全自動激光打標焊牌機器人在方坯連鑄機上的應用

徐林林，戴本俊，尹 平，陳中凱，葉 飛

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

隨著我國智能制造、信息技術水平的明顯提升，為促進制造場景與智能技術的深度融合，國內眾多冶金企業開始實施機器人代人作業［1］。加速工業機器人上崗，打造極致少人化、無人化現場，革新生產作業方式，邁向以“三跨融合”為特征的智慧制造2.0 企業［2］。同時推進安全生產“鑄安”行動常態化、實效化，踐行“生命至上，安全第一”的安全管理理念［3］，避免現場高危險源崗位對人的潛在危害，提高生產效率，穩定產品質量。高溫連鑄坯的標識作業就是典型的高危險源崗位，人工標識勞動強度大，作業危險屬性高，且容易出現漏標識、錯標識等問題［4-5］。

當前國內鋼鐵企業高溫連鑄坯的在線標識，主流方式還是采用噴號標識，早些年部分連鑄機使用鋼印標識，辨識度低、成本高，逐漸被后來的占主流的噴號方式代替［6］。噴號標識方式又有噴涂料以及電弧焊絲噴號等幾種類型，均不同程度存在噴頭易堵塞、因氧化皮脫落影響標識完整性等問題，無法完全滿足鋼鐵企業對熱鑄坯全流程自動化信息準確跟蹤、質量溯源自動識別信息的需求。

某特鋼公司新建的大方坯連鑄機，主要生產250 mm×250 mm、380 mm×450 mm 兩種鑄坯斷面，連鑄坯在吊離冷床前，應用全自動、高可靠性的鑄坯在線激光打印焊接標識機器人，對連鑄坯的信息化數據進行跟蹤，對產品質量異常進行溯源，實現連鑄坯入緩冷坑、熱送進加熱爐等全流程物流信息跟蹤，實現了無人化操作，取得了更好的效果。

1 工藝技術需求分析

某特鋼公司新建的大方坯連鑄機，是利用現有廠房空間實施的改造項目，設計之初就存在連鑄機工藝設備布置緊湊、出坯輥道較短、只占有1 跨空間、拉速較快以及出坯周期時間短等特點。連鑄機出坯區域設置有2 套冷床，其中1#冷床用于紅坯熱送進加熱爐，2#冷床布置在另外一跨，熱坯經熱送過跨輥道進緩冷坑。250 mm×250 mm 小斷面采取雙坯輸送，380 mm×450 mm 大斷面采用單坯輸送。為實現熱坯標識的物流信息化、自動化、無人化程度，工藝技術需求如下。

（1）采用2 套焊牌機器人，分別用來標識2 個冷床出坯方向的熱鑄坯。

（2）標牌焊接位置布置在大方坯的端面位置。

（3）標識信息格式為：爐號+流號+坯號+鋼種，字符數30個左右。

（4）標識字符按工藝需求設置，由數字、字母、漢字、二維碼或條形碼組成。

（5）標識周期小于30 s，從焊標啟動到完成為1個時間周期。

（6）標識耐溫大于800 ℃。

（7）標牌料倉容量應滿足連續工作8 h 的需求量。

2 現場工藝設備布置

由于連鑄機現場設備布置空間限制以及出坯周期時間短的特點，對鑄坯焊牌標識的周期時間有嚴格的上限限制，必須對焊牌機器人的布置充分論證，保證標識操作不影響生產效率。2 套機器人鑄坯自動焊牌系統分別安裝在熱送輥道邊部及1#冷床中部區域，對鋼坯進行焊掛標牌標識，完全滿足了對空間及周期的要求。

3 激光焊牌系統主要設備組成

激光打標焊牌系統主要有六自由度工業機器人、標牌打印系統、標牌整理取牌系統、自動送釘系統、自動焊牌系統、焊牌自動定位系統、電控系統、操作控制HMI 軟件系統及控制柜、設備現場布置隔熱輔助裝置等部件組成，實現激光打印、自動取牌、自動焊牌和信息確認的全自動過程。

3.1 六自由度機器人

主體設備支撐系統采用ABB 六自由度工業機器人作為平臺載體，根據現場實際空間布置情況，考慮單根焊牌和雙根焊牌同時出現的情況，以及鑄坯高溫的工作環境，并考慮對熱敏感性較強的電氣元器件的影響，選用ABB IRB4600-40∕2.55 型工業機器人，最遠作用距離達2.55 m，本體有效遠離高溫熱坯的熱輻射，有效負載40 kg，重復定位精度達到0.10 mm，最高IP67 防護等級，最大限度保證焊牌系統工作可靠性。

3.2 標牌打標系統

標牌打標系統主要實現金屬基牌的取牌、輸牌及激光雕刻打印信息的過程。標牌打標系統根據連鑄機控制系統傳輸的鑄坯信息數據，通過激光打標機，在金屬標牌上雕刻好設定的二維碼及參數信息，標牌整理定位機構將打印好的標牌定好位，對已打印好的標牌進行圖像識別，判斷打印內容是否正確。激光打標系統包含激光打標機及標牌送料機構兩大部分，其中標牌送料機構包含標牌存儲箱、標牌輸送模組和標牌上料部件等。

3.3 自動送釘系統

自動送釘系統用來將焊釘料倉中的小焊釘自動按照設定的流程進行搓釘，并將焊釘送至機械手取釘位置，主要包含搓釘定位機構、直振平送機構、搓釘氣缸機構以及焊釘料倉等功能部件，自動完成輸送焊釘到指定取釘位置的動作過程。

3.4 自動標牌定位及焊牌系統

安裝在機械手前端的工業相機對高溫連鑄機的端面進行拍照定位，檢測識別端面位置，識別出標牌的焊接位置，機器人自動焊牌系統將焊槍上的焊釘穿過標牌孔，并通過工裝夾具取起標牌，六軸協同運動使標牌及焊釘接觸到鋼坯表面，焊槍頭部傳感器檢測到接觸鋼坯端面后，系統發出焊接指令，焊機焊接完成，然后對標牌上的二維碼進行圖像識別并記錄。

3.5 電氣控制系統

電氣控制系統包含電氣控制柜、機器人控制器、送釘系統控制模塊、標牌整理定位驅動模塊、輸入輸出模塊、電源模塊和網絡通訊模塊等，控制原理示意圖如圖1 所示。系統操作軟件設計友好，操作簡單，方便生產操作人員進行參數設置，自動接收連鑄機二、三級系統的數據或人工輸入數據后進行標識打印，具備人工數據錄入或者聯網自動取數的方式供用戶選擇，具備自動檢測與報警功能，打印數據記錄與查詢及報表功能。

圖1 焊標機器人電氣控制系統原理示意圖

3.6 安全、隔熱輔助裝置

連鑄機出坯區域工作環境苛刻，存在高溫熱輻射，焊標位置的鑄坯溫度仍然有700～850 ℃，機器人周圍配置有隔熱護板，同時機器人自動化程度較高，對現場操作及維護人員起到安全防護作用。焊標機器人本體及附屬電氣元件、電纜等的熱防護措施必須設計完善，工作期間必須安全門聯鎖，防止安全事故發生，主要包括安全防護欄、隔熱板、電子安全門禁及壓縮空氣冷卻管路等輔助設施。

4 應用效果

某特鋼公司方坯連鑄焊標機器人自2020 年4月熱試投產以來，激光打印焊標機器人使用過程暴露出一些問題，應用初期焊標合格率僅85%～90%（焊標合格率=成功打印焊接的連鑄坯支數÷連鑄坯總支數×100%）。經過現場摸索與分析，焊標合格率偏低的主要原因是系統相關外圍因素波動，如壓縮空氣供氣壓力在生產期間有波動導致聯鎖不動作；參數設置錯誤、焊牌采購質量不同批次有質量波動導致焊標效果不良；焊釘里面有異形釘導致頻繁卡釘等，影響了前期月均焊標合格率的提升。經過一年多的摸索與實踐，解決了各外圍因素的影響，改善了焊標合格率，經統計18 個月的使用數據，改善趨勢如圖2所示，焊標合格率基本穩定在99%以上，焊標焊接牢固無脫落，激光打印信息符號及二維碼清晰度如圖3 所示，鑄坯后期入加熱爐前標識識別率100%，滿足了連鑄高溫熱鑄坯的在線標識、信息識別和溯源的要求。

圖2 方坯連鑄機月平均焊標合格率趨勢圖

圖3 自動焊牌作業與焊牌效果

5 結束語

大方坯連鑄機配套機器人自動激光打標焊牌系統，配合耐高溫金屬標簽以及工業掃碼儀器，實現了對高溫連鑄坯的冷床出坯焊牌標識及熱送入爐前的識別追溯、入緩冷坑鑄坯的成品識別，使用近2年來系統基本實現了不漏標、錯標，達到了99%以上的焊標合格率。鑄坯成品質檢人員使用專業掃碼儀器，對連鑄坯數據進行讀取、復核，實現了連鑄坯的全流程信息跟蹤，設備運行可靠性高，維護量小，顯著降低了工人的勞動強度，提升了連鑄生產信息化、高效化、無人化程度，踐行了鋼鐵企業綠色發展、智慧制造的發展理念。