魚雷罐車機器人作業(yè)系統(tǒng)加蓋方案設計及應用

申 晨,吳瑞珉

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

魚雷罐車(Torpedo car),又名魚雷型混鐵車,因其特有的裝載量大、熱損失小、節(jié)約能源等優(yōu)點,是目前主流鋼廠內用于鐵水運輸的主要設備[1]。目前,國內的魚雷罐車為無蓋式,即魚雷罐車的罐口處無遮擋設施。根據鋼廠內實際情況,重罐的魚雷罐車從高爐出發(fā)駛向各受鐵坑進行倒鐵水作業(yè)的時間相對較短,主要的周轉時間體現在空罐駛回高爐的階段。空罐時,罐內的罐襯與大氣直接接觸,兩者間存在著極大的溫差,在熱交換的過程中,罐襯通過罐口進行熱輻射和熱對流,從而造成空罐內的溫度下降[2]。同時,在該過程中,罐內的有毒有害廢氣亦不斷地向大氣直接排放,造成污染。

根據上述文獻研究及分析表明,若能在魚雷罐車空罐周轉期間,有效地減小罐內溫度下降,就能減小受鐵后的鐵水溫降,從而體現出魚雷罐車在綠色節(jié)能、降本增效的概念下的貢獻。本文中研究一種通過機器人作業(yè)系統(tǒng)對魚雷罐車空罐進行加蓋的方案設計及應用,可智能化地減小空罐內的溫降,從而提高受鐵后的鐵水溫度。

1 應用前景

檢索相關專利發(fā)現,國內目前關于魚雷罐車加蓋方面的發(fā)明,多為通過隨車安裝的機械結構實現。主要表現為:魚雷罐車的一側的轉動軸上裝有液壓傳動裝置,通過驅動帶有鋼結構保溫蓋的連接臂的伸縮,實現對魚雷罐車的加蓋及掀蓋作業(yè)。

該類型技術方案存在一些實施弊端,如:

(1) 由于該方案需隨魚雷罐車安裝大型機械結構,即一蓋對一車,需對鋼鐵廠內所有的魚雷罐車進行改造后方可安裝,同時,該系統(tǒng)的使用養(yǎng)護周期小于魚雷罐車本身的使用養(yǎng)護周期,使使用及養(yǎng)護成本提高。

(2) 當魚雷罐車在高爐受鐵口需開蓋進行受鐵作業(yè),若該加蓋結構出現技術故障,導致保溫蓋無法從加蓋位收縮至待加蓋位時,將導致該魚雷罐車無法正常受鐵并在廠內進行周轉,從而影響廠內生產調度、生產節(jié)奏和產能。

(3) 該加蓋結構下的保溫蓋為鋼結構保溫蓋,而魚雷罐車的罐口時常由于倒鐵后殘留的渣形成不規(guī)則的凹凸面,將造成保溫蓋與罐口間存在縫隙,減弱了使用效果。

與上述內容相比較,本文中提及的機器人作業(yè)系統(tǒng)可落位在橫跨兩條鐵軌間的操作平臺上,對兩條鐵路來往的魚雷罐車皆可進行加蓋作業(yè),對于國內大型鋼廠,只需3～4套機器人作業(yè)系統(tǒng)即可覆蓋鐵路全線。機器人作業(yè)系統(tǒng)使用的保溫蓋為一次性結構的保溫蓋,當機器人作業(yè)系統(tǒng)對魚雷罐車空罐進行加蓋作業(yè),經過4～6 h的周轉時間后到達高爐進行受鐵作業(yè)時,一次性保溫蓋將被鐵水直接沖入罐內,一次性保溫蓋的主體結構直接融入鐵水,保溫棉將漂浮于鐵水上,與魚雷罐車內襯的保溫材料共同為鐵水進行保溫。由于一次性保溫蓋中的保溫棉設計為50 mm厚并且呈現柔軟蓬松狀,固定在主體結構的下端,當其蓋在魚雷罐車罐口時,保溫棉將與罐口充分接觸,極大程度減小空隙。

通過文獻[3]中的試驗研究表明(如圖1所示),對鋼廠內的魚雷罐車空罐在周轉時增加類似的簡易保溫蓋,可有效減小周轉時空罐內的溫降,提高后續(xù)出鐵時鐵水溫度的同時,亦可有效改善魚雷罐車內襯保溫材料的使用環(huán)境,減少相關的運維成本,亦減少了有毒有害氣體對大氣的排放,從而實現鋼鐵業(yè)的綠色節(jié)能,降本增效。

圖1 魚雷罐車空罐加保溫蓋試驗圖Fig.1 Covered torpedo cars

2 項目難點

通過機器人作業(yè)系統(tǒng)完成對魚雷罐車罐口加蓋作業(yè)的主要難點體現在:

(1) 魚雷罐車罐口內圈直徑達到1 400 mm,保溫蓋的直徑設計至少要≥1 400 mm,才能夠保證在加蓋作業(yè)時保溫蓋不會掉入魚雷罐車罐內。

(2) 受制于魚雷罐車的車身龐大,要滿足國家制訂的在鐵路旁建造建筑物的相關規(guī)范標準,同時還需考慮到工業(yè)機器人使用的環(huán)境等因素,機器人系統(tǒng)內各設備需緊湊排布在坐落于兩條鐵軌間的作業(yè)平臺的狹小空間內。同時,該作業(yè)系統(tǒng)所設計的工具端需具有極長偏置的特點,同時具備有拾取及釋放保溫蓋并能夠對作業(yè)全流程進行安全監(jiān)控的技術特征,這意味著在機器人選型時,需選用重載大型工業(yè)機器人。

(3) 根據某鋼廠現場實測,魚雷罐車罐口的溫度達到300～400 ℃。機器人平臺根據相關要求及設計,當機器人系統(tǒng)作業(yè)時,平臺外墻距離魚雷罐車罐體只有600 mm。機器人作業(yè)平臺的設計需考慮如此高溫的長久烘烤,同時,機器人系統(tǒng)內的工具端在如此高溫的作業(yè)環(huán)境下,將對內部設置的傳感器、通信模塊及視覺相機等造成極大的使用困難。

(4) 為了該項目的高效運轉,保溫蓋料垛需至少裝有20～25個。受制于機器人平臺的寬度限制,保溫蓋在運輸及上下料的過程中,允許的橫向偏移量僅為±50 mm。需設計一種能夠滿足需求的高精度碼垛方式,減少現場操作人員在對保溫蓋料垛進行上下料過程中的工作量的同時,減輕機器人視覺系統(tǒng)或識別等形式對其進行精準拾取時的難度。

根據上述難點的闡述,本文旨在介紹1套為魚雷罐車智能化自動加蓋的機器人作業(yè)系統(tǒng),該作業(yè)系統(tǒng)需在狹小空間內通過重載大型工業(yè)機器人攜帶極長偏置的工具端完成對保溫蓋的定位,進行精準的拾取作業(yè),并利用內部設計的位移傳感器、視覺系統(tǒng)等,對整個作業(yè)過程進行安全監(jiān)控及測量,增強該機器人作業(yè)系統(tǒng)的作業(yè)穩(wěn)定性、可靠性及作業(yè)成功率的同時,完成對魚雷罐車加蓋作業(yè)的任務。

3 方案設計

根據鋼廠內的實際情況,結合機器人作業(yè)系統(tǒng)的實際工藝參數和空間需求,對橫跨兩條鐵軌間的機器人操作平臺進行初步設計,完成三維數模繪制,如圖2所示。本套機器人作業(yè)系統(tǒng)包括:

圖2 機器人系統(tǒng)方案圖Fig.2 The scheme of covered torpedo cars with robot operating system

(1) 機器人。作為加保溫蓋的主要執(zhí)行機構,需選用鑄造級重載工業(yè)機器人,并具有隔熱防塵防雨的保護手段。

(2) 工具端。安裝在機器人末端法蘭,具有強度高、重量輕等特征,可對保溫蓋進行拾取、運輸及釋放的作業(yè)工具。

(3) 卷簾窗。用于在機器人作業(yè)系統(tǒng)工作時,能夠讓機器人工具端拾取保溫蓋并移出平臺外進行作業(yè)。

(4) 防護安全單元。防護房、隔熱服、雨棚、緊停、門禁及警示燈等。

(5) 檢測識別標定單元。視覺相機系統(tǒng)、光電及位移傳感器等組成的檢測單元。

(6) 機器人操作平臺。安裝機器人本體、電氣柜及作業(yè)系統(tǒng)內相關設備的平臺。

將三維數模導入相關軟件進行機器人作業(yè)仿真論證,如圖3所示。在該作業(yè)方案中,伊始,機器人系統(tǒng)內的視覺相機系統(tǒng)對一次性保溫蓋料垛中最上層保溫蓋進行識別定位后,機器人系統(tǒng)通過工具端對保溫蓋進行拾取作業(yè),同時卷簾窗打開,機器人通過該窗口將一次性保溫蓋轉移至窗外的魚雷罐車的罐口上方,工具端釋放保溫蓋,使其落在罐口上后,機器人回至操作平臺內的待機位,卷簾窗關閉,此為一次完整的作業(yè)過程。

圖3 機器人作業(yè)系統(tǒng)仿真模擬論證關鍵位姿圖Fig.3 The simulation of robot operating system

通過軟件進行仿真模擬時發(fā)現,受制于機器人操作平臺的空間尺寸與機器人工具端的長度,機器人底座中心與保溫蓋料垛理論位置中心的距離較短,直接造成機器人在對保溫蓋進行拾取時可調整的位姿余量極小,進而導致對保溫蓋碼垛及操作人員使用叉車將料垛放至升降平臺上時的位置精度的要求苛刻;其次,考慮到保溫蓋的尺寸,在高空釋放后做自由落體時,受環(huán)境因素影響容易產生位移,故設置工具端釋放保溫蓋的位置距魚雷罐車罐口上方僅為200～400 mm,這意味著,在作業(yè)過程中,整個工具端與機器人3～6軸將經受300～400 ℃的高溫烘烤,對相關設備的高溫防護措施將直接影響到后期使用時的運維成本及代價。為了解決以上問題,提高機器人作業(yè)系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性,進行了如下的技術研究及應用。

4 技術研究及應用

4.1 保溫蓋結構研究

本項目中的一次性保溫蓋通過安裝在機器人法蘭末端的工具端對其進行拾取及釋放。由于該項目中使用的一次性保溫蓋的主體結構中央為200 mm邊長、2 mm厚的正六邊形鋼板,針對該特征,工具端執(zhí)行器選用4個吸力生效面積為周長50 mm圓形的工業(yè)吸盤,分布在邊長為150 mm的四邊形上。通過圖4所示可以得出,鋼板中心至邊緣最長距離為200 mm,吸盤分布中心至吸力生效外邊緣為直徑242.13 mm的外切圓,即工具端對該保溫蓋的理論允許拾取偏差為69 mm。

圖4 保溫蓋與吸盤理論允許偏差示意圖Fig.4 Allowable deviation between the cover and magnetic chunck

以此為主體結構的核心,在其下方焊接方管形成“米”字型結構后,使用耐高溫鐵絲將耐高溫石棉與主體結構進行捆綁,形成一次性保溫蓋。耐高溫石棉的厚度需經過廠內實測后,根據實際需要進行調整。

為了實現保溫蓋料垛在經過運輸過程后仍能保持高度的規(guī)整性,在保溫蓋中心設置φ32 mm的圓孔,并在運輸托盤中心焊接一個M30規(guī)格的螺母,在碼垛前,將1根帶有M30螺紋的圓棒擰在運輸托盤中心,將保溫蓋中心從圓棒中心穿過后放至在運輸托盤上,如圖5所示,如此可保證保溫蓋在碼垛及運輸時的整齊度。同時,運輸托盤下設置兩條導槽,可便于叉車運輸作業(yè)。

圖5 保溫蓋運輸結構圖Fig.5 Transportation structure of the cover

根據以上設計,解決了保溫蓋料垛在運輸時的碼垛整齊度,然而最終保溫蓋料垛需要由人工駕駛叉車進行上下料,而在此過程中產生的料垛放置位置的不確定性不可避免,故在該項目中考慮使用機器人視覺伺服技術完成工具端對于保溫蓋的精準拾取。

4.2 機器人視覺伺服的應用

機器人視覺伺服是指機器人系統(tǒng)通過手眼視覺系統(tǒng)(eye-in-hand)或場景視覺系統(tǒng)(eye-to-hand)等得到目標物體的圖像,以此作為反饋信息,并與機器人系統(tǒng)內工具端與視覺系統(tǒng)間的位置標定相關聯,構建機器人系統(tǒng)的位置閉環(huán)反饋,從而實現在機器人系統(tǒng)內的坐標系下,對目標物體的精準拾取或相關操作[4]。對于該項目內的需求,選擇采用場景視覺系統(tǒng),如圖6所示。

圖6 視覺相機系統(tǒng)布置圖Fig.6 Visual camera system

由于實際工作環(huán)境中存在著光照改變的環(huán)境因素影響,在視覺系統(tǒng)程序設計中,需存有幾種不同光照條件下的保溫蓋照片作為參照模板。當機器人系統(tǒng)請求視覺系統(tǒng)輸出當前保溫蓋中心位時,相機讀取當前保溫蓋圖像并與模板相匹配后,提取保溫蓋中心特征區(qū)域,如圖7所示。

圖7 保溫蓋視覺相機系統(tǒng)工作原理流程圖Fig.7 Flow chart of working principle of visual camera system

由于保溫蓋中心區(qū)域特征極為明顯,為正六邊形,中心為圓孔,采集到當前圓孔位置,即當前保溫蓋中心在工具端坐標系下的X軸及Y軸坐標的位置,從而使機器人系統(tǒng)捕獲當前測量的保溫蓋的中心位置。

4.3 位移傳感器的應用

如圖8所示,當前通過場景視覺系統(tǒng)能夠反饋得出保溫蓋的X軸及Y軸的位置。Z軸的位置可通過設置位移傳感器進行計算得出。當機器人通過視覺系統(tǒng)反饋信息,攜帶工具端移動至待拾取保溫蓋正上方后,位移傳感器將讀取當前高度下,其安裝位置與待拾取保溫蓋間的距離信息,通過折算其安裝位置與吸盤生效位置間的高度差,可得出當前高度下,吸盤生效位置與待拾取保溫蓋間的距離差,從而得出該保溫蓋的Z軸位置。

圖8 位移傳感器示意圖Fig.8 Position of displacement sensor

4.4 防高溫措施

如圖9所示,通過對機器人3～6軸穿戴高溫防護服及對工具端整體纏繞耐高溫玻纖鋁箔膠帶對機器人本體及工具端進行耐高溫保護的同時,在工具端內通壓縮空氣,僅在作業(yè)時開閥,盡可能地將高溫氣體吹離工具端周邊,起到保護工具端內部元器件的作用。

圖9 防高溫措施Fig.9 High temperature protection

5 結語

本文提供了一種給魚雷罐車空罐周轉時進行加保溫蓋的機器人作業(yè)系統(tǒng)的方案及其關鍵技術應用。在推廣工業(yè)4.0的背景下,該機器人作業(yè)系統(tǒng)通過給空罐加保溫蓋的形式,有效減小了罐內溫降的同時,阻礙了罐內廢氣對大氣的直接排放,從而使魚雷罐車在鐵水運輸環(huán)節(jié)上響應了鋼鐵業(yè)的綠色生產和降本增效。