镀锌线锌锅机器人无人化清渣系统开发

2018-11-19刘杰中曾求洪冯力力陈奇福

中国设备工程 2018年20期

刘杰中，曾求洪，冯力力，陈奇福

（湖南华菱涟源钢铁有限公司检修中心，湖南娄底 417009）

热镀锌板生产线是用于把成卷的钢板连续浸入盛有熔融锌液的锌锅装置中，使其表面覆盖一定厚度的锌，制成防锈镀锌钢板的生产设备。镀锌是一种国内外常采用的、经济有效的金属防腐方式，全球锌产量的一半以上均用于此工艺。我国生产的镀锌板主要用于家电、船舶、建筑等行业，目前生产效率不高，汽车、高铁所用的高品质镀锌板任然依靠进口。因此，有必要提高我国的镀锌生产线自动化水平和镀锌板品质。

虽然影响镀锌板表面质量的因素较多，但是氧化浮渣是影响镀锌板质量一个至关重要的因素。锌锅装置造成的恶劣环境因素主要有460℃左右高温辐射、强噪音、锌液飞溅以及电磁辐射等等。然而，国内清理锌锅氧化渣主要依靠2～3名操作工操持自制简易工具协作完成，人工清渣主要存在清渣不及时、清渣不彻底、清渣效率低、工人劳动强度和危害风险较大等问题，然而人工清渣的不及时和不彻底会影响镀锌板表面质量，清渣效率低会影响到整条生产线的自动化水平和生产效率，由于采用人工清渣，操作工长时间暴露在恶劣环境中，导致操作工劳动强度和危害风险较大。

针对清渣不及时、清渣不彻底等影响镀锌板表面质量的问题，采用工业机器人代替人工进行清渣工作，能够按照操作工的意愿和无情绪干扰的方式工作，从而及时彻底的清除锌锅浮渣，有利于镀锌板表面质量的提高，产品质量更可靠和稳定。

针对清渣效率低、工人劳动强度和危害风险较大等问题，采用机器人系统代替人工24小时不间断进行清渣工作，不仅提高了清渣效率，实现了无人清渣，而且减少了操作工在高温、强噪声、粉尘以及电离辐射等恶劣环境中的作业时间，改善了员工的安全状况，提高了员工的安全保障。然而，国内存在单台机器人系统进行锌锅清渣工作，离不开操作工的辅助，没有实现无人化清渣，因此通过研发一种镀锌线锌锅机器人清渣系统来代替人工，实现无人化清渣具有重大意义。

1 机器人清渣区域及安装位置

1.1 清渣区域

氧化浮渣覆盖在锌锅锌液表层，为了实现无人化清渣，将锌锅划分为赶渣区域A、赶渣区域B、赶渣区域C以及捞渣区域D。机器人清渣区域如图1所示。采用机器人系统清渣主要有两个步骤。

（1）将锌锅中锌液表层的锌渣均赶至捞渣区域D。

（2）将汇聚到捞渣区域D的锌渣捞起，放入指定锌渣收集斗里，待收集满后通过悬臂吊吊走已成形好的锌渣锭。

1.2 安装位置

采用单台机器人清渣很难做到完全取代人工，即无人化清渣，而只能将其中最繁重危险的工作交给机器人完成，比如捞渣，抖渣，倒渣等等。因此要实现镀锌线无人化清渣，需要多台机器人协作才能实现。本系统共设置了4台机器人，其中赶渣区域A、赶渣区域B、赶渣区域C以及捞渣区域D对应的梁上分别设置有一台机器人，机器人本体的拟安装位置如图1所示，每台机器人的作业范围：机器人工作半径为球体的1/4区域。清渣机器人系统三维模型如图2所示。

图1 机器人清渣区域及拟安装位置

图2 清渣机器人系统三维模型示意图

2 机器人系统工作流程

清渣机器人系统启动后，机器人A、机器人B以及机器人C分别负责将各自赶渣区域的氧化浮渣均赶至捞渣区域D，由机器人D将集中在捞渣区域D处的氧化浮渣清除干净，机器人D的工作过程是通过清渣执行器将锌锅内较远处的锌渣耙到靠近机器人的位置，随着锌渣在该区域的汇集，机器人按照程序指令执行捞渣动作，在清渣过程中为使锌液最大限度的流回锌锅内，机器人执行抖清渣执行器动作，再执行倒渣动作。经过若干次捞取以后为了避免锌渣堵塞清渣执行器的滤孔，需要进行一次洗执行器动作。机器人清渣系统工作流程如图3所示。

图3 机器人清渣系统工作流程

3 机器人选型及主要参数

3.1 品牌选型

考虑到现场环境的恶劣及机器人系统软、硬件运行的稳定性和可靠性，拟采用ABB、发那科、安川、库卡等进口机器人，由于考虑到ABB机器人示教器具有与其它品牌机器人所没有的方便在线编程的运动控制摇杆，故本系统采用ABB生产的机器人。

3.2 主要参数

（1）自由度：6自由度（六轴式），铸造版。

（2）该机器人无人化清渣系统四台机器人分别负责锌锅均约1/4的区域清渣，因此四台机器人的工作半径可以选择一致，下面以捞渣机器人D为例来分析选择机器人的工作半径，机器人型号：IRB4600_60_255_C_01腕关节、带末端执行器工作空间（球体区域）如图4所示，由图4-a可知该机器人腕关节的工作空间能够覆盖50%的捞渣区域，由图4-b可知该机器人带末端执行器的工作空间能够覆盖整个捞渣区域，因此机器人D的工作半径取2.55m可满足作业范围要求。

（3）额定负载：45～60kg。

（4）最大工作速度：5000。

（5）安装方式：粱上安装。

（6）机器人本体自重：560kg。

（7）工作精度：重复定位精度≤1 mm。

（8）安全连锁。

（9）24h工作制。

（10）环境参数：工作环境温度80℃（加防护）、锌液飞溅保护（加防护）、强噪音。

（11）带便携式操作面板(手持式示教器)，手动及自动模式等等。

图4 机器人腕关节、带捞渣执行器工作空间

4 系统配置与主要功能

4.1 系统配置

软件：ABB机器人操作系统；硬件：机器人本体、控制器、机器人滑动底座、清渣执行器、现场操作面板、示教器、锌渣回收斗以及各线路电缆等。其中机器人滑动底座和清渣执行器是该系统结构设计中的关键，图5为机器人滑动底座三维模型，图6为清渣执行器，图7为现场操作面板，图8为示教器在线编程界面。

该机器人滑动底座包括用于安装机器人的活动底座；设于活动底座上的用于支撑活动底座并用于调节活动底座的可调支座；设于可调支座下部并用于支撑可调支座的轨道；设于活动底座下部并用于固定机器人的固定座；以及用于驱动活动底座相对于轨道移动的驱动装置。该机器人滑动底座通过可调支座将活动底座升高或者降低，当活动底座降低后，将机器人固定在活动底座下的固定座上。当活动底座升高后，动底座可以沿轨道移动到安全区域，进行检修维修或者安装。避免了恶劣的施工环境导致施工人员劳动强度较大、施工不方便、较长时间的作业对施工人员造成的危害，该装置可以满足冷轧锌锅无人化捞渣系统的结构要求，也可广泛适用于各种恶劣环境中。

图5 机器人滑动底座

图6 所示的清渣装置,包括：第一杆件；与第一杆件铰接的并能相对于第一杆件摆动的第二杆件；用于驱动第二杆件相对于第一杆件摆动的驱动装置；以及与第二杆件连接并用于捞渣的清渣斗；缓冲器能够缓冲第二杆件相对于第一杆件摆动时的冲击力；隔热板由酚醛树脂压层板制成，能够隔绝锌锅高温锌液对机器人末端伺服电机的高温破坏，即保护伺服电机。能够安装在机器人的执行手臂上，从而及时的清理了锌锅在工作时产生的氧化浮渣，并能直接运送到指定的区域或者盛渣斗内。

图6 清渣执行器

图7 所示的机器人系统现场操作面板，该面板上设计的按钮控制功能介绍如下：（1）操作电源开关，按下该按钮，机器人控制器得电；（2）自动/手动，用来在线编程、程序调试以及机器人执行程序指令自动运行；（3）运转准备，按下该按钮时，机器人本体各伺服电机上电；（4）启动，按下该按钮，机器人系统准备就绪；（5）回到原点，按下该按钮，机器人自动回到机械原点或者程序指令预先设置的原点；（6）暂停，按下该按钮，机器人立即停止，但伺服电机不下电；（7）重新启动，该按钮用于重新启动机器人控制系统；（8）确认启动，当按下启动后，机器人不能动作，得按下该确认启动按钮后，机器人才能动作；（9）急停，按下该按钮，机器人立即停止，所有伺服电机都下电；（10）安全锁，只有插入钥匙打开锁，才能开启该控制面板上的所有按钮，否则对任意按钮执行操作均无效。

图7 现场操作面板

如图8所示为机器人D的示教器在线编程界面，对机器人示教编程主要注意以下几个问题：（1）机器人控制器要打到手动模式；（2）运动速度设置要适宜，不能过快；（3）所有指令设置完成后，要先调试确认指令无误后才能打到自动模式。

图8 示教器在线编程界面

4.2 主要功能

（1）系统提供赶渣、耙渣、捞渣、抖清渣执行器、倒渣及洗清渣执行器功能；（2）赶渣由机器人A、B以及C完成，机器人D在每次耙渣、抖清渣执行器以及倒渣循环以后，相邻两循环间的时间间隔可调；（3）赶渣、耙渣、捞渣速度和次数可调；（4）抖渣幅度和时间可调；（5）倒渣可按由远及近或者由中间到四周的顺序依次放满整个盛渣斗；（6）机器人整个捞渣过程中，执行预先设置的程序指令而无人为干涉工作；（7）整机提供碰撞检测智能防护及碰撞区域智能检测（ABB系统带智能干涉监测模块）；（8）离机器人工作半径边缘1m以外设置安全围栏，也可以考虑电子栅栏，围栏设置1-2扇门（与机器人构成安全联锁）等等。

4.3 机器人隔热与防护

为了保证机器人本体在45℃以下工作，采取以下防护措施。（1）给机器人穿隔热防护服，隔绝高温锌液飞溅和热传导，如图9所示为穿戴隔热防护服的清渣机器人；（2）清渣执行器设置胶木板（酚醛树脂压层）隔绝热传导，隔绝高温锌液对机器人末端关节的热传导；（3）采用压缩空气或者风扇冷却机器人关节等。

表1 机器人清渣与人工清渣效果对比

图9 穿戴隔热防护服的清渣机器人

4.4 电气信号接口

（1）锌锅液位信号；（2）加锌信号；（3）实时温度信号；（4）通讯接口：以太网（ETHERNET）通信协议等等。

4.5 机器人清渣效果

以1000m钢带为基准对人工清渣与机器人清渣在清渣效率、产品质量百分率、人为干预程度以及清渣标准化程度等方面进行对比分析。机器人清渣与人工清渣效果对比结果如表1所示，结果显示：机器人清渣效率是22kg/min，是人工清渣的2倍以上；机器人清渣产品质量合格率为94%，而人工清渣只有87%，产品质量合格率提高了8%以上；人工清渣需要100%人工干预，而机器人清渣人工干预率为2%,基本上实现了无人化清渣；机器人清渣可以做到100%的标准化清渣，然而人工清渣存在情绪、恶劣环境等的干扰，标准化清渣率不到65%，清渣标准化程度提高了54%。