胡寅峰，蘇 煒，張 晨，張 驍

(1.馬鋼股份公司特鋼公司 安徽馬鞍山 243000；2.愛智機(jī)器人(上海)有限公司 上海 200000)

棒材成品經(jīng)過打捆和稱重后，需要在捆包端頭焊接上含有相關(guān)產(chǎn)品信息的標(biāo)牌，以便后續(xù)進(jìn)行產(chǎn)品識別和物料追蹤。長期以來，捆包標(biāo)牌焊接作業(yè)由人工來完成，屬于典型的“3D”作業(yè)(Dangerous、Dirty、Difficult)。人工焊標(biāo)牌作業(yè)不僅容易出現(xiàn)錯焊、漏焊、焊接不牢等問題，而且由于棒材捆包溫度高，還存在一定的安全隱患。

伴隨鋼鐵產(chǎn)業(yè)升級腳步不斷加快和智能制造的蓬勃興起，利用機(jī)器取代人工作業(yè)成為大勢所趨[1]，不少鋼鐵企業(yè)就在自動焊標(biāo)上進(jìn)行了嘗試。目前國內(nèi)的一些棒材廠所實(shí)施的自動焊牌系統(tǒng)基本只能通過機(jī)器人完成單一的焊牌作業(yè)流程[2]，未實(shí)現(xiàn)捆包支數(shù)的自動檢測，仍需人工計數(shù)核對才能確保標(biāo)牌上捆包支數(shù)的正確。

針對上述問題，設(shè)計并投用了一種全自動焊標(biāo)牌系統(tǒng)。該系統(tǒng)以六軸工業(yè)機(jī)器人為核心，輔以視覺檢測技術(shù)和焊標(biāo)牌相關(guān)裝置，自動識別出捆包中的棒材支數(shù)，通過與棒材生產(chǎn)線自動化、信息化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，打通數(shù)據(jù)孤島，準(zhǔn)確獲取捆包批號信息和重量信息并自動進(jìn)行標(biāo)牌打印，實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量自動焊接作業(yè)，消滅了焊標(biāo)牌作業(yè)的“3D”屬性，提升了產(chǎn)線智慧制造水平。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動焊標(biāo)牌系統(tǒng)主要由六軸工業(yè)機(jī)器人、整理平臺、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電氣控制柜組成。

圖1 自動焊標(biāo)牌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 六軸工業(yè)機(jī)器人

六軸工業(yè)機(jī)器人是自動焊標(biāo)牌系統(tǒng)的核心，包含了機(jī)器人本體和機(jī)器人控制柜兩大部分，其主要功能是通過安裝在機(jī)器人本體上的工具完成焊釘夾取、標(biāo)牌拾取、焊接位置掃描、標(biāo)牌焊接。

1.2 整理平臺

整理平臺位于六軸工業(yè)機(jī)器人旁，平臺配備有送釘機(jī)、標(biāo)簽打印機(jī)和焊機(jī)各2臺，能夠?qū)崿F(xiàn)一用一備。當(dāng)其中一臺設(shè)備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠自動切換使用備用設(shè)備，大大提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

送釘機(jī)由焊釘振動盤、移載臺、直線導(dǎo)軌組成。通過振動控制器對振動盤和直線導(dǎo)軌進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)焊釘?shù)奈灰?。此外，在移載臺和直線導(dǎo)軌上，配備了用于焊釘檢測的光電開關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)焊釘位置檢測，以便六軸機(jī)器人能夠獲取焊釘信息，及時進(jìn)行焊釘夾取。標(biāo)簽打印機(jī)在自動焊標(biāo)牌系統(tǒng)獲取了棒材捆包相關(guān)信息后，進(jìn)行標(biāo)牌的打印，并實(shí)現(xiàn)標(biāo)牌的裁切和定位調(diào)整。標(biāo)牌焊接使用的焊機(jī)具備串口通訊功能，能夠與工控機(jī)直接進(jìn)行串口通訊，將焊機(jī)故障信息，焊接參數(shù)調(diào)整等功能整合到主控界面里，便于操作。

1.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)高清攝像頭、錄像機(jī)、交換機(jī)和安裝有監(jiān)控軟件的計算機(jī)組成，主要的功能是供操作臺的操作人員能夠?qū)崟r監(jiān)控焊標(biāo)牌作業(yè)是否正常，一旦出現(xiàn)問題能夠及時發(fā)現(xiàn)，及時處理。

1.4 電氣控制柜

電氣控制柜為自動焊標(biāo)牌系統(tǒng)的控制大腦，柜內(nèi)配備有西門子S7-1500系列PLC，用于焊標(biāo)牌過程控制；此外，還配備有一臺工控機(jī)，用于視覺檢測、與棒材生產(chǎn)線自動化、信息化系統(tǒng)進(jìn)行通信。

視覺檢測對于整個系統(tǒng)而言，此部分是非常關(guān)鍵的系統(tǒng)，對于能不能保證焊牌標(biāo)準(zhǔn)，有著極大的保證作用。首先，系統(tǒng)會采集到高清圖像，然后對圖像做預(yù)處理，包括校準(zhǔn)和濾波以及二值化等，接著會用到圖像分割算法、特征提取算法、邊緣檢測算法、模式匹配圖像分析方法和顆粒分析方法，識別出鋼棒的具體位置信息及外形信息，針對采集到的輪廓圓度、亮度信息，進(jìn)行綜合分析，計算出最佳的捆包焊標(biāo)牌坐標(biāo)[3]。

2 工作流程

棒材捆包被輸送到稱重位置后，由對射式光電開關(guān)檢測捆包是否到位。當(dāng)捆包稱重數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，棒材生產(chǎn)線信息化系統(tǒng)會將該捆包的重量數(shù)據(jù)、批號數(shù)據(jù)發(fā)送給自動焊標(biāo)牌系統(tǒng)，自動焊標(biāo)牌系統(tǒng)將該條記錄加入焊接數(shù)據(jù)列表中。此時自動焊標(biāo)牌系統(tǒng)就會向棒材生產(chǎn)線自動化系統(tǒng)發(fā)送“請求禁止鏈條、臺架運(yùn)動”信號，棒材生產(chǎn)線自動化系統(tǒng)接收到該信號后，停止相關(guān)鏈條、臺架動作，并反饋給自動焊標(biāo)牌系統(tǒng)“已鎖停鏈條、臺架”信號。當(dāng)自動焊標(biāo)牌系統(tǒng)收到該反饋，就會觸發(fā)自動焊標(biāo)牌流程。具體流程見圖2。

3 創(chuàng)新應(yīng)用

馬鋼股份公司特鋼公司優(yōu)質(zhì)合金棒材生產(chǎn)線，生產(chǎn)規(guī)格?16 mm-90 mm 熱軋圓鋼，品種有合金結(jié)構(gòu)鋼、軸承鋼、彈簧鋼、齒輪鋼等，定尺長度 4 m-12 m[4]。該棒材生產(chǎn)線自2020年投用了自動焊標(biāo)牌系統(tǒng)，該系統(tǒng)最大的創(chuàng)新點(diǎn)就在于通過視覺檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了捆包支數(shù)的自動識別，真正實(shí)現(xiàn)了全流程自動化和無人化。

圖2 自動焊標(biāo)牌流程圖

3.1 基于視覺檢測的棒材支數(shù)識別

當(dāng)捆包停止在秤重位時，機(jī)器人啟動3D相機(jī)對捆包端面進(jìn)行掃描，通過多次曝光方式區(qū)分棒材端面及棒材間隙陰影，將采集到的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)再通過相關(guān)視覺檢測算法提取棒材端面特征，從而實(shí)現(xiàn)自動識別支數(shù)。圖像在生成、傳輸和保存過程中往往會收到多方面的噪聲和干擾，比如傳感器的噪聲、相機(jī)的顆粒噪聲、信號頻道的誤差等[5]，一般可通過采用中值濾波器除去大部分噪聲。此外，還需要選取合適的閾值對去噪后的圖像進(jìn)行二值化處理，這樣就可以將棒材端面從背景中提取出來。

若要保證識別支數(shù)的準(zhǔn)確性，需采集大量不同直徑，不同姿態(tài)的棒材端面圖像作為素材，通過深度學(xué)習(xí)讓系統(tǒng)具備自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化功能。

圖3 自動焊標(biāo)牌系統(tǒng)

圖4 捆包支數(shù)視覺識別

3.2 運(yùn)行效果

經(jīng)過不斷的完善和優(yōu)化，目前該自動焊標(biāo)牌系統(tǒng)的支數(shù)識別準(zhǔn)確率、焊標(biāo)牌成功率均達(dá)到99%以上，單捆焊標(biāo)牌時間不超過30秒，滿足了產(chǎn)線的生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

具備捆包支數(shù)自動識功能的焊標(biāo)牌系統(tǒng)通過與棒材生產(chǎn)線自動化、信息化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，能夠準(zhǔn)確打印標(biāo)牌信息，焊接效率高，焊接質(zhì)量好，完全可以取代傳統(tǒng)的人工焊標(biāo)牌作業(yè)，有助于提升產(chǎn)線的智慧制造水平。