噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)與連鑄工藝聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

劉文飛

（山西云時(shí)代太鋼信息自動(dòng)化技術(shù)有限公司， 山西 太原 030003）

連鑄工藝是一種在鋼鐵行業(yè)廣泛應(yīng)用的生產(chǎn)工藝。轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)出來的鋼水經(jīng)過精煉爐精煉以后，需要鑄造成不同類型、不同規(guī)格的鋼坯。連鑄工藝就是將精煉后的鋼水連續(xù)鑄造成一定長(zhǎng)度的鋼坯的生產(chǎn)工序，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼坯的來源可追溯，需要對(duì)連鑄生產(chǎn)出的鋼坯進(jìn)行數(shù)字標(biāo)識(shí)。工業(yè)機(jī)器人作為一種新型技術(shù)，在我國(guó)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛普及和應(yīng)用，在提高工作效率、優(yōu)化資源配置等方面取得了顯著成績(jī)。目前，工業(yè)機(jī)器人在搬運(yùn)、焊接、加工、裝配和噴號(hào)等方面得到了大量應(yīng)用。將噴號(hào)機(jī)器人與連鑄工藝結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)連鑄坯的自動(dòng)噴號(hào)功能，能夠有效提高生產(chǎn)線信息集成化、裝備智能化程度，提高產(chǎn)線生產(chǎn)管理水平、減少勞動(dòng)力成本、降低危險(xiǎn)系數(shù)。目前我國(guó)有數(shù)量眾多的鋼鐵企業(yè)及相關(guān)企業(yè)，用戶需求量巨大。

本文以某大型鋼鐵企業(yè)的圓鋼連鑄機(jī)為背景，研究用噴號(hào)機(jī)器人完成對(duì)連鑄坯的噴號(hào)功能，改善人工操作帶來的種種問題，提高生產(chǎn)效率和現(xiàn)場(chǎng)的安全性。

1 噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)由工業(yè)機(jī)器人本體、PLC 控制系統(tǒng)、噴槍系統(tǒng)、噴涂系統(tǒng)及視頻監(jiān)控等子項(xiàng)系統(tǒng)組成。其工作原理是由工業(yè)機(jī)器人控制噴槍按預(yù)設(shè)的軌跡在指定的位置范圍內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)通過噴涂系統(tǒng)將特定涂料均勻連續(xù)地輸送到噴槍管路中，在PLC系統(tǒng)控制下，對(duì)噴槍的開閉進(jìn)行控制，使涂料按要求噴出，形成字符。

由于鋼鐵行業(yè)工作環(huán)境的復(fù)雜性，本文在現(xiàn)有噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)開發(fā)和改進(jìn)。為了保證所噴涂號(hào)碼的清晰牢固，在噴槍系統(tǒng)中增加了待噴面清理設(shè)備，在噴號(hào)作業(yè)開始前先對(duì)鋼坯端面進(jìn)行機(jī)械除鱗，除鱗鋼刷同鋼坯端面接觸摩擦，清除端面的氧化層，從而保證噴涂字符的質(zhì)量，然后噴號(hào)機(jī)器人執(zhí)行噴號(hào)作業(yè)。噴槍系統(tǒng)增加自動(dòng)清洗裝置使用水氣混合物定期對(duì)噴槍和噴嘴進(jìn)行清洗，防止涂料堵塞噴槍，保證噴號(hào)效果清晰。同時(shí)噴號(hào)機(jī)器人在除鱗、噴號(hào)過程中，要近距離接觸鋼坯，經(jīng)連鑄工藝生產(chǎn)的鋼坯端面溫度高，熱輻射強(qiáng)，為了防止設(shè)備長(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境下導(dǎo)致管路系統(tǒng)、設(shè)備結(jié)構(gòu)老化變形，在原有噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)中加入了冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)暴露在高溫環(huán)境中的部件進(jìn)行冷卻降溫，保證設(shè)備使用期限。另外，為了防止噴號(hào)機(jī)器人所使用的涂料在輸送管路中沉積，對(duì)原有噴涂系統(tǒng)進(jìn)行改造，涂料由隔膜泵從涂料桶抽出，經(jīng)過加壓送入噴槍，涂料桶加裝攪拌裝置防止涂料沉淀，噴號(hào)后多余的涂料由內(nèi)循環(huán)通道流回涂料桶。

最終本文設(shè)計(jì)的噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在鋼鐵企業(yè)惡劣環(huán)境下對(duì)鋼坯端面的除鱗、噴號(hào)功能，其控制原理如圖1 所示。

圖1 噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)控制原理圖

噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)具備多種模式選擇功能，可以工作在遠(yuǎn)程模式和就地模式，就地模式下通過現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)進(jìn)行單體控制，遠(yuǎn)程模式下通過HMI 上位系統(tǒng)進(jìn)行操作。

噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)通過PLC 控制系統(tǒng)綜合協(xié)調(diào)管控各個(gè)相關(guān)運(yùn)行設(shè)備。PLC 控制系統(tǒng)與連鑄系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行信號(hào)交互保證相關(guān)設(shè)備運(yùn)行正常，并與連鑄編碼系統(tǒng)通信獲取待噴號(hào)碼。PLC 控制系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體軌跡控制。PLC 控制系統(tǒng)完成對(duì)噴槍系統(tǒng)和噴涂系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)鋼坯到位檢測(cè)，噴號(hào)位置確認(rèn)；在噴號(hào)前執(zhí)行除鱗動(dòng)作，保證鋼坯端面平整且沒有易脫落的氧化皮；控制噴槍開閉時(shí)間，保證涂料按要求噴出，形成所需字符，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴號(hào)功能；按固定時(shí)間間隔周期性運(yùn)行噴槍清洗程序，用水氣混合物對(duì)管路進(jìn)行沖洗，防止涂料沉積。PLC控制系統(tǒng)控制冷卻水系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人設(shè)備的物理降溫。

同時(shí)，機(jī)器人本體的啟動(dòng)、停止以及暫停、急停等運(yùn)轉(zhuǎn)方式可以通過機(jī)器人示教器進(jìn)行控制。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及系統(tǒng)報(bào)警可以在示教器上顯示。當(dāng)生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時(shí)，可以通過示教器重新示教機(jī)器人的軌跡動(dòng)作或重新編制有關(guān)控制程序來適應(yīng)新的生產(chǎn)需要。

通過使用本文設(shè)計(jì)的噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器代替人工，避免現(xiàn)場(chǎng)工人的重復(fù)性工作，促進(jìn)勞動(dòng)效率及操作安全性的提升，保障產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)線智能化水平。

2 噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)在連鑄工藝中的應(yīng)用

本文所研究的某鋼鐵企業(yè)圓鋼連鑄機(jī)為三機(jī)三流弧形圓坯連鑄機(jī)，產(chǎn)品規(guī)格為Φ390 mm、Φ690 mm、Φ800 mm 三種，主要由中間包、結(jié)晶器、拉矯機(jī)、矯直機(jī)、火焰切割機(jī)、輥道等組成。在生產(chǎn)過程中，將裝有精煉鋼水的鋼包運(yùn)至回轉(zhuǎn)臺(tái)，回轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到澆注位置后，將鋼水注入中間包，中間包再由水口將鋼水分配到三個(gè)結(jié)晶器中去。結(jié)晶器是連鑄系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，它使鋼水成型并迅速凝固結(jié)晶成鑄坯。在拉矯機(jī)與結(jié)晶振動(dòng)裝置共同作用下，結(jié)晶器內(nèi)的鑄坯被拉出，后經(jīng)矯直機(jī)、中間輥道等作用，鑄坯逐漸穩(wěn)定成型，之后按照產(chǎn)品需求用火焰切割機(jī)將鑄坯切割成特定長(zhǎng)度的鋼坯，鋼坯經(jīng)由熱送輥道輸送至移鋼區(qū)，在移鋼機(jī)作用下將二流、三流鋼坯移動(dòng)到一流輥道上，通過一流出坯輥道依次輸送至翻鋼區(qū)，在翻鋼區(qū)噴號(hào)機(jī)器人完成對(duì)鋼坯的噴號(hào)標(biāo)識(shí)后，翻鋼機(jī)將鋼坯翻卸到下線區(qū)，之后天車將鋼坯吊運(yùn)至緩冷坑中存放，連鑄工藝結(jié)束。

常規(guī)噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)與連鑄系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，而噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)行受到連鑄系統(tǒng)熱送輥道、出坯輥道、移鋼機(jī)、翻鋼機(jī)的影響，為此本文提出將噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)與連鑄系統(tǒng)聯(lián)鎖，一方面防止出坯輥道、翻鋼機(jī)動(dòng)作損壞機(jī)器人，另一方面通過調(diào)整熱送輥道、移鋼機(jī)動(dòng)作節(jié)奏彌補(bǔ)噴號(hào)機(jī)器人噴號(hào)造成的時(shí)間損失保證生產(chǎn)順行。其具體過程為：當(dāng)噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)檢測(cè)到鋼坯到達(dá)翻鋼區(qū)時(shí)，噴號(hào)機(jī)器人鎖閉出坯輥道和翻鋼機(jī)開始噴號(hào)，當(dāng)噴號(hào)完成機(jī)器人回到原始位置后，解鎖出坯輥道和翻鋼機(jī)，防止噴號(hào)過程中產(chǎn)線設(shè)備動(dòng)作損壞機(jī)器人，之后翻鋼機(jī)動(dòng)作將鋼坯翻卸到下線區(qū)，然后出坯輥道動(dòng)作將下一鋼坯移動(dòng)到翻鋼區(qū)，開始下一循環(huán)；同時(shí)將原來翻鋼機(jī)動(dòng)作觸發(fā)移鋼機(jī)移鋼的控制邏輯調(diào)整為當(dāng)噴號(hào)機(jī)器人開始噴號(hào)時(shí)啟動(dòng)移鋼機(jī)移鋼，有效改善了噴號(hào)環(huán)節(jié)導(dǎo)致的生產(chǎn)節(jié)奏變慢，防止了鋼坯在輥道上堆積。

噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行控制界面如圖2 所示。

圖2 噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行控制界面

噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)行前首先檢查“機(jī)器人系統(tǒng)”是否啟動(dòng)以及“連鑄聯(lián)鎖”功能是否啟動(dòng)，當(dāng)“連鑄聯(lián)鎖”功能關(guān)閉時(shí)，噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)與連鑄系統(tǒng)相互獨(dú)立，連鑄系統(tǒng)按照原始工藝流程順序運(yùn)行，機(jī)器人系統(tǒng)不能在遠(yuǎn)程模式下操作，當(dāng)上述條件具備時(shí)噴號(hào)機(jī)器人可以在遠(yuǎn)程模式下作業(yè)。

在遠(yuǎn)程模式下，噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)有自動(dòng)噴號(hào)和手動(dòng)噴號(hào)兩種模式，在自動(dòng)噴號(hào)模式下，機(jī)器人系統(tǒng)與連鑄系統(tǒng)聯(lián)鎖，機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，自動(dòng)噴號(hào)，噴號(hào)結(jié)束后連鑄相關(guān)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行；在手動(dòng)噴號(hào)模式下，噴號(hào)機(jī)器人由人工手動(dòng)啟動(dòng)，機(jī)器人不檢測(cè)鋼坯位置信息但會(huì)鎖閉出坯輥道和翻鋼機(jī)執(zhí)行噴號(hào)動(dòng)作，當(dāng)噴號(hào)動(dòng)作執(zhí)行完畢后機(jī)器人回到原始位置，解鎖出坯輥道和翻鋼機(jī)。

3 運(yùn)行效果

本文設(shè)計(jì)的噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)完整實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下鋼坯的噴號(hào)標(biāo)識(shí)功能，同時(shí)通過與連鑄系統(tǒng)的聯(lián)鎖，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設(shè)備的安全性。系統(tǒng)投運(yùn)以后，有效解決了高溫環(huán)境下人工作業(yè)產(chǎn)生的各類安全隱患，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了人工噴號(hào)導(dǎo)致的鋼坯錯(cuò)號(hào)、漏號(hào)、噴涂不清等現(xiàn)象，提高了生產(chǎn)節(jié)奏，得到了用戶的認(rèn)可及肯定。

該系統(tǒng)投運(yùn)之前，連鑄工序?yàn)閲娞?hào)作業(yè)配備了一個(gè)專職崗位，按四班制計(jì)算，共需4 名操作工人，系統(tǒng)投入運(yùn)行后，完全替代了噴號(hào)工人的工作，按每名工人每年12 萬元計(jì)算，每年可以節(jié)約人力成本48萬元。

4 結(jié)語

本文所述噴號(hào)機(jī)器人系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，效果良好，完全滿足了生產(chǎn)的要求。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，適合在同類場(chǎng)合應(yīng)用和推廣。