基于工業(yè)機(jī)器人的全自動(dòng)鋼卷拆捆系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

李康宇，李 柳，趙東洋，左 斌，閆思達(dá)

（機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

目前，我國(guó)冶金行業(yè)正處于裝備轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期。工業(yè)機(jī)器人由于多自由度、通用性高、工作定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，在冶金行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛。如鋅渣打撈機(jī)器人、鋼卷取樣機(jī)器人、電焊貼標(biāo)機(jī)器人等[1,2]。在鋼卷生產(chǎn)過程中存在著許多高污染、強(qiáng)噪音、高粉塵以及勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高的流水線崗位。相比傳統(tǒng)的人工操作，工業(yè)機(jī)器人不僅能夠有效克服惡劣環(huán)境，還可以持續(xù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)定的作業(yè)，能夠顯著提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化、智能化水平[3,4]。

目前的冷軋生產(chǎn)流程中，原料卷需經(jīng)過人工拆除捆帶后送入開卷機(jī)。人工拆捆存在被崩開的捆帶打傷、被鋼卷劃傷等安全風(fēng)險(xiǎn)。特別是捆帶較長(zhǎng)，很容易掉落在運(yùn)輸軌道中，拾取過程極為危險(xiǎn)?，F(xiàn)有的自動(dòng)拆捆設(shè)備需要利用地輥旋轉(zhuǎn)鋼卷，且僅能從帶頭處進(jìn)行拆捆，耗時(shí)久，能耗大，設(shè)備布局條件嚴(yán)苛[5]。針對(duì)以上問題，本文根據(jù)某冷軋熱拉伸連續(xù)退火機(jī)組入口處的拆捆工藝要求，研發(fā)了一套基于工業(yè)機(jī)器人的全自動(dòng)鋼卷拆捆系統(tǒng)，無(wú)需旋轉(zhuǎn)鋼卷就能夠自動(dòng)進(jìn)行尋捆帶、拆捆帶、收捆帶等操作?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，該系統(tǒng)不僅節(jié)約人工、保障安全，同時(shí)穩(wěn)定可靠、提高了生產(chǎn)效率。

1 鋼卷拆捆工藝分析

1.1 工藝參數(shù)

鋼卷由運(yùn)載車運(yùn)送至拆捆工位，鋼卷軸向與輸送方向垂直。待作業(yè)卷參數(shù)規(guī)格如表1所示。鋼卷外徑為900mm～2050mm，帶鋼寬度為900mm～1220mm。每個(gè)鋼卷由單根捆帶捆緊，捆帶寬度為31.75mm，厚度為0.8mm～1.2mm。拆捆節(jié)拍要求單個(gè)鋼卷不超過50s。

表1 待作業(yè)卷參數(shù)規(guī)格

1.2 功能需求

常見的拆捆系統(tǒng)在識(shí)別出捆帶位置后，需要旋轉(zhuǎn)鋼卷，將捆帶帶頭定位至固定位置，然后從帶頭處拆除捆帶。在本機(jī)組入口處，由于設(shè)備布局限制，鋼卷無(wú)法旋轉(zhuǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)自動(dòng)拆捆系統(tǒng)的功能需求總結(jié)如下：

1）捆帶識(shí)別系統(tǒng)可準(zhǔn)確識(shí)別出捆帶位置；

2）拆捆設(shè)備可在捆帶的任意位置將其剪斷、夾緊，鋼卷無(wú)需旋轉(zhuǎn)；

3）可將拆下的舊捆帶收集成便于運(yùn)送的卷狀圓盤；

4）加入半自動(dòng)拆捆功能，可由操作員手動(dòng)確認(rèn)執(zhí)行拆捆；

5）單個(gè)鋼卷的作業(yè)周期小于50s。

1.3 工藝流程描述

全自動(dòng)鋼卷拆捆系統(tǒng)的動(dòng)作流程主要由以下四步組成：

1）運(yùn)載車將來(lái)料卷運(yùn)至拆捆工位，L1鎖定運(yùn)載設(shè)備并給定拆捆指令，拆捆系統(tǒng)開始作業(yè)；

2）機(jī)器人攜帶拆捆機(jī)頭和捆帶檢測(cè)裝置，檢測(cè)捆帶的位置；

3）檢測(cè)到捆帶后，無(wú)需調(diào)整至帶頭處，拆捆機(jī)頭剪斷、夾緊捆帶；

4）機(jī)器人將捆帶送至收卷捆帶機(jī)處，完成捆帶收集。

2 拆捆系統(tǒng)設(shè)備組成

全自動(dòng)鋼卷拆捆系統(tǒng)主要由工業(yè)機(jī)器人、捆帶檢測(cè)裝置、拆捆機(jī)頭、收卷捆帶機(jī)、電氣控制及操作系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成。拆捆系統(tǒng)設(shè)備布局如圖1所示。在安全圍欄內(nèi)，工業(yè)機(jī)器人布置在待作業(yè)鋼卷和收卷捆帶機(jī)中間；電氣控制及操作柜安裝在安全圍欄外，位于工業(yè)機(jī)器人后方，便于人員操作。

圖1 全自動(dòng)鋼卷拆捆系統(tǒng)設(shè)備布局

工業(yè)機(jī)器人：根據(jù)待作業(yè)卷參數(shù)規(guī)格及載重需求，該系統(tǒng)采用的工業(yè)機(jī)器人型號(hào)為ABB IRB 6700 150/3.20，主要由機(jī)器人本體、示教器及控制柜組成。機(jī)器人本體額定負(fù)載150公斤，工作臂展3.2米，能夠滿足各規(guī)格鋼卷的作業(yè)需求。

捆帶檢測(cè)裝置：機(jī)器人攜捆帶檢測(cè)裝置沿鋼卷軸向方向采集鋼卷外表面高度數(shù)據(jù)并反饋到PLC，PLC通過實(shí)時(shí)比對(duì)定位鋼卷捆帶位置。捆帶檢測(cè)裝置固定在拆捆機(jī)頭上。

拆捆機(jī)頭：檢測(cè)出捆帶位置后，拆捆裝置能夠自動(dòng)卡緊捆帶并將其剪斷。機(jī)頭如圖2所示，主要由組合式殼體、氣動(dòng)馬達(dá)、反阻力傳動(dòng)絲桿副、卡捆帶夾鉗爪以及固定剪刃和活動(dòng)剪刃機(jī)構(gòu)組成。

圖2 拆捆機(jī)頭

收卷捆帶機(jī)：為便于運(yùn)輸，收卷捆帶機(jī)將剪斷的捆帶卷成卷狀圓盤。收卷捆帶機(jī)如圖3所示，該裝置由箱體、卷曲馬達(dá)、主動(dòng)卷帶輪組、浮動(dòng)卷帶輪組、成型推板和頂壓氣缸等組成。

圖3 收卷捆帶機(jī)

電氣控制及操作系統(tǒng)：該系統(tǒng)以Siemens S7-300為主控，外圍由V90伺服驅(qū)動(dòng)器、精簡(jiǎn)系列觸摸屏及部分低壓元器件等設(shè)備組成。總線采用PROFINET形式通訊，總線連接主控及機(jī)器人控制器接口。與主機(jī)組之間采用硬線干接點(diǎn)連接，接口信號(hào)定義為設(shè)備安全連鎖以及機(jī)器人拆捆開始、完成信號(hào)。主控柜配置觸摸屏顯示設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警、以及操作界面?？刂乒衩姘逶O(shè)置有設(shè)備啟停開關(guān)、急停開關(guān)及狀態(tài)指示燈。

安全防護(hù)系統(tǒng)：對(duì)全自動(dòng)鋼卷拆捆系統(tǒng)進(jìn)行有效防護(hù)，主要由圍欄、維護(hù)門及安全鎖組成。

3 拆捆系統(tǒng)控制流程

全自動(dòng)鋼卷拆捆控制流程如圖4所示。

運(yùn)載車將鋼卷運(yùn)送至拆捆作業(yè)工位后，機(jī)組L1級(jí)將“運(yùn)載系統(tǒng)鎖住”和“啟動(dòng)拆捆”信號(hào)發(fā)送給全自動(dòng)鋼卷拆捆系統(tǒng)，拆捆系統(tǒng)各項(xiàng)就緒后，系統(tǒng)開始拆捆作業(yè)。

機(jī)器人由原始位移動(dòng)至鋼卷上方，機(jī)械臂攜帶拆捆機(jī)頭和激光測(cè)距傳感器垂直下移，激光傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)拆捆機(jī)頭與鋼卷表面的距離。到達(dá)傳感器的最佳精度位置后，機(jī)械臂停止垂直下移。

隨后，機(jī)械臂攜帶拆捆機(jī)頭沿鋼卷軸向方向水平移動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)捆帶的位置。若未檢測(cè)到捆帶，則回到平移前的位置，重新檢測(cè)。如重復(fù)兩次仍未檢測(cè)到捆帶，則報(bào)警提示。檢測(cè)到捆帶后，機(jī)器人攜帶拆捆機(jī)頭下移，由接近開關(guān)控制，將拆捆機(jī)頭輕壓在鋼卷表面。此時(shí)，捆帶處于固定剪刃中間位置處。固定剪刃由氣缸推動(dòng)，將捆帶鏟起、夾緊，再由活動(dòng)剪刃將捆帶剪斷。如未有效剪斷，則報(bào)警提示。

機(jī)器人將剪斷的捆帶夾送至收卷捆帶機(jī)中，收卷機(jī)將卷曲壓縮成卷狀圓盤。同時(shí)，機(jī)器人回到初始位置。收捆電機(jī)釋放，卷曲后的捆帶直接掉落在廢料斗中。

除全自動(dòng)拆捆外，系統(tǒng)提供了半自動(dòng)拆捆功能。在該狀態(tài)下，操作員人為控制運(yùn)載車將鋼卷運(yùn)送至拆捆工位。經(jīng)操作員確認(rèn)拆捆系統(tǒng)各項(xiàng)準(zhǔn)備就緒后，將控制柜旋鈕旋至半自動(dòng)狀態(tài)，手動(dòng)點(diǎn)擊“操作員手動(dòng)剪捆”按鈕進(jìn)行拆捆。

4 實(shí)施效果

經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行驗(yàn)證，該全自動(dòng)鋼卷拆捆系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)需鋼卷旋轉(zhuǎn)便可在捆帶任意位置將其拆除、回收的功能。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)照片及收集后的廢捆帶如圖5、圖6所示。該系統(tǒng)拆捆成功率高于99.5%，拆捆時(shí)間約為50s，正常生產(chǎn)節(jié)奏下工作效率高于99.8%，能夠較好地代替人工進(jìn)行拆捆作業(yè)，使用及維護(hù)方便簡(jiǎn)潔，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖4 全自動(dòng)鋼卷拆捆控制流程圖

圖5 全自動(dòng)拆捆設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)照片

圖6 收集后的卷狀圓盤形捆帶

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)研發(fā)了以工業(yè)機(jī)器人為核心的全自動(dòng)鋼卷拆捆系統(tǒng)，可以代替人工實(shí)現(xiàn)冷軋入口機(jī)組的捆帶位置檢測(cè)、拆除，收集等工作，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，有效避免了人為作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。相比其他自動(dòng)化拆捆設(shè)備，該系統(tǒng)無(wú)需旋轉(zhuǎn)鋼卷，可從捆帶任意位置將其拆除，能耗更少，作業(yè)速度更快，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用穩(wěn)定，適合市場(chǎng)推廣應(yīng)用。