棒材机器人自动焊牌系统技术研究

一、引言

在钢铁生产领域，棒材、高线等产品的标识环节长期依赖人工操作，存在显著痛点：人工打印标牌、取牌、焊接等流程需投入大量人力，某钢厂统计显示人工焊牌岗位人均日成本超 300 元；现场高温（棒材温度可达300℃）、粉尘（浓度常超 50mg/m³ ）、噪音（ ⩾ 85dB）等恶劣环境，导致职业健康风险突出；人工操作易出现标牌错挂、漏挂，某厂调研显示人工焊牌错误率达 3.2% ，且单捆焊牌时间（两张）平均需 60-90 秒，远低于生产节奏要求。

随着智能制造技术发展，工业机器人在重复性、高环境要求场景中的应用愈发广泛。某钢厂试点的机器人自动焊牌系统，基于 6 轴工业机器人与视觉识别技术，实现焊牌流程自动化，将单捆焊牌时间（两张）控制在45 秒内，错误率降至 0.5% 以下，为行业提供了可复制的智能化改造方案。

二、系统技术背景与需求分析

（一）工艺要求与技术数据

1. 棒材参数棒材端面规格 Φ18-Φ40mm ，长度 9-12m ，打捆后头部通过撞板对齐；棒材温度范围 -20～300^∘C ，需确保机器人在高温环境下稳定运行。

2. 标牌与焊牌要求采用 105mm×65mm 耐高温标牌，每捆焊接 ² 块，焊牌位置需精准定位在棒材头部同一端面；生产节奏要求单张焊牌≤ 30秒，两张 ⩽45 秒，且焊接牢固率 ⩾99.5% 。3. 现场环境挑战车间内存在金属粉尘、电磁干扰，机器人需具备防尘（IP54 防护等级）、防震设计，同时需与生产线MES 系统对接，实现标牌数据实时传输。

（二）系统优势分析

1. 效率提升：机器人连续作业无疲劳，焊牌节奏较人工提升 40% -50% ，配合生产线可缩短轧件周转时间 15% 。

2. 成本优化：单套系统可替代3-4 名人工，按年人均成本12 万元计算，年节约成本36-48 万元，设备投资回收期约2 年。

3. 质量保障：视觉识别定位精度 ±1mm ，焊钉焊接压力恒定（50-80N），杜绝人工操作导致的标牌歪斜、漏焊等问题。

三、系统组成与技术规格

（一）硬件系统架构

1. 工业机器人单元采用负载 20kg 的 6 轴机器人（如 ABB IRB 1600），重复定位精度 ±0.05mm ，工作半径 1.2m ，满足 φ 40mm 棒材端面全范围覆盖。机器人手腕集成双工具快换装置，可自动切换焊钉枪与标牌抓手。

2. 视觉识别系统配置 200 万像素工业相机（帧率 30fps）与环形光源，安装于机器人上方，通过 Halcon 视觉软件处理图像，实现棒材端面边缘检测、焊牌点定位（误差 ⩽0.5mm ），适应 300^∘C 高温下的图像采集（相机需加装水冷套）。

3. 焊钉供给与焊接单元双送钉系统（一备一用），单个料仓容量 > 2000 粒，采用振动盘 + 直线导轨送料，卡钉率 ⩽0.05% ；焊钉枪集成压力传感器，实时监测焊接压力，确保焊钉穿透标牌并与棒材牢固结合（拉脱力 ⩾50N ）。

4. 标牌打印与整理单元双纸标签打印机（如 Zebra ZT610），支持耐高温标签纸（耐温 ⩾350^∘C ），打印分辨率 300dpi ；整理平台采用倾斜式设计（倾角15°），配合光电传感器，杜绝标签弯曲卡顿。

（二）电气与控制系统

1. 控制柜配置采用西门子 S7-1500 PLC 为主控制器，集成机器人控制器、视觉处理单元与I/O 模块；控制柜具备IP54 防护，内部安装空调（温控 25±5^∘C ），应对车间高温环境。

2. 通讯协议通过 OPC UA 协议与 MES 系统对接，实时获取标牌数据（包含炉号、规格、重量等）；与生产线PLC 采用Profinet 通讯，实现链条输送与焊牌动作的连锁控制。

（三）软件功能模块

1. 自动运行模块接收 MES 数据→机器人定位棒材端面 $$ 视觉识别焊牌点→取牌→取焊钉→焊接 $$ 完成信号反馈，全流程自动化。

2. 人机交互界面（HMI）12 寸触摸屏支持三种

自动模式：全流程无人干预，适合批量生产；

半自动模式：支持临时修改标牌数据，处理报警后继续运行；

检修模式：独立测试各子系统（如送钉、打印），便于维护。

四、工作流程与技术创新

（一）焊牌工艺流程图

1. 棒材到位检测：链条输送棒材至焊牌区域，接近开关触发定位信号， 链条停止。

2. 视觉定位：相机采集棒材端面图像，计算焊牌点坐标（ x，y，z，θ） ，发送至机器人。

3. 标牌取放：机器人抓手从整理平台吸取标牌，移动至焊牌点上方，调整姿态至垂直于棒材端面。

4. 焊钉焊接：焊钉枪从送钉系统取钉，以 2000rpm 转速 +50N 压力完成焊接，焊接时间 ⩽1.5 秒/ 钉。

5. 循环作业：单捆 2 块标牌焊接完成后，链条继续输送，机器人返回原点等待下一指令。

（二）关键技术创新

1. 双冗余系统设计- 双送钉系统：当主送钉系统卡钉时，机器人自动切换至备用系统，确保连续作业，系统可用性 ⩾99% 。- 双打印机配置：支持“主用 + 备用”模式，单班仅需更换一次标牌，减少停机时间。

2. 高温环境适应性技术 - 机器人关键部件（电机、编码器）采用耐高温油脂（耐温 ⩾120^∘C ），电缆外层包裹防火硅胶管。- 视觉系统加装水冷套（水温 ⩽25% ），确保相机在棒材300℃高温下稳定成像。

3. 智能防错机制- 标牌条码扫描比对：取牌前扫描标牌条码，与MES数据核对，避免错牌（准确率 100% ）。- 焊接压力监测：实时记录每颗焊钉的焊接压力曲线，低于阈值时自动补焊。

五、现场应用与效益分析

（一）安装布局与调试

某钢厂三号线现场布局如图 1 所示，机器人系统安装于撞板对齐称重台后，链条输送线侧边。调试阶段需完成：

1. 标定校准：通过棋盘格标定板校准视觉系统，确保定位误差⩽0.5mm ；

2. 焊接工艺优化 ：针对 φ18-φ40mm 棒材，测试不同直径下的焊接 压力（50-80N）与转速（1500-2500rpm），确定最优参数组合（如 φ25 棒材采用 60N 压力 +2000rpm）。

3.（二）运行数据与效益

1. 效率对比指标 人工焊牌 机器人焊牌 单捆焊牌时间 60-90 秒（两张）⩽45 秒（两张）日作业量 300-400 捆 600-800 捆 错误率 3.2%⩽0.5%

2. 经济效益- 人工成本：替代3 名工人，年节约工资36 万元；- 能耗成本：系统功率 15kW，年耗电量约 10 万度（按 8000 小时 / 年），电费约8 万元，较人工无额外高成本；- 维护成本：年维护费用约 5 万元（含易损件更换），设备寿命按8 年计算，年均摊设备成本15 万元；- 总年收益：36-8-5-15=8 万元，投资回收期约 2.5 年。

3. 社会效益 - 操作环境改善：工人远离高温、粉尘区域，职业健康风险降低 60% ；- 安全事故率：人工焊牌年均 2-3 起轻伤事故，机器人系统投用后实现“零事故”；智能化升级：为工厂数字化管理提供数据接口，支持与ERP 系统集成，实现标牌信息全流程追溯。

六、结论与展望

棒材机器人自动焊牌系统通过工业机器人、视觉识别与自动化控制技术的集成，解决了钢铁生产中人工焊牌的效率与安全瓶颈。现场应用表明，该系统焊牌牢固率 ⩾99.5% ，单捆作业时间缩短 40% ，年节约成本超 30万元，显著提升了生产线智能化水平。

参考文献：

[1] 王磊 ， 李建国 . 工业机器人在钢铁行业的应用现状与发展趋势 [J].机械工程学报 ， 2023， 59（12）： 1-10.

[2] 张恒 ， 赵强 . 基于机器视觉的金属表面缺陷检测技术研究 [J]. 仪器仪表学报 ， 2022， 43（5）： 23-31.