浅谈工业机器人技术在球墨铸铁管生产线中的应用

张济凡1，蒿润涛1，武月梅2,胡桥木1

[中图分类号] TM76

[文献标志码]A

[文章编号]2095-6487 （2021） 02-0032-03

Talking about the Application oflndustrial Robot Technology

in the Production Line of Ductile Iron Pipe

Zhang Ji-fan，

Hao Run-tao，

WuYue-mei，

Hu Qiao-mu

[ Abstract]

nie development of science and technology has promoted the development and application ofindustrial robots， and the applicationscope ofindustrial robots has been continuously expanded. With the maruriry of robot technology， the application of industrial robots has penetrated intoall aspects ofindustrial production. This article takes a production line of emerging cast pipes as the background， and srudies the application and practiceof industrial robots in the production line of ductile iron pipes. Firstly， it explains the difficulties in production in this field， then introduces the systemcomposition ofindustrial robots in practical applications， and fmally analyzes industrial robots in depth. The application results and development trends ofthe company are aimed at promoting the innovation of automation technology in the traditional foundry industry.

[ Keywords] industrialrobots; automation conrrol; PLC technology; ductile iron pipe

1 球磨鑄铁管生产工艺中的难点

球墨铸铁管生产工艺流程包括五机一炉一窑，如图1所示。

如图1所示，经过各工序，离心铸造成成品入库。该生产线已经可以做到来料成分跟踪、设备运行状态监控、故障远传报警、虚拟物料及订单号追踪、生产任务下发、报表自动生成等功能，基本实现整条线的自动化、智能化生产。

但是在球墨铸铁管生产线中，仍有几个使用传统设备难以实现或代价太高的环节：①离心机砂芯搬运：该工位需要将砂芯安装到离心机上，一般这个环节是由人工徒手搬运安装或借助吊具安装，这个过程耗时耗力。且由于环境差、温度高，工人的身体健康和安全也难以保证。并且由于人工干预，此处无法保证设备的连续自动化运行。②铸管承口精打磨：该工位位于三磨精整区域，传统方式是人工手持打磨工具，对承口内多个小立而、平而、斜而进行打磨。这个过程同样耗时耗力、环境差。③承插口局部精确喷漆：由于球墨铸铁管承插口边缘狭小，难以使用传统专机设备实现，该工位一般需要人工手持刷子对铸管承插口边缘斜而、端面进行补刷，这就造成该工位劳动强度人，且由于沥青对人体存在伤害，该工位更无法保证工人身体健康。

2 整体控制方案

2.1 工业机器人控制

工业机器人由控制系统、传感器及机器人本体组成。文中所描述的球墨铸铁管生产线所采用的是六轴关节型工业机器人。

工业机器人的核心是控制系统。可以通过示教器、拖拽示教或离线编程软件进行命令输入，为控制机器人本体做准备。控制系统的作业形式基本可以分为点控制、连续轨迹控制及力矩控制;其控制方式有两种：分散控制和集中控制。工业机器人发展到现在，与计算机技术、视觉传感技术高度融合，使其具备一定的图像处理能力，还使得机器人具有学习功能和自适应能力，可以进行自编辑。这极大提高了机器人在复杂环境下的作业能力，拓展了工业机器人的可应用范围。机器人可以根据程序的设定进行各种工业操作，通过对采集到的环境信息的处理，优化具体的操作行为。

工业机器人可以通过传感器来感知周围环境。传感器的使用对机器人有重要意义，相当于机器人的神经系统，是极重要的监测装置，对内可以榆测机器人的加速度、速度和位移情况，对外可以榆测机器人的工作环境。随着科技的发展进步，机器人的感知能力还会有更人的发展。

工业机器人本体关节包括旋转（S轴）、臂（L轴）、上臂（U轴）、手腕旋转（R轴）、手腕摆动（B轴）和手腕回转（T轴）6个轴，由动力装置和传动装置组成，动力装置包括伺服驱动电机、液压、气动等部位;传动装置由动力元件驱动执行系统执行传送命令，实现本体的位移。

2.2 PLC控制技术

PLC控制技术在工业机器人系统中应用土要集中在顺序控制、过程控制、信息传递等几个方面。顺序控制是帮助工业机器人融入现有生产线中，按照生产工艺预先规定的顺序，机器人及生产线其他设备自动地有秩序地进行操作。过程控制主要对机器人进行模拟量方面的控制，对机器人及现场工件的温度、压力、电压等各个因素进行实时控制，并根据计算变量制定一系列控制策略。信息传递是通过工业控制总线将机器人的通信等数据与上级PLC或远程MES进行传输、处理、存储、采集等操作。

文中所述的球墨铸铁管生产线所采用的PLC系统是西门子1500系列，为保证前后控制系统的一致性，这里工业机器人的上级控制器也选用相应的PLC产品。

2.3 安全保护策略

安全系统可谓是工业机器人应用中的关键部分。主要起到的作用是：①保护工人不被伤害;②保护设备不被伤害;③保护工装不被伤害。由于控制系统比较复杂，所以安全系统对计算机控制系统能够起到很好的调配作用，同时还能通过PLC实现对安全区域的实时监控，一旦出现故障可以及时报警，从而实现了故障点位的可视化，并且进一步保证了自动化生产线能够安全、稳定、正常地运行。

2.4 工业机器人控制系统构成

这里工业机器人系统构成如图2所示。

工业机器人控制系统包括一台工业机器人、控制柜、工装、PLC（采用西门子S7-1500系列CPU及若干IO模块：其IO模块控制工装所安装电气、气动、液压、传感嚣等）、触摸屏（采用西门子精致系列产品，用以实现状态显示、配方设定、故障显示、报警提示等）、安全继电器及安全门锁。其中，机器人PLC、工业机器人、触摸屏通过交换机与外围PLC及其他通信设备，采用PROFINET协议。安全门锁输入输出信号与PLC的IO模块连接，其安全通道通过安全继电器与工业机器人安全段子连接，当安全门锁打开时同时控制工业机器人断电，以保证安全。

3 工业机器人应用

这里，结合球墨铸铁管生产线的难点及该生产线所取得的实际成果来详细介绍一下工业机器人在球墨铸铁管生产线中的应用。

3.1 砂芯搬运机器人

在球墨铸铁管离心机生产中，铁水浇筑前需要根据需求（规格、接口、订单）将目标砂芯安装在离心机上。传统工艺中，由于离心机区域环境恶劣、环境温度高，砂芯规格多种多样、异而多，安装精度高、生产节奏块，以及砂芯易碎等原因，传统设备无法实现对砂芯的精确抓取并安装到位。因此，传统生产线中，都是人工安装，这就导致了工作效率低、人工劳动强度人、工作环境恶略、无法保证安全、自动化生产被割裂等缺点。

砂芯搬运机器人的选取应充分考虑负载重量和工装重量，选用人质量负载机器人。所设计工装安装识别摄像头及夹取工装，机器人通过摄像头拍照识别砂芯的规格并确定圆心，工装移动到砂芯圆心处进行抓取，之后安装到位。

经过长期实践调试运行，该工位人人提高了自动化生产水平。

3.2 承口精打磨机器人

球墨铸铁管承口精打磨的难点在于铸管承口而的复杂及承口规格的多种多样，这就造成使用传统打磨专机无法满足生产，并且打磨效果无法保证，需要人工修补打磨，造成劳动力的浪费，割裂自动化生产节奏。

根据铸管规格直径变化和打磨强度要求，打磨机器人应根据机器人臂展范围和打磨强度选择。负载前段安装专用打磨砂轮、打磨电机、多维度柔性力矩，与生产线进行网络通信，根据前序工位发送而来的承口规格信息，调用不同作业，行走编程轨迹，对铸管承口进行打磨。

3.3 承插口喷漆机器人

球墨铸铁管承插口喷漆的难点在于：①承口结构复杂，立而较多;②插口需要涂漆的地方极小。由于上述原因，故传统生产线中，都需要工人用滚刷对铸管进行修补刷漆。由于生产节奏快，势必工人劳动强度人，并且沥青对人体危害人，不利于工人身体健康。

根据不同生产线要求，喷漆机器人的选择应以臂展为主。承口喷漆机器人前端安装沥青喷枪，插口机器人安装特殊刷漆工装，根据前序工位发送的信息，调用不同作业，行走编程轨迹，对铸管承插口进行喷漆作业。

3.4 程序流程图

4 结束语

文中所述喷锌机自动控制系统以西门子PLC为控制核心，用HMI以TIA PORTAL组态软件！实现组态，中控MES为信息调度，整个系统结构简单、控制功能完善、安装调试方便，满足了工厂自动化控制的需求。

总之，工业机器人技术的快速发展和普及是未来科技型社会的必然要求，可以通过增加工业机器人的数量和工业机器人的智能化能力以及工业机器人的自动化控制手段的不断提升，来实现工业机器人的智能化不断提升。未来社会中，工业机器人所要承担的工作难度和责任要远人于当前的工业机器人，无论是工作的完成速度还是复杂程度以及在开展工作过程中所能处理问题的自主能力都会出现极大改变。在不远的未来社会，机器人终会成为人类生产和生活中最为有效的助力，在未来人类的生产和生活中，机器人将会发挥出更人的作用。

我國工业水平的整体进步有效带动了铸造业的进步，同时铸造业面临的挑战也在日益增加。工业机器人在铸造业特别是球墨铸铁管铸造行业所占的位置越来越重要，越来越多的工序可以应用机器人技术，如铁水采样、加料、扒渣等。工业机器人的应用可以有效节约劳动力、提高生产质量。

参考文献

[1]李耀贵，杨斌，刘睿工业机器人在自动化控制领域的实际应用

分析[J]新型工业化，2019 （4）：19-20[2]赵雪我国工业机器人技术现状与产业化发展战略分析[J]科学

技术创新，2019 （36）：49-50