全自动激光打标焊牌机器人在方坯连铸机上的应用

徐林林，戴本俊，尹 平，陈中凯，叶 飞

（马鞍山钢铁股份有限公司，安徽马鞍山 243000）

引言

随着我国智能制造、信息技术水平的明显提升，为促进制造场景与智能技术的深度融合，国内众多冶金企业开始实施机器人代人作业［1］。加速工业机器人上岗，打造极致少人化、无人化现场，革新生产作业方式，迈向以“三跨融合”为特征的智慧制造2.0 企业［2］。同时推进安全生产“铸安”行动常态化、实效化，践行“生命至上，安全第一”的安全管理理念［3］，避免现场高危险源岗位对人的潜在危害，提高生产效率，稳定产品质量。高温连铸坯的标识作业就是典型的高危险源岗位，人工标识劳动强度大，作业危险属性高，且容易出现漏标识、错标识等问题［4-5］。

当前国内钢铁企业高温连铸坯的在线标识，主流方式还是采用喷号标识，早些年部分连铸机使用钢印标识，辨识度低、成本高，逐渐被后来的占主流的喷号方式代替［6］。喷号标识方式又有喷涂料以及电弧焊丝喷号等几种类型，均不同程度存在喷头易堵塞、因氧化皮脱落影响标识完整性等问题，无法完全满足钢铁企业对热铸坯全流程自动化信息准确跟踪、质量溯源自动识别信息的需求。

某特钢公司新建的大方坯连铸机，主要生产250 mm×250 mm、380 mm×450 mm 两种铸坯断面，连铸坯在吊离冷床前，应用全自动、高可靠性的铸坯在线激光打印焊接标识机器人，对连铸坯的信息化数据进行跟踪，对产品质量异常进行溯源，实现连铸坯入缓冷坑、热送进加热炉等全流程物流信息跟踪，实现了无人化操作，取得了更好的效果。

1 工艺技术需求分析

某特钢公司新建的大方坯连铸机，是利用现有厂房空间实施的改造项目，设计之初就存在连铸机工艺设备布置紧凑、出坯辊道较短、只占有1 跨空间、拉速较快以及出坯周期时间短等特点。连铸机出坯区域设置有2 套冷床，其中1#冷床用于红坯热送进加热炉，2#冷床布置在另外一跨，热坯经热送过跨辊道进缓冷坑。250 mm×250 mm 小断面采取双坯输送，380 mm×450 mm 大断面采用单坯输送。为实现热坯标识的物流信息化、自动化、无人化程度，工艺技术需求如下。

（1）采用2 套焊牌机器人，分别用来标识2 个冷床出坯方向的热铸坯。

（2）标牌焊接位置布置在大方坯的端面位置。

（3）标识信息格式为：炉号+流号+坯号+钢种，字符数30个左右。

（4）标识字符按工艺需求设置，由数字、字母、汉字、二维码或条形码组成。

（5）标识周期小于30 s，从焊标启动到完成为1个时间周期。

（6）标识耐温大于800 ℃。

（7）标牌料仓容量应满足连续工作8 h 的需求量。

2 现场工艺设备布置

由于连铸机现场设备布置空间限制以及出坯周期时间短的特点，对铸坯焊牌标识的周期时间有严格的上限限制，必须对焊牌机器人的布置充分论证，保证标识操作不影响生产效率。2 套机器人铸坯自动焊牌系统分别安装在热送辊道边部及1#冷床中部区域，对钢坯进行焊挂标牌标识，完全满足了对空间及周期的要求。

3 激光焊牌系统主要设备组成

激光打标焊牌系统主要有六自由度工业机器人、标牌打印系统、标牌整理取牌系统、自动送钉系统、自动焊牌系统、焊牌自动定位系统、电控系统、操作控制HMI 软件系统及控制柜、设备现场布置隔热辅助装置等部件组成，实现激光打印、自动取牌、自动焊牌和信息确认的全自动过程。

3.1 六自由度机器人

主体设备支撑系统采用ABB 六自由度工业机器人作为平台载体，根据现场实际空间布置情况，考虑单根焊牌和双根焊牌同时出现的情况，以及铸坯高温的工作环境，并考虑对热敏感性较强的电气元器件的影响，选用ABB IRB4600-40∕2.55 型工业机器人，最远作用距离达2.55 m，本体有效远离高温热坯的热辐射，有效负载40 kg，重复定位精度达到0.10 mm，最高IP67 防护等级，最大限度保证焊牌系统工作可靠性。

3.2 标牌打标系统

标牌打标系统主要实现金属基牌的取牌、输牌及激光雕刻打印信息的过程。标牌打标系统根据连铸机控制系统传输的铸坯信息数据，通过激光打标机，在金属标牌上雕刻好设定的二维码及参数信息，标牌整理定位机构将打印好的标牌定好位，对已打印好的标牌进行图像识别，判断打印内容是否正确。激光打标系统包含激光打标机及标牌送料机构两大部分，其中标牌送料机构包含标牌存储箱、标牌输送模组和标牌上料部件等。

3.3 自动送钉系统

自动送钉系统用来将焊钉料仓中的小焊钉自动按照设定的流程进行搓钉，并将焊钉送至机械手取钉位置，主要包含搓钉定位机构、直振平送机构、搓钉气缸机构以及焊钉料仓等功能部件，自动完成输送焊钉到指定取钉位置的动作过程。

3.4 自动标牌定位及焊牌系统

安装在机械手前端的工业相机对高温连铸机的端面进行拍照定位，检测识别端面位置，识别出标牌的焊接位置，机器人自动焊牌系统将焊枪上的焊钉穿过标牌孔，并通过工装夹具取起标牌，六轴协同运动使标牌及焊钉接触到钢坯表面，焊枪头部传感器检测到接触钢坯端面后，系统发出焊接指令，焊机焊接完成，然后对标牌上的二维码进行图像识别并记录。

3.5 电气控制系统

电气控制系统包含电气控制柜、机器人控制器、送钉系统控制模块、标牌整理定位驱动模块、输入输出模块、电源模块和网络通讯模块等，控制原理示意图如图1 所示。系统操作软件设计友好，操作简单，方便生产操作人员进行参数设置，自动接收连铸机二、三级系统的数据或人工输入数据后进行标识打印，具备人工数据录入或者联网自动取数的方式供用户选择，具备自动检测与报警功能，打印数据记录与查询及报表功能。

图1 焊标机器人电气控制系统原理示意图

3.6 安全、隔热辅助装置

连铸机出坯区域工作环境苛刻，存在高温热辐射，焊标位置的铸坯温度仍然有700～850 ℃，机器人周围配置有隔热护板，同时机器人自动化程度较高，对现场操作及维护人员起到安全防护作用。焊标机器人本体及附属电气元件、电缆等的热防护措施必须设计完善，工作期间必须安全门联锁，防止安全事故发生，主要包括安全防护栏、隔热板、电子安全门禁及压缩空气冷却管路等辅助设施。

4 应用效果

某特钢公司方坯连铸焊标机器人自2020 年4月热试投产以来，激光打印焊标机器人使用过程暴露出一些问题，应用初期焊标合格率仅85%～90%（焊标合格率=成功打印焊接的连铸坯支数÷连铸坯总支数×100%）。经过现场摸索与分析，焊标合格率偏低的主要原因是系统相关外围因素波动，如压缩空气供气压力在生产期间有波动导致联锁不动作；参数设置错误、焊牌采购质量不同批次有质量波动导致焊标效果不良；焊钉里面有异形钉导致频繁卡钉等，影响了前期月均焊标合格率的提升。经过一年多的摸索与实践，解决了各外围因素的影响，改善了焊标合格率，经统计18 个月的使用数据，改善趋势如图2所示，焊标合格率基本稳定在99%以上，焊标焊接牢固无脱落，激光打印信息符号及二维码清晰度如图3 所示，铸坯后期入加热炉前标识识别率100%，满足了连铸高温热铸坯的在线标识、信息识别和溯源的要求。

图2 方坯连铸机月平均焊标合格率趋势图

图3 自动焊牌作业与焊牌效果

5 结束语

大方坯连铸机配套机器人自动激光打标焊牌系统，配合耐高温金属标签以及工业扫码仪器，实现了对高温连铸坯的冷床出坯焊牌标识及热送入炉前的识别追溯、入缓冷坑铸坯的成品识别，使用近2年来系统基本实现了不漏标、错标，达到了99%以上的焊标合格率。铸坯成品质检人员使用专业扫码仪器，对连铸坯数据进行读取、复核，实现了连铸坯的全流程信息跟踪，设备运行可靠性高，维护量小，显著降低了工人的劳动强度，提升了连铸生产信息化、高效化、无人化程度，践行了钢铁企业绿色发展、智慧制造的发展理念。