鱼雷罐车电介质插拔机器人系统的设计与实现

　　摘要：鱼雷罐车倒罐作业是铁厂生产的铁水进入钢厂的第一道工序，鱼雷罐车停车就位后，由操作人员手动搬运电气插头与鱼雷罐车车体上的插座连接，实现鱼雷罐车上设备的接电。为了解决该岗位工作内容单一、劳动强度大、空间狭小、安全风险高的问题，设计了一种机器人系统来完成鱼雷罐车电介质插头、插座的自动安装与拆卸。重点介绍了机器人系统实现鱼雷罐车电解质插拔功能自主集成方面的成功案例，主要就该机器人系统的基本组成、主要功能、工作原理和关键技术等方面展开论述。目前该系统运行稳定，插头与插座连接可靠，完全满足现场生产的要求。

　　关键词：鱼雷罐车;电介质自动插拔;工业机器人;视觉定位;字符识别

　　随着机器人技术及视觉定位引导技术的飞速发展，机器人在汽车制造、化工、物流等领域得到了大范围的应用，极大地提高了这些行业的智能化水平，大幅降低了这些行业的人力成本及管理成本[1]。相比于汽车、化工、物流等行业，钢铁工业在机器人的应用上存在着较大的差距，因此宝武集团在钢铁工业智能制造的推进上提出了“四个一律”的思路，即“操作室一律集中、操作岗位一律机器人、运维一律远程、服务一律上线”，其中关于“操作一律机器人”的要求虽然目前还不能完全做到，但推动了各工序应用机器人的尝试和实践。通过机器人替代现场危险性、重复性工作岗位，对提高劳动效率、改善劳动条件、岗位流程再造都具有现实的意义。

　　近年来，机器人在钢铁工业各工序的应用越来越广泛，应用的场景也得到了初步的拓展。其中比较典型的有精炼测温取样机器人、连铸结晶器加渣机器人、钢包机器人、喷号机器人等[2]。鱼雷罐车倒罐作业是铁厂的铁水进入钢厂的第一道工序。鱼雷罐车由火车头牵引进入钢厂的倒罐站，停车就位后，火车头脱离，然后采用人工方式进行鱼雷罐车的受电工作，操作人员徒手搬运并安装电气插头，根据鱼雷罐车车体上插座的位置，进行电介质插头和插座的插拔作业。通过设计一种机器人系统来完成鱼雷罐车电介质插头、插座的自动安装与拆卸，可以减少高强度、重复性的劳动，合并相关岗位，提高劳动效率。本机器人系统对实现钢厂铁水预处理区域的集中控制[3]也有着重要的价值。

　　1系统组成

　　鱼雷罐车电介质插拔机器人系统由一台工业六轴机器人、图像处理与视觉定位系统、PLC及人机界面、机械系统及安全防护系统[4]等组成。(1)机器人系统。采用KUKA公司IRD-4600，负载为200kg，工作半径为2.55m，6轴，定位精度为0.1mm，防护等级为IP67。机器人控制单元包括驱动器、示教器、I/O单元、通信模块等，通过Profibus与PLC系统实现通信。

　　(2)图像处理与视觉定位系统[5]。由3台工业相机、1个粗定位镜头、2个精定位镜头、红外激光器、蓝色环形光源、装载专用算法软件的工控机等组成。(3)机械系统。该部分结合原有插头插座形式和现场条件设计，考虑实现人工操作与机器人操作的通用性，由插头插座、专用拔插夹具、检修模块等部件组成。主要功能实现插头的抓取、插头插座的对位、插头插座的对接、插头的紧固/松开等整个插拔动作[6]。

　　(4)PLC及人机界面。PLC控制系统由SIEMENSPLC、HMI、机旁操作触摸屏等组成，是电介质接插机器人的控制核心。PLC与机器人控制单元、视觉定位系统图像处理工控机进行通信和信息交互，实现电介质插拔整个动作的控制逻辑。(5)安全防护系统。由安全围栏及安全门组成。将机器人作业区域与操作人员活动区域完全隔离，确保机器人作业时的安全性。钢厂倒罐站主PLC系统通过总线及硬接线I/O与机器人PLC进行通信，当电介质插拔机器人系统收到鱼雷罐车停靠到位信号时，定位系统启动，自动识别鱼雷罐车编号并确定鱼雷罐车的位置，然后机器人启动，机器人工具端的视觉定位系统自动获取鱼雷罐车电介质插座的三维空间位置，引导机器人完成电介质插头的安装。

　　2系统工艺设计

　　2.1系统现场布局

　　综合考虑机器人作业范围及鱼雷罐车停靠位置来确定机器人的定位位置以及维护检修、安全防护等其他相关组件的安装位置。

　　2.2系统工作流程

　　当PLC系统接收到鱼雷罐车停靠的信号后，启动安装在地面上的粗定位系统，获取鱼雷罐车的大致位置并识别鱼雷罐车编号，然后启动机器人系统，机器人移动到粗定位位置，同时开启机器人前端的二次定位系统进行二次定位，获取定位数据并移动到相应的空间点位。在激光器的配合下调整前端夹具姿态，而后开始进行精确定位，当机器人获取到精确定位数据后，移动到相应位置，并在相关机械组件的配合下最终完成电介质插头的插入或拔出操作[7]。

　　3电介质插头插座对接方案设计

　　3.1电介质插头插座对接需求

　　鱼雷罐车电介质插头插座需进行6路强电、21路弱电的对接，要求对接安装后，各个点位接触良好不能出现松动，也不能出现插针之间的相对偏移。

　　4图像处理与定位系统

　　4.1鱼雷罐车编号识别与粗定位每台鱼雷罐车都有其对应的编号。鱼雷罐车电介质插拔机器人系统采用图像处理技术结合深度学习算法自动识别鱼雷罐车的编号，并将数据通过PLC发送给工控机。相机拍摄一定量的图片，采用专用算法对图片进行处理，积累一定量的训练样本，在深度学习算法的应用下，图像识别准确性会随着样本的增加越来越高[9]。

　　5结语

　　电介质插拔机器人系统是针对钢厂倒罐站鱼雷罐车电介质接插作业开发的专用智能机器人设备，可以替代人工，实现接插电无人化。该系统在鱼雷罐车倒罐作业上的应用是国内首次。其难点在于操作对象是一个位置不确定、多目标(某钢厂有39套鱼雷罐车)且工作环境相对恶劣的应用场景。因此该系统必须具有一定的智能化水平。本方案通过独到设计的三阶视觉定位系统及多次改进后的专用机械系统，成功解决了停位位置范围大、插座安装差异性、对接精度要求高、弱电插针接触不良等难点问题。该系统是国内第一套鱼雷罐车电介质接插机器人系统，开创了鱼雷罐车接插电作业的新模式。

　　钢厂论文投稿刊物：《冶金自动化》是原国家科委批准、中国钢铁工业协会主管、冶金自动化研究设计院主办，冶金行业 (包括钢铁和有色金属)唯一国内外公开发行的自动化技术应用科技期刊，创刊于1976年，现为双月刊，国际通行版本(大16开本)。《冶金自动化》的读者对象是从事自动化科研、设计、生产、建设的广大科技工作者，中、高等院校专业师生及技术工人和管理人员。

　　本系统于2019年1月在某钢厂投入现场使用，运行稳定，效果显著，主要的指标和功能如下：基本实现了鱼雷罐车接插电作业的无人化，投用率平均达95%以上。系统投用前必须配置专人负责接插电工作，投用后只需安排其他岗位人员辅助处理异常情况即可;配套其他系统的改善和优化，实现了铁水预处理区域的集中控制和无人化。系统投用后效益显著，具有较好推广应用价值。

　　参考文献：

　　[1]刘鸿.常用人工智能技术在钢铁领域中的应用概述[J].冶金自动化，2019，43(4):24.(LIUHong.Surveyforapplicationofconventionalartificialintelligencetechnologiesinthesteel&ironfield[J].MetallurgicalIndustryAutomation,2019,43(4):24.)

　　作者：饶刚，徐光庆，常发