇。負載前段安裝專用打磨砂輪、打磨電機、多維度柔性力矩，與生產線進行網絡通信，根據前序工位發送而來的承口規格信息，調用不同作業，行走編程軌跡，對鑄管承口進行打磨。

3.3 承插口噴漆機器人

球墨鑄鐵管承插口噴漆的難點在于：①承口結構復雜，立而較多;②插口需要涂漆的地方極小。由于上述原因，故傳統生產線中，都需要工人用滾刷對鑄管進行修補刷漆。由于生產節奏快，勢必工人勞動強度人，并且瀝青對人體危害人，不利于工人身體健康。

根據不同生產線要求，噴漆機器人的選擇應以臂展為主。承口噴漆機器人前端安裝瀝青噴槍，插口機器人安裝特殊刷漆工裝，根據前序工位發送的信息，調用不同作業，行走編程軌跡，對鑄管承插口進行噴漆作業。

3.4 程序流程圖

4 結束語

文中所述噴鋅機自動控制系統以西門子PLC為控制核心，用HMI以TIA PORTAL組態軟件！實現組態，中控MES為信息調度，整個系統結構簡單、控制功能完善、安裝調試方便，滿足了工廠自動化控制的需求。

總之，工業機器人技術的快速發展和普及是未來科技型社會的必然要求，可以通過增加工業機器人的數量和工業機器人的智能化能力以及工業機器人的自動化控制手段的不斷提升，來實現工業機器人的智能化不斷提升。未來社會中，工業機器人所要承擔的工作難度和責任要遠人于當前的工業機器人，無論是工作的完成速度還是復雜程度以及在開展工作過程中所能處理問題的自主能力都會出現極大改變。在不遠的未來社會，機器人終會成為人類生產和生活中最為有效的助力，在未來人類的生產和生活中，機器人將會發揮出更人的作用。

我國工業水平的整體進步有效帶動了鑄造業的進步，同時鑄造業面臨的挑戰也在日益增加。工業機器人在鑄造業特別是球墨鑄鐵管鑄造行業所占的位置越來越重要，越來越多的工序可以應用機器人技術，如鐵水采樣、加料、扒渣等。工業機器人的應用可以有效節約勞動力、提高生產質量。

參考文獻

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分析[J]新型工業化，2019 （4）：19-20[2]趙雪我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略分析[J]科學

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