自动焊标牌系统在棒材生产线上的创新应用

胡寅峰，苏 炜，张 晨，张 骁

(1.马钢股份公司特钢公司 安徽马鞍山 243000；
2.爱智机器人(上海)有限公司 上海 200000)

棒材成品经过打捆和称重后，需要在捆包端头焊接上含有相关产品信息的标牌，以便后续进行产品识别和物料追踪。长期以来，捆包标牌焊接作业由人工来完成，属于典型的“3D”作业(Dangerous、Dirty、Difficult)。人工焊标牌作业不仅容易出现错焊、漏焊、焊接不牢等问题，而且由于棒材捆包温度高，还存在一定的安全隐患。

伴随钢铁产业升级脚步不断加快和智能制造的蓬勃兴起，利用机器取代人工作业成为大势所趋[1]，不少钢铁企业就在自动焊标上进行了尝试。目前国内的一些棒材厂所实施的自动焊牌系统基本只能通过机器人完成单一的焊牌作业流程[2]，未实现捆包支数的自动检测，仍需人工计数核对才能确保标牌上捆包支数的正确。

针对上述问题，设计并投用了一种全自动焊标牌系统。该系统以六轴工业机器人为核心，辅以视觉检测技术和焊标牌相关装置，自动识别出捆包中的棒材支数，通过与棒材生产线自动化、信息化系统进行数据交互，打通数据孤岛，准确获取捆包批号信息和重量信息并自动进行标牌打印，实现高效率、高质量自动焊接作业，消灭了焊标牌作业的“3D”属性，提升了产线智慧制造水平。

自动焊标牌系统主要由六轴工业机器人、整理平台、视频监控系统、电气控制柜组成。

图1 自动焊标牌系统结构图

1.1 六轴工业机器人

六轴工业机器人是自动焊标牌系统的核心，包含了机器人本体和机器人控制柜两大部分，其主要功能是通过安装在机器人本体上的工具完成焊钉夹取、标牌拾取、焊接位置扫描、标牌焊接。

1.2 整理平台

整理平台位于六轴工业机器人旁，平台配备有送钉机、标签打印机和焊机各2台，能够实现一用一备。当其中一台设备出现故障时，系统能够自动切换使用备用设备，大大提高了系统的工作稳定性。

送钉机由焊钉振动盘、移载台、直线导轨组成。通过振动控制器对振动盘和直线导轨进行控制，从而实现焊钉的位移。此外，在移载台和直线导轨上，配备了用于焊钉检测的光电开关，用于实现焊钉位置检测，以便六轴机器人能够获取焊钉信息，及时进行焊钉夹取。标签打印机在自动焊标牌系统获取了棒材捆包相关信息后，进行标牌的打印，并实现标牌的裁切和定位调整。标牌焊接使用的焊机具备串口通讯功能，能够与工控机直接进行串口通讯，将焊机故障信息，焊接参数调整等功能整合到主控界面里，便于操作。

1.3 视频监控系统

视频监控系统高清摄像头、录像机、交换机和安装有监控软件的计算机组成，主要的功能是供操作台的操作人员能够实时监控焊标牌作业是否正常，一旦出现问题能够及时发现，及时处理。

1.4 电气控制柜

电气控制柜为自动焊标牌系统的控制大脑，柜内配备有西门子S7-1500系列PLC，用于焊标牌过程控制；
此外，还配备有一台工控机，用于视觉检测、与棒材生产线自动化、信息化系统进行通信。

视觉检测对于整个系统而言，此部分是非常关键的系统，对于能不能保证焊牌标准，有着极大的保证作用。首先，系统会采集到高清图像，然后对图像做预处理，包括校准和滤波以及二值化等，接着会用到图像分割算法、特征提取算法、边缘检测算法、模式匹配图像分析方法和颗粒分析方法，识别出钢棒的具体位置信息及外形信息，针对采集到的轮廓圆度、亮度信息，进行综合分析，计算出最佳的捆包焊标牌坐标[3]。

棒材捆包被输送到称重位置后，由对射式光电开关检测捆包是否到位。当捆包称重数据稳定后，棒材生产线信息化系统会将该捆包的重量数据、批号数据发送给自动焊标牌系统，自动焊标牌系统将该条记录加入焊接数据列表中。此时自动焊标牌系统就会向棒材生产线自动化系统发送“请求禁止链条、台架运动”信号，棒材生产线自动化系统接收到该信号后，停止相关链条、台架动作，并反馈给自动焊标牌系统“已锁停链条、台架”信号。当自动焊标牌系统收到该反馈，就会触发自动焊标牌流程。具体流程见图2。

马钢股份公司特钢公司优质合金棒材生产线，生产规格Ø16 mm-90 mm 热轧圆钢，品种有合金结构钢、轴承钢、弹簧钢、齿轮钢等，定尺长度 4 m-12 m[4]。该棒材生产线自2020年投用了自动焊标牌系统，该系统最大的创新点就在于通过视觉检测技术，实现了捆包支数的自动识别，真正实现了全流程自动化和无人化。

图2 自动焊标牌流程图

3.1 基于视觉检测的棒材支数识别

当捆包停止在秤重位时，机器人启动3D相机对捆包端面进行扫描，通过多次曝光方式区分棒材端面及棒材间隙阴影，将采集到的图像数据发送给上位机，上位机再通过相关视觉检测算法提取棒材端面特征，从而实现自动识别支数。图像在生成、传输和保存过程中往往会收到多方面的噪声和干扰，比如传感器的噪声、相机的颗粒噪声、信号频道的误差等[5]，一般可通过采用中值滤波器除去大部分噪声。此外，还需要选取合适的阈值对去噪后的图像进行二值化处理，这样就可以将棒材端面从背景中提取出来。

若要保证识别支数的准确性，需采集大量不同直径，不同姿态的棒材端面图像作为素材，通过深度学习让系统具备自学习、自优化功能。

图3 自动焊标牌系统

图4 捆包支数视觉识别

3.2 运行效果

经过不断的完善和优化，目前该自动焊标牌系统的支数识别准确率、焊标牌成功率均达到99%以上，单捆焊标牌时间不超过30秒，满足了产线的生产需求。

具备捆包支数自动识功能的焊标牌系统通过与棒材生产线自动化、信息化系统进行数据交互，能够准确打印标牌信息，焊接效率高，焊接质量好，完全可以取代传统的人工焊标牌作业，有助于提升产线的智慧制造水平。