冶金行业的现役机器人

冶金行业的现役机器人德国波通通讯技术有限公司朱厚涛冶炼行业特有的的高温、高粉尘、高噪音等恶劣环境中使得机器人不仅能更安全、更持久、更精确地工作，能部份地取代人在恶劣环境中的工作，避免了尘埃、高温、噪音对人体的伤害，节约了企业的生产与安全成本。以下试举两类机器人的应用。（一）机器人自动加渣系统保护渣在连铸生产中起着极为重要的作用，如绝热保温、防止钢液二次氧化、润滑铸坯和改善结晶器传热等。连铸工艺要求保护渣在浇铸过程中形成熔融层、烧结层及粉尘结构，从而更好地发挥作用。少加、勤加、均匀加是添加保护渣的一条重要原则。人工添加保护渣时受操作者因素的影响较大，很难保证添加的稳定性和均匀性。自动加渣可以有效避免这些问题，实现均匀加渣，这对于宽板坯连铸生产是非常重要的。机器人自动加渣系统是以工业机器人为平台，利用定量加渣装置将保护渣从料仓散布到连铸结晶器内，其特点是：系统自动化程度高，操作简便，加渣均匀，运行安全可靠。机器人加渣系统的工作原理：机器人自动加渣系统以PLC为控制中心，接收触摸屏指令和面板按钮操作等，通过与铸机PLC的通讯采集必要的信息，并通过与机器人控制器的通信实现对机械手臂的动作控制，完成按需自动加渣的全过程。系统对保护渣从加料仓到加渣口的过程进行一系列的采集和控制，如仓料检测、加热烘干、抖动送渣、伺服控制加渣量等。通过伺服控制实现加渣平台小车在待机位与加渣位之间运动的精确定位。根据采集的人机界面输入信息，采用软件计算出加渣区域及加渣量。同时，为了实现全方面的安全防护，通过激光扫描仪监测作业区域，并通过声光警示灯在作业过程中发出相应的声光提示。其控制原理框图如图1所示。设备组成：整个系统由总控系统、机器人系统、保护渣存送系统、安全防护装置等4个部分组成。(1)总控系统：该系统是机器人自动加渣系统运行的核心，主要由主控制柜和机器人控制器组成。系统通过机器人控制器完成加渣轨迹运动，由主控制柜对设备进行控制，实现数据传输、系统运行过程监控、故障报警及复位等功能。图2气控加紧阀图1宝钢新进加渣系统图3机器人自动加渣系统原理框图(2)机器人系统：该系统主要包括机器人本体和机器人行走小车。机器人本体将安装在其机械臂上的加渣装置送到指定区域，并按预设的轨迹移动，避开水口和塞棒机构操作手柄，进而将加渣装置送出的保护渣均匀地洒到结晶器内。行走小车支撑机器人本体运动，适时地在工作位置和安全位置之问进行工位切换。(3)保护渣存送系统：该系统主要包括料仓、送渣软管和加渣装置。料仓由操作者手动加入保护渣，以满足系统加渣需求。送渣软管将料仓出口与加渣装置入口连接起来，形成一个可弯曲的保护渣通道，使保护渣顺畅地落人加渣装置的入渣口。加渣装置采用螺旋式弹性定量装置，由伺服电机驱动。弹性定量螺旋轴能有效减少颗粒保护渣被碾碎的现象，从而更好地保证颗粒渣的效果。(4)安全防护装置：该装置主要包括激光扫描仪和现场护罩。机器人自动加渣系统在行走、加渣过程中，需要对设备附近区域进行安全防护，以保障人员及设备本身的安全。安全激光扫描仪是一种可编程、可控制型设备，可以在机器人周边划定安全防护区域，在加渣动作过程中，当有人员进入区域时即报警或停机，待人员离开该区域，再自动恢复正常工作。(5)技术参数：最大加渣断面2800mm×3201TLrn；出渣量3g／r；最大加渣速度4．5kg／min；最大存渣量450L(约2h用量，颗粒渣)。其它特点(1)按标准化模块设计和制造，与工业机器人高精密结合。整个系统具有极高的可靠性和极低的维修率。控制系统带有可与工厂上位机相连的标准接口和故障自诊断系统。(2)加渣均匀，符合少量、多次添加的结晶器保护渣工艺要求。(3)智能化的控制系统，能针对不同钢种或不同断面实时调整加渣轨迹和出渣量。(4)闭环控制系统，保证相对稳定的渣层厚度。(5)快速反应的紧急避让功能，解决以往自动加渣装置在中包快换或生产异常处理时对操作者带来的影响。（二）自动搬运的四坐标机器人随着机器人技术的发展，直角坐标机器人技术在码垛机上的使用越来越多。直角坐标机器人作为执行机构，具用控制方便，执行动作灵活，可以实现复杂的空间轨迹控制。依托直线定位系统及机械手臂的自动搬运、码垛、库房管理机器人，正广泛应用在冶金行业。在金属浇注领域，搬运机器人有着广泛的应用和需求。比如铝锭浇注生产线上工作的直角坐标机器人，其特点是负载范围大，小到几公斤，大到几吨；运行速度快，且速度可调整；动作灵活，可以完成复杂的码垛任务；可靠性高，维护简单。图4机器人自动加渣系统原理框图图5铝锭垛任务要求－按层码垛：运动空间为三维，四自由度运动。行程：X方向2200mm,Y方向1500mm,Z方向1200mm,水平旋转：+-900能够和生产线融为一体，有良好的通讯功能。最大负载重量为150Kg,额定负载125Kg。层与层间成90度角交叉排放。每垛共九层，垛高1000mm。最快码垛速度为1000mm/s，平均速度为500mm/s。码垛精度：1mm这是根据以上要求设计的一台四坐标机器人。机器人组成：该机器人由安装架、机器人定位系统、伺服驱动系统、供胶系统及涂胶枪、控制系统及电控配电系统、安全防护装置等组成。（1）机器人安装架：因为该机器人码垛机的运动速度很快，起停状态对安装架有很大的冲击。安装架必须有非常好的刚性才能保证机器人运行的稳定。我们为此设计了焊接钢架结构作为支撑架。（2）机器人定位系统：机器人定位系统是整台设备的核心，为德国bahr公司产品，因运动速度快，而重复精度并不高，X,Y,Z三坐标均选择为同步齿形带传动，单坐标重复定位精度为0.1mm，最快直线运动速度：1000mm/s。其中X坐标轴为两根长度为3000mm，跨度为2200mm的定位系统ELZ100，由同步传输器保证两根定位系统运动的同步，由一台3000W伺服电机驱动。出于驱动扭矩及惯量的匹配，需要配一台行星减速机。Y轴选用ELZ100和ELR100双定位系统，之所以选者如此大截面的定位单元，主要是因为Y轴为双端支撑，中间悬空结构，如果选择的截面不够，将不能保证机器人运动的平稳性，机器人在高速运动时将发生振颤。ELZ100为主驱动结构，ELR100位辅助结构。两根定位单元并排使用，将Z轴夹在中间，能够很好的平衡负载，这种安装方式具有非常好的稳定性。两根定位系统由一台2500W伺服电机驱动，出于驱动扭矩及惯量的匹配，需要配一台行星减速机。Z轴选用ELSD100双滑快全包围定位系统，牢固稳定。该产品是专为同时完成物体提升和旋转两个运动而设计的。该产品一般滑块固定而定位体作伸缩式运动，驱动定位体的伺服电机驱动和滑块安装在一起。该伺服电机为一台4000W带抱闸的伺服电机，匹配了一台行星减速机。因需要将物体快速提升，需要克服很大的重力和加速力，需要较大的功率才可以。旋转轴与Z轴是集成在一起的，通过在Z轴定位体中心添加一根贯穿的长轴实现的。长轴的最上端作为驱动端，与伺服电机安装在一起。长轴的最下端作为负载端，用于安装物体。因物体较重，转动惯量较大，不能直接安装在驱动轴，必须加一台盘式减速机才能匹配。伺服电机的动力先图6简单的三坐标执行构件图7电磁机械手图8夹紧式机械手由长轴传输到减速机再传输到负载，就实现了旋转负载的功能。（3）伺服驱动系统：该码垛机器人的选用具有Profibus功能的伺服电机。每个运动轴配有一台伺服电机及一台减速机，四个运动轴，共四套伺服电机和四台减速机，其中垂直运动轴为带抱闸伺服电机。（4）机器抓手：该机械手选用德国菲施托气动机械手，压力可调，配备压力缓冲阀，使夹持动作平稳抓手上装有感应机构，能够自动感知物体，并通知控制中心进行物体抓放。（5）控制系统：控制系统由大型PLC、触摸屏组成。该系统拥有强大的Profibus通讯功能。能够将数据实时传输给以太网，能够将控制指令以总线的方式发送给伺服系统，使整个的运动相当流畅。该系统可预置多种工件的程序，更换品种时可在触摸屏上调用相应程序。（6）安全防护装置：该机具有故障提示及报警功能，并且每次出现故障时都能准确的反映出故障具体位置，便于迅速排除故障，主要包括：机器人碰撞保护功能；工件安装到位检测；光幕安全保护。（三）库房、码头管理系统武钢二热轧板坯库实时生产物流管理系统图10四坐标机器人系统示意图图11板坯库武钢二热轧板坯库主要接收来自连铸工序的冷、热连铸板坯、少量外购板坯，向热轧工序提供完全符合轧制计划单元要求的合格板坯，是热轧工序和连铸工序的联接纽带。其进出库作业量大，时间性要求强，与生产系统中的作业环节有着密切的数量联系和时间联系。因此，板坯库生产物流管理水平的高低直接影响着连铸一连轧生产秩序，影响生产、产品质量和经济效益。１板坯库概况库区平面布置与设计是物流合理化的前提，库区的平面布置一经决定，物流路线随之被决定，合理布置的目的是减少物料流的迂回、交叉以及无效的往复运输、避免物料运输中的混乱、路线过长等现象，同时库区的合理规划也有利于提高仓库的面积、容积利用率。因此，在对武钢二热轧现有物流及作业流程分析的基础上，对板坯库平面区域进行合理规划有着重要的现实意义。武钢二热轧板坯库是与主轧线垂直布置的。板坯库分为４跨，每跨宽度３０ｍ，每跨有两列板坯，配置有４台吊车，每跨一台。有５条辊道，其中３条与轧线平行，编号分别为３ＣＣ组辊道，２ＣＣ组辊道，Ｂ组辊道。２条与轧线垂直，编号分别为ＢＣ和ＡＣ。板坯库有３个转盘，编号为１＃，２＃，３＃。２ＣＣ辊道为板坯下线辊道，即将从三炼钢过来的板坯送至板坯库存放；３ＣＣ辊道为板坯上料辊道，将板坯送入加热炉。辊道由两台ＰＬＣ控制。在３ＣＣ辊道，２ＣＣ辊道，Ｂ组辊道分别设置ＴＯＰ点（连铸工序与板坯库的交接辊道）。２板坯库的组织和管理图12钢卷库图13多种吊钩：（左、中、右依次为）电磁型、C型、卡抓型吊钩图14库房布局图板坯库的组织和管理主要针对板坯的入库、出库以及在库的倒垛、吊运等一系列的操作而设计和管理的，操作人员通过客户机来掌握整个板坯库的物流状况，依靠生产物流信息的决策来对库内板坯进行管理。其主要功能有：①板坯库作业管理包括入库、出库、倒垛作业管理和作业命令实绩收集。板坯入库包括连铸板坯入库、外购板坯入库及炉前炉后拒收坯入库。生产物流信息系统为此提供连铸板坯信息接收、外购板坯的数据请求登录、板坯到达确认、建议板坯入库库位、指定传送路径、作成吊车搬送指令、入库吊车搬送实绩收集等功能。板坯出库包括上料出库、外发坯出库和转库出库。生产物流信息系统具有上料出库、外发坯出库和转库出库吊车搬送命令的发行，吊车搬送实绩的收集确认功能。系统具有垮内板坯倒垛吊车搬送命令的作成、跨内板坯倒垛吊车搬送实绩的收集功能。②板坯库参数设定。包括板坯库主要数据、板坯库策略参数的设定，吊车定位的设定和更新等功能。③信息数据输入。包括库位信息、垛位信息、板坯信息、吊车队列、分析数据、板坯钢种的修正等功能。④垛位信息管理包括板坯跟踪信息的删除、插入和修改功能。⑤板坯数据信息管理包括板坯数据接收、登录、显示、修正和删除功能及板坯号和出钢记号的修改功能。⑥板坯化学成分数据的管理包括连铸板坯化学成分信息接收、登录、显示、修正和删除功能。⑦辊道跟踪和控制。系统根据辊道ＰＬＣ的信号和吊车的搬送实绩，对板坯库内辊道和库位上的板坯进行位置跟踪，包括板坯到达确认点、板坯到达目的位置、板坯出库、上料辊道的协调控制、上料辊道的局部封锁图15四坐标行车图16行车示意图释放、辊道映像等功能。⑧信息查询。包括板坯库基础数据查询和板坯库信息综合查询功能。⑨与其他系统关联处理。包括与总公司管理系统、辊道控制系统和板坯库吊车的接口处理等功能。⑩报表打印。报表打印包括库存板坯的各种分类报表、班报及日报等功能。３板坯库实时物流管理板坯库的物流作业一般有三种：入库物流，出库物流和倒垛物流作业。入库物流和出库物流实时性要求很高。３．１入库管理入库管理的目的是为进入板坯库的板坯选择最佳垛位，以便加快入库节奏，减少倒垛次数，降低劳动强度，有利于板坯库的入库作业管理。二热轧主要接收来自三炼钢连铸生产工序进入二热轧板坯库的连铸坯的