冷軋磨輥間機器人型軋輥上下料工藝裝置的開發(fā)

俞鳴

摘要：冷軋磨輥間機器人型軋輥上下料工藝裝置在磨床邊采用六軸工業(yè)機器人配合自主研發(fā)的多功能夾具和輔助托架實現(xiàn)對軋輥的上下料、自動表面波探傷、檢測、刮水、涂油和包裝等作業(yè)。本文介紹了機器人型軋輥上下料工藝裝置主要功能及組成。詳細介紹了硬件的組態(tài)以及軟件實現(xiàn)的方法。

關(guān)鍵詞：六軸工業(yè)機器人；表面波超聲探傷；靜電涂油

1.引言

在鋼鐵軋制過程中，軋輥是至關(guān)重要的關(guān)鍵部件，它決定著軋制產(chǎn)品（薄板、中板、中厚板或厚板等）的產(chǎn)品質(zhì)量。無論是在冷軋薄板廠、中板廠，還是熱軋板廠，軋輥作為軋機的關(guān)鍵部件一直決定著軋制產(chǎn)品的質(zhì)量，影響著每一臺軋機的生產(chǎn)效率，進而關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟效益。軋輥由于與軋制對象直接接觸，磨損快，更換周期短。因此，在鋼鐵企業(yè)軋鋼生產(chǎn)中，為保證軋制精度和產(chǎn)品質(zhì)量，需要定期更換軋輥。軋輥每日的修磨數(shù)量十分巨大。以冷軋磨輥間來說，其主要工作就是修磨每日更換下來的軋輥，以便保證冷軋生產(chǎn)線對軋輥的需求量。冷軋磨輥間每天需要修磨的軋輥數(shù)約400～500根，每根軋輥都要經(jīng)過取輥、上輥、磨削、自動表面波探傷、檢測、刮水、涂油、包裝和下輥等9個工藝過程。這些工作目前都由人工完成，工人勞動強度大，人身傷害危險性大。同時，自動表面波探傷、檢測、刮水、涂油和包裝等工藝都是在磨床上完成，占用了大量的磨床工作時間，磨床修磨軋輥效率極低。隨著冷軋生產(chǎn)線產(chǎn)能的提升，冷軋磨輥間的生產(chǎn)能力已不能滿足現(xiàn)有需求。因此需要開發(fā)一套冷軋磨輥間機器人型軋輥上下料工藝裝置，用于對傳統(tǒng)軋輥修磨生產(chǎn)過程進行改進，實現(xiàn)智能化、柔性化方式組織生產(chǎn)。

圖1設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

本項目是為冷軋磨輥間開發(fā)一套機器人型軋輥上下料工藝裝置，采用六軸工業(yè)機器人配合自主研發(fā)的多功能夾具和輔助托架實現(xiàn)對軋輥的上下料、自動表面波探傷、檢測、刮水、涂油和包裝等作業(yè)。設(shè)備如圖1所示。

2.控制系統(tǒng)構(gòu)成及完成的功能

2.1工藝介紹

在原軋輥修磨生產(chǎn)過程中，軋輥上下磨床靠人工用葫蘆吊的方式實現(xiàn)；軋輥的磨削工藝和修磨輔助工藝（如刮水，涂油，質(zhì)量報告，包裝）均在磨床上依次人工執(zhí)行，占用磨床工作時間過長，使得磨床的實際使用效益很低。

機器人型軋輥上下料工藝裝置是基于機器人技術(shù)的柔性化生產(chǎn)設(shè)備，減少了作業(yè)現(xiàn)場的人工，降低了安全事故概率，實現(xiàn)了智慧工廠少人化的目地。同時，將原先磨床上人工進行的軋輥表面探傷、刮水、涂油、包裝等作業(yè)，轉(zhuǎn)移到機器人型軋輥上下料工藝裝置上自動進行，磨床節(jié)省的時間又可以投入到再生產(chǎn)中，極大提高磨床的作業(yè)率。

傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程圖：

改造后生產(chǎn)工藝流程圖：

2.2設(shè)備組成

機器人型軋輥上下料工藝裝置包括：六軸工業(yè)機器人、機器人移動平臺、靜電涂油裝置、自動表面波超聲探傷設(shè)備和電氣控制系統(tǒng)等幾部分組成。

（1）六軸工業(yè)機器人

選用ABB公司的IRB6700-205/2.8m型六軸機器人（臂展2.80M、載荷205kg）。

特點：

·維修間隔時間長，維修次數(shù)少；

·精確度高，重復定位精度0.05mm；

·功耗低，僅2.85kw；

·防護等級高，IP67；

·平均無故障間隔時間最低達到400，000小時。

（2）機器人移動平臺

每套機器人型軋輥上下料工藝裝置包含一套伺服定位控制的移動平臺（即機器人第七軸），并與多臺磨床實現(xiàn)信息層的互聯(lián)互通，從而使一套機器人型軋輥上下料工藝裝置能服務(wù)于多臺磨床，提高了整體經(jīng)濟效益。

（3）靜電涂油裝置

設(shè)計專用“環(huán)形噴管氣刀”，采用高壓空氣由機器人進行軸向刮水作業(yè)；設(shè)計專用“環(huán)形精細霧化噴嘴”，采用高壓靜電和計量泵，由機器人進行軸向涂油作業(yè)；

靜電噴霧，是應(yīng)用高壓靜電使噴嘴具有正的或負的電荷，從而使液體流過噴頭霧化后，形成與噴嘴極性相同或相異電荷的群體荷電霧滴。在靜電場力和其他外力的聯(lián)合作用下，帶電噴嘴同性電荷的霧滴作定向運動而吸附到目標物上，達到沉積效率高，覆蓋均勻，油量可控，節(jié)約用油，霧滴沉降速度快且漂移散失少，環(huán)境污染小等良好的性能。

精細霧化噴嘴能產(chǎn)生精細霧化效果， 噴霧角度從45-90度， 霧化顆粒直徑為10～50um. 噴嘴內(nèi)鑲不銹鋼噴嘴蕊和不銹鋼導流葉片， 內(nèi)含有一個防滴漏裝置， 液體在2kg-10kg的壓力下， 高速流動， 在導流葉片中形成一個離心旋渦， 從噴孔中噴出極細微的空心式霧粒。

（4）自動表面波超聲探傷設(shè)備

設(shè)計符合冷軋廠生產(chǎn)需要的 “自動表面波超聲探傷設(shè)備”，并集成于機器人夾具上，既實現(xiàn)了質(zhì)量智能檢測，同時也提高了生產(chǎn)節(jié)奏。

特點：

·采用超聲表面波進行檢測，檢測精度高，對微小缺陷檢出能力很強；

·采用獨特的耦合技術(shù)，避免了表面波耦合時很容易受到水、雜質(zhì)、油滴等干擾的問題；

·采用磨削液對超聲進行耦合，不會沖淡磨削液，也不影響磨床系統(tǒng)的工作。經(jīng)過獨特的管路技術(shù)處理，長期使用不會堵塞。

（5）電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)采用CPU315T-2DP的CPU，在主機架上同時集成了I/O模塊，CP343-1模塊。CP343-1負責同磨床控制系統(tǒng)建立工業(yè)以太網(wǎng)與多臺磨床實現(xiàn)信息層的互聯(lián)互通。315T-2DP的PLC與西門子S120伺服系統(tǒng)配合可以驅(qū)動伺服軸，實現(xiàn)機器人小車的精確定位，滿足單套機器人型軋輥上下料工藝裝置服務(wù)于多臺軋輥磨床設(shè)備。

圖2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.系統(tǒng)的主要功能

3.1工作模式

（1）手動模式

通過機器人手操器和現(xiàn)場操作盤，操作人員可以控制機器人手臂的各種動作，以及機器人小車的前后運動。

（2）自動模式

在自動模式下，操作人員只需設(shè)定好所要上下料的磨床編號，以及需要磨削的軋輥類型和作業(yè)內(nèi)容。機器人型軋輥上下料工藝裝置將自動移動到需要作業(yè)的磨床邊，將磨床上磨削完成軋輥搬運至中間處理臺架。然后將待磨削軋輥由待料臺架上搬運至磨床上，由磨床進行磨削作業(yè)。同時機器人通過夾具上的涂油、探傷等裝置，自動對中間處理臺架上的軋輥進行自動表面波超聲探傷、刮水靜電涂油等作業(yè)。待機器人完成中間處理臺架上軋輥的各項工藝作業(yè)后，機器人將此軋輥搬運至待料臺架上，完成整個軋輥上下料工藝處理作業(yè)。

3.2各系統(tǒng)間互聯(lián)互通

（1）與安全裝置聯(lián)鎖

安全圍欄包圍在機器人型軋輥上下料工藝裝置運行區(qū)域的周圍，防止人員進入造成傷害。一旦人員需要進入自動化區(qū)域，必須開門，安全聯(lián)鎖裝置將啟動，對該區(qū)域進行封鎖，機器人型軋輥上下料工藝裝置將無法動作。工作完成后，按復位按鈕解除封鎖，設(shè)備恢復作業(yè)。

（2）與磨床設(shè)備的信息互聯(lián)

機器人型軋輥上下料工藝裝置與磨床通過PLC進行通信，磨床把一些自身的狀態(tài)信號發(fā)給機器人型軋輥上下料工藝裝置。如磨床的運行信號、準備就緒信號、卸輥信號。準備就緒信號包含：磨床的各軸停止到安全位置、軟著陸到位信號、頭架卡盤退回到位、尾架頂針退回到位、磨床無軋輥等信號，根據(jù)這些信號給出就緒信號，機器人型軋輥上下料工藝裝置可以進行安全裝輥。磨削完畢可以卸輥信號包括：磨削完畢信號、磨床的各軸停止到安全位置、軟著路到位信號、頭架卡盤退回到位、尾架頂針退回到位等信號，根據(jù)這些信號給出可以卸輥信號，機器人型軋輥上下料工藝裝置可以進行安全卸輥。

（3）與磨輥間MES系統(tǒng)的通信

與磨輥間MES系統(tǒng)建立通訊，滿足機器人型軋輥上下料工藝裝置與冷軋軋線排產(chǎn)計劃對接，實現(xiàn)根據(jù)冷軋扎線的生產(chǎn)計劃，實時預測各種軋輥的磨削需求，指導磨輥間生產(chǎn)計劃的動態(tài)調(diào)整。同時，自動表面波超聲探傷設(shè)備，實現(xiàn)對軋輥磨削質(zhì)量的監(jiān)測，將此探傷數(shù)據(jù)上傳到MES系統(tǒng)，為輥子的修磨提出建設(shè)性意見。

4.結(jié)語

設(shè)備于2015年底完成了實驗室樣機測試，達到了預期的設(shè)計指標。

機器人型軋輥上下料工藝裝置實現(xiàn)柔性化的軋輥修磨后自動工藝處理，在同一個工位采用自主研發(fā)的多功能夾具和輔助托架實現(xiàn)對軋輥的上下料、自動表面波探傷、檢測、刮水、涂油和包裝等作業(yè)。同時，每套軋輥修磨后自動工藝處理裝置包含一套伺服定位控制的移動平臺（即機器人第七軸），并與多臺磨床實現(xiàn)信息層的互聯(lián)互通，從而使一套軋輥修磨后自動工藝處理裝置能服務(wù)于多臺磨床，提高了整體經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1]ABB基礎(chǔ)編程手冊.

[2]ABB RobotStudio操作說明書.

[3]西門子S7-300_CPU_317T-2_DP_控制_SINAMICS_S120入門指南.

[4]SIMATIC T_CPU 功能介紹及使用.