程明森①
( 寶山鋼鐵股份有限公司總部煉鐵廠 上海 201900)
摘 要：寶鋼股份煉鐵廠 3DL 燒結(jié)機車輪自動化給脂裝置是國內(nèi)第 1 套利用工業(yè)機器人裝置進行臺車車輪油嘴跟蹤給脂的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能包括: 臺車車輪油嘴的預(yù)清潔、臺車車輪運行跟蹤、加脂、加油數(shù)量及故障統(tǒng)計。目前該系統(tǒng)運行平穩(wěn)，車輪油嘴成功加油率在 98% 以上，車輪油嘴給油脂效果較好，設(shè)計功能全部實現(xiàn)，各項指標都比較穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；燒結(jié)機；臺車輪；自動化跟蹤給脂
1 前言
隨著信息革命的不斷發(fā)展，新一輪的制造業(yè)格局引發(fā)了對未來制造模式的思考，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和新一代機器人作為未來智能制造的代表，對未來制造起著決定性作用［1］。近年來，我國工業(yè)自動化程度不斷提高，隨著“中國制造 2025”計劃的實施以及“工業(yè) 4. 0”戰(zhàn)略的推進，工業(yè)機器人被越來越多地應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，尤其是鋼鐵行業(yè)［2］。
鋼鐵廠燒結(jié)工藝生產(chǎn)過程中，需要對燒結(jié)主體設(shè)備燒結(jié)機的臺車輪進行定期給脂作業(yè)，確保車輪的良好潤滑狀態(tài)。目前燒結(jié)產(chǎn)線通用的臺車車輪給脂方式是通過作業(yè)人員蹲守在運轉(zhuǎn)移動的燒結(jié)機臺車車輪旁，操作給脂槍對準臺車車輪油嘴進行依次同步注脂。人工給脂作業(yè)量大，勞動強度高; 同時人工加油脂作業(yè)環(huán)境差( 高溫、高粉塵、煤氣區(qū)域) ，作業(yè)空間狹小，存在人機結(jié)合作業(yè)，有安全風險。
由于需要在線周期打油，作業(yè)時臺車車輪是運轉(zhuǎn)的，存在人機接觸，作業(yè)人員存在一定的安全風險; 同時，燒結(jié)機旁高溫、粉塵以及噪聲較大，打油作業(yè)勞動強度非常大，燒結(jié)機臺車裝機量大，( 一般 600 平米左右的燒結(jié)機臺車裝機量為 180塊，每塊臺車 4 只車輪，合計 800 多只車輪) 。因此，用工業(yè)機器人代替人工進行給脂作業(yè)具有很大的應(yīng)用價值。
因此，寶鋼寶山基地煉鐵廠 3DL 燒結(jié)機 2019年在燒結(jié)機產(chǎn)線上采用了機器人自動給脂系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)編碼器傳來的位置信息，將信號送給工業(yè)機器人，機器人驅(qū)動末端手臂實現(xiàn)與臺車輪油嘴的同步移動，實現(xiàn)車輪油嘴的預(yù)清潔和給脂動作，以此來代替人工對臺車輪進行周期給脂。
2 國內(nèi)外現(xiàn)狀
2． 1 工藝介紹
目前，國內(nèi)外鋼鐵廠燒結(jié)礦生產(chǎn)普遍采用 DL型帶式燒結(jié)機，該型燒結(jié)機由頭尾星輪驅(qū)動臺車在軌道上運行，臺車采用四輪支持的形式在軌道上運行，從燒結(jié)機工作面機頭位置接受礦料，經(jīng)點火、抽風、燒結(jié)，到達機尾將成品熱礦排走，同時臺車經(jīng)尾部星輪翻轉(zhuǎn)至非工作面軌道，然后運行至機頭重 新 裝 料 循 環(huán)。燒 結(jié) 機 臺 車 結(jié) 構(gòu) 如 圖 1 所示。
考慮到運轉(zhuǎn)環(huán)境惡劣，高溫、粉塵較多，臺車軸承及卡套容易進灰、磨損老化，需要周期性地對臺車車輪進行注油，改善軸承潤滑狀況，提高車輪的壽命。
當前國內(nèi)外普遍的做法是人工在線注油，利用氣動高壓油脂泵將潤滑脂打入牛油槍，作業(yè)人員手持牛油槍蹲立在運轉(zhuǎn)的臺車輪旁，依次對車輪軸承油嘴進行注脂。
2． 2 應(yīng)用情況
1960 年 ～ 1970 年左右，燒結(jié)機臺車車輪自動給脂在國外已經(jīng)實際應(yīng)用，例如蘇聯(lián)烏拉爾重型機器廠、日本新日鐵設(shè)計的燒結(jié)機成套設(shè)備中已經(jīng)有臺車自動潤滑裝置［3］。國內(nèi)對這方面的應(yīng)用較少，最早是 1985 年上海寶鋼一期項目從日本引進的燒結(jié)機成套設(shè)備上應(yīng)用過一種機械定位式氣動給油脂裝置，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
工作原理如下: 車輪觸及限位開關(guān)后，電磁閥動作，氣缸帶動導(dǎo)桿伸出，臺車沿軌道前行觸碰導(dǎo)桿后拖動給脂機行走機構(gòu)同步行走。車輪繼續(xù)行走約 15mm 后，碰通機控閥使給脂槍頭伸出并對準車輪油嘴，同時壓緊油嘴給脂。給脂以后，給脂槍頭自動縮回，并觸碰機控閥使導(dǎo)桿縮回，脫離與輪面的接觸。同時行走機構(gòu)返回原位，接著又使導(dǎo)桿伸到下一個輪子的前面，準備對下一個輪子給脂，如此連續(xù)循環(huán)完成給每個臺車輪自動給脂 的工序。
近年來，由于傳感器及電氣控制技術(shù)的改進，限位開關(guān)、機控閥等已經(jīng)被光電開關(guān)、電磁閥等替代，但車輪自動給脂的基本原理不變，仍是利用擋塊推移定位跟蹤對車輪油嘴進行加脂。
此類擋桿定位式自動加油裝置，由于現(xiàn)場粉塵較多，動作頻繁，故障率較高，壽命短，自動化程度低，與當下“工業(yè) 4. 0”的智能生產(chǎn)不相匹配，不能滿足目前現(xiàn)場生產(chǎn)過程的實際需求。
3 工業(yè)機器人自動給脂裝置應(yīng)用
工業(yè)機器人最早出現(xiàn)在上世紀 60 年代，在上世紀 90 年代得到了快速發(fā)展，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。工業(yè)機器人的應(yīng)用，能夠推動生產(chǎn)過程自動化、智能化、高效化的發(fā)展，減少對人力資源的需求，降低生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效率。工業(yè)機器人作為一 種先進、高效、智能、精確可控的生產(chǎn)工具，其在制造行業(yè)中的應(yīng)用，不僅有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量，還能實現(xiàn)生產(chǎn)過程的高度自動化，是中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵舉措［4］。
寶鋼股份公司煉鐵廠某燒結(jié)機已經(jīng)安裝了在線的工業(yè)機器人給脂裝置，該裝置采用了 ABB 六軸工業(yè)機器人進行臺車車輪的自動化跟蹤給脂，在國內(nèi)外屬于首例。
3． 1 系統(tǒng)組成
臺車輪機器人自動給脂裝置主要包含總控制柜及 PLC 系統(tǒng)、工業(yè)機器人裝置、專用車輪供脂系統(tǒng)、車輪油嘴定位系統(tǒng)等，另外還包含車輪油嘴清潔裝置、底座平臺及安全欄桿和安全光柵報警裝置及緊停裝置等。
3． 1． 1 總控制柜及 PLC 系統(tǒng)
總控制柜從電氣室接入380V 三相交流電源，實現(xiàn)機器人柜、油泵、清潔電機供電，同時接入220V 作 為 PLC 的 電 源。同 時 采 用 SIEMENSS1200 型號 PLC，利用 Profibus DP 通訊協(xié)議，實現(xiàn)機器人加脂系統(tǒng)與中央控制室的聯(lián)系，機器人可將相關(guān)信號送入中央控制室，實現(xiàn)系統(tǒng)通信及邏輯控制。HMI 畫面集成了操作控制、運行狀態(tài)顯示、運行歷史、參數(shù)控制、報警信息等功能。
3． 1． 2 工業(yè)機器人系統(tǒng)
采用工業(yè)機器人 IＲB2600，負載為 20kg，工作范圍為 1. 65m，可實現(xiàn) 6 個自由度的位置移動及伺 服 控 制。 機 器 人 安 裝 了 系 統(tǒng) 軟 件ＲobotWare6. 08 之 外，控 制 模 塊 選 項 有: PCInterface、Multitasking 等，還有 DeviceNet Master/ Slave 和 PＲOFINET Device 選項模塊用于通訊，其中與 PLC 通 信 采 用 Profinet 協(xié) 議，SoftMove 和Collision Detectiont 選 項 用 于 末 端 碰 撞 監(jiān) 測; Integrated Vision Interface 選項用于視覺識別; 機器人控制單元有電機驅(qū)動器、I/O 單元、通信模塊等。
3． 1． 3 專用車輪供脂系統(tǒng)
專用車輪供脂系統(tǒng)由專用給脂槍、油泵站及油管、氣動油路切斷閥等組成。油槍頭為圓筒狀中空，加油時套在車輪的油嘴上，其內(nèi)部特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以保證油槍頭與車輪油嘴的緊密貼合。油泵將油脂從油桶中吸出，通過溢流閥設(shè)定系統(tǒng)安全壓力，利用 PLC 及機器人相關(guān)信號來控制氣動油路切斷閥的通斷，并將切斷閥的狀態(tài)信息反饋給機器人和 PLC，實現(xiàn)油路通斷的實時邏輯控制。
3． 1． 4 車輪油嘴定位系統(tǒng)
車輪油嘴定位系統(tǒng)由 ABB 集成自帶 2D 相機、臺車位置旋轉(zhuǎn)編碼器等組成，利用 ABB 控制系統(tǒng)選項 606 － 1 Conveyor Tracking 模塊實現(xiàn)輸送鏈跟蹤的功能。
3． 2 工作流程及原理
3． 2． 1 主要應(yīng)用技術(shù)
將專用給脂油槍安裝在六軸工業(yè)機器人手臂末端，采用輸送鏈跟蹤模塊控制機器人手臂與運行車輪油嘴同步給脂，動作原理流程圖如圖 3 所示。
3． 2． 2 動作原理
1) 臺車車輪沿軌道行走至油嘴清洗系統(tǒng)，觸發(fā)光電開關(guān)，油嘴清潔裝置對車輪進行跟蹤清潔，清潔結(jié)束后，等待加脂。
2) 車輪運行至加油機器人等待位置，觸發(fā)輸送鏈跟蹤，同時相機對車輪進行拍照，通過圖像識別精確定位車輪油嘴位置，引導(dǎo)機器人帶動油槍與車輪油嘴同步運行。
3) 同步過程中油槍伸出，套在車輪油嘴上，油路電磁閥導(dǎo)通，進行加油。
4) 加油設(shè)定時間及壓力到設(shè)定值后，油路電磁閥切斷，機器人帶動油槍回縮，并移動至油槍待機位置，等待下一車輪到來。
同時，系統(tǒng)可根據(jù)生產(chǎn)使用實踐對加脂時間、油槍頂出深度等數(shù)據(jù)進行設(shè)定，可以對每個車輪的給脂量進行根據(jù)記錄，以便進行趨勢管理。
3． 2． 3 系統(tǒng)技術(shù)難點
本自動給脂系統(tǒng)利用工業(yè)機器人的輸送鏈跟蹤技術(shù)，可以實現(xiàn)對車輪相對位置的跟蹤，并控制機器人手臂與運行車輪油嘴同步移動，同時通過安裝在機器人手臂末端的專用給脂油槍來實現(xiàn)與油嘴的貼合。
1) 動態(tài)追蹤
目前常用的動態(tài)追蹤方法主要以視覺圖像進行識別，通過視覺識別算法運算識別物料的特征點，確定對準點的位置，本例中所用的動態(tài)追蹤方法是一種直線追蹤定位方法，該方法基于 ABB 機器人的 DSQC377B 追蹤模塊，物料( 本例中即車輪油嘴) 沿著輸送鏈方向( 本例中即軌道) 移動，機器人根據(jù) DSQC377B 追蹤模塊反饋的信息實現(xiàn)對車輪油嘴的動態(tài)追蹤［5］，以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)對車輪油嘴的同步，輸送鏈跟蹤原理圖如圖 4 所示。
2) 專用油槍設(shè)計
本系統(tǒng)的主要技術(shù)難點，在于如何控制車輪給脂油槍的頂出力，保證給脂油槍頭既可以有效貼合車輪油嘴，又可以防止頂出力度過大造成機器人過扭矩報警。
3． 3 效果與趨勢
通過增設(shè)臺車輪機器人自動給脂裝置，解決了燒結(jié)機臺車輪加油這一環(huán)節(jié)存在的自動化孤島問題，提升了企業(yè)整體智能化制造水平，減少了該崗位的危險因素，有利于企業(yè)實現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)［6］。
在鋼鐵生產(chǎn)的過程中，將工業(yè)機器人應(yīng)用于高溫、高粉塵、高精度等工序，不僅提高了鋼鐵生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，還提高了鋼鐵生產(chǎn)過程的自動化水平，對于提高整個鋼鐵企業(yè)的核心競爭力具有積極的促進作用［7］。
該自動化給脂項目安裝調(diào)試完成后，進行了工業(yè)機器人加脂裝置的試用，燒結(jié)機機速 2. 3m /min，單個車輪給脂時間為 7s。車輪油嘴給脂效果達到功能要求，該系統(tǒng)運行平穩(wěn)，車輪油嘴給脂成功加油率在 98% 以上。車輪油嘴油脂效果較好，設(shè)計功能全部實現(xiàn)，各項指標都比較穩(wěn)定。目前應(yīng)用的機器人系統(tǒng)還只能歸 為 重 演( Playback) 機器人和操縱機器人的范疇，還稱不上為智能機器人［8］。后續(xù)應(yīng)該朝著智能機器人的方向繼續(xù)努力，通過對該系統(tǒng)增設(shè)智能 3D 相機及 AI 系統(tǒng)，使機器人直接通過圖像識別分析車輪油嘴的位置及車輪軸向的位置，實時跟蹤對車輪油嘴進行加油，從而摒棄原有的輸送鏈跟蹤模塊及固有框架程序，實現(xiàn)車輪給脂的真正智能化。
4 結(jié)論
介紹了臺車車輪傳統(tǒng)的機械擋桿定位式加油裝置的原理，分析了其存在的缺點，并著重研究了基于工業(yè)機器人的臺車輪自動給脂裝置，利用輸送鏈跟蹤及專用油嘴給脂槍等技術(shù)實現(xiàn)了車輪的跟蹤給脂。提升了企業(yè)整體智能化制造水平，減少了該崗位的危險因素，有利于企業(yè)實現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)。
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