智能制造在彩涂卷取上紙筒中的應(yīng)用

曹小彬，吳一飛

（馬鋼設(shè)備管理部，安徽馬鞍山 243000）

前言

1 項(xiàng)目背景

由于人工上紙?zhí)淄策^(guò)程會(huì)占用出口段連續(xù)運(yùn)行時(shí)的穿帶時(shí)間，稍有差錯(cuò)便會(huì)造成出口活套沖頂停車（在120 m/min 的工藝速度下，出口從降速——剪切——分卷——卸卷——上紙?zhí)淄病崴?，整個(gè)過(guò)程只有90 s左右）。

人工上紙?zhí)淄沧鳂I(yè)步驟如下：

剪切后卷取機(jī)進(jìn)行收卷，芯軸外置支撐打開(kāi)，卸卷小車將成品鋼卷運(yùn)送至稱重鞍座。然后由2～3名操作工將紙?zhí)淄部沟郊缟?，運(yùn)送到芯軸旁，舉起紙?zhí)淄苍偬兹胄据S，其中1 人用自制的定尺測(cè)量紙?zhí)淄苍谛据S上的對(duì)中位置并進(jìn)行調(diào)整，確認(rèn)無(wú)誤后由另一名操作工啟動(dòng)穿帶操作：卷取機(jī)外置支撐下，芯軸膨脹，伸縮導(dǎo)板抬起，皮帶助卷器進(jìn)入進(jìn)行穿帶。

由于人工作業(yè)必須中斷自動(dòng)化控制流程，作業(yè)區(qū)域又在皮帶助卷器和芯軸等關(guān)鍵設(shè)備之間，屬于高危作業(yè)區(qū)域。使用工業(yè)機(jī)器人來(lái)代替人工搬運(yùn)和安裝定位，不僅可以提高作業(yè)效率，清除生產(chǎn)線自動(dòng)化生產(chǎn)的短板，更重要的是大大降低了對(duì)操作人員人身傷害的可能性。

總結(jié)起來(lái)，增加自動(dòng)上套筒機(jī)器人的原因有以下幾個(gè)方面：

(1)人員效率低

大荔縣土地總面積1776.4km2，分為北部黃土臺(tái)塬區(qū)、中部洛灌區(qū)、東部黃河灘區(qū)和南部沙苑區(qū)，除沙苑區(qū)外，其他各區(qū)均適宜核桃生長(zhǎng)，我們充分利用此類土地大力發(fā)展核桃產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，帶動(dòng)群眾增收致富。

普通壁厚15～25 mm 的紙?zhí)淄残枰? 人在穿帶前將其抬裝到卷取機(jī)芯軸上并且使用人工測(cè)量定位，壁厚超過(guò)30 mm 的紙?zhí)淄灿捎谔兀執(zhí)淄仓亓繌?5 kg 到45 kg 不等）甚至需要3～4 人才能抬起裝到芯軸上。

(2)操作不安全

上紙?zhí)淄捕ㄎ缓筮M(jìn)行穿帶動(dòng)作：外置支撐下——芯軸膨脹——皮帶助卷器進(jìn)——芯軸旋轉(zhuǎn)開(kāi)始穿帶。如果設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題造成異常動(dòng)作的情況下，上套筒的人還沒(méi)有離開(kāi)芯軸區(qū)域，則存在非常大的安全隱患。

(3)影響生產(chǎn)效率

人工操作上套筒需要考慮安全和時(shí)間問(wèn)題，生產(chǎn)120 m/min 速度的產(chǎn)品工藝段需要降速到100 m/min 速度生產(chǎn)，否則出口段來(lái)不及處理會(huì)造成機(jī)組停機(jī)。降速生產(chǎn)必然造成生產(chǎn)效率的降低，自動(dòng)化裝置可以準(zhǔn)確計(jì)算時(shí)間且差錯(cuò)率很低。

2 解決方案

2.1 總體方案

工業(yè)機(jī)器人的自由度決定了它的整體靈活性和活動(dòng)范圍，每一個(gè)自由度具有一個(gè)單獨(dú)方向的運(yùn)動(dòng)作業(yè)能力，即每個(gè)關(guān)節(jié)作為一個(gè)單獨(dú)的伺服機(jī)構(gòu)，稱為一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。從紙?zhí)淄残枰\(yùn)輸?shù)目臻g路線制定方案，擬采用六自由度工業(yè)機(jī)器人，其軟硬件構(gòu)成和控制精度見(jiàn)表1。

表1 機(jī)器人軟硬件構(gòu)成

六自由度機(jī)器人有如下特點(diǎn)：

（1）可編程：可隨工作環(huán)境變化的需要而再編程，是柔性制造系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。

（2）擬人化：在機(jī)械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、旋轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。六自由度機(jī)器人對(duì)紙?zhí)淄驳淖ト?、提升、旋轉(zhuǎn)、喂入等一系列動(dòng)作組合滿足要求。

（3）通用性：在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性。比如，更換工業(yè)機(jī)器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。

2.2 仿真模擬

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位置和測(cè)量數(shù)據(jù)制作仿真系統(tǒng),見(jiàn)圖1所示。標(biāo)識(shí)機(jī)器人為六自由度電驅(qū)，機(jī)器人本體等硬件系統(tǒng)安裝在皮帶助卷器與稱重鞍座之間的位置。

圖1 仿真模擬

2.3 工作模式

控制模式分為人工手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，之間轉(zhuǎn)換由人工觸發(fā)。

手動(dòng)模式（優(yōu)先）：分示教器調(diào)試使用模式和人工手動(dòng)模式；

自動(dòng)模式：依據(jù)生產(chǎn)線條件因素觸發(fā)，機(jī)器人自動(dòng)完成上紙?zhí)淄踩^(guò)程的工藝模式。

2.4 運(yùn)行條件

機(jī)器人準(zhǔn)備位動(dòng)作條件：轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇“機(jī)器人上紙?zhí)淄病狈绞?，皮帶助卷器回位信?hào)、外置撐打開(kāi)信號(hào)、皮帶助卷器壓輥回位信號(hào)、芯軸收縮信號(hào)全部滿足，同時(shí)接受到分卷剪切信號(hào)。

機(jī)器人等待位動(dòng)作條件：卸卷小車行走編碼器測(cè)量小車到達(dá)稱重鞍座，為避免編碼器故障時(shí)機(jī)器人動(dòng)作發(fā)生意外損傷設(shè)備，又在鞍座旁邊增加鋼卷小車接近開(kāi)關(guān)作為雙重保險(xiǎn)。

完成信號(hào)：當(dāng)機(jī)器人回到等待位時(shí)向生產(chǎn)線發(fā)出完成信號(hào)，然后外置支撐下，芯軸膨脹，皮帶助卷器進(jìn)入進(jìn)行穿帶運(yùn)行。

2.5 運(yùn)行工況

常用紙?zhí)淄惨?guī)格見(jiàn)表2。

表2 紙?zhí)淄惨?guī)格重量分布

放置對(duì)象（芯軸）：直徑470 mm（最小支持450 mm），放置后與板帶中心線偏差最大不超過(guò)15 mm。

生產(chǎn)線冷態(tài)聯(lián)動(dòng)試車，機(jī)器人自動(dòng)投入并從20%到100%進(jìn)行調(diào)速試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。試驗(yàn)顯示在全速情況下機(jī)器人從等待位開(kāi)始動(dòng)作到上完紙?zhí)淄埠笸庵弥伍_(kāi)始動(dòng)作穿帶，時(shí)間僅為10 s。

2.6 控制流程圖

控制流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 控制流程圖

3 安全措施

（1）安全聯(lián)鎖：轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)選擇方式（機(jī)器人上套方式和人工上套方式），操作根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

（2）安裝2 m 高防護(hù)網(wǎng)及安全欄桿，制作警示語(yǔ)。

（3）制定安全操作規(guī)程和相關(guān)作業(yè)文件，全員培訓(xùn)。

4 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)生產(chǎn)上紙?zhí)淄伯a(chǎn)品，對(duì)機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行驗(yàn)證運(yùn)行正常，該項(xiàng)目于2017 年6 月建成投用，已運(yùn)行近4 年，機(jī)器人共完成自動(dòng)上紙?zhí)淄布s3.2 萬(wàn)次，成功生產(chǎn)上紙?zhí)淄伯a(chǎn)品約16萬(wàn)t。

馬鋼彩涂線自動(dòng)上套筒機(jī)器人投資改造項(xiàng)目經(jīng)連續(xù)生產(chǎn)驗(yàn)證能滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的需要，消除了人員在該區(qū)域人工上紙?zhí)淄驳臉O不安全因素，其理論計(jì)算最高線速度可以比原來(lái)提高15%左右，同時(shí)節(jié)約了2～3 人的人力成本，達(dá)到了方案設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。該項(xiàng)目從安全生產(chǎn)和減員增效方面都具有一定價(jià)值。