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(yè)開始實施機器人代人作業(yè)［1］。加速工業(yè)機器人上崗，打造極致少人化、無人化現(xiàn)場，革新生產作業(yè)方式，邁向以“三跨融合”為特征的智慧制造2.0 企業(yè)［2］。同時推進安全生產“鑄安”行動常態(tài)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(xiàn)場高危險源崗位對人的潛在危害，提高生產效率，穩(wěn)定產品質量。高溫連鑄坯的標識作業(yè)就是典型的高危險源崗位，人工標識勞動強度大，作業(yè)危險屬性高，且容易出現(xiàn)漏標識、錯標識等問題［4-5］。

當前國內鋼鐵企業(yè)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(yè)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(qū)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(xiàn)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(xù)工作8 h 的需求量。

2 現(xiàn)場工藝設備布置

由于連鑄機現(xiàn)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(tǒng)分別安裝在熱送輥道邊部及1#冷床中部區(qū)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(tǒng)主要設備組成

激光打標焊牌系統(tǒng)主要有六自由度工業(yè)機器人、標牌打印系統(tǒng)、標牌整理取牌系統(tǒng)、自動送釘系統(tǒng)、自動焊牌系統(tǒng)、焊牌自動定位系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、操作控制HMI 軟件系統(tǒng)及控制柜、設備現(xiàn)場布置隔熱輔助裝置等部件組成，實現(xiàn)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(tǒng)采用ABB 六自由度工業(yè)機器人作為平臺載體，根據現(xiàn)場實際空間布置情況，考慮單根焊牌和雙根焊牌同時出現(xiàn)的情況，以及鑄坯高溫的工作環(huán)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(yè)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(tǒng)工作可靠性。

3.2 標牌打標系統(tǒng)

標牌打標系統(tǒng)主要實現(xiàn)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(tǒng)根據連鑄機控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)

自動送釘系統(tǒng)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(tǒng)

安裝在機械手前端的工業(yè)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(tǒng)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(xié)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(tǒng)發(fā)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(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)包含電氣控制柜、機器人控制器、送釘系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(lián)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(tǒng)原理示意圖

3.6 安全、隔熱輔助裝置

連鑄機出坯區(qū)域工作環(huán)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(xiàn)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(lián)鎖，防止安全事故發(fā)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(xiàn)場摸索與分析，焊標合格率偏低的主要原因是系統(tǒng)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(lián)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(tǒng)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(wěn)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(yè)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(tǒng)，配合耐高溫金屬標簽以及工業(yè)掃碼儀器，實現(xiàn)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(tǒng)基本實現(xiàn)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(yè)掃碼儀器，對連鑄坯數據進行讀取、復核，實現(xiàn)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(yè)綠色發(fā)展、智慧制造的發(fā)展理念。