工業(yè)打磨機(jī)器人在軋鋼平整機(jī)上的設(shè)計(jì)應(yīng)用*

趙亞楠， 陳發(fā)林， 陳代兵， 趙學(xué)敏

(1.酒泉鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司 信息自動(dòng)化分公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；2.甘肅酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引 言

隨著國(guó)家對(duì)鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切需求，各個(gè)鋼鐵公司對(duì)鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大規(guī)模調(diào)整。近年來(lái)，超純鐵素體鋼產(chǎn)品需求量不斷增加，而常規(guī)鋼種大幅縮減，這導(dǎo)致在對(duì)鋼種及超純鋼進(jìn)行平整作業(yè)時(shí)，在線(xiàn)或平整機(jī)鋼輥缺陷發(fā)生率明顯提升。當(dāng)平整輥產(chǎn)生缺陷時(shí)，為控制并消除缺陷，需要操作人員手動(dòng)對(duì)高速工作輥進(jìn)行打磨。而人員手動(dòng)打磨具有時(shí)效性差，打磨效果不佳，缺陷不能及時(shí)消除等問(wèn)題，從而導(dǎo)致含有缺陷的鋼輥繼續(xù)工作，從而使生產(chǎn)的鋼板表面出現(xiàn)瑕疵，進(jìn)而出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至降級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響企業(yè)聲譽(yù)。而且人員手動(dòng)打磨工作輥時(shí)，離運(yùn)行的設(shè)備較近，手部直接接觸高速轉(zhuǎn)動(dòng)的工作輥，危險(xiǎn)系數(shù)較大，存在很大安全隱患，一旦發(fā)生生產(chǎn)事故，后果極為嚴(yán)重。

近年來(lái)，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，它作為一種高端的裝備，在不同的生產(chǎn)線(xiàn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]，由于PLC的穩(wěn)定性、靈活性和抗干擾性好，PLC常常應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中[3-5]。筆者以平整機(jī)工作輥表面瑕疵打磨作為研究?jī)?nèi)容，對(duì)平整機(jī)工作輥打磨工作流程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一套基于PLC與工業(yè)機(jī)器人的打磨工作站控制系統(tǒng)，并在某大型鋼廠的平整機(jī)上進(jìn)行了打磨應(yīng)用，實(shí)踐驗(yàn)證了打磨工作站取得了良好的打磨效果。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

打磨機(jī)器人工作站由工業(yè)機(jī)器人、電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)更換砂紙裝置、力控系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)、除塵裝置組成。根據(jù)平整機(jī)機(jī)組所在空間位置的實(shí)際情況、打磨系統(tǒng)載荷重量等因素選用了ABBIRB-6700機(jī)器人，其有效工作半徑3.2 m，承重150 kg，具有機(jī)身緊湊，工作范圍大，操作速度快等特點(diǎn)。電氣控制系統(tǒng)以西門(mén)子 S7-1200 PLC 為核心，系統(tǒng)具備更快的處理速度，更強(qiáng)的診斷能力以及更高的安全可靠性，可有效提高工作效率。自動(dòng)更換砂紙裝置由主體箱、撕砂紙機(jī)構(gòu)、砂紙檢測(cè)傳感器、砂紙庫(kù)和控制盒組成。力控系統(tǒng)由浮動(dòng)單元、伺服閥、控制器和打磨頭組成，該系統(tǒng)主要目的是實(shí)現(xiàn)打磨過(guò)程的自動(dòng)、恒定的打磨壓力。工業(yè)機(jī)器人工作時(shí)通過(guò)機(jī)器人控制器和PLC之間的ProfiNet總線(xiàn)連接，來(lái)完成機(jī)器人在平整機(jī)工作輥上的運(yùn)動(dòng)軌跡控制的指令傳輸和人機(jī)交互。

根據(jù)工作空間和生產(chǎn)流程，打磨機(jī)器人工作站的系統(tǒng)仿真如圖1所示。其工作原理如下：取砂紙工作時(shí)，PLC系統(tǒng)先進(jìn)行程序初始化，不同的砂紙放在對(duì)應(yīng)的砂紙庫(kù)，機(jī)器人接收到PLC 發(fā)送的取砂紙信號(hào)(包括取砂紙的類(lèi)型和取砂紙的啟動(dòng)信號(hào))后啟動(dòng)執(zhí)行換砂紙程序，砂紙更換成功或取砂紙失敗三次，機(jī)器人自動(dòng)回原位，并向 PLC 反饋信息；打磨工作時(shí)，機(jī)器人的打磨模式分為離線(xiàn)打磨模式和在線(xiàn)打磨兩種，離線(xiàn)打磨時(shí)，首先將平整機(jī)啟動(dòng)到最大速度200 m/min并將平整工作面抬升至固定高度，啟動(dòng)前PLC系統(tǒng)先進(jìn)行程序初始化，機(jī)器人接收到 PLC 發(fā)送的離線(xiàn)打磨啟動(dòng)指令后(啟動(dòng)指令中包括人工在PLC界面設(shè)置的機(jī)器人打磨起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)、打磨速度、打磨力度等信息)，機(jī)器人從初始位置啟動(dòng)，通過(guò)程序設(shè)定的路徑到鋼輥打磨的起點(diǎn)，開(kāi)始對(duì)平整機(jī)工作輥以設(shè)定的恒定力進(jìn)行直線(xiàn)式移動(dòng)打磨，直到機(jī)器人接收到停止打磨信號(hào)，機(jī)器人則以原路徑返回起始點(diǎn)。在線(xiàn)打磨和離線(xiàn)打磨相似，區(qū)別是離線(xiàn)打磨時(shí)工作輥抬升到固定高度，不進(jìn)行平整生產(chǎn)作業(yè)，而在線(xiàn)打磨時(shí)平整機(jī)同時(shí)也在進(jìn)行平整作業(yè)，平整機(jī)的工作速率隨生產(chǎn)工藝要求不斷變化，工作輥的位置也處于工作高度，因此離線(xiàn)打磨和在線(xiàn)打磨時(shí)機(jī)器人的打磨路徑稍有區(qū)別。

圖1 系統(tǒng)仿真圖

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

打磨工作站控制系統(tǒng)硬件主要包括PLC、機(jī)器人控制器、HMI觸摸屏、砂紙舉升氣缸、電磁閥和傳感器、監(jiān)控設(shè)備、力控系統(tǒng)等，其電氣硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，PLC和機(jī)器人控制器IRC5是整體系統(tǒng)的控制核心單元，機(jī)器人采用ProfiNet總線(xiàn)與PLC通信，完成接收和采集以及相應(yīng)外部控制信息的工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人打磨啟停、砂紙更換、參數(shù)設(shè)置、打磨狀態(tài)監(jiān)控等。

圖2 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)硬件選型如下。

(1) 機(jī)器人控制器：采用 ABB 第五代機(jī)器人控制器IRC5，其擁有卓越的運(yùn)動(dòng)控制功能，配備有含觸摸屏和操縱桿編程功能的 FlexPendant 示教器、靈活的 RAPID 編程語(yǔ)言及強(qiáng)大的通信能力[6]，控制器選用帶ProfiNet總線(xiàn)接口的模塊，方便與PLC進(jìn)行通信。

(2) PLC控制器：采用西門(mén)子S7-1200系列的1214C，該P(yáng)LC自帶ProfiNet通訊接口，方便與機(jī)器人控制器通訊，實(shí)現(xiàn)電磁閥、生產(chǎn)線(xiàn)連鎖信號(hào)、傳感器等信號(hào)的控制和信息處理。

(3) HMI人機(jī)界面：采用西門(mén)子 9寸觸摸屏，可以與西門(mén)子S7-1200 PLC集成連接，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人工藝參數(shù)的設(shè)置和監(jiān)控功能。

(4) 力控系統(tǒng)：采用DFRC1201的力控系統(tǒng)，支持20～120 N恒力控制及0～30 mm伸縮量，打磨力值在±2 N內(nèi)浮動(dòng)，能在精細(xì)的操作中保證快速的響應(yīng)時(shí)間以及高度的時(shí)效性。

(5) 工控機(jī)：采用研華控端 IPC-610 小型工控機(jī)，支持以太網(wǎng)通信模式；工控機(jī)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)力控系統(tǒng)的監(jiān)控，并對(duì)實(shí)時(shí)打磨力值進(jìn)行記錄，便于現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)打磨效果進(jìn)行分析，為后續(xù)打磨力值設(shè)定起到參考作用。

3 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)與運(yùn)行

3.1 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

打磨工作站控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要包括PLC程序設(shè)計(jì)和機(jī)器人程序設(shè)計(jì)。根據(jù)打磨工作站的工作原理，機(jī)器人依次進(jìn)行末端力控系統(tǒng)準(zhǔn)備、砂紙到位準(zhǔn)備、砂紙更換、機(jī)器人按照預(yù)定路徑移動(dòng)到打磨起點(diǎn)位置處、在設(shè)定的打磨區(qū)間內(nèi)進(jìn)行打磨、打磨結(jié)束后按原路徑返回原始位、整個(gè)打磨系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)包括工業(yè)機(jī)器人和控制系統(tǒng)初始化、工作人員在HMI上設(shè)置工藝參數(shù)、系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行、輸入輸出I/O信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)等，程序流程圖如圖3所示。

圖3 工作站程序流程圖

控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。

(1) 控制系統(tǒng)初始化：在HMI中選擇一鍵初始化或選擇逐個(gè)模塊初始化，打磨工作站機(jī)器人控制系統(tǒng)按照一定的順序運(yùn)行到初始化狀態(tài)，使工作站恢復(fù)到原始狀態(tài)，工作站準(zhǔn)備完成。

(2) HMI工藝參數(shù)設(shè)置：根據(jù)打磨對(duì)象和工藝要求，在HMI人機(jī)界面中設(shè)置相對(duì)應(yīng)的參數(shù)，機(jī)器人程序會(huì)根據(jù)參數(shù)自動(dòng)設(shè)定初始值，以滿(mǎn)足設(shè)備生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

(3) 系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行：當(dāng)參數(shù)設(shè)置完成以后，將工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)設(shè)定為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)完成砂紙的換取，工作輥的打磨、除塵，最后回原位。整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止由觸摸屏上的啟停觸點(diǎn)控制，控制柜上安裝有緊急停止按鈕，便于緊急停車(chē)。

(4) 輸入輸出I/O信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)信號(hào)監(jiān)視可以監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，主要有機(jī)器人的運(yùn)行速率、力控系統(tǒng)的反饋力值大小、機(jī)器人的打磨區(qū)間等，使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程處于控制中。

工業(yè)機(jī)器人控制程序的設(shè)計(jì)采用ABB工業(yè)機(jī)器人的RAPID編程語(yǔ)言，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)和子程序設(shè)計(jì)，子程序設(shè)計(jì)包括選取不同砂紙庫(kù)的程序、離線(xiàn)打磨程序、在線(xiàn)打磨程序、中斷程序等功能模塊，主程序設(shè)計(jì)通過(guò)程序初始化、打磨或換砂紙判斷，子程序調(diào)用等實(shí)現(xiàn)打磨功能和運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，機(jī)器人打磨主程序如下所示：

MODULE Main_Job

PROC main() // 主程序

initialize; // 程序初始化

Pro_Main:

IF Q26=1 AND Q90=0 THEN // 選擇取砂紙

SetDO I680,0; // 置位機(jī)器人啟動(dòng)信號(hào)

Discharge_Paper; // 執(zhí)行撕砂紙

IF Q20=1 THEN // 選擇1號(hào)砂紙

Pick_Paper_Job_1; // 取1號(hào)砂紙

endif

IF Q21=1 THEN // 選擇2號(hào)砂紙

Pick_Paper_Job_2; // 取2號(hào)砂紙

endif

IF Q22=1 THEN // 選擇3號(hào)砂紙

Pick_Paper_Job_3; // 取3號(hào)砂紙

endif

IF Q23=1 THEN // 選擇4號(hào)砂紙

Pick_Paper_Job_4; // 取4號(hào)砂紙

endif

ELSEIF Q26=0AND Q90=1 THEN // 選擇離線(xiàn)打磨

SetDO I680,0; // 置位機(jī)器人啟動(dòng)信號(hào)

robotStopTrap; // 執(zhí)行中斷程序

Go_Polish_Up; // 執(zhí)行離線(xiàn)打磨

GOTO Pro_Main;

ENDPROC

PLC控制程序采用西門(mén)子博圖15編寫(xiě)，對(duì)砂紙庫(kù)的選擇、機(jī)器人的打磨速率、力控系統(tǒng)的力值大小、機(jī)器人的打磨區(qū)間、機(jī)器人的啟動(dòng)停止、打磨工作站與生產(chǎn)線(xiàn)的連鎖等進(jìn)行控制，軟件集成了PLC程序開(kāi)發(fā)和上位機(jī)畫(huà)面開(kāi)發(fā)，PLC監(jiān)控畫(huà)面如圖4所示。

圖4 PLC監(jiān)控畫(huà)面

3.2 工作站控制系統(tǒng)的運(yùn)行

機(jī)器人離線(xiàn)打磨如圖5所示，以平整機(jī)工作輥為打磨對(duì)象，整個(gè)工作站設(shè)置安全門(mén)鎖、急停按鈕進(jìn)行安全防護(hù)。該系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人通過(guò)砂紙庫(kù)快速換取砂紙，對(duì)平整機(jī)工作輥進(jìn)行打磨，整個(gè)打磨過(guò)程工作迅速，運(yùn)行穩(wěn)定，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的要求。

圖5 機(jī)器人離線(xiàn)打磨 圖6 工件打磨前后

3.3 平整機(jī)工作輥打磨前與打磨后對(duì)比

工件打磨前后對(duì)比如圖6所示，可看到打磨效果較為明顯。機(jī)器人自動(dòng)打磨可以24 h連續(xù)不間歇高速工作，不受任何外界因素的干擾，以設(shè)定的速度恒力打磨鋼輥，大大提高鋼輥的打磨效率，鋼輥表面95%的缺陷都能得到及時(shí)消除，從而提高了鋼輥的平整度，提升了鋼板的整體品質(zhì)，取得了不錯(cuò)的效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)人員手動(dòng)打磨高速工作輥的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了打磨工作站控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)以ABB工業(yè)機(jī)器人IRC5和西門(mén)子 S7-1200 PLC為控制核心，結(jié)合觸摸屏、力控系統(tǒng)等智能設(shè)備，可以自動(dòng)完成砂紙換取、工作輥打磨等功能。實(shí)際應(yīng)用證明，該打磨工作站整體運(yùn)行良好，工作速度穩(wěn)定，工作速率快，打磨效果明顯，可供同行參考。