基于視覺識別的全自動紙套筒研發

曹凱，鄭昊，柳軍，李婷，李志鋒

（1. 鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山 114021；2. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著科學技術的發展，工業機器人技術的應用變得越來越廣泛，尤其是在切割、搬運、碼垛、焊接、噴涂等方面應用較多[1-3]。 在《中國制造2025》方針的推動下[4-6]，結合我國鋼鐵行業工業機器人技術應用存在的短板問題，開發應用于鋼鐵行業惡劣環境下的工業機器人自動化系統勢在必行，鞍鋼為加速推進鋼鐵行業智能制造和數字化轉型，針對冷軋成品機組出口處人工搬運和套筒時存在勞動強度較大、 工作效率較低以及危害風險較高等難題，在滿足成品下線機組出口處鋼卷打包工藝要求的前提下, 采用系統集成技術設計研制開發了一款機器人自動套紙筒系統，并開展了現場運行實踐。

1 鋼卷套筒原工藝流程及存在問題

鋼卷套筒原工藝流程如圖1 所示。 天車將紙筒吊到指定位置，人工將紙筒搬運到手動上料架上，由人工推送紙筒到芯軸上。鋼卷下料后需要人工打印標簽，再去貼標簽。人工粘膠帶需要事先準備好200 mm 長膠帶，再由工人去鋼卷側面把鋼卷帶頭找出，并粘貼牢固。原有貼標方式存在貼標不及時，或人工打印標簽有誤等問題。

圖1 鋼卷套筒原工藝流程Fig. 1 Original Process Flow of Steel Coil Sleeve

2 基于視覺的全自動機器人紙套筒系統

為了解決原鋼卷套筒系統存在的問題，開展了基于視覺的全自動機器人紙套筒系統研發。

2.1 設備布局

基于視覺的全自動機器人紙套筒系統的機器人本體為安川GP180，紙套筒系統包括機器人控制柜、紙套筒臺架以及安全圍欄等防護設備，主要布局見圖2。

圖2 設備布局示意圖Fig. 2 Equipment Layout Diagram

2.2 系統配置

該系統主要包括安川GP180 工業機器人，行走機構，紙筒搬運抓手和輸送裝置，粘膠帶裝置，標簽打印和貼標裝置，視覺識別系統以及PLC 控制柜等。

（1）安川GP180 工業機器人

安川GP180 工業機器人本體如圖3 所示，其工作參數如表1 所示。

表1 安川GP180 工業機器人工作參數Table 1 Working Parameters for Yaskawa GP180 Industrial Robot

圖3 安川GP180 工業機器人本體Fig. 3 Yaskawa GP180 Industrial Robot Body

機器人控制單元包含電機驅動器、IO 單元、通訊模塊等，并配備一個機器人示教器。

（2）行走機構

機器人安裝固定在行走機構上，行走機構通過化學螺栓固定在車間混凝土地面上，由伺服電機驅動，將機器人精準輸送到所需位置。

（3）紙筒搬運抓手和輸送裝置

連接于機器人T 軸上，配裝ATC（端識器自動更換裝置），進行機器人抓手快換，搬運裝置用來搬運紙筒并安裝到芯軸上，配有激光測距裝置。

（4）粘膠帶裝置

粘膠帶裝置集成了激光檢測裝置和粘貼膠帶裝置。 激光檢測裝置用于確認鋼卷大小及位置并確認粘貼膠帶位置。

（5）標簽打印和貼標裝置

標簽打印裝置與現場機組網絡連接，打印出需要的標簽信息。貼標裝置集成了激光檢測裝置、掃碼裝置、貼標組件等。激光檢測裝置用于確認鋼卷大小及位置并確認貼標位置； 掃碼裝置用于掃描二維碼確認鋼卷信息； 貼標組件用于完成吸取標簽并且貼到鋼卷指定位置。

（6）視覺識別系統

視覺識別系統，用于識別芯軸上橡膠外圈變形量，通過計算進行上紙筒位置補償。

（7）主PLC 控制柜

主PLC 控制柜，包含PLC 主控制單元、輸入輸出模塊、以太網通訊模塊、串口通訊模塊等。

2.3 電氣系統

機器人自動紙套筒系統采用SIEMENS S7-1200 系列的PLC 作為該系統控制器，并采用Profibus－DP 接口方式進行通信，DP 從站有現場HMI 操作箱、伺服控制器及機器人控制器。 整套自動控制PLC 控制系統采用硬接線I/O 的方式與L1服務器進行安全聯鎖以及搬運機器人、機器人粘膠帶裝置、 步進梁小車和機器人貼標系統的聯鎖控制。采用以太網、Profinet、TCP/IP 通信協議。設備通過硬線與L1 實現通訊，獲取聯鎖控制等信息。機器人上位機與三級通訊，機器人PLC 根據跟蹤信號向上位機申請數據，獲取卷號、寬度、卷徑等基礎信息上位機將相應的鋼卷數據發給PLC。

3 改進后鋼卷套筒工藝流程及參數

3.1 工藝流程

改進后鋼卷套筒系統工藝流程示意圖見圖4。

圖4 改進后鋼卷塔筒系統工藝流程示意圖Fig. 4 Process Flow Diagram for Upgraded Steel Coil Tower Sleeve System

該系統的主要功能如下：

（1）機器人搬運系統收到機組“上料紙筒”信息，搬運抓手對紙筒進行確認并抓取紙筒，搬運抓手對芯軸掃描確認上紙筒位置，通過視覺識別系統對芯軸上橡膠套變形進行位置補償，將紙筒上到指定位置；

（2）機器人粘膠帶系統收到 “鋼卷到位”信號，通過激光掃描裝置確認鋼卷直徑和帶頭位置，精確計算出預先設定粘膠帶位置，并準確的將膠帶粘到設定位置，并粘貼牢固;

（3）步進梁小車收到“膠帶粘貼完成”信號，將鋼卷從1#鞍座輸送到2#天車吊卷鞍座工位；

（4）機器人貼標系統收到“鋼卷到位”信號，機器人帶著貼標裝置移動到指定貼標位置，下壓將標簽粘貼；

（5）掃碼裝置拍照檢驗，判斷標簽是否有效，如無效報警，提示操作人員。

3.2 工藝參數

從卷取機上鋼卷下料至移動小車，小車將鋼卷輸送到1#鞍座位置，紙筒搬運裝置接收到上紙筒命令，到鋼卷下料移動到天車吊卷位置貼標完成為止，要滿足出口鋼卷下線速度，保證機組連續生產要求。 滿足時間控制在480 s/卷，工藝參數見表2。

表2 工藝參數Table 2 Process Parameters

4 系統應用及效果

基于視覺的全自動機器人紙套筒系統現場運行結果表明，設計的機器人搬運系統、視覺識別系統、 機器人粘膠帶系統和機器人貼標系統實現了鋼卷自動換紙筒粘膠帶貼標簽功能，不僅降低了工人的勞動強度，提高了工作效率，而且降低了因鋼卷松動對操作工造成的危害風險。 該系統周期內無故障率99.8%以上，日作業率＞80%，工作周期480 s/卷，能夠滿足生產節奏要求，達到了預期的效果，貼標成功率、上紙筒成功率和標簽信息準確率均接近99%，上紙筒節拍時間縮短了4.5 s，貼標簽時間縮短了20 s。

5 結語

采用工業機器人集成技術研發的基于視覺的全自動機器人紙套筒系統的開發和應用代替人工從事鋼卷換紙筒、粘膠帶、貼標簽等工作，上紙筒節拍時間由初始設計的10 s 壓縮至5.5 s，貼標簽時間縮短了20 s，能夠降低工人的勞動強度，提高工作效率，而且避免了現場作業環境空間狹小，存在一定的安全隱患，甚至是鋼卷的松動對操作工造成的危害風險。 該全自動機器人紙套筒系統可以廣泛應用于成品下線工序上，同時能夠對工業機器人的應用開發起指導和參考作用。