一種優(yōu)化的鋼卷內(nèi)曲面貼標(biāo)自動化系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

鄧伍三,劉奎龍

中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司,上海 200082

0 引言

熱卷鋼生產(chǎn)線的成品鋼卷,經(jīng)過稱重、貼標(biāo)、打包、吊裝等工序后出庫銷售。出庫、運(yùn)輸、交付等過程均需要通過鋼卷標(biāo)簽讀取和核對產(chǎn)品信息。標(biāo)簽上的信息包括鋼卷產(chǎn)品規(guī)格、卷號、板坯號、卷重、材質(zhì)、生產(chǎn)單位、生產(chǎn)日期、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)等。因此,標(biāo)簽清晰可讀、粘貼牢固且未被磨損是保障產(chǎn)品信息查詢核對和追溯的基礎(chǔ)。

鋼卷貼標(biāo)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜,人工貼標(biāo)作業(yè)重復(fù)單調(diào)、效率低下、危險性高。為提高作業(yè)效率、降低安全風(fēng)險,加強(qiáng)產(chǎn)線協(xié)作能力,需要逐步推進(jìn)機(jī)器人替人工作,提升工廠內(nèi)部智能化裝備水平[1],提升產(chǎn)品的信息塑源能力。而鋼卷內(nèi)曲面自動貼標(biāo)簽系統(tǒng),經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計,克服了內(nèi)曲卷翹端的檢測、規(guī)避等技術(shù)難點(diǎn),在鋼卷內(nèi)徑面貼標(biāo),系統(tǒng)解決了人工安全隱患、外貼/外噴磨損、標(biāo)簽脫落等問題。

1 傳統(tǒng)的鋼卷貼標(biāo)系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)的貼標(biāo)方式

1)人工貼標(biāo)。通過人工貼標(biāo)方式,在稱重工序結(jié)束后,由值班貼標(biāo)專職工人輸入重量數(shù)據(jù),打印標(biāo)簽,到現(xiàn)場對鋼卷進(jìn)行貼標(biāo)。

2)機(jī)器人外表面貼標(biāo)系統(tǒng)。由貼標(biāo)機(jī)器人、自動控制系統(tǒng)、標(biāo)簽打印機(jī)等組成的鋼卷外徑面貼標(biāo)自動化系統(tǒng),貼標(biāo)或噴碼位置在鋼卷的外徑表面。

1.2 傳統(tǒng)貼標(biāo)方式的缺點(diǎn)

貼標(biāo)工作環(huán)境惡劣,庫內(nèi)二層卷貼不到且不安全,鋼卷是24 h連續(xù)生產(chǎn),夜間人工貼標(biāo)容易發(fā)生墜落到步進(jìn)梁槽的安全生產(chǎn)事故,存在重大安全生產(chǎn)隱患。工人連續(xù)工作會出現(xiàn)漏貼、誤貼等失誤。熱卷生產(chǎn)線鋼卷余溫較高,人工貼標(biāo)長期受到熱輻射,對身體造成損害。

傳統(tǒng)機(jī)器人外表面貼標(biāo)系統(tǒng)雖然可減輕計量員及發(fā)貨員的工作量,但只降低了人工貼標(biāo)的安全風(fēng)險,卻引入了一個新的問題,即貼標(biāo)時,粘貼在鋼卷內(nèi)曲面,因傳統(tǒng)的機(jī)器人貼標(biāo)時為防止機(jī)器人機(jī)械手碰損,只可將標(biāo)簽粘貼在外徑表面,導(dǎo)致標(biāo)簽在后續(xù)工序如打包(捆扎)、吊裝入庫等環(huán)節(jié)易損壞,鋼卷信息無法跟蹤和記錄,或者在鋼卷運(yùn)輸過程中,外徑面浮覆一層灰塵,導(dǎo)致標(biāo)簽粘貼后,被浮塵隔離,吸附性不強(qiáng),受風(fēng)吹易脫落,磨損率高且無法避免,導(dǎo)致鋼卷的信息核對困難。

2 優(yōu)化的自動化貼標(biāo)系統(tǒng)整體設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計的鋼卷機(jī)器人內(nèi)曲面貼標(biāo)自動化系統(tǒng),從工序到位檢測、鋼卷位置檢測、雙向取標(biāo)、標(biāo)簽空間坐標(biāo)計算(前/后雙標(biāo)簽)、內(nèi)曲面翹端檢測、翹端判斷及規(guī)避、貼標(biāo)抹平壓緊等設(shè)計,實(shí)現(xiàn)了全過程的自動檢測、計算、貼標(biāo)過程。前/雙標(biāo)簽是在卷鋼經(jīng)過貼標(biāo)工序墩位時,工人或機(jī)器人將此鋼卷的2張信息標(biāo)簽,分別粘貼于鋼卷兩端的弧面,且標(biāo)簽正面朝向兩端,便于掃碼和閱讀。

2.1 貼標(biāo)自動化系統(tǒng)布局設(shè)計

圖1為貼標(biāo)自動化系統(tǒng)布局。

圖1 貼標(biāo)自動化系統(tǒng)布局

2.2 自動貼標(biāo)流程

自動貼標(biāo)機(jī)主要利用 PLC控制[2]。鋼卷標(biāo)簽數(shù)據(jù)由上位系統(tǒng)發(fā)送到電氣控制系統(tǒng)。當(dāng)步進(jìn)梁到位,通知標(biāo)簽粘貼電氣控制系統(tǒng),首先開始定位,鋼卷到位,識別直徑大小及內(nèi)表面位置,然后由打印機(jī)系統(tǒng)打印出標(biāo)簽,機(jī)器人帶動標(biāo)簽吸取,完成前、后2個標(biāo)簽貼標(biāo)過程并復(fù)位,等待下一個循環(huán)。自動貼標(biāo)過程如圖2所示。

圖2 自動貼標(biāo)過程

1)定位。當(dāng)鋼卷到位后,系統(tǒng)自動識別到鋼卷的直徑大小和內(nèi)表面位置,為機(jī)器人的粘貼標(biāo)簽提供參照坐標(biāo)系。其中機(jī)器人控制柜、電氣控制柜均放置于現(xiàn)有操作室內(nèi)。

2)標(biāo)簽打印粘貼。完成定位后,根據(jù)上位機(jī)傳送來的標(biāo)簽信息由標(biāo)簽打印機(jī)打印2張對應(yīng)相同標(biāo)簽。系統(tǒng)控制機(jī)械手,操縱標(biāo)簽吸取頭吸取打印完成的標(biāo)簽,然后將標(biāo)簽連續(xù)粘貼于鋼卷內(nèi)表面前后對應(yīng)位置。內(nèi)曲面貼標(biāo)剖面如圖3所示。

圖3 內(nèi)曲面貼標(biāo)剖面

3)復(fù)位,標(biāo)簽粘貼結(jié)束,系統(tǒng)復(fù)位,同時將信號反饋給上位系統(tǒng),等待進(jìn)入下一個循環(huán)。

2.3 功能特點(diǎn)

2.3.1 應(yīng)用功能

優(yōu)化的自動化貼標(biāo)系統(tǒng)的應(yīng)用功能有:自動尋找被貼標(biāo)產(chǎn)品位置;任意設(shè)置被貼標(biāo)產(chǎn)品需要貼標(biāo)的內(nèi)容;統(tǒng)計標(biāo)識的被貼標(biāo)產(chǎn)品數(shù)量;實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況,準(zhǔn)確定位故障報警點(diǎn);自動打印及粘貼功能;標(biāo)簽余量偏低會預(yù)警提示。

2.3.2 優(yōu)勢與特點(diǎn)

優(yōu)化的自動化貼標(biāo)系統(tǒng)有以下優(yōu)勢。①可避免人工接觸高溫卷鋼,減少安全隱患點(diǎn)。②在鋼卷成卷或輸送到位后,機(jī)器人系統(tǒng)自動檢測判斷位置、距離。③機(jī)器人主動計算不同鋼卷的垂直距離、半徑,以確定貼標(biāo)三維坐標(biāo)。④翹端指鋼卷最內(nèi)層的起始端頭。自動貼標(biāo)系統(tǒng)通過調(diào)用貼標(biāo)工具頭激光測距儀,默認(rèn)掃描內(nèi)孔正下方150°～210°范圍的內(nèi)曲面弧面,并計算和判斷下方是否存在翹端。若不存在翹端則貼正下方,若存在翹端,則以內(nèi)孔圓的270°方位作為貼標(biāo)位置。⑤通過與鋼卷內(nèi)曲面曲率匹配的標(biāo)貼頭,實(shí)現(xiàn)柔性按壓抹平貼緊,防止脫落。

3 優(yōu)化的自動化貼標(biāo)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)組成及功能實(shí)現(xiàn)過程

優(yōu)化后的貼標(biāo)自動化系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC、機(jī)器人、檢測傳感器、氣動控制系統(tǒng)、標(biāo)簽打印系統(tǒng)等組成。上位機(jī)負(fù)責(zé)工序檢測、工控過程控制以及循環(huán)過程的調(diào)配。檢測傳感器包括:激光測距儀、貼標(biāo)頭氣壓吸力計、貼標(biāo)頭吹氣裝置、系統(tǒng)限位開關(guān)、系統(tǒng)氣壓傳感器、電氣參數(shù)檢測傳感器等。標(biāo)簽打印機(jī)、機(jī)器人分別與PLC、上位機(jī)通信。上位機(jī)采集、處理來自PLC的傳感器和過程判斷數(shù)據(jù),根據(jù)過程工序,為機(jī)器人發(fā)出工序指令,機(jī)器人根據(jù)工序指令,檢測正向距離、卷鋼高度并自動計算卷孔心三維坐標(biāo)、檢測卷鋼中心孔下方120°區(qū)間內(nèi)的卷板末端翹端。機(jī)器人在檢測、判斷后,調(diào)取當(dāng)前卷鋼的規(guī)格數(shù)據(jù),分別計算出卷鋼兩端的2個標(biāo)簽的貼標(biāo)三維坐標(biāo),并執(zhí)行貼標(biāo)指令。

3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的步驟

建立貼標(biāo)機(jī)器人系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人和標(biāo)簽打印機(jī)空間位置優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型,以工業(yè)機(jī)器人空間位置和標(biāo)簽打印機(jī)空間位置為設(shè)計變量,結(jié)合機(jī)器人的工作空間,以確定工業(yè)機(jī)器人和標(biāo)簽打印機(jī)的空間位置約束條件,將工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角總行程最小作為目標(biāo)函數(shù),利用工業(yè)機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)解析解表達(dá)式將取標(biāo)點(diǎn)和所有貼標(biāo)點(diǎn)的世界坐標(biāo)位姿矩陣轉(zhuǎn)化為機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo),計算機(jī)器人從取標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動到單個貼標(biāo)點(diǎn)的各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角改變量的絕對值之和為單個貼標(biāo)點(diǎn)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角行程,對所有貼標(biāo)點(diǎn)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角行程求和得出工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角總行程;采用優(yōu)化算法完成計算,即通過優(yōu)化算法求解貼標(biāo)機(jī)器人系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人和標(biāo)簽打印機(jī)空間位置優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型,得知工業(yè)機(jī)器人完成所有貼標(biāo)點(diǎn)貼標(biāo)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角總行程最小的工業(yè)機(jī)器人和標(biāo)簽打印機(jī)擺放的最佳空間位置。貼標(biāo)機(jī)各部件間的位置關(guān)系十分重要,若擺放位置不合理,會影響工作效率及質(zhì)量,需要進(jìn)行空間位置優(yōu)化[3]。

機(jī)器人貼標(biāo)系統(tǒng)三維定義如下。①x軸向:鋼卷內(nèi)孔中心線,遠(yuǎn)端方向?yàn)檎?。②y軸向:鋼卷半徑方向,來料方向?yàn)檎?。③z軸向:垂直于水平面,向上為正。

3.2.1 雙向取標(biāo)或貼標(biāo)

在機(jī)器人鋼卷內(nèi)曲面貼標(biāo)設(shè)計中,為便于出庫、運(yùn)輸、入庫過程中的掃碼讀取標(biāo)簽信息,實(shí)現(xiàn)較寬鋼卷兩端距離端面10 cm貼標(biāo)且標(biāo)簽信息人工從兩端閱讀是正向,采用五軸機(jī)器人及加長機(jī)器臂的設(shè)計,通過正向、反向分別取標(biāo)簽,來解決同一方向機(jī)器臂扭轉(zhuǎn)后機(jī)器臂與內(nèi)曲面臂碰撞的缺陷。圖4為x軸負(fù)向運(yùn)動取標(biāo),圖5為x軸正向運(yùn)動取標(biāo)。

圖4 x軸負(fù)向運(yùn)動取標(biāo)

圖5 x軸正向運(yùn)動取標(biāo)

3.2.2 檢測與計算

鋼卷到達(dá)貼標(biāo)工位,系統(tǒng)將“步進(jìn)梁停止”和“貼標(biāo)啟動”信號發(fā)送至貼標(biāo)設(shè)備的 PLC,PLC向二級系統(tǒng)請求鋼卷信息,收到鋼卷信息后打印機(jī)打印標(biāo)簽[4]。

在系統(tǒng)激活自動貼標(biāo)功能且自動貼標(biāo)工作范圍限位鎖信號閉環(huán)檢測到位后,機(jī)器人在初始等待位置以固定頻率間歇性控制貼標(biāo)工具頭上的激光測距儀,檢測貼標(biāo)工位是否存在待貼標(biāo)鋼卷。

檢測過程如下。①在等待點(diǎn),檢測正面是否有待貼鋼卷。②檢測計算正向鋼卷端面的距離,計算出端面x軸向的坐標(biāo)。③在鋼卷中心的xz剖面平面,機(jī)器臂使用激光測距儀從鋼卷正上方向下檢測鋼卷的距離,計算出鋼卷最上沿的z軸坐標(biāo)值。④定義各參數(shù):正向距離為L;鋼卷上沿頂高度為H;步進(jìn)梁半弧底高度為h;鋼卷孔心圓半徑為r;鋼卷實(shí)體圓半徑為R;鋼卷寬度為W。⑤各檢測數(shù)據(jù)如下(單位為cm):機(jī)器人坐標(biāo)0點(diǎn),三維坐標(biāo)為(0,0,0);機(jī)器人等待檢測點(diǎn),三維坐標(biāo)為(0,r/2+10,h+r/2+5)。

3.2.3 異常檢測與規(guī)避

機(jī)器臂從中心孔坐標(biāo)伸入,向下連續(xù)掃描,檢測內(nèi)孔下方120°區(qū)間內(nèi)弧面的距離,并與生產(chǎn)線鋼卷輥軸半徑數(shù)值比較計算,用于判斷下方120°區(qū)間內(nèi)是否存在翹端。

在默認(rèn)情況下方無翹端時,貼標(biāo)的y軸坐標(biāo)值為0,而當(dāng)檢測到下端有翹端時,則貼標(biāo)y軸坐標(biāo)值為鋼卷輥軸半徑值。第一標(biāo)簽的x坐標(biāo)為正向距離其坐標(biāo)值延伸10 cm。

3.2.4 坐標(biāo)計算

1)當(dāng)內(nèi)孔下方120°弧面無翹端時,默認(rèn)貼正下方,其中,x軸為正向距離L+10;y軸為0;z軸為h+(H-h)/2?？傻米鴺?biāo):第一標(biāo)簽三維坐標(biāo)(L+10,0,(H-h)/2);第二標(biāo)簽三維坐標(biāo)(L+W-10,0,h+(H-h)/2)。

2)當(dāng)下方下方120°弧面有翹端時,貼y軸正方向側(cè)面。x軸為正向距離L+10;y軸為r/2;z軸為h+(H-h)/2?？傻米鴺?biāo):第一標(biāo)簽三維坐標(biāo)(L+10,r/2,h+(H-h)/2);第二標(biāo)簽三維坐標(biāo)(L+W-10,r/2,h+(H-h)/2)。

3.2.5 貼標(biāo)與壓實(shí)

在傳統(tǒng)的機(jī)器人貼標(biāo)過程和鋼卷生產(chǎn)傳送過程中,外徑面浮覆一層灰塵,導(dǎo)致標(biāo)簽粘貼后,被浮塵隔離,吸附性不強(qiáng),受風(fēng)吹易脫落。貼標(biāo)頭優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計解決了標(biāo)簽浮貼于鋼卷面的問題。

優(yōu)化設(shè)計了粘貼頭設(shè)計曲面與鋼卷輥軸弧面同曲率,保證在貼標(biāo)、壓實(shí)過程中標(biāo)簽被均勻的壓實(shí)、貼緊,同時使用真空吸取、吹氣貼標(biāo)設(shè)計,解決了吸附性異常和脫落問題。如圖6所示,蓋板和曲面貼標(biāo)頭組成具有密閉空間的貼標(biāo)頭,在密閉空間內(nèi)可根據(jù)控制系統(tǒng)貼標(biāo)時序,在氣動閥的控制下形成真空,在曲面貼標(biāo)頭的孔上產(chǎn)生吸力吸附吸取標(biāo)簽,或產(chǎn)生正向氣壓壓力吹落標(biāo)簽。

圖6 弧形貼標(biāo)頭

4 應(yīng)用效果

4.1 優(yōu)化設(shè)計解決的問題

優(yōu)化設(shè)計的機(jī)器人鋼卷內(nèi)曲面貼標(biāo)自動化系統(tǒng),相對于人工貼標(biāo)而言解決了人工貼標(biāo)漏貼、誤貼的問題;規(guī)避了人工貼標(biāo)過程發(fā)生磕碰、墜落、熱輻射、燙傷等安全事故的可能性,消除了隱患,提升了貼標(biāo)效率。

優(yōu)化設(shè)計的機(jī)器人鋼卷內(nèi)曲面貼標(biāo)自動化系統(tǒng),相對于機(jī)器人外徑面貼標(biāo)而言解決了外徑面標(biāo)簽?zāi)p、外徑面標(biāo)簽因浮塵粘貼不牢易脫落、外徑面貼標(biāo)標(biāo)簽在出庫時覆壓于接地面而無法掃描出庫的問題。

4.2 應(yīng)用效果

鋼卷機(jī)器人自動貼標(biāo)系統(tǒng)集成了機(jī)器人運(yùn)動控制、激光檢測與邊界計算、標(biāo)簽剝/取組合控制及上位機(jī)監(jiān)控等功能,應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將機(jī)器人系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)融合,使數(shù)據(jù)獲取、檢測計算、監(jiān)控執(zhí)行的時序控制形成完整的閉環(huán)過程,是鋼鐵行業(yè)第1個集內(nèi)孔曲面坐標(biāo)計算、翹端檢測自動規(guī)避、雙端對稱貼標(biāo)功能的應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)高度集成化、自動化、模塊化功能設(shè)計,使操作人員在監(jiān)控室可通過上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和控制實(shí)現(xiàn)完整的貼標(biāo)作業(yè)過程。

本系統(tǒng)在生產(chǎn)線上的成功應(yīng)用,也相應(yīng)地激活了鋼廠各類生產(chǎn)線上其他工序?qū)C(jī)器人替代應(yīng)用需求,業(yè)主提出了機(jī)器人噴碼、機(jī)器人打包等關(guān)聯(lián)的需求。系統(tǒng)的高度可靠和模塊化功能設(shè)計,可進(jìn)一步拓展、推廣應(yīng)用至各類適應(yīng)的作業(yè)節(jié)點(diǎn),具有更為廣闊的市場和產(chǎn)業(yè)化前景。

優(yōu)化設(shè)計的機(jī)器人鋼卷內(nèi)曲面貼標(biāo)自動化系統(tǒng),在某鋼鐵廠熱卷一車間實(shí)際應(yīng)用,其各項(xiàng)參數(shù),均滿足要求。貼標(biāo)檢測效率高、貼標(biāo)位置準(zhǔn)確、貼標(biāo)粘實(shí)度高。

5 結(jié)束語

鋼廠鋼卷成型后,溫度高,環(huán)境惡劣,且鋼卷庫內(nèi)二層卷貼不到且不利安全,人工貼標(biāo)工作量大且易出現(xiàn)工作差錯,傳統(tǒng)的外徑面貼標(biāo)易磨損、脫落、壓覆,存在較多的缺陷。

優(yōu)化設(shè)計的鋼卷內(nèi)曲面機(jī)器人貼標(biāo)自動化系統(tǒng),用于鋼卷內(nèi)表面前后位置標(biāo)簽粘貼,有效減輕了計量員及發(fā)貨員的工作量,提高鋼卷出庫效率;有效解決了傳統(tǒng)外徑貼標(biāo)的關(guān)鍵缺陷,提升了卷鋼生產(chǎn)線的自動化程度,增強(qiáng)了貼標(biāo)系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性。實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人自動貼標(biāo)技術(shù)在型鋼生產(chǎn)線的應(yīng)用[5]。該系統(tǒng)的應(yīng)用滿足了產(chǎn)線工藝要求,提升了生產(chǎn)效率,提高了產(chǎn)品標(biāo)識的準(zhǔn)確性和可追溯性,貼標(biāo)準(zhǔn)確率和噴碼準(zhǔn)確率均達(dá)到了99%,實(shí)現(xiàn)了危險崗位無人作業(yè),作業(yè)周期縮短了25%,同時,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品標(biāo)識的統(tǒng)一規(guī)范性,提升了企業(yè)產(chǎn)品形象。