可陣列式廢舊連鑄坯火焰切割機器人系統(tǒng)設計

張付祥，趙杰，李俊慧，黃風山

(1.河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018；2.石家莊鋼鐵有限責任公司，河北石家莊 050031)

0 前言

鋼廠生產(chǎn)連鑄坯時有一定比例的廢坯產(chǎn)生，要使廢坯回爐重造，切割廢坯是首道工序[1]。廢舊連鑄坯普遍采用手工方式切割，費時、費力、切割質(zhì)量低，工作環(huán)境惡劣[2]。根據(jù)廢坯切割的生產(chǎn)需求，開發(fā)一種適用于任意長度和截面規(guī)格的廢舊連鑄坯火焰切割機器人系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義?，F(xiàn)有火焰切割機器人多采用關節(jié)型機器人和直角坐標機器人作為執(zhí)行機構，分別適用于復雜和簡單的切割工作[3]。PC機開放性好，多用于開放式數(shù)控系統(tǒng)中[4]；PLC性能穩(wěn)定，多用于動作簡單的自動化設備中[5]。

本文作者采用直角坐標機器人作為火焰切割機器人的執(zhí)行機構，提出可陣列式的機械系統(tǒng)結(jié)構，通過陣列完全相同的機器人和連鑄坯支架實現(xiàn)對不同長度連鑄坯的切割。采用PLC控制火焰切割機器人系統(tǒng)，利用觸摸屏設計人機交互界面，通過上位機實現(xiàn)多個PLC控制系統(tǒng)間的通信，以可陣列的火焰切割機器人系統(tǒng)提高切割效率和設備的靈活性。

1 機械系統(tǒng)

廢舊連鑄坯火焰切割機器人機械系統(tǒng)包括直角坐標式切割機器人和連鑄坯支架，如圖1所示。連鑄坯支架布置在切割機器人的正前方。直角坐標式切割機器人總體為YZX結(jié)構，包括機架、Y向直線模組、Z向直線模組、X向直線模組、支座固定板、T式導向軸支座、導向軸、直線軸承、導向支架、法蘭式導向軸支座、安裝板、測距傳感器、割炬和點火器。連鑄坯支架的作用是使待切割廢坯與地面有一定間隙，使火焰能夠切斷廢坯。連鑄坯支架上安裝接近開關用于檢測連鑄坯是否到達切割工位。

鋼廠常見的廢舊連鑄坯長度尺寸有3、6、9、12 m。上述火焰切割機器人機械結(jié)構以3 m為一個基本單元，能夠切割3 m內(nèi)任意長度的廢舊連鑄坯。當連鑄坯長度達到6、9、12 m，則可以通過分別陣列2、3、4個直角坐標式切割機器人和連鑄坯支架的方式實現(xiàn)切割。

2 控制系統(tǒng)硬件

2.1 系統(tǒng)架構

為切割不同長度的廢舊連鑄坯，采用可陣列式廢舊連鑄坯火焰切割機器人系統(tǒng)。切割長度3 m內(nèi)的連鑄坯時，以PLC作為控制器，用觸摸屏來控制切割機器人；切割長度6 m內(nèi)的連鑄坯時，陣列完全相同的PLC控制系統(tǒng)，以工業(yè)PC作為上位機將兩個PLC控制系統(tǒng)聯(lián)系起來；切割長度9 m內(nèi)的連鑄坯時，依次陣列。陣列使用的切割機器人控制系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 陣列使用的火焰切割機器人控制系統(tǒng)構架

PLC作為單個火焰切割機器人控制系統(tǒng)的核心部件，控制切割機器人運動。PLC的輸入端接收接近開關、按鈕和限位開關信號，PLC輸出端控制伺服電機和步進電機驅(qū)動器為電機調(diào)速，以及控制切割部件各個電磁閥通斷。激光測距傳感器測得連鑄坯尺寸以電流信號輸出，PLC擴展模擬量模塊接收測距傳感器數(shù)據(jù)。

觸摸屏可對切割機器人直接控制，也可監(jiān)視切割過程中的多種參數(shù)。

工業(yè)PC作為多個火焰切割機器人控制系統(tǒng)的上位機，作用是將兩個及以上的PLC聯(lián)系起來，使PLC間的數(shù)據(jù)得以通信并完成規(guī)劃切割方案，同時將切割后的廢舊連鑄坯信息存儲起來，對已切廢坯進行核對統(tǒng)計。通過交換機和網(wǎng)線將工業(yè)PC和兩個及以上的PLC連接起來，通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)PLC與工業(yè)PC的數(shù)據(jù)通信[6-7]。工業(yè)PC中的組態(tài)軟件可遠程控制切割機器人并對工作過程進行實時監(jiān)控。

2.2 硬件配置

PLC的I/O點數(shù)使用原則是應該預留10%～15%的I/O點以做備用。系統(tǒng)中實際需要的輸入點數(shù)為16點，輸出點數(shù)為15點，且需要PLC給電機發(fā)送脈沖?？刂葡到y(tǒng)硬件配置如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)硬件配置

選用西門子公司的S7-200 SMART系列PLC，CPU模板的型號為CPU ST60，共有36個輸入口、24個輸出口，滿足設計要求。切割機器人的檢測裝置為激光測距傳感器，輸出模擬量信號，需要配置一塊S7-200 SMART模擬量擴展模塊。擴展模塊型號選擇EM AM03，有2個模擬量輸入口、1個模擬量輸出口，滿足設計要求。

PLC的I/O地址分配如表2所示。

西門子S7-200 SMART PLC自帶一個RS485通信接口，可以與觸摸屏進行通信。用PLC的以太網(wǎng)接口，通過交換機將工業(yè)PC和兩個及以上的PLC以TCP/IP通信的方式連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[8]。

3 控制系統(tǒng)軟件

3.1 PLC控制流程

廢舊連鑄坯火焰切割機器人需順序啟動，PLC的控制流程如圖3所示。

圖3 PLC控制流程

3.2 人機界面

為了減少傳統(tǒng)控制面板按鈕繁多的問題，使用觸摸屏連接PLC，通過人機界面設計來控制和監(jiān)測切割系統(tǒng)。觸摸屏與PLC間的通信方式采用PPI通信。

在自動操作界面，單擊啟動按鈕，切割機器人開始工作，直到完成所有割縫切割機器人停止工作。當切割中遇緊急事件時，按下外置的實體急停按鈕，系統(tǒng)會自動停止切割，同時報警燈亮起提示有故障出現(xiàn)。自動切割完成后，單擊“首頁”按鈕，回到登錄界面，單擊“手動操作”和“狀態(tài)監(jiān)測”即可進入對應界面，如圖4所示。

圖4 自動操作界面

在手動操作界面，可以對切割機器人3個軸進行手動移動和回零，也可以控制預熱氧電磁閥、切割氧電磁閥、切割燃氣電磁閥、點火燃氣電磁閥和點火裝置，如圖5所示。

圖5 手動操作界面

在狀態(tài)監(jiān)測界面，可以查看當前已切割的寬度、切割速度、連鑄坯的尺寸規(guī)格和切割機器人三軸狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 狀態(tài)監(jiān)測界面

4 試驗驗證

4.1 試驗系統(tǒng)現(xiàn)場設置

廢舊連鑄坯火焰切割機器人系統(tǒng)樣機如圖7所示。在某公司實際切割了長度為3 m、兩種截面尺寸的廢舊連鑄坯，分別為2根180 mm×180 mm和1根300 mm×220 mm的廢舊連鑄坯。

圖7 廢舊連鑄坯自動切割現(xiàn)場設置

采用氧-乙炔切割廢舊連鑄坯，由于廢坯厚度較大，將9罐氧氣并聯(lián)以達到持續(xù)的高壓氧氣。切割之前需要調(diào)節(jié)乙炔和氧氣的壓力以及割炬閥門，經(jīng)過多次試驗得出切割200 mm左右厚度的連鑄坯所需乙炔和氧氣的壓力分別為0.1、1.0 MPa[9]。

4.2 切割試驗

切割不同厚度的連鑄坯時需要調(diào)整預熱時間和切割速度。經(jīng)多次切割試驗，切割180、220 mm厚的連鑄坯所需預熱時間分別為120、140 s，切割速度分別為60、50 mm/min。割縫整齊，縫口粘附殘渣較少，未出現(xiàn)上緣燒塌、下緣掛渣嚴重和割縫變寬等現(xiàn)象，如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場切割效果展示

5 結(jié)論

為了讓工人擺脫惡劣的工作環(huán)境、提高廢舊連鑄坯的切割效率，研制了一種可陣列式火焰切割機器人系統(tǒng)。設計了以YZX直角坐標式機器人為主體的切割機器人結(jié)構和連鑄坯支架，提出了可陣列式的火焰切割機器人系統(tǒng)方案；采用激光測距傳感器自動測量廢坯規(guī)格，選用PLC作為主控制器，使用觸摸屏設計了人機交互界面，實現(xiàn)對火焰切割機器人的控制；當多臺火焰切割機器人陣列式使用時，利用工業(yè)PC作為上位機，實現(xiàn)與多個PLC之間信息交互，自動規(guī)劃切割工藝過程。經(jīng)過火焰切割機器人的工業(yè)現(xiàn)場切割試驗，該機器人能實現(xiàn)全自動廢舊連鑄坯切割，切割質(zhì)量和速度滿足切割工藝要求。