冷軋成品機組三合一全自動機器人研發與實踐

曹凱¹  鄭昊¹  柳軍¹  李婷²  李志鋒²

（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）

摘要: 針對由人工擔任冷軋各成品機組出口處鋼卷套筒和貼標簽工作, 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，采用系統集成技術研發了一款三合一全自動機器人系統代替人工從事的搬運套筒、鋼卷貼膠帶、鋼卷貼標簽等工作。通過現場運行表明, 整套系統設計合理、工作穩定可靠。該機器人自動紙套筒系統可廣泛應用于各出口機組打包工序上。

關鍵詞: 三合一全自動工業機器人；紙筒輸送裝置；視覺識別系統

按照，2021年中國鋼鐵工業協會圍繞行業數字化轉型持續開展工作，據鋼協統計，截至2021年11月底，國內已有約80%的鋼鐵企業在推進智能制造，數字化轉型成效初顯。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]，努力消除我國鋼鐵行業工業機器人技術應用存在的短板問題，有必要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。

由于成品下線機組出口處人工搬運套筒、人工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的前提下, 采用系統集成技術設計了三合一全自動機器人系統代替人工從事的搬運套筒、鋼卷貼膠帶、鋼卷貼標簽等工作，并開展了現場運行實踐，本文對此做一介紹。

1 鋼卷套筒現場工藝

1.1 工藝參數  

卷取機上鋼卷下料至移動小車，小車將鋼卷輸送到鞍座位置，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。時間控制滿足工藝要求。

1.2 鋼卷套筒系統原工藝流程

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，在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長膠帶，在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現象。

2 基于視覺的三合一全自動工業機器人

為了解決原鋼卷套筒系統存在的問題，開展了基于視覺的三合一全自動工業機器人研發。

2.1  設備布局

基于視覺的三合一全自動工業機器人機器人系統包括機器人控制柜和紙套筒臺架以及安全圍欄等防護設備，主要布局如圖1所示。

圖1  設備布局示意圖

2.2  系統配置

該系統主要包括以下設備：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、視覺識別系統和PLC控制柜等。

（1）工業機器人

系統執行機構工業機器人本體如圖2所示，六軸機器人工作參數如表2所示。

圖2  工業機器人本體

表2  工業機器人工作參數

機器人控制單元包含電機驅動器、IO單元、通訊模塊等等，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，行走機構由伺服電機驅動，精準的將機器人輸送到所需位置。

（3）紙筒搬運抓手和輸送裝置

連接于機器人T軸上，配裝ATC，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、粘貼膠帶裝置等。激光掃描裝置用于確認鋼卷大小及位置并確認粘膠帶位置。

（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。激光掃描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；貼標裝置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）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

機器人自動控制系統采用SIEMENS系列的 PLC 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（ETHERNET）、Profinet、TCP/IP通信協議。設備通過硬線與L1實現通訊，獲取連鎖控制等信息。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，獲取卷號等基礎信息上位機將相應的鋼卷數據發給PLC。

2.4 系統工藝流程設計及控制原理

改進后鋼卷套筒系統工作流程示意圖見圖3。

圖3  改進后鋼卷塔筒系統工藝流程示意圖

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，將鋼卷從鞍座輸送到天車吊卷鞍座工位；

(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。

在輸送裝置中，天車將紙筒存放至緩存輸送線上，緩存區可以存放紙筒；紙筒輸送和提升系統將紙筒輸送到機器人搬運位置，并進行對中定位；當卷取機上的鋼卷下線，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；搬運機器人確認好芯軸位置，將紙筒上到指定位置后撤回到原始位置，并發送“上料完成”信號給機組。

卷取機上鋼卷下料至移動小車，小車將鋼卷輸送到鞍座位置，并發送“鋼卷到位”信號到機器人粘膠帶系統；粘膠帶裝置集成了激光檢測裝置、粘貼膠帶裝置等。激光掃描裝置用于確認鋼卷大小及位置并確認粘膠帶位置，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；機器人粘膠帶裝置完成膠帶設定位置粘膠帶動作后，機器人回原位，并發送“膠帶粘貼完成”信號給步進梁小車信號，步進梁小車將鋼卷從鞍座輸送到天車吊卷鞍座工位。

鋼卷輸送到指定鞍座后，發送“鋼卷到位”信號給機器人貼標系統；貼標機PLC訪問讀取三級系統（L3）數據庫的鋼卷信息后，打印機出標簽；機器人向打印機運動并吸取標簽；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；貼標簽機器人配置視覺定位系統及標簽識別系統能夠自動識別鋼卷上的最佳貼標簽位置，引導機器人自動進行標簽粘貼。保存拍照內容，原始數據可追溯。通過掃描標簽上的二維碼信息，復核標簽準確性：確認標簽已可靠粘貼在捆帶上，且標簽信息與鋼卷信息一致。判斷標簽是否有效，如無效報警提示操作人員；標簽貼完后，機器人回到原位等待，步進梁解鎖，可以動作；依次循環。

3 實施效果

基于視覺的三合一全自動工業機器人現場運行結果表明，所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，實現了對實現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，而且降低了工人的危害風險。該系統周期內無故障率99.8%以上，日歷作業率大于80%，工作周期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99%。

4 結論

采用工業機器人集成技術，所研發的基于視覺的三合一全自動工業機器人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，從而降低了工人的勞動強度、提高了工作效率，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。該三合一全自動工業機器人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。

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