热轧钢卷自动喷印系统设计及仿真验证

热轧钢卷自动喷印系统设计及仿真验证

蔡瑞峰

济南大学机械工程学院   250022

摘要：本文针对热轧钢卷喷印作业中人工喷印出错率高、劳动强度大等问题，以安川公司的多关节工业机器人为基础，设计了热轧钢卷自动喷印系统代替人工作业。系统基于笔划式喷印方式提出了整体设计方案和通讯设计方案，并设计了末端喷印执行机构的机械和气动结构；该系统还提出一种字符轨迹的设计思路，构建字符库，并使用INFORM语言编写轨迹程序，最后在软件中进行了仿真验证。

关键词：工业机器人；通讯方案设计；钢卷；喷印执行机构；INFORM

1 引言

在热轧钢卷的生产过程中，产品的生产日期、材料、宽度直径等相关信息需要在钢卷上喷印，这方便于日后钢厂追踪钢卷的质量 [1]。但是国内大部分钢铁企业自动化程度较低，在热轧钢卷生产线仍然采用人工喷印的方式，这种方法不仅影响热轧钢卷的生产效率，而且由于钢卷温度高、员工劳动强度大，经常出现错印、漏印的情况[2]。

目前国内外已经有不少学者对钢卷信息的喷印进行了研究。刘亮[3]阐述了在钢卷标记中运用机器人进行作业的优势和标记机器人工作站的基本设计方法。徐鸿伟[4]研发一套工业机器人自动喷印标识系统代替人工从事钢卷喷印标识工作。谭晓杰[5]对钢卷生产线现有的点阵式机器人故障率高、喷嘴易堵塞、用料浪费三大问题进行升级改造。以上大部分自动喷印系统的研究都是以价格高昂的ABB机器人为基础，以价格优势十分明显的安川机器人为基础的研究却少有人在[6,7]。

因此本文采用工业机器人集成技术，以安川机器人为基础，首先进行了热轧钢卷自动喷印系统的需求分析，以需求分析为基础，设计了喷印系统的整体方案以及通讯方案。

2 自动喷印系统方案设计

2.1系统需求分析

本系统应用于钢卷的热轧钢卷生产线，喷印系统需要在钢卷的侧面平面和正面弧面进行喷印。钢卷为热硬卷，材质为合金钢。要求喷印设备使用白色耐高温水性颜料、可喷印十六位所需字符（字母A-Z,数字0-9）、喷印字符的大小为100*60mm、可对不同规格的钢卷在指定位置进行喷印，喷印速度满足生产节拍，且可长期稳定运行。

2.2 整体方案设计

热轧钢卷自动喷印系统指的是用一台工业机械臂，配以相应的周边设备，用于完成特定工序作业的独立生产系统。整个系统参考IEC 62264-1的层级结构模型划分，共分为四个层级，依次为生产管理层、过程监控层、现场控制层和现场设备层，不同的层级实现不同的功能。

生产管理层为钢厂的MES系统功能单元，用于对生产过程进行管理，如进行钢卷仓储管理、下发钢卷喷印数据和生产调度管理等。过程监控层为工控机单元，工控机上搭载了使用C#设计的人机交互软件，用于对钢卷喷印过程中的传感器、机器人等设备的数据进行采集和监控，并利用人机交互界面实现生产人员对喷印系统的操作，如切换自动、手动模式，控制机器人急停等；工控机还接收来自MES系统下发的钢卷喷印数据，并转发给PLC。现场控制层主要包括各类控制器单元，如PLC、机器人控制柜等，机器人控制柜用于控制机械臂的运动轨迹，而PLC则转发工控机下发的钢卷喷号数据，并控制着末端喷印执行机构的喷印与否。 现场设备层主要包括机械臂本体、末端喷印执行机构以及各类传感设备。末端喷印执行机构装在安川机械臂的末端法兰上，当执行喷印的任务时，安川机械臂会带着末端喷印机构缓慢靠近钢卷，首先是使用位置检测传感器测量钢卷尺寸确定钢卷位置，然后再使用喷枪进行喷印；喷枪与接近开关联锁，只有接近开关触发时，才表明喷印机构到达了合理的喷印位置，之后由PLC控制喷枪电磁阀打开，漆料喷出；液压传感器用于检测漆料的液位是否过低。

2.3通讯方案设计

本系统硬件设备围绕西门子S7-1200PLC，通过网络或电缆联系在一起，实现各个设备间的数据和信号交流。系统设备之间的可选择的通讯设备有很多，不同的通讯方式所采用的通讯协议也不同，下面重点介绍本系统中用到的三种通讯方式。

MES系统与工控机、工控机与PLC之间的通讯：通过以太网连接。 以太网是现实世界中最普遍的一种计算机网络，设备配置灵活，适用于传输数据量大、传输速度要求较高的场合。在本项目中的作用是实现MES系统、工控机和PLC之间的数据交互，例如MES系统下发钢卷喷印信息至工控机，再由工控机转发至PLC中。

机械臂控制柜与西门子S7-1200PLC的通讯：通过Profinet网络连接。Profinet是一种工业总线标准，设计用于在工业系统中收集并传输数据，并且可以实现实时数据的发送和接收。本项目中PLC通过Profinet通讯协议来获取当前机器人的状态信息，同时发送信号控制机器人。

传感器、电磁阀与PLC之间的通讯：通过IO接线方式的连接。I/O接口是电子电路(以IC芯片或接口板形式出现)，其内有若干专用寄存器和相应的控制逻辑电路构成。它是CPU和I/O设备之间交换信息的媒介和桥梁CPU与外部设备、存储器的连接和数据交换都需要通过接口设备来实现。本项目中PLC通过IO接口采集传感器的状态信息，并控制电磁阀动作。

参考文献

[1]张帅, 仪登利. 热轧钢卷自动激光打码系统研究与实现[Z]//辽宁工业大学学报(自然科学版): 卷 40. 2020: 159-163.

[2]张帅, 仪登利;郝晓东. 热轧钢卷自动激光打码系统的研究与实现[D]. 辽宁工业大学, 2020.

[3]刘亮, 胡立生;滕亮. 标记机器人的关键技术研究[D]. 上海交通大学, 2011.

[4]徐鸿伟. 基于热轧钢卷机器人自动喷号系统开发与应用[J]. 机电元件, 2021, 41(01): 33-38.

[5]谭晓杰, 郝晓东, 康亮, 等. 喷码机器人字符库的设计及应用[J]. 冶金自动化, 2022, 46(S1): 454-457.

[6]黄阳阳, 王东城. 工业机器人自动贴标喷码关键技术开发[D]. 燕山大学, 2020.

[7]张康武, 刘渭苗, 岳国富, 等. 基于安川工业机器人的钢卷自动喷码系统开发[Z]//重型机械. 2020: 17-21.

[8]莫晓明. 楼宇自控系统中基于以太网的DDC的开发与设计[D/OL]. 南京工业大学, 2005[2023-09-15].