鋼水測(cè)溫取樣套管自動(dòng)抓取裝置設(shè)計(jì)

陳洪 潘龍 李政彬 薛松海 鄢世平

(機(jī)械科學(xué)研究總院海西(福建)分院有限公司 福建三明 365000)

1 前言

鐵礦石變成鋼材都需要通過冶煉才能形成。目前世界各國采用的煉鋼方法主要有轉(zhuǎn)爐、平爐和電爐煉鋼[1]。無論哪種煉鋼方法，在鋼水出爐前都要進(jìn)行測(cè)溫取樣的工作，以確保鋼水的溫度和和成分符合要求。傳統(tǒng)的鋼水測(cè)溫取樣采用人工方式，工人站在爐前進(jìn)行測(cè)溫取樣，爐前溫度高，熱輻射大，高溫燙傷的危險(xiǎn)性極大。

目前，國內(nèi)部分鋼廠已經(jīng)研發(fā)了相關(guān)的設(shè)備，如濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司、河北省首鋼遷安鋼鐵有限責(zé)任公司等[2-3]。雖然測(cè)溫取樣槍自動(dòng)入爐測(cè)溫取樣問題已基本解決，但是在測(cè)溫取樣的套管安裝和拆卸方面還沒有較大的突破。主要問題在于安裝測(cè)溫取樣套管的測(cè)溫取樣槍是細(xì)長型的，撓度大[4]，入爐測(cè)溫取樣后測(cè)溫取樣槍會(huì)發(fā)生熱變形，導(dǎo)致測(cè)溫取樣管自動(dòng)拆裝困難，所以目前大多數(shù)鋼廠的測(cè)溫取樣管主要還是采取人工進(jìn)行拆裝，但人工拆危險(xiǎn)性高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。此外，部分測(cè)溫取樣管拆裝設(shè)備采用視覺系統(tǒng)，通過分析測(cè)溫取樣槍的偏移位置完成拆裝，但視覺系統(tǒng)反饋后可能出現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致原始反饋位置發(fā)生偏移，因此這種方式有效率低、可靠性低且成本高等弊端[5-6]。

本文設(shè)計(jì)了一套鋼水測(cè)溫取樣套管自動(dòng)抓取裝置，設(shè)計(jì)了抓手結(jié)構(gòu)、套管安裝和拆卸模塊，裝置整體運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了測(cè)溫取樣套管的自動(dòng)安裝與拆卸，成功率達(dá)95%以上，取代了人工測(cè)溫取樣，提高了作業(yè)效率。

2 抓手結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)測(cè)溫取樣套管拆裝的自動(dòng)化，首先要解決套管的抓取問題。套管屬于一次性材料，為節(jié)約生產(chǎn)成本，一般采用紙質(zhì)的空心圓管。套管的加工成型具有一定的誤差，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)20根測(cè)溫取樣套管的測(cè)量統(tǒng)計(jì)，內(nèi)徑為17±0.3mm，外徑為30±0.5mm，如表1所示。測(cè)溫取樣套管在入爐測(cè)試后，由于爐內(nèi)高溫會(huì)造成紙質(zhì)套管燒損，套管外徑會(huì)變小3～5mm，因此抓手要確保能夠抓取外徑為24.5～30.5mm的套管。

表1 測(cè)溫取樣套管直徑

由于套管的截面為圓型，所以抓手的設(shè)計(jì)可以借鑒機(jī)械加工中圓型截面工件的V型槽工裝[7]。如圖1所示，抓手裝置左右各分布兩個(gè)手指，抓手閉合型成的V槽能夠抓取所有公差范圍內(nèi)的套管。抓手的張開閉合機(jī)構(gòu)，選用費(fèi)斯托的指型氣缸HGPT-50，設(shè)計(jì)抓手張開閉合范圍在20～35mm。同時(shí)，通過設(shè)置輸入氣壓的大小，保證抓手的夾緊力能夠抓緊套管不脫落，抓緊時(shí)不會(huì)導(dǎo)致燒損后的套管發(fā)生抓斷的情況。

圖1 抓取裝置1-指型氣缸;2-V型抓手

3 套管拆裝

3.1 套管安裝

鋼水測(cè)溫取樣前，需將套管安裝到測(cè)溫取樣槍上。測(cè)溫取樣槍，形狀細(xì)長、撓度大，容易受到震動(dòng)等一些外部因素的影響導(dǎo)致其晃動(dòng)，造成中心軸位置偏離，從而增大了自動(dòng)化安裝的難度。

為解決測(cè)溫取樣槍中心軸偏離的問題，設(shè)計(jì)了一套漏斗導(dǎo)向裝置，測(cè)溫取樣槍處于豎直狀態(tài)時(shí)，漏斗豎直向上運(yùn)動(dòng)，如果測(cè)溫取樣槍中心軸偏離位置在漏斗口范圍內(nèi)，就可將測(cè)溫取樣槍的中心軸引導(dǎo)至漏斗的中心，進(jìn)而保證測(cè)溫取樣槍每次都在固定的位置進(jìn)行安裝。

通過現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，測(cè)溫取樣槍的中心軸在直徑為100mm的圓內(nèi)發(fā)生偏移，進(jìn)而設(shè)計(jì)漏斗口徑為110mm。同時(shí)，為保證直徑為17mm的測(cè)溫取樣槍桿能夠順利通過，設(shè)計(jì)漏斗頸直徑為18mm。如圖2所示，漏斗均勻分成兩半，漏斗的張開閉合采用亞德客大口徑開口夾氣缸HFT32×80實(shí)現(xiàn)，閉合時(shí)保證左右漏斗保持封閉便于裝管；張開時(shí)保證不與其他結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉。

圖2 漏斗導(dǎo)向裝置1-漏斗;2-大口徑開口夾氣缸

如圖3所示，將漏斗導(dǎo)向裝置和抓手共同安裝在機(jī)器人連接固定板上，然后安裝在機(jī)器人頭部，需確保漏斗中心軸和左右抓手V型槽部分的中心軸重合；當(dāng)抓手夾取測(cè)溫取樣套管時(shí)，即可保證測(cè)溫取樣套管中心軸與漏斗中心軸重合；進(jìn)而保證在漏斗導(dǎo)向裝置的作用下，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫取樣槍與測(cè)溫取樣套管同軸，完成裝管。導(dǎo)向抓取結(jié)構(gòu)由機(jī)器人提供移動(dòng)的動(dòng)力。

3.2 套管拆卸

完成鋼水測(cè)溫取樣后，需將使用過的測(cè)溫取樣套管拆除。由于爐內(nèi)溫度高，測(cè)溫取樣槍受熱發(fā)生變形。如圖4所示，由于測(cè)溫取樣槍細(xì)長，極易發(fā)生放大效應(yīng)，即測(cè)溫取樣槍的根部變形量很小，但會(huì)導(dǎo)致其頭根部發(fā)生很大偏移。如果仍設(shè)置從原始裝管位置進(jìn)行自動(dòng)拆卸，抓取的成功率極低。此外，由于偏移后位置的不確定性，所以將抓手移至偏移后的位置進(jìn)行拆卸是不實(shí)際的。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)兩個(gè)V型裝置，通過收攏的方式將發(fā)生偏移的測(cè)溫取樣槍移至固定的拆卸位置(即原始裝管位置)。如圖4所示，以測(cè)溫取樣槍原始位置為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，偏移后測(cè)溫取樣槍會(huì)出現(xiàn)在四個(gè)象限的任意位置。以左右兩個(gè)V型裝置同時(shí)向坐標(biāo)原點(diǎn)收攏，當(dāng)測(cè)溫取樣槍在接觸到V型裝置時(shí)會(huì)隨之一同運(yùn)動(dòng)，并逐漸回到坐標(biāo)原點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)偏移后的測(cè)溫取樣槍每次都能回到原始位置。

圖3 導(dǎo)向抓取結(jié)構(gòu)1-機(jī)器人連接固定板;2-抓手裝置;3-漏斗導(dǎo)向裝置

圖4 測(cè)溫取樣槍偏移示意圖1-測(cè)溫取樣槍根部;2-測(cè)溫取樣槍頭部;3-推爪;4-抓爪

如圖5所示，將V型裝置分別設(shè)定在抓手和安裝固定架上，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫取樣槍偏移量的多次測(cè)量，設(shè)定V型裝置最大張開度為100mm，張開角度為90°，即可保證測(cè)溫取樣槍在發(fā)生最大偏移后仍可完成收攏。推爪的移動(dòng)依靠電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)，推桿的行程依其安裝位置確定，推桿推力大小30N，速度60mm/s，保證推爪可以移動(dòng)至原點(diǎn)位置且不與其他裝置發(fā)生干涉。此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可將推爪預(yù)先推出一段距離，待測(cè)溫取樣結(jié)束后，以最快的時(shí)間完成測(cè)溫取樣槍歸位操作，提高生產(chǎn)效率。

圖5 套裝拆卸結(jié)構(gòu)1-安裝固定架;2-電動(dòng)推桿;3-推爪;4-測(cè)溫槍；5-取樣槍;6-抓手;7-取樣套管;8-測(cè)溫套管

4 裝置整體工作分析

上述內(nèi)容已對(duì)套管自動(dòng)抓取裝置的各模塊分別進(jìn)行分析，現(xiàn)對(duì)整體組合后的運(yùn)行過程進(jìn)行簡(jiǎn)述。

圖6 套管自動(dòng)抓取裝置動(dòng)作流程圖

如圖6所示，套管自動(dòng)抓取裝置開始運(yùn)行后，由機(jī)器人帶動(dòng)抓手裝置在套管放置架上取出套管，移至測(cè)溫取樣槍下方。套管在向上移動(dòng)的過程中，通過漏斗導(dǎo)向裝置的作用，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫取樣槍的中心軸與套管的中心軸重合，完成套管安裝。當(dāng)入爐測(cè)溫取樣工作完成后，測(cè)溫取樣槍的位置發(fā)生一定偏移。此時(shí)，推桿裝置推出推爪、抓手裝置前移，兩個(gè)V槽形成一個(gè)菱形向中間收攏，測(cè)溫取樣槍與V槽接觸，槽壁帶動(dòng)測(cè)溫取樣槍移動(dòng)至原始位置。此時(shí)抓手V槽中心軸會(huì)與測(cè)溫取樣槍中心軸重合，完成測(cè)溫取樣槍校位，抓手抓緊、機(jī)器人向下移動(dòng)，即可拆除廢棄套管，完成一次測(cè)溫取樣。套管自動(dòng)抓取裝置，如圖7所示。

圖7 套管自動(dòng)抓取裝置1-機(jī)器人;2-導(dǎo)向抓取裝置;3-取樣套管;4-推桿裝置;5-測(cè)溫套管;6-測(cè)溫槍;7-取樣槍

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的鋼水測(cè)溫取樣套管自動(dòng)抓取裝置，以漏斗導(dǎo)向、V型抓手抓取、雙V型收攏校位的方式，為鋼水測(cè)溫取樣的完全自動(dòng)化提供了基礎(chǔ)。通過在某鋼廠的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，本裝置的拆裝套管成功率達(dá)95%以上，極大的提高了鋼水測(cè)溫取樣的工作效率，降低了工人工作危險(xiǎn)系數(shù)和生產(chǎn)成本。同時(shí)，本裝置并不局限于測(cè)溫取樣套管自動(dòng)抓取裝置的設(shè)備中，同樣適用于其他圓形截面物件抓取或需要中心軸校位的設(shè)備中。