钢水测温取样套管自动抓取装置设计

陈洪 潘龙 李政彬 薛松海 鄢世平

(机械科学研究总院海西(福建)分院有限公司 福建三明 365000)

1 前言

铁矿石变成钢材都需要通过冶炼才能形成。目前世界各国采用的炼钢方法主要有转炉、平炉和电炉炼钢[1]。无论哪种炼钢方法，在钢水出炉前都要进行测温取样的工作，以确保钢水的温度和和成分符合要求。传统的钢水测温取样采用人工方式，工人站在炉前进行测温取样，炉前温度高，热辐射大，高温烫伤的危险性极大。

目前，国内部分钢厂已经研发了相关的设备，如济南钢铁集团总公司、河北省首钢迁安钢铁有限责任公司等[2-3]。虽然测温取样枪自动入炉测温取样问题已基本解决，但是在测温取样的套管安装和拆卸方面还没有较大的突破。主要问题在于安装测温取样套管的测温取样枪是细长型的，挠度大[4]，入炉测温取样后测温取样枪会发生热变形，导致测温取样管自动拆装困难，所以目前大多数钢厂的测温取样管主要还是采取人工进行拆装，但人工拆危险性高，劳动强度大，生产效率低。此外，部分测温取样管拆装设备采用视觉系统，通过分析测温取样枪的偏移位置完成拆装，但视觉系统反馈后可能出现机械振动导致原始反馈位置发生偏移，因此这种方式有效率低、可靠性低且成本高等弊端[5-6]。

本文设计了一套钢水测温取样套管自动抓取装置，设计了抓手结构、套管安装和拆卸模块，装置整体运行实现了测温取样套管的自动安装与拆卸，成功率达95%以上，取代了人工测温取样，提高了作业效率。

2 抓手结构

为实现测温取样套管拆装的自动化，首先要解决套管的抓取问题。套管属于一次性材料，为节约生产成本，一般采用纸质的空心圆管。套管的加工成型具有一定的误差，通过对现场20根测温取样套管的测量统计，内径为17±0.3mm，外径为30±0.5mm，如表1所示。测温取样套管在入炉测试后，由于炉内高温会造成纸质套管烧损，套管外径会变小3～5mm，因此抓手要确保能够抓取外径为24.5～30.5mm的套管。

表1 测温取样套管直径

由于套管的截面为圆型，所以抓手的设计可以借鉴机械加工中圆型截面工件的V型槽工装[7]。如图1所示，抓手装置左右各分布两个手指，抓手闭合型成的V槽能够抓取所有公差范围内的套管。抓手的张开闭合机构，选用费斯托的指型气缸HGPT-50，设计抓手张开闭合范围在20～35mm。同时，通过设置输入气压的大小，保证抓手的夹紧力能够抓紧套管不脱落，抓紧时不会导致烧损后的套管发生抓断的情况。

图1 抓取装置1-指型气缸;2-V型抓手

3 套管拆装

3.1 套管安装

钢水测温取样前，需将套管安装到测温取样枪上。测温取样枪，形状细长、挠度大，容易受到震动等一些外部因素的影响导致其晃动，造成中心轴位置偏离，从而增大了自动化安装的难度。

为解决测温取样枪中心轴偏离的问题，设计了一套漏斗导向装置，测温取样枪处于竖直状态时，漏斗竖直向上运动，如果测温取样枪中心轴偏离位置在漏斗口范围内，就可将测温取样枪的中心轴引导至漏斗的中心，进而保证测温取样枪每次都在固定的位置进行安装。

通过现场多次试验发现，测温取样枪的中心轴在直径为100mm的圆内发生偏移，进而设计漏斗口径为110mm。同时，为保证直径为17mm的测温取样枪杆能够顺利通过，设计漏斗颈直径为18mm。如图2所示，漏斗均匀分成两半，漏斗的张开闭合采用亚德客大口径开口夹气缸HFT32×80实现，闭合时保证左右漏斗保持封闭便于装管；张开时保证不与其他结构发生干涉。

图2 漏斗导向装置1-漏斗;2-大口径开口夹气缸

如图3所示，将漏斗导向装置和抓手共同安装在机器人连接固定板上，然后安装在机器人头部，需确保漏斗中心轴和左右抓手V型槽部分的中心轴重合；当抓手夹取测温取样套管时，即可保证测温取样套管中心轴与漏斗中心轴重合；进而保证在漏斗导向装置的作用下，实现测温取样枪与测温取样套管同轴，完成装管。导向抓取结构由机器人提供移动的动力。

3.2 套管拆卸

完成钢水测温取样后，需将使用过的测温取样套管拆除。由于炉内温度高，测温取样枪受热发生变形。如图4所示，由于测温取样枪细长，极易发生放大效应，即测温取样枪的根部变形量很小，但会导致其头根部发生很大偏移。如果仍设置从原始装管位置进行自动拆卸，抓取的成功率极低。此外，由于偏移后位置的不确定性，所以将抓手移至偏移后的位置进行拆卸是不实际的。

为解决上述问题，本文设计两个V型装置，通过收拢的方式将发生偏移的测温取样枪移至固定的拆卸位置(即原始装管位置)。如图4所示，以测温取样枪原始位置为坐标原点建立坐标系，偏移后测温取样枪会出现在四个象限的任意位置。以左右两个V型装置同时向坐标原点收拢，当测温取样枪在接触到V型装置时会随之一同运动，并逐渐回到坐标原点，进而实现偏移后的测温取样枪每次都能回到原始位置。

图3 导向抓取结构1-机器人连接固定板;2-抓手装置;3-漏斗导向装置

图4 测温取样枪偏移示意图1-测温取样枪根部;2-测温取样枪头部;3-推爪;4-抓爪

如图5所示，将V型装置分别设定在抓手和安装固定架上，通过对现场测温取样枪偏移量的多次测量，设定V型装置最大张开度为100mm，张开角度为90°，即可保证测温取样枪在发生最大偏移后仍可完成收拢。推爪的移动依靠电动推杆实现，推杆的行程依其安装位置确定，推杆推力大小30N，速度60mm/s，保证推爪可以移动至原点位置且不与其他装置发生干涉。此外，根据现场实际情况可将推爪预先推出一段距离，待测温取样结束后，以最快的时间完成测温取样枪归位操作，提高生产效率。

图5 套装拆卸结构1-安装固定架;2-电动推杆;3-推爪;4-测温枪；5-取样枪;6-抓手;7-取样套管;8-测温套管

4 装置整体工作分析

上述内容已对套管自动抓取装置的各模块分别进行分析，现对整体组合后的运行过程进行简述。

图6 套管自动抓取装置动作流程图

如图6所示，套管自动抓取装置开始运行后，由机器人带动抓手装置在套管放置架上取出套管，移至测温取样枪下方。套管在向上移动的过程中，通过漏斗导向装置的作用，实现测温取样枪的中心轴与套管的中心轴重合，完成套管安装。当入炉测温取样工作完成后，测温取样枪的位置发生一定偏移。此时，推杆装置推出推爪、抓手装置前移，两个V槽形成一个菱形向中间收拢，测温取样枪与V槽接触，槽壁带动测温取样枪移动至原始位置。此时抓手V槽中心轴会与测温取样枪中心轴重合，完成测温取样枪校位，抓手抓紧、机器人向下移动，即可拆除废弃套管，完成一次测温取样。套管自动抓取装置，如图7所示。

图7 套管自动抓取装置1-机器人;2-导向抓取装置;3-取样套管;4-推杆装置;5-测温套管;6-测温枪;7-取样枪

5 结语

本文设计的钢水测温取样套管自动抓取装置，以漏斗导向、V型抓手抓取、双V型收拢校位的方式，为钢水测温取样的完全自动化提供了基础。通过在某钢厂的现场应用，本装置的拆装套管成功率达95%以上，极大的提高了钢水测温取样的工作效率，降低了工人工作危险系数和生产成本。同时，本装置并不局限于测温取样套管自动抓取装置的设备中，同样适用于其他圆形截面物件抓取或需要中心轴校位的设备中。