智能制造在彩涂卷取上纸筒中的应用

曹小彬，吴一飞

（马钢设备管理部，安徽马鞍山 243000）

前言

1 项目背景

由于人工上纸套筒过程会占用出口段连续运行时的穿带时间，稍有差错便会造成出口活套冲顶停车（在120 m/min 的工艺速度下，出口从降速——剪切——分卷——卸卷——上纸套筒——穿带提速，整个过程只有90 s左右）。

人工上纸套筒作业步骤如下：

剪切后卷取机进行收卷，芯轴外置支撑打开，卸卷小车将成品钢卷运送至称重鞍座。然后由2～3名操作工将纸套筒抗到肩上，运送到芯轴旁，举起纸套筒再套入芯轴，其中1 人用自制的定尺测量纸套筒在芯轴上的对中位置并进行调整，确认无误后由另一名操作工启动穿带操作：卷取机外置支撑下，芯轴膨胀，伸缩导板抬起，皮带助卷器进入进行穿带。

由于人工作业必须中断自动化控制流程，作业区域又在皮带助卷器和芯轴等关键设备之间，属于高危作业区域。使用工业机器人来代替人工搬运和安装定位，不仅可以提高作业效率，清除生产线自动化生产的短板，更重要的是大大降低了对操作人员人身伤害的可能性。

总结起来，增加自动上套筒机器人的原因有以下几个方面：

(1)人员效率低

大荔县土地总面积1776.4km2，分为北部黄土台塬区、中部洛灌区、东部黄河滩区和南部沙苑区，除沙苑区外，其他各区均适宜核桃生长，我们充分利用此类土地大力发展核桃产业，促进农村产业结构调整，带动群众增收致富。

普通壁厚15～25 mm 的纸套筒需要2 人在穿带前将其抬装到卷取机芯轴上并且使用人工测量定位，壁厚超过30 mm 的纸套筒由于太重（纸套筒重量从15 kg 到45 kg 不等）甚至需要3～4 人才能抬起装到芯轴上。

(2)操作不安全

上纸套筒定位后进行穿带动作：外置支撑下——芯轴膨胀——皮带助卷器进——芯轴旋转开始穿带。如果设备出现问题造成异常动作的情况下，上套筒的人还没有离开芯轴区域，则存在非常大的安全隐患。

(3)影响生产效率

人工操作上套筒需要考虑安全和时间问题，生产120 m/min 速度的产品工艺段需要降速到100 m/min 速度生产，否则出口段来不及处理会造成机组停机。降速生产必然造成生产效率的降低，自动化装置可以准确计算时间且差错率很低。

2 解决方案

2.1 总体方案

工业机器人的自由度决定了它的整体灵活性和活动范围，每一个自由度具有一个单独方向的运动作业能力，即每个关节作为一个单独的伺服机构，称为一个运动自由度。从纸套筒需要运输的空间路线制定方案，拟采用六自由度工业机器人，其软硬件构成和控制精度见表1。

表1 机器人软硬件构成

六自由度机器人有如下特点：

（1）可编程：可随工作环境变化的需要而再编程，是柔性制造系统中的一个重要组成部分。

（2）拟人化：在机械结构上有类似人的行走、旋转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有电脑。六自由度机器人对纸套筒的抓取、提升、旋转、喂入等一系列动作组合满足要求。

（3）通用性：在执行不同的作业任务时具有较好的通用性。比如，更换工业机器人手部末端操作器（手爪、工具等）便可执行不同的作业任务。

2.2 仿真模拟

根据现场位置和测量数据制作仿真系统,见图1所示。标识机器人为六自由度电驱，机器人本体等硬件系统安装在皮带助卷器与称重鞍座之间的位置。

图1 仿真模拟

2.3 工作模式

控制模式分为人工手动模式和自动模式，之间转换由人工触发。

手动模式（优先）：分示教器调试使用模式和人工手动模式；

自动模式：依据生产线条件因素触发，机器人自动完成上纸套筒全过程的工艺模式。

2.4 运行条件

机器人准备位动作条件：转换开关选择“机器人上纸套筒”方式，皮带助卷器回位信号、外置撑打开信号、皮带助卷器压辊回位信号、芯轴收缩信号全部满足，同时接受到分卷剪切信号。

机器人等待位动作条件：卸卷小车行走编码器测量小车到达称重鞍座，为避免编码器故障时机器人动作发生意外损伤设备，又在鞍座旁边增加钢卷小车接近开关作为双重保险。

完成信号：当机器人回到等待位时向生产线发出完成信号，然后外置支撑下，芯轴膨胀，皮带助卷器进入进行穿带运行。

2.5 运行工况

常用纸套筒规格见表2。

表2 纸套筒规格重量分布

放置对象（芯轴）：直径470 mm（最小支持450 mm），放置后与板带中心线偏差最大不超过15 mm。

生产线冷态联动试车，机器人自动投入并从20%到100%进行调速试验，对系统参数优化。试验显示在全速情况下机器人从等待位开始动作到上完纸套筒后外置支撑开始动作穿带，时间仅为10 s。

2.6 控制流程图

控制流程图见图2。

图2 控制流程图

3 安全措施

（1）安全联锁：转换开关选择方式（机器人上套方式和人工上套方式），操作根据实际情况进行选择。

（2）安装2 m 高防护网及安全栏杆，制作警示语。

（3）制定安全操作规程和相关作业文件，全员培训。

4 结语

连续生产上纸套筒产品，对机器人动作进行验证运行正常，该项目于2017 年6 月建成投用，已运行近4 年，机器人共完成自动上纸套筒约3.2 万次，成功生产上纸套筒产品约16万t。

马钢彩涂线自动上套筒机器人投资改造项目经连续生产验证能满足现场生产的需要，消除了人员在该区域人工上纸套筒的极不安全因素，其理论计算最高线速度可以比原来提高15%左右，同时节约了2～3 人的人力成本，达到了方案设计的预期目标。该项目从安全生产和减员增效方面都具有一定价值。