張 帥，儀登利

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

在熱軋鋼卷的生產(chǎn)過程中，為方便生產(chǎn)廠家追蹤產(chǎn)品質(zhì)量，使用戶了解產(chǎn)品的相關(guān)信息，產(chǎn)品出廠前一般在其上打碼標(biāo)明生產(chǎn)代號、產(chǎn)品規(guī)格、材質(zhì)、質(zhì)量、鋼的爐號和生產(chǎn)日期等[1]。傳統(tǒng)的熱軋鋼卷生產(chǎn)線一般采用人工打碼，當(dāng)熱軋鋼卷隨著傳送帶運(yùn)動過來后，由鋼廠員工攜帶打碼器進(jìn)行現(xiàn)場打碼。這種方法不嚴(yán)重影響了熱軋鋼卷的生產(chǎn)效率，而且由于員工的長時間勞動，還會在打碼過程中出現(xiàn)打錯碼、打偏碼甚至更嚴(yán)重的會漏掉對一些鋼卷的打碼，造成該卷產(chǎn)品信息的無法追蹤，這些問題都會對鋼廠造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，由于鋼卷本身具有高溫，造成了現(xiàn)場的工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，增加了員工的安全隱患[2]。本文針對此問題，設(shè)計了一套熱軋鋼卷自動激光打碼系統(tǒng)，采用機(jī)器人代替人工來完成打碼，實(shí)現(xiàn)整個打碼系統(tǒng)的自動化。

1 打碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

熱軋鋼卷自動激光打碼系統(tǒng)的設(shè)備主要由機(jī)器人、激光打碼機(jī)（帶防護(hù)罩）、安全防護(hù)欄、行程開關(guān)、上位機(jī)等，如圖1 所示。

機(jī)器人是打碼的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的控制系統(tǒng)是機(jī)器人控制柜，其與上位機(jī)和行程開關(guān)相連。激光打碼機(jī)安裝在機(jī)器人前端，并安裝有防護(hù)罩。行程開關(guān)有4 個，安裝在激光打碼機(jī)前端，用于機(jī)器人定位打碼位置。上位機(jī)主要功能是監(jiān)控機(jī)器人與激光打碼機(jī)的運(yùn)行過程和獲取激光打碼機(jī)所需要的碼，其獲取碼的方式有兩種，一種是操作人員在工控機(jī)上人工輸入所要打的碼，另一種是通過TCP/IP 協(xié)議與鋼廠MES 系統(tǒng)通訊，從數(shù)據(jù)庫取得碼。安全防護(hù)欄主要起防護(hù)作用，平時禁止非相關(guān)人員活動。激光打碼工作流程如圖2 所示，首先上位機(jī)接收到鋼廠MES 系統(tǒng)的編碼信息，并將需要打的碼傳遞給激光打碼機(jī)，激光打碼機(jī)等待打碼開始信號，待到鋼卷運(yùn)動到指定位置后，傳送帶停止，機(jī)器人對鋼卷打碼位置進(jìn)行定位，然后激光打碼機(jī)進(jìn)行打碼，打碼完成后，機(jī)器人回到原點(diǎn)，工控機(jī)與打碼機(jī)清空以完的成碼信息，準(zhǔn)備下一條要打的碼。

圖1 自動打碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 打碼工作流程圖

2 打碼系統(tǒng)硬件設(shè)計

本打碼系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括激光打碼機(jī)、機(jī)器人、上位機(jī)、行程開關(guān)和各種通訊模塊。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 通訊結(jié)構(gòu)架構(gòu)圖

上位機(jī)采用性能穩(wěn)定的工業(yè)控制計算機(jī)，通過工業(yè)網(wǎng)與機(jī)器人和激光打碼機(jī)建立連接，當(dāng)接收鋼卷到位是指令后，將從鋼廠MES 系統(tǒng)獲取的編碼信息傳送到激光打碼機(jī)，同時遠(yuǎn)程控制機(jī)器人進(jìn)行打碼定位的過程。最重要的是，根據(jù)現(xiàn)場要求，設(shè)計了一套加載于上位機(jī)的人機(jī)界面程序，該程序能實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人與激光打碼機(jī)的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控，這樣就可以通過上位機(jī)更加方便的執(zhí)行各種操作與監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)[3]。

機(jī)器人采用的是ABB公司的IRB-6700-514464，該系列機(jī)器人是ABB 公司新型大功率的機(jī)器人，與之前版本相比更為穩(wěn)健，是150-300 kg 負(fù)載等級中性能最好且總體擁有成本（TCO）最低的機(jī)器人，可應(yīng)用于各種行業(yè)的重物搬運(yùn)作業(yè)。上位機(jī)與其之間通TCP/IP 協(xié)議連接到機(jī)器人控制柜，機(jī)器人本體與控制柜之間過數(shù)據(jù)電纜和動力電纜相連，行程開關(guān)與其之間通過I/O 接口連接，根據(jù)四個行程開關(guān)反饋的信息，來幫助機(jī)器人完成定位。

激光打碼機(jī)采用的是晨皓達(dá)公司的CHD-T30（30 W）光纖打碼機(jī)，該打碼機(jī)機(jī)采用進(jìn)口光纖激光器，擁有輸出功率穩(wěn)定、打碼速度快，工作效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且與上位機(jī)之間只需要USB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸方式簡單快捷。

3 打碼系統(tǒng)軟件設(shè)計

本打碼系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括編寫ABB 機(jī)器人的驅(qū)動程序以及用C#語言開發(fā)打碼系統(tǒng)的人機(jī)界面。

3.1 機(jī)器人驅(qū)動程序

機(jī)器人驅(qū)動程序是在 ABB 公司提供的robotstudio 軟件上進(jìn)行編寫，其采用的編程語言為RAPID 語言。該語言具有一般計算機(jī)高級語言的特點(diǎn)，擁有很強(qiáng)的可讀性，該語言不僅有許多內(nèi)部函數(shù)可供選擇，還包含了機(jī)器人工作過程的所有狀態(tài)，利用該語言可以讓機(jī)器人根據(jù)編好的程序重復(fù)進(jìn)行一些動作[4]。根據(jù)采用定位策略，其控制流程圖如圖4 所示。首先把四個行程開關(guān)按順時針順序進(jìn)行編號并分成兩組，它們的號碼分別是1、2、3、4，對應(yīng)是變量分別為di1、di2、di3、di4，其中1、4 為A組2、3 為B組。在A、B 兩組中如果有一個行程開關(guān)觸發(fā)則該組的位置信號就置位1，其情況如圖3 所示，當(dāng)每個行程開關(guān)一個有接觸時，則該行程開關(guān)信號的置位1。

（1）機(jī)器人控制柜接收到打碼系統(tǒng)上位機(jī)的開始打碼信號后，機(jī)器人程序開始啟動。

（2）調(diào)整激光打碼機(jī)的位置，使之與鋼卷垂直。

（3）器人開始以向前加速運(yùn)動，距離熱軋鋼卷200 mm 處機(jī)器人開始減速繼續(xù)前進(jìn)，直到有一個行程開關(guān)觸發(fā)后，機(jī)器人停止。

（4）判斷A、B 兩組信號是否都觸發(fā)，如果是，則機(jī)器人停止，并向打碼系統(tǒng)的上位機(jī)發(fā)送到位信號。

（5）如果否，再判斷A組信號是否為1，如果是，則機(jī)器人以1、4 為軸向左轉(zhuǎn)，直到B組信號觸發(fā)，機(jī)器人停止，如果否，則機(jī)器人以2、3為軸向右轉(zhuǎn)，直到A組信號觸發(fā)，機(jī)器人停止，

（6）如此循環(huán)到AB 兩組信號都觸發(fā)，則機(jī)器人停止，并向打碼系統(tǒng)的上位機(jī)發(fā)送到位信號。

圖4 機(jī)器人程序控制流程圖

3.2 打碼系統(tǒng)人機(jī)界面

該打碼系統(tǒng)的人機(jī)界面主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的兩個功能，一是打碼系統(tǒng)工作過程的實(shí)時監(jiān)控，二個是編碼信息的獲取與傳遞。

打碼系統(tǒng)工作過程的實(shí)時監(jiān)控包括對ABB 機(jī)器人的連接狀態(tài)、激光打碼機(jī)的連接狀態(tài)以及系統(tǒng)啟停的指示燈顯示，同時還有對顯示機(jī)器人、激光打碼機(jī)和行程開關(guān)的工作狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控，以及對機(jī)器人的空間坐標(biāo)和與各設(shè)備通過以太網(wǎng)實(shí)時通訊狀態(tài)進(jìn)行同步顯示。另外對于操作模式的選擇系,統(tǒng)提供了手動和自動兩種操作模式，自動模式是主要模式，一般系統(tǒng)正常運(yùn)行時都是此模式，手動模式是輔助模式，其主要是針對完成一些特殊的打碼要求，增大大打碼系統(tǒng)的使用范圍。當(dāng)打碼系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會根據(jù)故障代碼彈出相應(yīng)的報警彈窗顯示報警信息。

對于編碼信息的獲取有兩種方式，一種是手動模式下，有操作人員在上位機(jī)上人工輸入所要打的碼，其中輸入信息包括牌號、規(guī)格、爐號、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)等，另一種是在自動模式下，上位機(jī)通過TCP/IP協(xié)議與鋼廠數(shù)據(jù)庫相連，從鋼廠數(shù)據(jù)庫中獲得編碼信息。對于編碼信息的傳遞，主要是把接收到上述編碼信息，自動生成的對應(yīng)條形碼和二維碼輸出到激光打碼機(jī)的EZCad 軟件，完成編碼信息的轉(zhuǎn)換與傳遞功能。

4 通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

本文系統(tǒng)通訊主要分為兩部分，其分別為上位機(jī)與ABB 機(jī)器人的通訊和上位機(jī)與鋼廠的MES 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的通訊。其中由于ABB 的機(jī)器人、上位機(jī)、鋼廠MES 系統(tǒng)之間的應(yīng)用軟件都相互獨(dú)立，并且他們之間的接口也不相同，沒有一款合適的上位機(jī)編程軟件能同時協(xié)調(diào)好三者之間的通信問題，因此需要針對此問題重新設(shè)計一套完成是打碼系統(tǒng)人機(jī)界面，在其底層程序開發(fā)中，解決好三款系統(tǒng)軟件之間的通信問題，這成為了本設(shè)計的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

4.1 上位機(jī)與ABB 機(jī)器人的通訊

該系統(tǒng)首先采用 PC SDK(software development kit)在上位機(jī)上設(shè)計 ABB 工業(yè)機(jī)器人的操作界面，實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程程序的變量同步，然后在以 TCP/IP 協(xié)議與 ABB 機(jī)器人控制柜通信，直接通過以太網(wǎng)對遠(yuǎn)程端的機(jī)器人進(jìn)行控制和管理[5]，其結(jié)果如圖5 所示。其設(shè)計方法如下：

（1）獲取或設(shè)置機(jī)器人的robtarget 或path 信息

（2）搭配socket 可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制機(jī)器人的手動運(yùn)行

（3）監(jiān)控示教器的所有錯誤狀況

（4）運(yùn)行或停止機(jī)器人task

（5）設(shè)定或獲取機(jī)器人pers 變量的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與機(jī)器人程序的交互

（6）通過pers 變量修改出發(fā)機(jī)器人程序中斷

（7）修改或讀取機(jī)器人中的數(shù)組數(shù)值

用以上方法設(shè)計上位機(jī)之后，不僅機(jī)器人程序更加簡單，運(yùn)用更加靈活，而且不會降低機(jī)器人使用效率。

圖5 打碼系統(tǒng)上位機(jī)機(jī)器人狀態(tài)顯示圖

4.2 上位機(jī)與鋼廠MES 系統(tǒng)的通訊

該系統(tǒng)是讀取Xml 文件并進(jìn)行上位機(jī)界面的顯示，首先在從鋼廠MES 系統(tǒng)提供的XML 接口獲取編碼信息，然后保存到本地文件夾中，再利用XmlReader 從本地文件夾進(jìn)行XML 文件數(shù)據(jù)訪問，采用這種方法不僅易于Xml 文件讀取，而且讀取速度非?？靃6]。

XmlReader 是一種相對簡潔的解析Xml 文件的方法，其主要是通過識別文檔中的關(guān)鍵元素來完成數(shù)據(jù)解析[7]。它的讀取方式是從文件頂部開始讀取數(shù)據(jù)的，每次讀取一個節(jié)點(diǎn)，讀取Xml 文件的步驟如下。

（1）加載本地獲取的Xml 文件，其程序如下：

（2）建立一個可重復(fù)調(diào)用的循環(huán)。然后從該文件頂部開始逐次讀取數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，其程序如下：

（3）當(dāng)程序運(yùn)行，需要不斷的獲取當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的信息，如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)可讀，則返回True，如果到達(dá)文件最后時，則返回False。其程序如下：

（4）界面顯示，最后把讀取到的數(shù)據(jù)庫編碼信息按照要求顯示到用C#做好的窗體中，其結(jié)果如圖6 所示。

圖6 打碼系統(tǒng)上位機(jī)編碼信息顯示圖

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計完成后，經(jīng)過多月的現(xiàn)場調(diào)試，目前運(yùn)行狀況良好。對每卷熱軋鋼的打碼時間不超過30 s，并且所打的條形碼與二維碼能夠被準(zhǔn)確實(shí)別，完全滿足設(shè)計需求。