導語：特種作業(yè)機器人功能評測體系研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：功能評測是評價機器人作業(yè)能力、保障智能制造生產(chǎn)線設計選型合理性的重要環(huán)節(jié)。針對當有色金屬澆鑄過程特種機器人作業(yè)需求，結(jié)合澆鑄過程所涉及的澆鑄、扒渣、修錠等工藝流程特點，建立了面向有色金屬澆鑄特種作業(yè)機器人功能評測體系，并以鋅澆鑄生產(chǎn)線為例建立了三個作業(yè)評測數(shù)學模型，為行業(yè)智能制造提供借鑒。

關(guān)鍵詞：澆鑄；機器人；功能評測體系；有色金屬

工業(yè)機器人技術(shù)日新月異，在各行業(yè)得到廣泛應用，生產(chǎn)線配置工業(yè)機器人，形成柔性、高效的智能化生產(chǎn)線已成為現(xiàn)代智能制造發(fā)展方向［１］，在銅、鉛、鋅等有色金屬冶煉、澆鑄行業(yè)，車間生產(chǎn)往往為高溫、大粉塵、強腐蝕的重復性高強度工作。針對這些生產(chǎn)線配置專門、特殊的作業(yè)機器人，替代人力，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以將人從惡劣生產(chǎn)環(huán)境解脫出來，以此為例，已成為諸多行業(yè)強烈愿望。然而在原有生產(chǎn)線上，配置特種作業(yè)的機器人進行特殊工藝流程中的某些工序作業(yè)，需要對機器人作業(yè)工藝與生產(chǎn)工藝流程參數(shù)匹配進行匹配。在設計、選型后，通過機器人評測，考察機器人是否滿足安全性、可靠性、穩(wěn)定性要求。然而針對新事物，往往出現(xiàn)評價對象主體覆蓋不完善、性能所需參數(shù)不全面、整機性能影響機理與評估方法缺失、評測設備／方法不能滿足實際評測需求等問題［２］。因此，建立科學、完整、準確的機器人作業(yè)評測體系，推進行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)從硬件基礎、基礎制造向智能制造方向轉(zhuǎn)變，以降低產(chǎn)品生產(chǎn)線設計周期，達到優(yōu)質(zhì)、高效的智能制造［３］，并不斷提高柔性化水平［４］。本文借鑒數(shù)字孿生標準體系［５］與機械裝備功能評測的一般方法［６、７］，建立面向有色金屬澆鑄特種作業(yè)機器人的功能評測體系，為有色金屬澆鑄行業(yè)智能制造生產(chǎn)線建設提供借鑒。

１機器人功能評測體系概述

機器人功能評測體系，是指機器人在工作時，根據(jù)相關(guān)工藝流程與技術(shù)要求，以確定物理參數(shù)、運行環(huán)境、運行配置，實時狀態(tài)下，全面和準確地描述機器人的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。同時要考慮機器人的不斷提供技術(shù)迭代的發(fā)展性、經(jīng)濟性及操作性的特性。提供量化的方式，綜合評價機器人功能是否完善和可行，為相關(guān)技術(shù)人員提供機器人選型和判斷的重要支撐和理論依據(jù)。因此，評測體系從兩個層面考慮，如圖１所示。

２功能評測體系總體設計及分析

２．１功能評測體系建立

以鋅錠鑄錠生產(chǎn)過程為例，研究特種作業(yè)機器人的功能評測體系。依據(jù)鋅錠鑄錠工藝流程特征，建立數(shù)學模型評判標準。鋅鑄錠生產(chǎn)過程可以描述為：通過電解沉淀法得到鋅皮，鋅皮在５００±２０℃高溫熔化后，澆鑄成一定尺寸規(guī)格的錠塊進行商品流通。因電解沉淀工藝限制，鋅皮中含有約０．０５％的雜質(zhì)，同時在澆鑄成型冷卻過程中，鋅在高溫下易被氧化，從而形成了浮渣氧化皮，為不影響品質(zhì)，需扒渣處理。因此在完整的鋅鑄錠工藝上，包含了澆鑄、扒渣、修錠、脫模、碼垛、捆扎、貼簽等作業(yè)工序。這些生產(chǎn)流程中，傳統(tǒng)的生產(chǎn)線上人工參與過多，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性難以保證，其生產(chǎn)安全性和經(jīng)濟性也受到制約。根據(jù)生產(chǎn)工藝特點，鋅鑄錠智能生產(chǎn)線可集成澆鑄機器人、扒渣機器人、修錠機器人、碼垛機器人、噴碼機器人?；诖酥悄苌a(chǎn)線，建立鋅澆鑄、扒渣、修錠等三個核心工藝流程的功能評測體系。２．１．１澆鑄機器人工藝評測圖２澆鑄工藝評測結(jié)構(gòu)鋅原材料在感應爐內(nèi)經(jīng)電磁感應和電流熱效應，熔煉形成熔融態(tài)的金屬液，再經(jīng)澆鑄特種機器人澆鑄至模具，從而形成的鑄錠塊。鑄錠塊質(zhì)量主要受溫度和出液量兩個因素的影響。不同溫度下金屬液的冷卻速度不同，它影響鑄錠成型時的外觀、鑄錠內(nèi)部結(jié)晶質(zhì)量；澆鑄的出液量決定鑄錠的實際重量，這是澆鑄機器人的關(guān)鍵控制參數(shù)。要實現(xiàn)定量澆鑄，需時刻維持爐內(nèi)及澆鑄口溫度的動態(tài)平衡。因此澆鑄特種工藝機器人應滿足感應爐內(nèi)溫度實時監(jiān)測和保溫、爐內(nèi)液位精準控制、及澆鑄出液量控制等要求。這個過程需要評價的相關(guān)參數(shù)如圖２所示，要關(guān)注安全性、穩(wěn)定性、可靠性。（１）安全性：該機器人是否具備在高溫的作業(yè)環(huán)境，溫度控制不可或缺，保證爐內(nèi)溫度和爐內(nèi)熔融態(tài)的金屬液量處于動態(tài)平衡的能力。若超出動態(tài)平衡所允許的偏差值，是否擁有緊急報警和在線提示等功能，若能充分保證人身安全、設備安全，則為安全性為優(yōu)。（２）穩(wěn)定性：澆鑄過程中，設備是否具有根據(jù)爐內(nèi)傳感器所測得的實時數(shù)據(jù)的功能，并通過ＰＣ端進行信號數(shù)據(jù)處理，并進行自適應調(diào)節(jié)，若突受外界到外影響，澆鑄特種機器人能否快速回到原來的平衡狀態(tài)，以保證的特種作業(yè)機器人穩(wěn)定運行。

２.２扒渣機器人工藝評測

扒渣機器人是通過視覺識別技術(shù)，結(jié)合仿生結(jié)構(gòu)的末端執(zhí)行器來模擬人工扒渣的過程裝備。扒渣機器人作業(yè)效果的優(yōu)劣依據(jù)機器人扒渣后鋅錠表面質(zhì)量來評價。抽取生產(chǎn)線上的１００個經(jīng)過扒渣作業(yè)的錠塊作為評價樣本，由工業(yè)相機進行拍攝采樣，再進行圖像等價分割，得到圖像信息特征向量，測出與之對應圖像的灰度、邊緣、紋理等的特征向量，并與標準的除渣優(yōu)秀的特征向量進行比較。（１）安全性：扒渣末端執(zhí)行機構(gòu)所攜帶的氧化渣，其溫度高達幾百攝氏度，若路徑規(guī)劃不合理、機械手臂速度節(jié)拍不協(xié)調(diào)，很容易造成高溫鋅液飛濺、氧化渣粘粘等情況。所以控制理想的路徑、路徑偏差值，有效避免危險事故的發(fā)生，是可靠性的關(guān)鍵。（２）穩(wěn)定性：判斷扒渣機器人在扒渣過程中的穩(wěn)定性，需根據(jù)視覺傳感器及現(xiàn)場監(jiān)測儀器，綜合對比計算偏差值是否合理。運行中的扒渣機器人，是實時導入虛擬數(shù)學模型中，經(jīng)過計算處理，同時連續(xù)地修正機器末端執(zhí)行機構(gòu)的路徑，使得關(guān)鍵路徑偏差值Ａ始終保持處于一個相對平衡的狀態(tài)，若受到外界突然作用的影響，扒渣特種機器人系統(tǒng)經(jīng)過一個較短的過渡過程仍然能夠回到原來的平衡狀態(tài)，以保證扒渣特種作業(yè)機器人穩(wěn)定運行。根據(jù)實時測量的相對三維空間坐標系，確定最佳能達修錠機器人工藝評測高溫熔融態(tài)的有鋅液，經(jīng)澆鑄、扒渣、冷卻后，在模具槽里形成固態(tài)有色金屬鑄錠塊。由于澆鑄整個工藝流程中，不可避免的會使得金屬液面的波蕩，使得金屬液附著于模具邊緣或者溢出，從而產(chǎn)生飛邊和毛刺。飛邊和毛刺不僅直接影響了鑄錠的表面質(zhì)量還可能影響模具的耐用性，所以必須設置一道修錠工序來對鑄錠進行修整。在自動化鑄錠線上普遍采用修錠機器人完成對鑄錠的修整，修錠機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)含有刀片或打磨頭，在伺服電機的控制下，帶動末端執(zhí)行機構(gòu)進行修錠，經(jīng)過采用圖像灰度邊緣的階躍效應進行識別，綜合判斷修錠路徑。同理，將工業(yè)相機拍照采樣后的圖像進行像素等價分割，得到圖像信息特征向量，即可測出與之對應圖像的灰度、邊緣、紋理等的特征向量。

３總結(jié)

以鋅鑄錠過程機器人作業(yè)為例，根據(jù)相關(guān)工藝流程與技術(shù)要求，以確定物理參數(shù)、運行環(huán)境、運行配置，實時狀態(tài)下，全面和準確地描述機器人的安全性、可靠性、穩(wěn)定性為主要評價指標，建立了量化評價模型，為相關(guān)技術(shù)人員提供機器人選型和判斷提供了重要支撐和理論依據(jù)，可為有色金屬澆鑄行業(yè)智能制造生產(chǎn)線建設提供借鑒。

參考文獻：

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作者：鄭正國 胡馨丹 張勇 武利沖 吳紅丹 姜業(yè)龍 陳歡 單位：株洲天橋起重機股份有限公司 湖南省特種設備檢驗檢測研究院