一種應用于鋼擠壓機生產線的工業機器人的設計

牛 博，秦 琦

（山西太鋼不銹鋼鋼管有限公司，山西 太原 030008）

0 引言

太鋼鋼管公司從SMS MEER 引進的60 MN 臥式鋼擠壓機為國內最大的臥式鋼擠壓機，該套設備主要用于生產中高端不銹鋼無縫鋼管，擠壓材料為有色金屬、鈦材和復合材料等。鋼擠壓機配套的20 MN 立式擴孔機使坯料在擴孔—擠壓步驟時降低擠壓比，減少坯料的機加工量，提高成材率。60 MN 鋼擠壓機和20 MN 擴孔機的控制是“機—電—液”一體化、自動化程度比較高的機械設備。為了降低安全隱患，預防事故的發生，使用工業機器人來代替人工執行危險和枯燥的工作任務，機器換人已經成為工業生產的大趨勢。工業機器人基本沒有工作時間的限制，通過簡單編程即可完成所需的工作，可以重復執行同一種任務，而不會有厭倦情緒和效率下降的問題。機器人生產，除了可以減輕工人重復性體力勞動之外，最大的優勢是有利于生產過程標準化。

1 研究目的

在鋼材銷售價格不變的情況下，型材成本越高，利潤越低。目前，原材料價格上漲、工人工資不斷提高，能源價格上漲，成本控制精細化的時代已經到來。

通常，擠壓機組設備包括環形加熱爐、感應爐、擴孔機、擠壓機和出料輥道等，有些產線還包括后部深加工的管軋機、酸洗和矯直等相關設備。在整條生產線上，操作及維護難度較大且安全風險高的區域在擠壓機區域，其自動化程度高、控制難度較大，受連續作業的影響，只要這些設備中有一處發生故障或安全險兆，就會導致整條生產線的停滯。采用工業機器人進行操作，不僅可提高產品的質量與產量，而且對保障人身安全、改善勞動環境、減輕勞動強度、提高勞動生產率、節約原材料消耗以及降低生產成本，有著十分重要的意義。和計算機、網絡技術一樣，工業機器人的廣泛應用正在日益改變著人類的生產和生活方式。

根據現場的鋼擠壓機生產線的具體運行情況，對需要機器進行干預的位置進行分析。工業機器人的選型根據現場的空間尺寸以及工藝需求進行調整，對于工藝需求的特殊步驟，基于現場的實際情況重新進行現場調試。

2 設計方案

2.1 可用工業機器人代替人工的工位

2.1.1 擴孔機玻璃粉潤滑裝置和擴孔錐安裝小車

玻璃潤滑裝置安裝在擴孔機側面，用于坯料端面的玻璃潤滑裝置如圖1 所示，包括機架1、擺臂2、玻璃粉/玻璃球儲罐3 和玻璃墊吸盤4。擺動動作由液壓驅動裝置5 實現。儲罐3 的打開和關閉靠與氣缸連接的拉桿6 實現，儲罐3 玻璃粉的補充由自動加料設備進行。玻璃墊吸盤的裝載由人工進行。當坯料裝入擴孔筒后，玻璃潤滑裝置擺動到擴孔筒上方，真空吸力被解除，吸盤4 上被吸住的玻璃墊放到坯料的端面上（坯料導向孔被封閉）。然后，儲罐3 打開，玻璃粉/玻璃球通過下方的小孔流到玻璃墊上。

圖1 擴孔機玻璃粉潤滑裝置示意圖

現場實際運行中，擴孔機玻璃粉潤滑流程處于開放環境，由一次感應爐—擴孔機潤滑平臺進行玻璃粉潤滑。固定裝置通過坯料自重將潤滑后的坯料送入擴孔筒，劇烈震動使潤滑臺和坯料表面的玻璃粉在現場彌漫。

擴孔錐安裝小車用于在墩粗桿上安裝新的擴孔錐，把擴孔錐裝入小車是在機外工作臺上完成的。擴孔錐安裝小車如圖2 所示，由框架1、滑架2、立架3、導桿4、適配架5、頂環6、導套7 和水套8 組成。滑架2 由液壓缸9 驅動，立架3 的上下運動由液壓缸10驅動，適配架5 的導桿4 上下運動由液壓缸11 驅動。

圖2 擴孔機安裝小車示意圖

原始設計為生產現場崗位操作工通過帶線遙控器操作，擴孔錐需人工搬運至安裝小車上。作業環境為高溫環境，粉塵多、噪聲大。擴孔錐適用于擠壓系列450 規格，質量為100 kg，人工操作安全風險很高。因此，有必要用機器人代替人工操作。

2.1.2 擠壓機模座滑移機構

模座滑移機構安裝在擠壓機前梁的內側。模座滑移機構如圖3 所示，包括2 個彼此銜接并可以推動的模具滑架：模座1 和模座2。模座1 內安裝當前模具3。模座2 內安裝了壓余取出套筒和取出環，用于接納取出壓余和擠壓墊。需要更換模具時，裝有模具的模座1 被液壓缸4 沿與擠壓方向垂直的方向推到模具更換位置。此時，模座2 位于擠壓中心線，接納取出壓余和擠壓墊。

圖3 模座滑移機構示意圖

在當前生產模式當中，圖3 標注的當前模具3在每次擠壓后，需人工對擠壓模進行打磨，重復人工作業可能導致人工檢測效率不穩定，過量粉塵以及噪音是潛在的職業病隱患，可以由機器人代替人工操作。

2.1.3 304 坯料壓余上料工序

為減少壓余、節約生產成本,對使用304 壓余墊的無壓余熱擠壓技術進行研究。通過采用不同擠壓比、不同加熱溫度的擠壓實驗,研究了鋼擠壓機熱擠壓無壓余工藝的成形性能，并投入使用。在正常無壓余擠壓過程中，使用材質為304 的坯料作為壓余墊，擠壓后成為壓余部分為304 材質的坯料通過形變成為壓余，以提高高附加值產品成材率。

上料機械手安裝在擠壓機的下張力柱的外壓套上，裝錠機如圖4 所示，包括框架1，擺臂2，擺臂3 以及固定在擺臂上的鉗口4 和5。兩個擺臂和兩個鉗口的結構完全相同，擺臂動作靠液壓缸6 實現，鉗口的開閉則由液壓缸7 實現。

圖4 上料機械手示意

在接料位置，待擠壓的管坯滾動到打開的裝錠機鉗口內，頂料桿把擠壓墊頂推到管坯前端，并連同管坯一起頂到定位擋塊處，鉗口閉合。裝錠機擺臂把管坯和擠壓墊一起送到擠壓機中心，擠壓軸把管坯推進擠壓筒內。當擠壓墊已經離開第一個鉗口4 后，在不中斷裝料操作的條件下，鉗口4 打開，擺臂2 返回到接料位置，在擠壓墊已經離開第二個鉗口5 后，鉗口5 打開，擺臂3 也返回到接料位置。

在實際運行中，坯料先到達上料機械手，到位后，壓余分離裝置自動將擠壓墊送到坯料尾端。自動運行模式下無法預留304 擠壓墊料位置，需通過工業機器人將溫度加熱到1 130 ℃的304 擠壓墊料放置在主要擠壓坯料后，通過PLC 延時30 s，擠壓墊到位后，進行完整工藝的無壓余擠壓。

2.2 工業機器人的選型設計

2.2.1 執行機構

簡單的夾鉗式取料手不能適應物體外形的變化，不能對物體表面施加比較均勻的夾持力。因此，無法對復雜形狀、不同材質的物體夾持操作。為了提高機器人手爪和手腕的操作能力和快速反應能力，使機器人能像人手一樣進行各種復雜的作業，如裝配作業、維修作業、設備操作以及機器人模特的禮儀手勢等，就必須有一個運動靈活、動作多樣的靈巧手。在實際運行過程中，工業機器人采用多關節柔性手，能針對不同外形物體實施抓取，并使物體表面受力比較均勻，每個手指由多個關節串接而成。手指傳動部分由牽引鋼絲繩及摩擦滾輪組成。每個手指由2 根鋼絲繩牽引，一側為握緊，另一側為放松。驅動源可采用電機驅動或液壓、氣動元件驅動。柔性手腕可抓取凹凸外形物體，并使其受力較為均勻。柔性材料做成的柔性手一端固定，一端為自由的雙管合一的柔性管狀手爪。當一側管內充入氣體，另一側管抽出氣體時，形成壓力差，柔性手爪就向抽空側彎曲。工業機器人本體選型為IRB 7600-150/3.50，負載為150 kg，臂展為3 500 mm。IRB7600-150 安裝在壓余分離位置與擠壓機上料機械手中間。通過電磁感應加熱爐加熱的304 壓余墊料通用區間范圍為100～120 kg。

2.2.2 控制路徑

CCD 攝像頭光譜共焦位移傳感器用于工模具外觀缺陷檢測。由于無縫鋼管熱擠壓的工藝限制，擠壓生產中配套使用的工模具可能會出現各種缺陷，如黏鋼、劃痕和裂紋等。開發有效的自動缺陷檢測技術對查明有缺陷的工模具非常重要，可以提升產品質量。例如，對金屬擠壓模的表面缺陷進行檢測，目前，大多數無縫鋼管的制造生產線都是通過人工來進行質量控制。對于檢測后需要進行修磨要求的擠壓模，人工作業需要消耗大量工時。對連續批量生產的高附加值產品（如625、8810 和8811 鎳基合金）進行人工檢測修磨，人工成本費用過大。

伴隨著科學技術的發展，表面缺陷檢測領域機器視覺的地位迅速提升，但傳統的圖像識別方法對光照條件要求高，適應性較差。不同條件下采集的表面缺陷圖像難以滿足識別要求，此外，傳統的圖像檢測方法主要通過密集的圖像預處理來獲取圖像特征。但是，工模具表面缺陷可能非常小，導致特征不是清晰可見，采用傳統方法難以準確識別工模具表面的缺陷。利用光譜共焦技術不受環境光照和材質的干擾，可有效檢測模具表面輪廓的高度。此外，3D 線光譜共焦傳感器還可對模具表面進行3D 建模，通過3D 點云，可以快速辨別工模具表面的不良數據，從而提前為產線制造提供合理的檢測數據，提升質檢效率[1-2]。

鋼擠壓機生產線配套使用工業機器人，其控制原理如圖5 所示，CCD 攝像頭和光譜共焦位移傳感器配合使用，平行安裝在機械手附近，通過掃描數據與數據庫內預置信息進行比對，判斷是否進行重復作業。待檢測位置發生異常時，循環中斷，執行更換工模具作業。

圖5 工業機器人控制原理

3 結語

全自動生產線是未來鋼鐵行業發展的必然趨勢。機器人與信息化和大數據相結合，并將其納入全過程控制系統，“機器取代人”已成為必然趨勢。工業機器人的設計和應用需要考慮承受高溫、高壓、高濕、低溫和有毒氣體等惡劣環境中的穩定性。在現有技術的基礎上，對機器人進行智能化改造，形成了低成本、高效率的生產模式，可取代艱苦生產環境下的人工作業，為企業轉型升級提供了重要手段。