一種基于機器人的磨床智能化換輥系統的設計與實現

吳珅君

（上海寶信軟件股份有限公司 智能裝備事業本部，上海 201900）

1 引言

近年來，由于不銹鋼冶金行業的迅速發展，對不銹鋼20輥軋機軋輥準確度的要求也日趨提高，目前國內不銹鋼行業的磨輥間全部是人工操作行車進行磨床軋輥的上下料及車間內的軋輥轉運，這樣工人的勞動強度非常高又經常損傷軋輥輥頸和磨床，同時人員統計的物流管理和庫存也經常出錯，造成重大損失。

隨著計算機技術、微電子技術和國內智能裝備水平的提高及寶信軟件在五機架磨輥間（大型軋輥）的智能裝備的應用，利用在普碳鋼行業的技術積累，為在不銹鋼行業磨輥間進行智能化改造的設計與實現創造了有利條件。

寧波寶新磨輥間含六臺赫克里斯磨床，主要承擔四臺DMS 二十輥軋機的工作輥及寶新所有二十輥軋機一中間輥的磨削任務，每年磨削各種軋輥約15萬根，占公司總磨輥量40%左右。

為了滿足磨輥間對高質量、高產量、高效益和低能耗的總體要求，為提升磨輥間生產運營管理整體水平，提高磨輥間內物流、信息流的智能化及準確性，減少人員勞動負荷、提升人員勞動效率，實現磨輥間數字化車間應用水平，對磨輥間進行智能化改造是非常重要的一步。

自主研發的一套輥車間智能化管理系統支撐磨輥間的整體運營管理，實現了全自動軋輥運輸以及磨床的自動上下軋輥，實現了工作區的自動化和無人化、設備操作自動運行控制，建立了全自動的安全的工作環境，提高設備的利用率，減輕了人員的勞動強度。磨床軋輥上下料系統采用工業機器人進行磨床上下輥裝載作業，選用ABB公司的IRB6700 重載系列六軸機器人。機器人使用軋輥專用夾具來實現軋輥上下磨床作業，使用了激光測距裝置來實現機器人對來料的2次定位，提高了上下軋輥的定位準確度。

2 工藝介紹

軋機舊輥經行車吊運落于子母車接收平臺，人工對舊輥相關信息進行確認和綁定，軋輥與輥箱的信息通過掃描二維碼及 RFID 自動讀取后錄入到智能化系統并排程。磨輥車間智能化管理系統按照軋輥梯度模型將輥箱經子母車自動運輸到指定區域，磨床自動上下料機器人自動抓取軋輥上磨床，磨削后機器人自動下輥并將磨削后的軋輥放置到檢查平臺。檢查平臺移動到安全圍欄外側，軋輥直徑自動測量后，人工對軋輥表面進行清潔、質量檢查并確認，機器人會自動把檢查平臺上的軋輥搬運到帶有 RFID 標簽的軋機輥箱內并綁定。輥箱滿箱后，再由子母車將輥箱運輸至磨輥間外。機器人會按照磨輥車間智能化管理系統的指令把緩存區域的廢輥或事故輥挑選出來放置在指定區域。中間輥根據磨輥車間智能化管理系統的指令可分流到立體庫區域進行存放和管理。該工藝具備缺陷輥自動分流、輥箱自動堆垛和備輥分區存放等功能。改造后的系統框如圖1所示。

圖 1 系統框圖

3 主要改造內容

根據寶新磨輥車間現有磨床及其他設備的配備情況，本次主要改造內容有六部分。

3.1 增加一套磨輥車間智能化管理系統

磨輥車間智能化管理系統（RIMS)主要依托中國寶武工業互聯網平臺 xin3PLat，依托大數據、智能裝備、集控、工業網絡安全、移動物聯和虛擬制造等核心技術，通過打造滿足智慧制造應用場景的 iPlat 和滿足智慧服務應用場景的 ePlat 兩大平臺，實現磨輥車間能力服務化、業務數字化、車間平臺化和管理智能化的智數化時代“新四化”升級。

磨輥車間智能化管理系統（RIMS)主要包括依托智能裝備的磨輥間地面主控系統、依托智慧制造應用場景平臺iplat4j 的磨輥信息化系統和依托移動物聯技術的倉庫管理系統（WMS）三大部分。

地面主控系統主要完成磨床車間相關智能裝備的安全連鎖及控制功能，包括安全控制系統、地面設備管理控制系統、輥箱及軋輥管理控制系統以及通信系統等。

磨輥信息化系統是介于L2和L3系統之間的一個相對獨立的系統，主要是針對軋輥這一特殊部件進行全方位跟蹤管理。磨輥信息化系統在磨輥車間的信息化管理中是不可缺少的一部分，支撐軋鋼工藝對軋輥磨輥信息的需求和板型的控制，為提高產品質量，提高軋輥的利用率以及降低輥耗，從而降低生產成本，起到重要作用。磨輥信息化系統通過軋輥梯度管理模型實現對磨輥間的軋輥全生命周期管理，支持20輥軋機對軋輥的需求；通過計劃及調度管理，實現磨輥間的智能化運行；智能化管理與軋輥相關的其他部件，例如軸承，軸承座等；為軋輥消耗計算提供依據。系統流程如圖2所示。

圖 2 磨輥信息化系統流程圖

倉庫管理系統 WMS 實現自動化立體倉庫、傳統平面庫的統一管理，同時系統能夠與上位機系統、供應鏈系統、客戶關系系統等緊密結合，實現廠內、廠外物流的一體化管理。

WMS 的主要功能是對入出立體庫、平庫的物流進行動態管理與調度，及時、準確地完成貨物的入出庫，同時實現物流信息與物流的同步管理。WMS 對入出庫作業進行最佳分配、調度和控制，對入出庫輸送機及堆垛機等各種設備的運行狀態進行動態顯示及在線監控。自動庫存臺帳為用戶提供準確的庫存數據信息。

WMS 設計采用基于業務流的標準系統設計方法、標準的 B/S 體系結構和 C/S 體系結構。硬件結構采用和磨輥間信息化系統共用統一的客戶機/服務器結構。軟件結構采用分層模塊化集成模式，分為用戶界面層模塊和事務處理層模塊兩類。系統軟件結構如圖3所示。

圖 3 WMS 軟件結構

3.2 增加三套全自動子母運輸車

為滿足磨輥間自動化的要求，現需要對現有的六臺赫克里斯磨床的進出軋輥的物流系統進行自動化改造。由原來人工吊運的方式改為全自動子母車運輸的方式。全自動子母車可以整體運輸帶有輥箱的工作輥或中間輥。

在磨輥間出入口物流系統中，設置1#子母車、2#子母車和3#子母車，用于磨輥間內的各交接位的上下料。

子母車布置在磨輥間靠近軋機機組一側，母車軌道兩側布置多個交接鞍座，根據工藝需求，將其分別運至磨輥間出入口上料位、磨床交接位、中間輥裝配工位及擦拭輥交接位。3臺子母車分區作業保證了物流運輸的連續性。

3.3 增加三套磨床智能化換輥系統

為滿足磨輥間六臺赫克里斯磨床的上下料需要，提高車間自動化水平，本磨輥間新增3臺軋輥上下料系統。采用工業機器人進行磨床上下輥裝載作業，選用 IRB6700 系列六軸機器人實施方案。機器人使用軋輥專用夾具來實現軋輥上下磨床作業。

根據生產計劃，子母車自動運輥箱架至指定位置的支架上，支架上設有定位銷，用于輥箱架置于支架上時的定位及固定作用。機器人按照順序依次抓取輥箱內的軋輥，并將軋輥放置于軋輥緩存區域。當發出上料指令時，機器人從軋輥緩存區抓取軋輥進行磨輥，此時待上料側的安全門打開，機器人完成上料工序。機器人會按照磨輥車間智能化管理系統的指令把緩存區域的廢輥或事故輥挑選出來放置在指定區域。當磨床完成磨削任務，機器人收到磨床的磨削完成信號，機器人從 Home 位置移動至工作位，安全門打開，機器人將磨好的軋輥抓取到帶有 RFID 標簽的輥箱上或軋輥檢查平臺上。軋輥檢查平臺位于安全圍欄內外側，軋輥檢查平臺在來料后自動從安全內側運行到完全圍欄外側，操作工在軋輥檢查平臺外清潔磨輥、檢測質量等，當人工檢查完成后機器人會自動把軋輥檢查平臺上的軋輥搬運到帶有 RFID 標簽的輥箱上。磨床軋輥上下料系統布置如圖4所示。

圖 4 磨床軋輥上下料系統布置圖

3.4 增加一套軋輥刻碼設備

為解決磨輥間內部軋輥無身份信息的問題，本次改造增加一套激光刻印設備。通過激光刻印在軋輥輥頭圓弧面處刻印二維碼。該激光刻印設備主要由刻印機本體、整體機架、激光打標頭、激光器和光路系統等組成。

3.5 增加 RFID 及二維碼掃碼裝置

為解決磨輥間內部軋輥物流跟蹤問題，本次改造增加多套終端 RFID 及二維碼智能化讀寫系統，實現軋輥和輥箱的綁定及軋輥的物流跟蹤。

本系統使用 RFID 電子標簽作為磨輥輥箱載體，以局域網、互聯網為信息渠道，建立一套完整的信息化管理系統，能夠對整個生產線上軋輥輥箱管理的每個環節進行全程的記錄，實現在線輥箱的自動識別和實時管理，從而實現對企業生產線上的物流和信息流的實時跟蹤，提高企業生產管理的工作效率和服務水平。

采用二維碼移動端掃碼軋輥，替代手工記錄，大幅減少記錄錯誤，減輕工人工作負荷，并支持產品數據查詢、統計和追溯。同時為物流全自動的跟蹤提供了基礎依據。

3.6 增加一套中間輥立體存放機構

軋輥立體存儲系統用于對進出磨輥間的中間輥進行集中存儲和智能化配輥管理。軋輥立體存儲系統設置于現有18#磨床旁邊，根據要求改造后提升現有中間輥20%的存儲能力，即由250個中間輥提升為不低于300個中間輥。

采用 IRB6700 系列六軸機器人進行中間輥分選及中間輥出入庫作業，考慮到磨床對上下軋輥的定位準確度要求，適應了激光測距裝置來實現機器人對來料的2次定位。在庫前出入庫口設置1個分選機器人，主要用于中間輥分選及中間輥出入庫。分選后的中間輥通過機器人將中間輥放置至中間輥存儲架上。中間輥空輥箱再通過子母車運送至輥框存放區域。

軋輥立體存儲系統的分選機器人配置機器人移動平臺，該機器人移動平臺為機器人配套第七軸，實現1臺機器人對整個立體存儲區域的出入庫作業。該平臺為伺服電機定位控制，并采用自動抱閘裝置，提高了定位準確度，杜絕機器人傾翻。軋輥立庫上下料機器人布置如圖5所示。

圖 5 軋輥立庫上下料機器人布置圖

圖 6 磨輥間智能化換輥系統設備示圖

4 項目成果

通過磨輥間智能化改造，能夠提升磨輥間生產運營管理整體水平，提高磨輥間內物流、信息流的智能化及準確性，減少人員勞動負荷、提升人員勞動效率，實現磨輥間數字化車間應用。磨輥間智能化改造是提高軋輥管理精細化的需要、是降低軋輥使用成本的需要、是提高設備和員工作業效率的需要，也是追求全球冷軋不銹鋼行業引領者的愿景目標的需要。

5 項目運行及效益

項目分二期進行，一期項目已于2020年12月上線運行，系統運行良好穩定，投入使用后的效果如圖6所示。

項目投運后產生的經濟效益和社會效益主要包括：

1）自動化物流裝備（包括機器人、字母車及立體庫）的投運后，累計優化操作工崗位員工4人；年節約人力成本近百萬元；

2）很好的提升管理、運維及工作效率；同時車間軋輥庫存降低約20%，庫存管理年節約數十萬元；

3）5#磨輥車間（包括機器人、字母車及立體庫）的建設投運后，保證了磨床的精度減少了磨床的故障率，6臺磨床每年可以減少維護成本近30萬元；

4）車間采用全自動化搬運方式，實現了全線跟蹤，保證了軋輥全車間生產過程的數據和物料的一致，消除了數據和實物落地，消除信息、實物不一致帶來質量、用戶異議等問題。

6 應用體會

國內第一套具有自主知識產權的單機架冷軋智能化磨輥間在寧波寶新磨輥間的規劃和一期項目的順利應用，引起了國內業界的高度關注?；谥腔壑圃斓闹悄芑ポ侀g是現代單機架冷軋廠磨輥車間的標配。從智能搬運、智慧物流及智能存儲等方面構建智能磨輥車間不但可以提升成品質量、同時減小了勞動強度，提高了勞動安全性。