稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

楊海濤，豐飛，孫占榮，陳凡

（1.江蘇集萃華科智能裝備科技有限公司，江蘇 無錫 214000；2.華中科技大學(xué)，武漢 430000；3.華中科技大學(xué) 無錫研究院，江蘇 無錫 214000）

0 引言

鋼廠生產(chǎn)的特鋼棒材都需要執(zhí)行嚴(yán)苛的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行質(zhì)量管控，而棒材的質(zhì)量參數(shù)是衡量棒材品質(zhì)的一個關(guān)鍵指標(biāo)[1-2]。特鋼企業(yè)目前均采用大量程稱重傳感器構(gòu)建的臺秤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成捆棒材的稱量作業(yè)[3-5]。而稱重傳感器作為稱重系統(tǒng)測量的敏感元件，易受環(huán)境溫度、時間等因素的影響，長期工作會產(chǎn)生溫漂和零漂，降低稱重系統(tǒng)的測量精度，因此需要采用具有精確質(zhì)量的稱重標(biāo)定塊對稱重系統(tǒng)進(jìn)行周期性的標(biāo)定工作[6-8]。

目前，鋼廠稱重標(biāo)定塊的搬運(yùn)通常需要工人在現(xiàn)場定時操作行車通過吊裝方式完成。該稱重標(biāo)定塊為超長超重的矩形鋼坯件，行車操作采用鎖具吊裝作業(yè)方式，不僅很難將稱重塊精準(zhǔn)定位到秤臺中心位置，經(jīng)常會導(dǎo)致稱重傳感器的受力不均勻；而且人工放置很難控制放置的力道和速度，從而不可避免在放置時稱重標(biāo)定塊與稱重系統(tǒng)發(fā)生碰撞和沖擊。受力不均或者碰撞和沖擊的產(chǎn)生，一方面會影響棒材質(zhì)量稱量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，另一方面會縮短稱重系統(tǒng)的使用壽命。人工行車吊裝稱重塊還會對操作人員產(chǎn)生的一定的安全問題[9-12]。針對上述人工操作行車吊裝搬運(yùn)稱重標(biāo)定塊的不足之處，根據(jù)鋼廠稱重系統(tǒng)的實(shí)際狀況，針對特鋼棒材精整生產(chǎn)線棒材稱重系統(tǒng)的標(biāo)定工作設(shè)計了一種稱重標(biāo)定塊自動轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人，通過對該稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)稱重標(biāo)定塊的自動取放工作，操作安全方便，并且無需人工監(jiān)控。

1 稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)功能

本文設(shè)計的稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括軸測圖、正視圖和俯視圖。該轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：1）當(dāng)稱重系統(tǒng)需要標(biāo)定時，將稱重標(biāo)定塊從稱重放置臺架上平穩(wěn)地轉(zhuǎn)運(yùn)到稱重系統(tǒng)上；2）當(dāng)稱重系統(tǒng)標(biāo)定完成后，需要將稱重標(biāo)定塊從稱重系統(tǒng)上取回到稱重塊放置臺架上，等待下一次稱重塊標(biāo)定工作。

圖1 稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)

本文的稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的控制需要實(shí)現(xiàn)工人在現(xiàn)場操作臺能夠獨(dú)立控制稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人工作，也可以在遠(yuǎn)程控制室總控臺發(fā)送控制指令控制稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的工作。考慮到稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)操作的安全性問題，在轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)中，控制指令權(quán)限設(shè)置的優(yōu)先級是現(xiàn)場操控臺下發(fā)的指令優(yōu)先級高于遠(yuǎn)程控制室總控臺下發(fā)的指令。

2 稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由直線運(yùn)動模塊、同步頂升模塊、稱重標(biāo)定塊放置臺架、稱重標(biāo)定塊夾持與支撐臺等功能部件組成[13]。

圖2 稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)圖

稱重標(biāo)定塊放置臺架如圖3所示，放置在底座上，稱重標(biāo)定塊平行于稱重裝置的安裝方向，稱重標(biāo)定塊放置臺架與稱重裝置平行放置。直線運(yùn)動模塊設(shè)置在稱重系統(tǒng)內(nèi)部，對稱放置的直線運(yùn)動模塊與稱重標(biāo)定塊長度方向垂直。每個直線運(yùn)動模塊上均安裝有一套載板組件，每套載板組件上安裝有一套同步頂升模塊。

圖3 稱重標(biāo)定塊臺架

轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的每側(cè)均采用兩套同步頂升模塊，搭載稱重標(biāo)定塊實(shí)現(xiàn)超長超重的稱重標(biāo)定塊的搬運(yùn)。稱重標(biāo)定塊通過安裝在直線運(yùn)動模塊上的同步頂升模塊的同步運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)稱重標(biāo)定塊的頂升和下降運(yùn)動。同步頂升模塊包括安裝底板、外殼體、內(nèi)部伸縮套筒、頂部安裝板、頂升電動推桿、頂升電動推桿安裝基座、導(dǎo)向滾輪、頂升導(dǎo)軌、頂升伺服電動機(jī)、頂升減速器和頂升同步帶傳動系統(tǒng)。

每個直線運(yùn)動模塊上均設(shè)置有兩套載板組件，其中一套為帶伺服驅(qū)動電動機(jī)的主動載板，另一套為隨動載板，主動載板與隨動載板之間通過兩套拉桿機(jī)構(gòu)連接實(shí)現(xiàn)同步直線運(yùn)動。

3 稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)

稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的組成如圖4所示，主要由產(chǎn)線總控計算機(jī)、現(xiàn)場控制計算機(jī)、倍福控制器、人機(jī)交互界面設(shè)備HMI、伺服驅(qū)動器、伺服電動機(jī)，以及其他檢測傳感器（接近傳感器、限位開關(guān)）等組成。該稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的總控計算機(jī)與現(xiàn)場控制計算機(jī)之間采用以太網(wǎng)通信，現(xiàn)場控制計算機(jī)與倍福控制器之間也采用以太網(wǎng)通信。倍福控制器與伺服驅(qū)動器之間采用Profinet總線控制，與接近傳感器/限位開關(guān)之間采用IO控制。

圖4 稱重桁架機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)

稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的主控制器采用倍福控制器，伺服驅(qū)動器采用西門子伺服驅(qū)動器，倍福控制器與西門子伺服驅(qū)動器之間采用Profinet總線通信。稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動控制采用西門子伺服電動機(jī)自帶的絕對編碼器來實(shí)現(xiàn)基于位置的閉環(huán)伺服控制，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人到達(dá)指定位置停止后由制動器對電動機(jī)進(jìn)行鎖緊操作，同步頂升模塊和水平直線運(yùn)動模塊安裝有接近傳感器和限位開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人上是否運(yùn)動到指定位置和是否超過限位進(jìn)行檢測和判斷。該運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)器人控制系統(tǒng)可以控制同步頂升模塊和水平直線運(yùn)動模塊的伺服運(yùn)動，并可與現(xiàn)場控制計算機(jī)和產(chǎn)線控制計算機(jī)通過以太網(wǎng)總線等實(shí)現(xiàn)信息和指令的通信。稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動可以由產(chǎn)線控制計算機(jī)（或現(xiàn)場控制計算機(jī)）通過以太網(wǎng)通信將控制指令發(fā)送給倍福控制器，倍福控制器根據(jù)產(chǎn)線控制計算機(jī)（或現(xiàn)場控制計算機(jī)）的指令來控制稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動。針對稱重標(biāo)定塊的轉(zhuǎn)運(yùn)操作，倍福控制器編寫不同的運(yùn)動規(guī)劃與控制子程序，實(shí)現(xiàn)對稱重標(biāo)定塊的可靠安全轉(zhuǎn)運(yùn)工作。

轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的同步頂升模塊是負(fù)責(zé)稱重標(biāo)定塊的舉升和下落運(yùn)動，該模塊需要控制兩組同步伺服電動機(jī)。水平直線運(yùn)動模塊負(fù)責(zé)稱重標(biāo)定塊的水平運(yùn)動，該模塊需要控制一組同步伺服電動機(jī)。伺服電動機(jī)之間的同步運(yùn)動控制通過倍福控制器和伺服驅(qū)動器之間Profinet總線進(jìn)行實(shí)時通信，并以倍福控制器進(jìn)行虛擬主軸的編程，然后通過虛擬主軸控制多個從軸可以實(shí)現(xiàn)伺服電動機(jī)的同步運(yùn)動功能。

4 稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人工作流程

稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)稱重標(biāo)定塊取放的軟件流程如圖5所示。稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的控制可以通過產(chǎn)線總控計算機(jī)在總控室進(jìn)行控制，也可以通過現(xiàn)場控制計算機(jī)在現(xiàn)場控制臺進(jìn)行控制。稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人通過產(chǎn)線總控計算機(jī)進(jìn)行控制的工作流程如下：首先，產(chǎn)線總控計算機(jī)通過以太網(wǎng)下發(fā)稱重標(biāo)定塊稱重的轉(zhuǎn)運(yùn)指令給現(xiàn)場控制計算機(jī)，現(xiàn)場控制計算機(jī)再通過以太網(wǎng)將相關(guān)指令發(fā)送給倍福控制器，倍福控制器接收到控制指令后調(diào)用對應(yīng)的稱重標(biāo)定塊稱重轉(zhuǎn)運(yùn)子程序，實(shí)現(xiàn)稱重標(biāo)定塊稱重轉(zhuǎn)運(yùn)操作任務(wù)。當(dāng)稱重標(biāo)定塊對稱重系統(tǒng)標(biāo)定任務(wù)完成后，產(chǎn)線總控計算機(jī)通過以太網(wǎng)下發(fā)稱重標(biāo)定塊取回的轉(zhuǎn)運(yùn)指令給現(xiàn)場控制計算機(jī)，現(xiàn)場控制計算機(jī)再通過以太網(wǎng)將相關(guān)指令發(fā)送給倍福控制器，倍福控制器接收到控制指令后調(diào)用對應(yīng)的稱重標(biāo)定塊取回轉(zhuǎn)運(yùn)子程序，實(shí)現(xiàn)將稱重標(biāo)定塊放歸原位的操作任務(wù)。人機(jī)交互界面HMI（控制面板）可以進(jìn)行稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的調(diào)試工作，并可以實(shí)時顯示稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的故障信息和運(yùn)動狀態(tài)信息等。

圖5 稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人的工作流程

5 結(jié)論

本文介紹了對鋼廠稱重系統(tǒng)進(jìn)行周期性標(biāo)定工作的稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計。該轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)稱重標(biāo)定塊的自動取放工作，避免了人工通過行車搬運(yùn)的危險性。本文詳細(xì)介紹了稱重標(biāo)定塊轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的功能、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)以及工作流程等。