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    摘要：應用于LF爐的新型機器人自動測溫取樣系統。提升裝置采用鏈式結構，利用機器人外部軸控制槍桿的下降和提升，精度高，控制方便。行走機構采取水平結構，利用機器人外部軸控制機器人的位置，從而使機器人抓取槍頭及裝卸槍頭更加精確。液面檢測裝置利用高性能的傳感器，給不同鋼水液面進行準確定位。彈倉結構簡單，方便人工裝取槍頭。整個系統維護方便，擴展性高。

    關鍵詞：機器人；LF；測溫取樣；激光檢測

    Abstract: LLF refining furnace adopts the new robot automatic thermometric 
sampling system. Hoisting device employs the chain structure, using the robot external axes to control the gun davit up and down, which is in high accuracy and easy to control. The slider employs the horizontal structure, using the robot external axes to control the robot position so that the robot can pick and unload the gun much more precisely. Liquid level detection device uses the high-performance sensor to exactly locate different liquid steel. The structure of the gun storage is simple and convenient for manually picking and loading. The whole system is easy to operate, of convenient maintenance, and of high scalability.

    Key words: Robot; LF; Thermometric Sampling; Laser Detection

    隨著社會的飛速發展和科技的進步 ，機器人已經得到了廣泛的應用，而工業機器人更是機器人大家族中的重要一員。工業機器人集機械、電子、計算機等許多先進技術于一體，自1962年第一臺機器人在美國投入使用以來，已經廣泛應用于制造行業的各個領域，大大提高了勞動生產率，降低工人的勞動強度，提高產品質量。與此同時，隨著工業機器人向更廣更深的方向發展，以及智能化水平的提高，工業機器人已經從傳統制造業推廣到其他的各個行業。

    LF爐(LADLE FURNACE)即鋼包精煉爐，是鋼鐵生產中主要的爐外精煉設備。在首鋼莫托曼開發的機器人自動測溫取樣系統投入使用之前，LF爐的測溫取樣全部由人工完成，人工裝卸槍頭，人工啟動下槍桿。由于每爐的液面高度不同，下槍的相對位置不同，導致測量的結果不穩定，不利于煉鋼過程的質量監督控制，同時人工控制在生產的效率方面也有明顯的不足。基于上述缺陷，設計了機器人自動測溫采樣系統。系統三維總體布置圖如圖1所示。
                

                                      圖1 總體布置圖
    整個系統采用雙工位布置，分別應用于兩個LF煉鋼爐，通過激光測距設備把提升裝置的基準點到液面的距離計算出，待遠程給出測溫、取樣及定氧信號，機器人自動抓取槍頭，通過行走機構把槍頭轉載到提升裝置上，再根據機器人控制提升裝置外部軸，使槍頭下降到測距設備測出的位置，進行測溫、取樣及定氧，通過信號控制，提升裝置上升，機器人開始抓取廢槍，放在廢槍排除槽內，依次循環。

    1 系統布置
           
                        圖2 系統布置圖

       1、MH50機器人 2、廢槍排除裝置 3、提升裝置 4、彈倉 5、機器人控制柜DX100
       6、行走設備  7、液面高度檢測裝置  8、 安全欄等防護裝置 9、現場設備 
    本系統采用雙工位布置，應用于兩個爐位（見圖2）。主要由2臺MOTOMAN-MH50機器人、2套行走機構、2套提升裝置、2套抓手、2套液面高度檢測裝置、2套廢槍排除裝置、2套彈倉和安全欄、1臺工控機及1套電控系統構成。
MH50機器人是日本MOTOMAN最新研制的特別適合于搬運的新型機器人（見圖3）。它的動作速度、精度及可靠性體現了搬運機器人的先進水平。
                    
      MH50機器人配合以MOTOMAN在2010年全新推出的DX100新型機器人控制柜，實現了同級別的最快動作，大大降低了各種應用的生產周期，提高了生產率。尤以慣性矩大的特點，拓展到了搬運領域的應用。同時其超大的工作半徑（2061mm）也保證了在單個爐位三個操作工位均有最佳的姿態。

    由于現場處在高溫、高粉塵及電磁干擾環境下，現場原有的測溫取樣系統，存在人為裝槍困難，測量不準確，勞動力強度大等問題。鋼水在精煉過程中，不同部位的溫度有差異，人工測溫取樣，存在一定不穩定性，操作上很難實現精確定點取樣，最終得到的鋼水溫度不可避免存在偏差。為提高精煉設備的自動化和精細化程度，滿足高質量品種生產的需要。本系統利用先進的機器人替代人為的動作，同時通過機器人控制系統對液面高度進行檢測，使整個系統得到了有效控制。

    此外，針對現場的環境，對機器人、控制柜及外部軸進行了冷卻，使整個系統處于安全的操作環境，提高了系統的安全性。

    2 提升裝置的結構

    本系統設計的專用提升裝置如圖4所示。
                       
                                  圖4   提升裝置
    采用兩個回轉軸，使機器人對兩個槍桿可以分別控制。測溫和取樣頭也可以準確地到達液面下相應位置。
提升裝置有以下特點：
·2個回轉軸均由機器人外部軸電機驅動，定位精度高，滿足機器人協調動作需要；
·工字鋼設計節省了空間，有利于雙槍桿布置；
·手輪的設計，節省了維護時間；
·鉸鏈結構使系統更靈活；
·兩個槍桿為空心結構，便于聯接導線及氮氣冷卻；
·槍桿結構為等直徑圓鋼管結構，便于下槍精確定位。

    3 行走機構

    本系統采用了水平行走機構，這種布置可以實現機器人在三個操作位置的協調動作。由于采用了機器人外部軸伺服驅動，可以精確控制槍頭的抓取和裝卸的角度。

    針對現場的特殊環境，對行走機構的滑塊和導軌進行了有效防護，免于金屬粉塵落在導軌面上，有效地避免了滑塊損壞。

    4 液面高度檢測裝置

    液面高度檢測裝置的設計要點：
采用專門應用于冶金行業的激光測距傳感器，實現鋼水液面高度的測量，根據不同的鋼包液面高度，機器人精確控制提升裝置下槍的深度，提高了測溫取樣的精度。

    測量溫度達到1600℃，測量距離達到20m，測量精度可以達到±10mm。
            
                                圖5  激光測距傳感器
    液面高度檢測裝置的主要特點是：在鋼包到位前先測量鋼水液面的高度，然后精確地控制測溫取樣裝置的位置，保證了溫度取樣數據的合理性。

    5 彈倉

    系統中的彈倉利用機器人變量功能進行編程。槍桿間距利用鋼包蓋的內徑尺寸和提升裝置兩個槍桿之間的間距尺寸確定。因為該系統可以實現三個功能，所以彈倉采取分離式結構，便于機器人抓取槍頭的示教和在彈倉的首端利用傳感器對槍頭進行檢測。

    6 結論

    自動測溫取樣系統是在鋼鐵冶煉行業的第一次應用，也是在國內鋼鐵行業第一次采用機器人進行自動測溫取樣，根據客戶反饋不僅使用效果良好，而且價格低于引進的國外同類型設備，使測量結果可靠穩定。

    本文介紹了一種用于冶金行業的機器人自動測溫取樣系統，著重對系統的布置形式、結構特點、可靠性進行了說明。此系統開辟了機器人在該領域應用的國內先河，在煉鋼自動化領域的突破，標志著在精煉設備自動化、管理精細化上邁出了新的步伐，對提高鋼水溫度控制精度、提高冶煉質量、降低原材料消耗和職工勞動強度等方面具有重要意義。
    摘自《自動化博覽》2010年第十二期