淺談工業(yè)機器人技術(shù)在球墨鑄鐵管生產(chǎn)線中的應(yīng)用

張濟凡1，蒿潤濤1，武月梅2,胡橋木1

[中圖分類號] TM76

[文獻標志碼]A

[文章編號]2095-6487 （2021） 02-0032-03

Talking about the Application oflndustrial Robot Technology

in the Production Line of Ductile Iron Pipe

Zhang Ji-fan，

Hao Run-tao，

WuYue-mei，

Hu Qiao-mu

[ Abstract]

nie development of science and technology has promoted the development and application ofindustrial robots， and the applicationscope ofindustrial robots has been continuously expanded. With the maruriry of robot technology， the application of industrial robots has penetrated intoall aspects ofindustrial production. This article takes a production line of emerging cast pipes as the background， and srudies the application and practiceof industrial robots in the production line of ductile iron pipes. Firstly， it explains the difficulties in production in this field， then introduces the systemcomposition ofindustrial robots in practical applications， and fmally analyzes industrial robots in depth. The application results and development trends ofthe company are aimed at promoting the innovation of automation technology in the traditional foundry industry.

[ Keywords] industrialrobots; automation conrrol; PLC technology; ductile iron pipe

1 球磨鑄鐵管生產(chǎn)工藝中的難點

球墨鑄鐵管生產(chǎn)工藝流程包括五機一爐一窯，如圖1所示。

如圖1所示，經(jīng)過各工序，離心鑄造成成品入庫。該生產(chǎn)線已經(jīng)可以做到來料成分跟蹤、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控、故障遠傳報警、虛擬物料及訂單號追蹤、生產(chǎn)任務(wù)下發(fā)、報表自動生成等功能，基本實現(xiàn)整條線的自動化、智能化生產(chǎn)。

但是在球墨鑄鐵管生產(chǎn)線中，仍有幾個使用傳統(tǒng)設(shè)備難以實現(xiàn)或代價太高的環(huán)節(jié)：①離心機砂芯搬運：該工位需要將砂芯安裝到離心機上，一般這個環(huán)節(jié)是由人工徒手搬運安裝或借助吊具安裝，這個過程耗時耗力。且由于環(huán)境差、溫度高，工人的身體健康和安全也難以保證。并且由于人工干預(yù)，此處無法保證設(shè)備的連續(xù)自動化運行。②鑄管承口精打磨：該工位位于三磨精整區(qū)域，傳統(tǒng)方式是人工手持打磨工具，對承口內(nèi)多個小立而、平而、斜而進行打磨。這個過程同樣耗時耗力、環(huán)境差。③承插口局部精確噴漆：由于球墨鑄鐵管承插口邊緣狹小，難以使用傳統(tǒng)專機設(shè)備實現(xiàn)，該工位一般需要人工手持刷子對鑄管承插口邊緣斜而、端面進行補刷，這就造成該工位勞動強度人，且由于瀝青對人體存在傷害，該工位更無法保證工人身體健康。

2 整體控制方案

2.1 工業(yè)機器人控制

工業(yè)機器人由控制系統(tǒng)、傳感器及機器人本體組成。文中所描述的球墨鑄鐵管生產(chǎn)線所采用的是六軸關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人。

工業(yè)機器人的核心是控制系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^示教器、拖拽示教或離線編程軟件進行命令輸入，為控制機器人本體做準備?？刂葡到y(tǒng)的作業(yè)形式基本可以分為點控制、連續(xù)軌跡控制及力矩控制;其控制方式有兩種：分散控制和集中控制。工業(yè)機器人發(fā)展到現(xiàn)在，與計算機技術(shù)、視覺傳感技術(shù)高度融合，使其具備一定的圖像處理能力，還使得機器人具有學(xué)習(xí)功能和自適應(yīng)能力，可以進行自編輯。這極大提高了機器人在復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)能力，拓展了工業(yè)機器人的可應(yīng)用范圍。機器人可以根據(jù)程序的設(shè)定進行各種工業(yè)操作，通過對采集到的環(huán)境信息的處理，優(yōu)化具體的操作行為。

工業(yè)機器人可以通過傳感器來感知周圍環(huán)境。傳感器的使用對機器人有重要意義，相當(dāng)于機器人的神經(jīng)系統(tǒng)，是極重要的監(jiān)測裝置，對內(nèi)可以榆測機器人的加速度、速度和位移情況，對外可以榆測機器人的工作環(huán)境。隨著科技的發(fā)展進步，機器人的感知能力還會有更人的發(fā)展。

工業(yè)機器人本體關(guān)節(jié)包括旋轉(zhuǎn)（S軸）、臂（L軸）、上臂（U軸）、手腕旋轉(zhuǎn)（R軸）、手腕擺動（B軸）和手腕回轉(zhuǎn)（T軸）6個軸，由動力裝置和傳動裝置組成，動力裝置包括伺服驅(qū)動電機、液壓、氣動等部位;傳動裝置由動力元件驅(qū)動執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行傳送命令，實現(xiàn)本體的位移。

2.2 PLC控制技術(shù)

PLC控制技術(shù)在工業(yè)機器人系統(tǒng)中應(yīng)用土要集中在順序控制、過程控制、信息傳遞等幾個方面。順序控制是幫助工業(yè)機器人融入現(xiàn)有生產(chǎn)線中，按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序，機器人及生產(chǎn)線其他設(shè)備自動地有秩序地進行操作。過程控制主要對機器人進行模擬量方面的控制，對機器人及現(xiàn)場工件的溫度、壓力、電壓等各個因素進行實時控制，并根據(jù)計算變量制定一系列控制策略。信息傳遞是通過工業(yè)控制總線將機器人的通信等數(shù)據(jù)與上級PLC或遠程MES進行傳輸、處理、存儲、采集等操作。

文中所述的球墨鑄鐵管生產(chǎn)線所采用的PLC系統(tǒng)是西門子1500系列，為保證前后控制系統(tǒng)的一致性，這里工業(yè)機器人的上級控制器也選用相應(yīng)的PLC產(chǎn)品。

2.3 安全保護策略

安全系統(tǒng)可謂是工業(yè)機器人應(yīng)用中的關(guān)鍵部分。主要起到的作用是：①保護工人不被傷害;②保護設(shè)備不被傷害;③保護工裝不被傷害。由于控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，所以安全系統(tǒng)對計算機控制系統(tǒng)能夠起到很好的調(diào)配作用，同時還能通過PLC實現(xiàn)對安全區(qū)域的實時監(jiān)控，一旦出現(xiàn)故障可以及時報警，從而實現(xiàn)了故障點位的可視化，并且進一步保證了自動化生產(chǎn)線能夠安全、穩(wěn)定、正常地運行。

2.4 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)構(gòu)成

這里工業(yè)機器人系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

工業(yè)機器人控制系統(tǒng)包括一臺工業(yè)機器人、控制柜、工裝、PLC（采用西門子S7-1500系列CPU及若干IO模塊：其IO模塊控制工裝所安裝電氣、氣動、液壓、傳感囂等）、觸摸屏（采用西門子精致系列產(chǎn)品，用以實現(xiàn)狀態(tài)顯示、配方設(shè)定、故障顯示、報警提示等）、安全繼電器及安全門鎖。其中，機器人PLC、工業(yè)機器人、觸摸屏通過交換機與外圍PLC及其他通信設(shè)備，采用PROFINET協(xié)議。安全門鎖輸入輸出信號與PLC的IO模塊連接，其安全通道通過安全繼電器與工業(yè)機器人安全段子連接，當(dāng)安全門鎖打開時同時控制工業(yè)機器人斷電，以保證安全。

3 工業(yè)機器人應(yīng)用

這里，結(jié)合球墨鑄鐵管生產(chǎn)線的難點及該生產(chǎn)線所取得的實際成果來詳細介紹一下工業(yè)機器人在球墨鑄鐵管生產(chǎn)線中的應(yīng)用。

3.1 砂芯搬運機器人

在球墨鑄鐵管離心機生產(chǎn)中，鐵水澆筑前需要根據(jù)需求（規(guī)格、接口、訂單）將目標砂芯安裝在離心機上。傳統(tǒng)工藝中，由于離心機區(qū)域環(huán)境惡劣、環(huán)境溫度高，砂芯規(guī)格多種多樣、異而多，安裝精度高、生產(chǎn)節(jié)奏塊，以及砂芯易碎等原因，傳統(tǒng)設(shè)備無法實現(xiàn)對砂芯的精確抓取并安裝到位。因此，傳統(tǒng)生產(chǎn)線中，都是人工安裝，這就導(dǎo)致了工作效率低、人工勞動強度人、工作環(huán)境惡略、無法保證安全、自動化生產(chǎn)被割裂等缺點。

砂芯搬運機器人的選取應(yīng)充分考慮負載重量和工裝重量，選用人質(zhì)量負載機器人。所設(shè)計工裝安裝識別攝像頭及夾取工裝，機器人通過攝像頭拍照識別砂芯的規(guī)格并確定圓心，工裝移動到砂芯圓心處進行抓取，之后安裝到位。

經(jīng)過長期實踐調(diào)試運行，該工位人人提高了自動化生產(chǎn)水平。

3.2 承口精打磨機器人

球墨鑄鐵管承口精打磨的難點在于鑄管承口而的復(fù)雜及承口規(guī)格的多種多樣，這就造成使用傳統(tǒng)打磨專機無法滿足生產(chǎn)，并且打磨效果無法保證，需要人工修補打磨，造成勞動力的浪費，割裂自動化生產(chǎn)節(jié)奏。

根據(jù)鑄管規(guī)格直徑變化和打磨強度要求，打磨機器人應(yīng)根據(jù)機器人臂展范圍和打磨強度選擇。負載前段安裝專用打磨砂輪、打磨電機、多維度柔性力矩，與生產(chǎn)線進行網(wǎng)絡(luò)通信，根據(jù)前序工位發(fā)送而來的承口規(guī)格信息，調(diào)用不同作業(yè)，行走編程軌跡，對鑄管承口進行打磨。

3.3 承插口噴漆機器人

球墨鑄鐵管承插口噴漆的難點在于：①承口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，立而較多;②插口需要涂漆的地方極小。由于上述原因，故傳統(tǒng)生產(chǎn)線中，都需要工人用滾刷對鑄管進行修補刷漆。由于生產(chǎn)節(jié)奏快，勢必工人勞動強度人，并且瀝青對人體危害人，不利于工人身體健康。

根據(jù)不同生產(chǎn)線要求，噴漆機器人的選擇應(yīng)以臂展為主。承口噴漆機器人前端安裝瀝青噴槍，插口機器人安裝特殊刷漆工裝，根據(jù)前序工位發(fā)送的信息，調(diào)用不同作業(yè)，行走編程軌跡，對鑄管承插口進行噴漆作業(yè)。

3.4 程序流程圖

4 結(jié)束語

文中所述噴鋅機自動控制系統(tǒng)以西門子PLC為控制核心，用HMI以TIA PORTAL組態(tài)軟件！實現(xiàn)組態(tài)，中控MES為信息調(diào)度，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制功能完善、安裝調(diào)試方便，滿足了工廠自動化控制的需求。

總之，工業(yè)機器人技術(shù)的快速發(fā)展和普及是未來科技型社會的必然要求，可以通過增加工業(yè)機器人的數(shù)量和工業(yè)機器人的智能化能力以及工業(yè)機器人的自動化控制手段的不斷提升，來實現(xiàn)工業(yè)機器人的智能化不斷提升。未來社會中，工業(yè)機器人所要承擔(dān)的工作難度和責(zé)任要遠人于當(dāng)前的工業(yè)機器人，無論是工作的完成速度還是復(fù)雜程度以及在開展工作過程中所能處理問題的自主能力都會出現(xiàn)極大改變。在不遠的未來社會，機器人終會成為人類生產(chǎn)和生活中最為有效的助力，在未來人類的生產(chǎn)和生活中，機器人將會發(fā)揮出更人的作用。

我國工業(yè)水平的整體進步有效帶動了鑄造業(yè)的進步，同時鑄造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)也在日益增加。工業(yè)機器人在鑄造業(yè)特別是球墨鑄鐵管鑄造行業(yè)所占的位置越來越重要，越來越多的工序可以應(yīng)用機器人技術(shù)，如鐵水采樣、加料、扒渣等。工業(yè)機器人的應(yīng)用可以有效節(jié)約勞動力、提高生產(chǎn)質(zhì)量。

參考文獻

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