全自动焊牌机器人在棒材轧制生产线的应用研究

罗 斌

（新余钢铁集团有限公司，江西 新余 338000）

近些年，我国经济水平明显提升，但是在全自化操作的工业用机器人方面，还需要更加努力，才能跟上国际发达国家在全自动化工业用机器人的发展脚步，典型的就是国内很少有全自动的焊牌机器人在棒材轧制的生产中。但是，焊接标牌是非常关键的环节，标牌上需要标明关于成品钢的信息，然后才能入库并外销。以前的棒材轧制中，标牌焊接由人工完成，容易出现漏焊、错韩、掉牌的问题；也容易出现危害焊接人员人身安全的问题[1]。目前，开始运用自动焊牌系统，可机器人只能进行焊接工作，与生产线、计量系统没有交互，所以并不是真正的全自动化及无人化，为此，需要加大棒材轧制中全自动焊牌机器人的研究，设计开发此类机器人，将其用在轧制的生产线上，并与计量系统相关联，从而真正实现整体生产的全自动化。

1 传统自动焊牌机器人的组成

1）工业机器人系统包含机器人控制系统、机器人本体两个部分。机器人的主要责任有分拣焊钉、分拣标牌、焊接标牌。

2）焊钉分拣和移载装置包括焊钉振动盘、移载台、直线导轨。振动盘以及直线导轨的控制由振动控制器进行，从而对焊钉位移进行控制，并且，在直线导轨以及移载台上，配置焊钉检测的传感器。此部分功能是有序提供焊钉，将焊钉移动到指定的位置，以便机器人获取。

3）视觉定位系统包括服务器、视觉相机、光源和视觉软件系统。主要的功能就是拍摄出钢捆的端面情况，在处理之后，把最合适的焊接坐标传递给机器人进行焊接，在机器人焊接完成之后，还能判断出焊接的质量。

4）焊接系统包括焊机、焊枪、吸盘机构、推排机构、传感器等。主要功能是机器人以前端的手臂去夹取焊钉，拿到指定的标牌，慢慢向指定的焊接位置移动，以控制系统启动焊机的发电，进而进行标牌的焊接。

5）电气控制系统：具体组成部分有传感器、电磁阀、磁性开关、交换机、中间继电器、断路器、PLC柜体、CPU和配套的IO模块、电源、插座等。中心部分是电气柜，其更是整个系统和现场设备进行交互的重要纽带，类似人体大脑[2]。

该自动焊牌机器人可进行自动化焊接，但是并不能与计量系统和生产系统相关联，很多数据需要人工采集，还达不到生产全方位的自动化，为此需要对其进行升级。

2 全自动焊牌机器人系统的构成

为达到棒材生产的无人化和全自动化，设计并开发了全自动的焊牌机器人，这就实现了标牌自动焊接、关联生产线和接入计量系统的目标，从而做到真正的生产自动化。此系统的主要构成部分包括机器人本体、辅助焊牌装置、图像定位分析系统、电气自动化控制系统、焊牌信息跟踪系统。主要设备包括自动打印标牌的打印机、配置焊牌夹具的机器人、焊钉自动输送装置、用来采集图像的摄像装置、照明装置等。

在棒材轧制生产中，需要将标识牌焊接到钢捆两端，为此，于每台成品计量秤后部运输链上焊牌的工位两旁，各自设置了焊牌机器人系统，并且由同一个电气控制系统进行控制，这样就能进行同步焊牌，还可进行单独一端的焊牌。实际生产中，棒材产品的长度不同，但是可区分成几种规格，为此需要将焊接机器人系统设置到可以移动的平台上，这是移动端，伺服电机带动移动平台，通过控制器进行精准定位，进而可保证图像定位以及焊牌动作更准确和可靠。

3 全自动焊牌机器人系统的实际应用

3.1 全自动焊牌流程

当棒材生产完成之后，钢捆需要进行打捆，接着运送到成本计量秤位置进行称重，此时计量系统会采集钢捆的规格和质量，而焊牌信息跟踪系统可以获取到这些信息，将其整理成需要焊接标牌上的数据，加入到钢捆的跟踪队列之中；钢捆称重完毕后，依照顺序在成品运输链上运输，此时电气自动化控制系统可以接收到来自生产线的运输链信号，可以预测到没有进行焊接标牌的钢捆的具体位置，对该钢捆进行跟踪；由系统判定出其已经进入到可采集图像的区域内，相机会自动触发，然后采集钢捆的图像，并对图像进行分析与定位，得到钢捆具体位置信息，将此位置的坐标发送机器人，此时机器人会拾起焊钉、标牌，进而焊牌。当焊牌结束之后，会有新的标牌信息传递给机器人系统，为接下来的作业做准备，整个流程见图1。

图1 自动焊接流程

此时需要计算出两个距离，其一是焊牌目标位置；其二是极限移动位置。前者是下一捆没有进行标牌焊接的钢捆移动到相机视野内的具体移动距离；后者是把图像采集的视野中最少有一捆已经完成标牌焊接的钢捆设定为参照物时可以运动的最大距离。这两个距离计算出来之后，需要将其同运输链的前进距离作比较，如果前进的距离已经在目标位置上，并且运输链停止的时候，需要将运输链锁定，同时自动地开启机器人焊牌的流程。如果仅仅在移动目标的位置上，需要强行将运输链锁定，同时开启机器人焊牌的流程。只有在焊牌结束之后，才能将运输链解锁，给出灯光信号，提醒生产线的操作人员，让钢捆运输恢复正常。

3.2 自动控制机器人焊牌

当机器人做焊牌动作的时候，需要以图像的分析结果和定位结果为依据，具体是一种坐标，所以，必须将两个系统不同位置的坐标，做一致性的换算处理。焊接机器人的基本工具坐标系是机头焊枪头的位置，此过程中，定位系统需要将两个像素之间距离和实际距离的换算值Me计算出来，将基准坐标设定成定位系统原点坐标A（X，Y），相对于机器人的工具坐标B（Y,，Z,）进行转换，方法如公式（1）。

公式（1）中：△X是图像定位系统提供的X轴坐标；△Y是图像定位系统提供的Y轴坐标；Me是摄像机和机器人之间的坐标转换的参数。

当机器人收到真实的焊牌定位的坐标之后，系统可以对机器人的行进路径进行规划，得到最佳运动路线，避免机器人碰撞到其他设备或者地方，还能保持最佳姿态和最快速度移动到最佳焊接点。

3.3 图像的分析和定位

在整个自动化焊接系统中，图像的分析及定位系统的关键功能就是，将没有进行焊接标牌的钢捆分辨出来，对钢捆钢棒的端面进行识别，并定位其位置；还可以检测已经完成焊接标牌的钢捆是否合格[3]。

对于整个系统而言，此部分是非常关键的系统，对于能不能保证焊牌标准，有着极大的保证作用。首先，系统会采集到高清图像，然后对图像做预处理，包括校准和滤波以及二值化等，接着会用到图像分割算法、特征提取算法、边缘检测算法等，将没有焊牌的称重后的钢捆识别出来，运用模式匹配图像分析方法和颗粒分析方法，可以识别出钢棒的具体位置信息及外形信息，针对采集到的轮廓圆度、亮度信息，进行综合分析，计算出最佳的钢棒坐标。

另外，需要总结钢捆运行规律和外形特征，结合标牌尺寸以及亮度的特点，进行图像分析，将一些外部约束条件加入到图像分析算法中，进而能规避环境光变、不规则的钢捆端面形状等一些因素对于具体位置识别产生的影响；还可以避免因为多种轧制的处理方法和端面剪切平整度不够，造成钢棒截面的颜色出现深浅变化，而识别准度降低的影响，这样可以提高分捆、定位识别准确率，焊接系统运行更可靠[4]。

在图像分析及定位的监控界面上，可以显示出采集到的两端图像、焊牌过程中的识别信息和定位信息，还有系统当下的状态。因为图像定位仅仅可以提供二维坐标，所以在机器人的机头夹具位置设置了高精度的激光测距传感器，可以在焊接标牌之前，从定位的坐标中选择三个点测量距离，选择高于其他钢棒的端面进行焊接，进而防止机器人机头同不规则钢捆端面发生碰撞，也就能提升焊牌适应性。

3.4 焊牌信息跟踪系统

在整个生产线中，钢捆称重连接着计量系统。传统生产方式下，计量工作需要以人工方式进行，工人确定称重数量，接着手动打印出标牌，手动焊接标牌。这种工作方式的效率非常低，并且工作强度很高，也难免会出现漏焊、错焊的问题，还可能会焊接不牢固，运输过程中标牌掉落。为解决这些问题，实现全部生产的自动化，开始运用全自动焊牌机器人系统，而为实现与计量系统和生产线的连接，需要在原来的焊接机器人系统上增加焊牌信息跟踪系统[5]。焊牌总系统可以直接获取计量系统的数据信息，自动生成标牌信息，将此信息传递给焊牌信息跟踪系统。焊牌信息跟踪系统可以跟踪全部的没有进行焊牌的钢捆，自动地开启焊牌流程，在焊牌结束之后，还能把焊好的标牌识别号传给计量系统，计量系统自动进行入库处理。所以，这样的计量过程就实现了无人化，计量效率大大提高，焊接准确性也提高[6]。本系统中设置了外在数据接口，计量人员可轻松获得计量数据，对于实现全厂的集中计量智能化管理奠定了基础。

4 结语

升级的自动焊牌机器人实现了全面的自动化操作，将其用在棒材轧制的生产线上，有着较好的适应性和实用性，应当推广到更多钢材棒材生产企业中，从而全面提升生产效率，减少人力成本，还能提高生产的全面控制水平。