程明森①

（寶山鋼鐵股份有限公司總部煉鐵廠　上海　201900）

摘　要：寶鋼股（gǔ）份煉鐵廠3DL燒結機車輪自動化給脂裝置是國內第1套（tào）利用工業（yè）機器人裝置進行台車車（chē）輪油嘴跟蹤給（gěi）脂的係統。係統主要（yào）功能（néng）包括:台車車輪油嘴的預清潔、台車車輪運行跟蹤（zōng）、加脂、加油數（shù）量及故障統計。目前該係統運（yùn）行平穩，車輪油嘴成功加油率在98%以上，車（chē）輪油嘴給油脂效果較好，設計功能全部實現，各項指標都比較穩定。

關鍵詞：工（gōng）業機器人；燒結機；台車（chē）輪（lún）；自動化跟蹤給脂

1　前言

隨著信息革命的（de）不（bú）斷發展，新一（yī）輪的製造業格局引發了對未來製造模式的思考，工業互聯網和新一代機器人作（zuò）為未來智能製造的代表，對（duì）未來製造起著決定性作用［1］。近年來，我國工業自（zì）動化程度不斷提高，隨著“中國（guó）製（zhì）造2025”計劃的實施以及“工業4.0”戰略的推進，工（gōng）業機器人被越（yuè）來越多地應用於工業現場，尤其是鋼鐵行業［2］。

鋼鐵廠燒結工藝生產過程中，需（xū）要對燒結主體設備燒結機的台車（chē）輪進行（háng）定期給脂作業，確（què）保車輪的（de）良好潤滑狀態。目前燒結產（chǎn）線通用的台（tái）車（chē）車輪給脂方式是通過（guò）作業（yè）人員蹲守在運轉移動（dòng）的燒結機台（tái）車車（chē）輪旁，操作給脂槍對準台車車輪油嘴進行依次同步注脂。人工給（gěi）脂作業量（liàng）大，勞動強度高;同時人工加油脂（zhī）作業環境差（chà）(高溫、高粉塵、煤氣區域)，作業空間（jiān）狹小，存在人機結合作業，有安全風險。

由於需要在線周期（qī）打油（yóu），作業時台車車輪是運轉的（de），存在人機接觸，作業人員存在一定的安全風險;同（tóng）時，燒結機旁（páng）高（gāo）溫、粉塵以及噪聲較大，打油作業勞動強度非常大，燒（shāo）結機台車裝機量大，(一般（bān）600平米左右的燒結機台車裝機量為180塊，每塊台車4隻車輪（lún），合計800多隻車輪)。因此，用工業機器人代替人工（gōng）進行給脂（zhī）作業具（jù）有很（hěn）大的應用（yòng）價值（zhí）。

因此，寶鋼寶（bǎo）山（shān）基地煉鐵廠（chǎng）3DL燒結（jié）機2019年在燒結機產線上（shàng）采用了（le）機器人自動（dòng）給（gěi）脂係統，該（gāi）係統根據係統編碼（mǎ）器傳來的位置信息，將信號送給工業機器人，機（jī）器人驅動末端手臂（bì）實現（xiàn）與台車輪（lún）油（yóu）嘴的（de）同步移動，實現車輪油嘴的預（yù）清潔和給脂動作，以此來代替人工對台車輪進行周期給脂。

2　國內外現狀

2.1工藝介紹

目前，國內外鋼鐵廠燒結礦生（shēng）產普遍采用DL型帶式（shì）燒結機（jī），該型燒結機由頭尾（wěi）星輪驅動台車在軌道上運行，台車采用四輪支持（chí）的形式在（zài）軌道上運行，從燒結機工作麵機頭位置接受礦料，經點火、抽風、燒結，到達（dá）機尾將成品熱礦排（pái）走，同時台車經尾部星輪翻轉至非工（gōng）作麵軌道（dào），然後運行（háng）至機（jī）頭重新裝料循環。燒（shāo）結機台車結（jié）構如圖1所示。

考慮到運轉環境惡劣，高溫、粉塵較多，台車軸承及卡套容易進灰、磨損老化，需（xū）要周期性地（dì）對台車車輪（lún）進行注油，改善軸承潤滑狀況，提高（gāo）車（chē）輪的壽命。

前國內外（wài）普遍的（de）做法是人工在線注油（yóu），利用氣動高壓油脂（zhī）泵將潤滑脂打入牛油槍，作業人員手持牛油槍（qiāng）蹲立在運轉的台車輪旁，依次對車（chē）輪軸承（chéng）油嘴進行注脂。

2.2應用情況

1960年（nián）～1970年（nián）左右，燒結機台車車輪自動給脂在國（guó）外已經實際應用，例如（rú）蘇聯烏拉爾重型（xíng）機器廠、日本新日鐵設計的燒結機成套設備中已經有台車自動（dòng）潤滑裝置［3］。國（guó）內對這方麵的應用（yòng）較少（shǎo），Z早是1985年上海（hǎi）寶鋼一期項目從日本引進的燒結（jié）機成套設備上應用過一種機械定位式氣動給油脂裝置（zhì），結構如圖2所示。

工作原理如下（xià）:車輪觸及限位開關後，電磁閥動作，氣缸帶動導杆伸出，台（tái）車沿軌（guǐ）道前行（háng）觸碰導杆後拖動給脂機行走機（jī）構同步行（háng）走。車輪繼續（xù）行走約（yuē）15mm後，碰通機控閥使給脂槍頭伸出（chū）並（bìng）對準車輪油嘴，同時壓緊油嘴給脂。給（gěi）脂以後，給脂槍頭自動縮回，並觸碰機（jī）控閥使導（dǎo）杆縮回，脫離與輪麵的接觸。同時行走機構返回原位，接著又使（shǐ）導杆伸到下一個輪子的前麵，準備（bèi）對下一個輪子給（gěi）脂，如此連續循環完成給每個台（tái）車輪自動給脂的工序。

近年來，由於傳感（gǎn）器及（jí）電氣控製（zhì）技術的改進，限位開關、機控（kòng）閥等已經（jīng）被光（guāng）電開關、電磁閥等替代（dài），但車輪自（zì）動給（gěi）脂的（de）基本原理（lǐ）不變，仍是利用擋塊推移定位跟蹤對車輪（lún）油（yóu）嘴進行加脂。

此類擋杆定位式自動加油（yóu）裝置，由於現場粉（fěn）塵較多，動作頻繁，故障率較高，壽命短，自動化程度低，與當下“工業4.0”的智能生產（chǎn）不相匹（pǐ）配，不能滿足目前現場生產過程的實際需求。

3　工業機器人（rén）自動給脂裝置應用

工業機器人Z早出現在上世紀60年?，在上世紀90年代得（dé）到了（le）快速發展，並（bìng）實現了（le）產業化。工業機器人的應用，能夠推動生產過程自動化、智能化（huà）、高效化（huà）的（de）發展，減少對人力資源的需求，降低生產成本，提升生產效率。工業機器人作為一種先進、高效、智能、精確可控（kòng）的生產工具，其在製造（zào）行業中的應用，不僅（jǐn）有利於提高產品的質量，還能實現生產過（guò）程的高度自動?，是中國製（zhì）造業轉型（xíng）發展的關鍵舉措［4］。

寶鋼股份（fèn）公司煉鐵廠某燒結機已經安裝了在（zài）線的工業機器人（rén）給脂裝置，該裝置采用了ABB六軸工業機器人（rén）進行台車車輪的自（zì）動化跟蹤給脂，在國內（nèi）外屬於首例。

3.1係統組（zǔ）成

台車輪機器人自動給脂裝置主要包含總控製櫃及PLC係統、工業機器人裝置、專（zhuān）用車輪供脂係統、車輪油（yóu）嘴定位係（xì）統等（děng），另外還包含車輪油（yóu）嘴清潔裝置、底座平（píng）台及安全欄杆和安全光柵報警裝置及（jí）緊停裝置等。

3.1.1總控製櫃及PLC係統

總控製櫃從電氣室接入380V三相交流電源，實現機器人櫃（guì）、油泵、清（qīng）潔電機供電，同時接入220V作為PLC的（de）電源。同時采用SIEMENSS1200型號PLC，利用ProfibusDP通訊（xùn）協議，實現機器人加脂係統與（yǔ）中（zhōng）央控製室的聯係，機器人可將相關信號（hào）送入中央控製室，實現係統通信及（jí）邏輯控製。HMI畫麵（miàn）集成（chéng）了操作控製、運行狀態顯示、運行曆史、參數控（kòng）製、報警信息等功能。

3.1.2工（gōng）業機器（qì）人係統

采用工業機（jī）器人IＲB2600，負載為20kg，工（gōng）作範圍為1.65m，可實現6個自由度的位置移動及伺（sì）服控製。機器人安裝了係統軟件Ｒobot Ware 6.08之外，控製模塊選項有:PCInterface、Multitasking等，還有Device Net Master/Slave和PＲOF INET Device選項模塊用於通訊（xùn），其（qí）中與PLC通信采用Profinet協（xié）議，Soft Move和Collision Detectiont選項用於末端碰撞監測;Integrated VisionInterface選項（xiàng）用於視覺識別;機器人控（kòng）製單元有電機驅動器（qì）、I/O單元（yuán）、通信模塊等（děng）。

3.1.3專用（yòng）車輪供（gòng）脂係（xì）統

專用車輪供（gòng）脂係統（tǒng）由專用（yòng）給脂槍、油泵站及油管、氣動油路切斷閥等組（zǔ）成。油槍頭為圓筒狀中空，加油時套在車輪的油嘴上，其內部特殊的結構設計可以保證油槍頭與車輪（lún）油嘴的緊密貼合。油泵將油脂從油桶中吸出，通過溢流閥設定係統安（ān）全壓力，利用PLC及機器人相關信（xìn）號來（lái）控（kòng）製氣動油路切斷閥的通斷，並（bìng）將切斷閥的狀（zhuàng）態信息反饋給機器人（rén）和PLC，實現油路通斷的實時邏輯控製。

3.1.4車輪（lún）油嘴定位係（xì）統（tǒng）

車輪油嘴定（dìng）位係統由ABB集成自帶2D相機、台車位置旋轉編碼器（qì）等組成，利用ABB控製係統選項606－1ConveyorTracking模塊實現輸送鏈跟蹤的功能。

3.2工作流程及原理

3.2.1主要應用技術

將（jiāng）專用給脂（zhī）油槍安裝在六軸工業（yè）機器人手臂末端，采用輸送鏈跟蹤模塊控製（zhì）機器人（rén）手臂與運行車（chē）輪油嘴同步給脂，動作原理（lǐ）流程圖如圖3所示。

3.2.2動作原（yuán）理

1)台車車輪沿軌道（dào）行走（zǒu）至油嘴清洗係統，觸發光電開關，油嘴清潔裝置對車輪進行跟蹤清潔，清潔結束（shù）後，等待加脂。

2)車輪運行至加（jiā）油機器人等待位置，觸發輸送鏈跟蹤，同時相機對車輪進行拍照，通過圖像識別精確定位車輪油嘴位置，引導機器人帶動油槍與車（chē）輪油嘴同（tóng）步（bù）運行。

3)同步過程中（zhōng）油槍伸（shēn）出，套在車輪油嘴上，油路電磁閥導通，進行加油（yóu）。

4)加油設（shè）定（dìng）時間及壓力到設定值後（hòu），油路電磁閥切斷，機器人帶動（dòng）油槍回縮，並移動至油槍待機位（wèi）置，等（děng）待下一車輪到來。

同時，係統可根據生產使用實踐對加脂時間（jiān）、油槍（qiāng）頂（dǐng）出深度等數據進行設定，可以（yǐ）對每個車輪的給脂量進行根據記錄，以便進行趨勢管理。

3.2.3係統技術難點

本自動給脂係統利用工業機器人的輸（shū）送鏈跟蹤技術，可以實現對車輪相對位置的跟（gēn）蹤，並控製機器人手臂與運行車輪油嘴同步（bù）移（yí）動，同時通過（guò）安裝（zhuāng）在機器人（rén）手臂末端（duān）的專用（yòng）給脂油（yóu）槍來（lái）實（shí）現與油嘴的貼合。

1)動（dòng）態追蹤

目前常用的動態追（zhuī）蹤（zōng）方法主要以視（shì）覺（jiào）圖像進行識別，通過視覺識別算（suàn）法（fǎ）運算識別物料的特征點，確定對準點的位置，本例（lì）中所用的動態追蹤方法是（shì）一種直線追蹤定（dìng）位方法，該方法基於ABB機器人的DSQC377B追蹤模塊，物料(本例中即車輪油嘴)沿著輸送鏈方向(本例中即軌道)移動，機器（qì）人根據DSQC377B追蹤模塊反饋的信息實現對（duì）車輪油嘴的動態追蹤［5］，以此為基礎實現對車輪油嘴的同步，輸送鏈跟蹤原理圖如圖4所示。

2)專用油槍設計

本係統的主要技術難點，在於如何控製（zhì）車輪給脂油槍的頂出力，保證給脂油槍（qiāng）頭既可以有效貼合車輪油（yóu）嘴，又可以防止頂出力度過大造成機器人（rén）過（guò）扭矩報警（jǐng）。

3.3效果（guǒ）與趨勢

通（tōng）過增設台車輪機器人自動給脂裝置，解決了燒結機台車輪加油這一環節存在的自動化孤島問題，提升了（le）企業整體智能（néng）化製造水（shuǐ）平，減少了該崗位（wèi）的危險因素，有利於企業實現安全、高效（xiào）生產（chǎn）［6］。

在鋼鐵（tiě）生產的過程中（zhōng），將工（gōng）業機器人應用於高（gāo）溫、高粉塵（chén）、高精度等工序，不僅提高了鋼鐵生（shēng）產的質量和效率，還（hái）提高了鋼鐵生產過程的（de）自動化水平，對於提高整個鋼鐵企業的核心競爭力具有積極的促（cù）進作用［7］。

該自動化給脂項目安裝調試完成後，進行了工業機器人加（jiā）脂裝置的（de）試用，燒結機機速2.3m/min，單個車輪給脂時間為7s。車輪油嘴（zuǐ）給脂效果達到功能（néng）要求，該係統運行（háng）平穩，車（chē）輪油（yóu）嘴給脂成功加油率在98%以上。車輪油（yóu）嘴油脂效果較好，設計功能全部實現，各（gè）項指標都比較穩（wěn）定。目前（qián）應用的機器人係統還（hái）隻能歸為重演(Playback)機（jī）器人和操縱（zòng）機器人的範疇，還稱不上為智能機器人［8］。後續應該朝（cháo）著智能機器人的方向繼續努力，通過對該係統（tǒng）增設智能3D相機及AI係統，使機器人直（zhí）接通過圖（tú）像識別分（fèn）析車輪油嘴的位置及車輪軸向的（de）位置，實（shí）時跟（gēn）蹤對車輪油嘴進（jìn）行加（jiā）油，從而摒棄原有的輸送鏈跟（gēn）蹤（zōng）模塊及固（gù）有框架程序，實現車輪給脂的真正智能（néng）化。

4　結論

介紹了台車車輪傳統的機（jī）械擋（dǎng）杆定位式加（jiā）油裝置的原理，分析了其存在的缺點，並著重（chóng）研究了基於工業機器人的（de）台車輪自動給（gěi）脂裝置，利用輸送鏈跟（gēn）蹤及專用油嘴（zuǐ）給脂槍等技術實現了車（chē）輪的跟蹤給脂。提（tí）升了企（qǐ）業整體智能化製造水平，減少（shǎo）了該崗位的危險因素，有利於企業實（shí）現安全、高效生產。

參考文獻

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來源：《冶金設備》 2021年第5期