探伤样棒搬运的双桁架机器人系统设计

2022-12-21杨海涛丰飞孙占荣陈凡

机械工程师 2022年12期

杨海涛，丰飞，孙占荣，陈凡

（1.江苏集萃华科智能装备科技有限公司，江苏无锡 214000；2.华中科技大学，武汉 430000；3.华中科技大学无锡研究院，江苏无锡 214000）

0 引言

特钢棒材在铸造生产出来后，需要经过一系列精整作业才能达到客户需要的品质和要求[1-2]。在特钢棒材精整作业产线中有一个非常重要的环节，即特钢棒材的内外缺陷探伤，用于保证特钢棒材的质量[3-4]。棒材经过多辊矫直机后，需要进行样棒表面和内部探伤，对棒材的表面和内部质量缺陷进行检测[5-6]，以达到保证棒材质量的目的。

目前，国内外钢厂采用的棒材质量的内外伤探伤机绝大多数都是国外进口的。该类探伤机在工作一段时间（大约4～8 h）后，内外探伤的检测精度会下降[7-8]。根据探伤机检测原理及标定原理，需要针对生产线所生产的棒材直径系列准备多种直径的样棒，同一直径的棒材质量检测标定需要采用对应直径的样棒来实施。

现有钢厂生产的棒材除了具有不同形状的截面外，还具有不同的截面尺寸，而且还要求探伤样棒的规格与对应的棒材规格一致，从而导致对应探伤样棒也具有多种规格，且数量巨大。现有的特钢棒材生产企业，对探伤样棒采用分布式简易样棒架随机放置的储存方式，探伤样棒取放和转运也通常由人工采用天车起吊和转运的方式，上述样棒储存及物流方式不仅会占用大量的厂房空间，尤其占用大量的厂房地面，而且效率低，并且在样棒起吊过程中存在滑落、碰撞等安全风险。

因此，在探伤样棒标定过程中，需要根据生产的特钢样棒的粗细、缺陷类型等选用不同规格探伤样棒，定时将探伤样棒搬运到输送线上，运到探伤机上对其进行标定，以保证探伤机的检测精度[9-10]。

本文针对钢厂探伤样棒的搬运和存储，设计研发了一套双桁架机器人系统，包括两个桁架机器人和样棒立体仓储库，桁架机器人负责在探伤机需要标定时将探伤样棒从样棒立体仓储库搬运到辊子输送线上，在探伤机标定完成后将样棒从辊子输送线上取回，并放回到样棒立体仓储库相应的位置，用于减少样棒存储占用的空间，增加工作人员操作的安全性，并减少人工搬运的成本。

1 桁架机器人系统介绍

探伤样棒搬运的智能桁架机器人系统主要由双桁架机器人、样棒立体仓储库、辊子输送线、电控柜，以及多种不同规格的探伤样棒等组成。探伤样棒搬运的双桁架机器人系统的外形如图1所示。

图1 桁架机器人系统结构

本文开发的双桁架机器人系统，可实现特钢厂超重探伤样棒的抓取、转运与放置的自动化作业，并且在电动夹持末端执行器的辅助下，可保证探伤样棒转运的安全性。此外，在滚筒输送线的辅助下，可实现从样棒立体仓储库到探伤机输送线的远距离安全物流转运，从而提升钢铁等行业棒材精整作业的自动化水平。

2 桁架机器人及样棒立体仓储库

本节主要介绍探伤样棒搬运的双桁架机器人及样棒立体仓储库的设计[11-13]。

2.1 桁架机器人的结构设计

由于本项目中需搬运的样棒质量均是重载的，且样棒长度均为4 m，为了保证样棒搬运的平稳性和可靠性，采用双桁架机器人的结构设计（如图2），在两个桁架机器人配备的末端执行器的夹持下实现探伤样棒的可靠搬运。

图2 双桁架机器人系统组成

单桁架机器人主要由水平直线运动模组、水平电缆拖链、水平直线运动驱动传动模组、模块化载板、竖直直线运动驱动传动模组、竖直直线运动模组、强力夹持末端执行器、重力补偿气缸模组及支撑立柱模组等组成[14]，其具体结构如图3所示。

图3 单桁架机器人的结构

单桁架机器人的支撑立柱模组通过地脚螺栓固定在地面，并能够通过地脚螺栓调整立柱的位姿。水平直线运动模组安装在支撑立柱模组的顶部；水平直线运动模组的导轨可移动配合连接模块化载板，模块化载板包括载板基体，水平直线运动驱动传动模组与竖直直线运动驱动传动模组安装在载板基体上。水平直线运动驱动传动模组和竖直直线运动驱动传动模组均安装于载板基体上，水平直线运动驱动传动模组的输出齿轮和竖直直线运动驱动传动模组的输出齿轮分别与水平直线运动模组的斜齿轮和竖直直线运动模组的斜齿啮合。

夹持末端执行器安装在竖直直线运动模组的下端，包括强力电动夹持手爪、左端防脱落夹持机构、右端防脱落夹持机构。

2.2 样棒立体仓储库的结构设计

样棒立体仓储库结构如图4所示，每个样棒立体仓储物料架均采用相同结构。样棒立体仓储物料架包括支撑立柱、与支撑立柱垂直连接的多根横梁，多根横梁将相邻的支撑立柱连接起来，从而增强样棒立体仓储物料架的强度。可根据待存储和放置样棒数量及空间布局，布置多个立体仓储物料架，每个样棒物料架上可放置多个样棒，从而实现大量不同规格样棒的立体仓储，减小样棒立体仓储的占地面积。

图4 样棒立体仓储库结构

3 桁架机器人控制系统

3.1 桁架机器人控制系统的组成

桁架机器人控制系统由产线控制计算机、现场控制计算机、PLC控制器、伺服驱动器、伺服电动机、接近传感器、限位传感器等组成，如图5所示。该控制系统具有以下优点：1）可靠性高，抗干扰能力强；2）配套齐全，功能完善，适用性强；3）易学易用，编程语言简单；4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。由于该棒材项目设计的桁架机器人属于一类典型的直角坐标系机器人，不需要求解复杂的逆运动学，由于运动控制精度要求不高，运动控制算法相对简单。在此基础上，综合考虑硬件成本和开发周期，选择该系统作为本项目最终的实施方案。

图5 桁架机器人控制系统组成

桁架机器人控制系统分为两级系统：一级系统为产线控制系统；二级系统为桁架机器人现场控制系统。其中一级系统采用产线总控计算机，二级系统采用现场控制计算机（工控机），产线总控计算机和现场控制计算机之间采用以太网网络通信（TCP/IP协议）。桁架机器人系统可以通过一级系统在总控室进行操控，也可以通过二级系统在生产线现场上直接控制。

3.1.1 产线总控计算机控制

产线总控计算机通过以太网总线与PLC控制器实现通信，负责向PLC控制器发送样棒取放任务的相关指令，并接收PLC控制器发送的相关信息，实时监控桁架机器人的运动状态和相关信息。人机交互界面用于显示桁架机器人的故障信息、样棒取放任务选取、桁架机器人调试模块，以及桁架机器人运动状态信息等。该控制系统主要实现双桁架机器人X轴伺服运动、Z轴伺服运动及末端夹持器的伺服运动。X轴运动只有1个伺服电动机，Z轴运动具有2个电动机，要求控制2个电动机保持同步运动，2个末端夹持器各有1个伺服电动机控制。桁架机器人X轴伺服电动机和Z轴2个伺服电动机通过西门子伺服电动机自身配备的绝对编码器实现基于位置的精确闭环伺服控制。桁架机器人到达指定位置停止后由制动器对电动机进行锁紧操作，末端夹持器上安装有接近传感器，可以对桁架机器人上是否有棒料进行检测和判断。

3.1.2 现场控制计算机

现场控制计算机采用工控机作为核心控制模块，负责与产线控制系统及PLC控制器之间的通信，接收现场控制计算机的控制指令，并对PLC控制器发送控制指令，同时配备控制面板作为人机交互设备，对系统参数进行设置和记录，以及桁架机器人控制指令的下发。

PLC控制器负责接收现场控制计算机发送的控制指令，与伺服驱动器进行通信，一方面接收伺服驱动器发送的状态信息和传感器信息，另一方面对桁架机器人的伺服驱动器发送动作指令，控制伺服电动机执行相关动作。伺服驱动采用西门子伺服驱动器，PLC控制器与西门子伺服驱动器之间采用Profinet总线通信。

桁架机器人采用西门子伺服电动机自带的绝对编码器来实现X轴、Z轴及末端执行器基于位置的闭环伺服控制，它们到达指定位置停止运动后由制动器对电动机进行锁紧操作。在X轴和Z轴运动的机械极限位置安装有限位开关，用于桁架机器人运动行程的监控和保护。末端夹持器上安装有接近传感器，可实现对桁架机器人末端夹持器上是否有样棒的检测和判断。

现场控制计算机可以控制双桁架机器人的精确的同步伺服运动及末端夹持器的夹持和释放操作，并与产线总控计算机通过以太网总线等实现信息和指令的通信。

3.2 双桁架机器人控制系统的选型

桁架机器人控制系统的选型如下：产线总控计算机和现场控制计算机均选用研华工控机IPC-610L；PLC控制器选用西门子S7-1500系列PLC，CPU 1511T-1 PN；伺服驱动器选用西门子的S120；电动机选用1FK7系列电动机，该系列电动机与SINAMICS S120高性能驱动系统的有机结合，可以完成速度和位置的精确控制，并具有很强的过载能力。X轴电动机选用西门子的同步伺服电动机1FK7080-2AF71-1RB0，Z轴两电动机选用西门子的同步伺服电动机1FK7100-2AC71-1RB0；末端夹持器两电动机选用西门子的同步伺服电动机1FK7081-2AC71-1CB0；人机交互界面设备（控制面板）选用西门子的KTP1200，按键+触摸操作，12 in 6.5万色显示，集成Profibus DP接口。

4 桁架机器人样棒取放工作流程

桁架机器人实现样棒取放的工作流程主要包括样棒出库、样棒下料及样棒入库操作3个步骤，其流程如图6所示。

图6 桁架机器人样棒取放的工作流程

4.1 样棒出库

产线总控计算机（或现场控制计算机）发送样棒（样棒型号：No.XX）出库指令给PLC控制器，PLC收到指令后调用样棒型号数据库，查看该指令对应的样棒在样棒立体仓储库中的位置，并调用桁架机器人该型号样棒取样出库操作的PLC子程序，最后下达指令给伺服驱动器控制桁架机器人各轴依次动作到达各个工位并进行相应操作。

4.2 样棒下料

产线总控计算机（或现场控制计算机）发出样棒下料指令给桁架机器人PLC控制器，PLC控制器下达指令给伺服驱动器控制桁架机器人实现样棒下料操作。下料操作完成后桁架机器人到达预设位置，等待样棒入库操作指令。

4.3 样棒入库操作

产线总控计算机（或现场控制计算机）发出样棒（样棒型号：No.XX）入库指令给桁架机器人PLC控制器，PLC控制器收到指令后调用样棒型号数据库，查看该指令对应的样棒在样棒立体仓储库中的位置，并调用桁架机器人该型号样棒入库操作的PLC子程序，下达指令给伺服驱动器控制桁架机器人各轴依次动作到达各个工位并进行相应操作。最后，样棒运回样棒立体仓储库中相应位置，完成样棒入库操作。入库操作完成后桁架机器人到达初始位置1，等待新的指令。