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摘要：功能評測是評價(jià)機(jī)器人作業(yè)能力、保障智能制造生產(chǎn)線設(shè)計(jì)選型合理性的重要環(huán)節(jié)。針對當(dāng)有色金屬澆鑄過程特種機(jī)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(diǎn)，建立了面向有色金屬澆鑄特種作業(yè)機(jī)器人功能評測體系，并以鋅澆鑄生產(chǎn)線為例建立了三個(gè)作業(yè)評測數(shù)學(xué)模型，為行業(yè)智能制造提供借鑒。

關(guān)鍵詞：澆鑄；機(jī)器人；功能評測體系；有色金屬

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日新月異，在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，生產(chǎn)線配置工業(yè)機(jī)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(qiáng)腐蝕的重復(fù)性高強(qiáng)度工作。針對這些生產(chǎn)線配置專門、特殊的作業(yè)機(jī)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(qiáng)烈愿望。然而在原有生產(chǎn)線上，配置特種作業(yè)的機(jī)器人進(jìn)行特殊工藝流程中的某些工序作業(yè)，需要對機(jī)器人作業(yè)工藝與生產(chǎn)工藝流程參數(shù)匹配進(jìn)行匹配。在設(shè)計(jì)、選型后，通過機(jī)器人評測，考察機(jī)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(jià)對象主體覆蓋不完善、性能所需參數(shù)不全面、整機(jī)性能影響機(jī)理與評估方法缺失、評測設(shè)備／方法不能滿足實(shí)際評測需求等問題［２］。因此，建立科學(xué)、完整、準(zhǔn)確的機(jī)器人作業(yè)評測體系，推進(jìn)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)從硬件基礎(chǔ)、基礎(chǔ)制造向智能制造方向轉(zhuǎn)變，以降低產(chǎn)品生產(chǎn)線設(shè)計(jì)周期，達(dá)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(biāo)準(zhǔn)體系［５］與機(jī)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(jī)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(shè)提供借鑒。

１機(jī)器人功能評測體系概述

機(jī)器人功能評測體系，是指機(jī)器人在工作時(shí)，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(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行配置，實(shí)時(shí)狀態(tài)下，全面和準(zhǔn)確地描述機(jī)器人的安全性、可靠性、穩(wěn)定性。同時(shí)要考慮機(jī)器人的不斷提供技術(shù)迭代的發(fā)展性、經(jīng)濟(jì)性及操作性的特性。提供量化的方式，綜合評價(jià)機(jī)器人功能是否完善和可行，為相關(guān)技術(shù)人員提供機(jī)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(gè)層面考慮，如圖１所示。

２功能評測體系總體設(shè)計(jì)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(jī)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(xué)模型評判標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)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(shí)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(jì)性也受到制約。根據(jù)生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，鋅鑄錠智能生產(chǎn)線可集成澆鑄機(jī)器人、扒渣機(jī)器人、修錠機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、噴碼機(jī)器人?；诖酥悄苌a(chǎn)線，建立鋅澆鑄、扒渣、修錠等三個(gè)核心工藝流程的功能評測體系。２．１．１澆鑄機(jī)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(yīng)爐內(nèi)經(jīng)電磁感應(yīng)和電流熱效應(yīng)，熔煉形成熔融態(tài)的金屬液，再經(jīng)澆鑄特種機(jī)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(gè)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(shí)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(shí)際重量，這是澆鑄機(jī)器人的關(guān)鍵控制參數(shù)。要實(shí)現(xiàn)定量澆鑄，需時(shí)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(jī)器人應(yīng)滿足感應(yīng)爐內(nèi)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測和保溫、爐內(nèi)液位精準(zhǔn)控制、及澆鑄出液量控制等要求。這個(gè)過程需要評價(jià)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(jī)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(bào)警和在線提示等功能，若能充分保證人身安全、設(shè)備安全，則為安全性為優(yōu)。（２）穩(wěn)定性：澆鑄過程中，設(shè)備是否具有根據(jù)爐內(nèi)傳感器所測得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的功能，并通過ＰＣ端進(jìn)行信號數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，若突受外界到外影響，澆鑄特種機(jī)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(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行。

２.２扒渣機(jī)器人工藝評測

扒渣機(jī)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(jī)器人作業(yè)效果的優(yōu)劣依據(jù)機(jī)器人扒渣后鋅錠表面質(zhì)量來評價(jià)。抽取生產(chǎn)線上的１００個(gè)經(jīng)過扒渣作業(yè)的錠塊作為評價(jià)樣本，由工業(yè)相機(jī)進(jìn)行拍攝采樣，再進(jìn)行圖像等價(jià)分割，得到圖像信息特征向量，測出與之對應(yīng)圖像的灰度、邊緣、紋理等的特征向量，并與標(biāo)準(zhǔn)的除渣優(yōu)秀的特征向量進(jìn)行比較。（１）安全性：扒渣末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)所攜帶的氧化渣，其溫度高達(dá)幾百攝氏度，若路徑規(guī)劃不合理、機(jī)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(xiǎn)事故的發(fā)生，是可靠性的關(guān)鍵。（２）穩(wěn)定性：判斷扒渣機(jī)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(jì)算偏差值是否合理。運(yùn)行中的扒渣機(jī)器人，是實(shí)時(shí)導(dǎo)入虛擬數(shù)學(xué)模型中，經(jīng)過計(jì)算處理，同時(shí)連續(xù)地修正機(jī)器末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的路徑，使得關(guān)鍵路徑偏差值Ａ始終保持處于一個(gè)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(jī)器人系統(tǒng)經(jīng)過一個(gè)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(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)實(shí)時(shí)測量的相對三維空間坐標(biāo)系，確定最佳能達(dá)修錠機(jī)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(gè)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(shè)置一道修錠工序來對鑄錠進(jìn)行修整。在自動化鑄錠線上普遍采用修錠機(jī)器人完成對鑄錠的修整，修錠機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)含有刀片或打磨頭，在伺服電機(jī)的控制下，帶動末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行修錠，經(jīng)過采用圖像灰度邊緣的階躍效應(yīng)進(jìn)行識別，綜合判斷修錠路徑。同理，將工業(yè)相機(jī)拍照采樣后的圖像進(jìn)行像素等價(jià)分割，得到圖像信息特征向量，即可測出與之對應(yīng)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(jī)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(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行配置，實(shí)時(shí)狀態(tài)下，全面和準(zhǔn)確地描述機(jī)器人的安全性、可靠性、穩(wěn)定性為主要評價(jià)指標(biāo)，建立了量化評價(jià)模型，為相關(guān)技術(shù)人員提供機(jī)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(shè)提供借鑒。

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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(jī)股份有限公司 湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院