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摘要：功能評測是評價機器人作業能力、保障智能制造生產線設計選型合理性的重要環節。針對當有色金屬澆鑄過程特種機器人作業需求，結合澆鑄過程所涉及的澆鑄、扒渣、修錠等工藝流程特點，建立了面向有色金屬澆鑄特種作業機器人功能評測體系，并以鋅澆鑄生產線為例建立了三個作業評測數學模型，為行業智能制造提供借鑒。

關鍵詞：澆鑄；機器人；功能評測體系；有色金屬

工業機器人技術日新月異，在各行業得到廣泛應用，生產線配置工業機器人，形成柔性、高效的智能化生產線已成為現代智能制造發展方向［１］，在銅、鉛、鋅等有色金屬冶煉、澆鑄行業，車間生產往往為高溫、大粉塵、強腐蝕的重復性高強度工作。針對這些生產線配置專門、特殊的作業機器人，替代人力，不僅可以提高生產效率，還可以將人從惡劣生產環境解脫出來，以此為例，已成為諸多行業強烈愿望。然而在原有生產線上，配置特種作業的機器人進行特殊工藝流程中的某些工序作業，需要對機器人作業工藝與生產工藝流程參數匹配進行匹配。在設計、選型后，通過機器人評測，考察機器人是否滿足安全性、可靠性、穩定性要求。然而針對新事物，往往出現評價對象主體覆蓋不完善、性能所需參數不全面、整機性能影響機理與評估方法缺失、評測設備／方法不能滿足實際評測需求等問題［２］。因此，建立科學、完整、準確的機器人作業評測體系，推進行業轉型升級，實現從硬件基礎、基礎制造向智能制造方向轉變，以降低產品生產線設計周期，達到優質、高效的智能制造［３］，并不斷提高柔性化水平［４］。本文借鑒數字孿生標準體系［５］與機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機器人的功能評測體系，為有色金屬澆鑄行業智能制造生產線建設提供借鑒。

１機器人功能評測體系概述

機器人功能評測體系，是指機器人在工作時，根據相關工藝流程與技術要求，以確定物理參數、運行環境、運行配置，實時狀態下，全面和準確地描述機器人的安全性、可靠性、穩定性。同時要考慮機器人的不斷提供技術迭代的發展性、經濟性及操作性的特性。提供量化的方式，綜合評價機器人功能是否完善和可行，為相關技術人員提供機器人選型和判斷的重要支撐和理論依據。因此，評測體系從兩個層面考慮，如圖１所示。

２功能評測體系總體設計及分析

２．１功能評測體系建立

以鋅錠鑄錠生產過程為例，研究特種作業機器人的功能評測體系。依據鋅錠鑄錠工藝流程特征，建立數學模型評判標準。鋅鑄錠生產過程可以描述為：通過電解沉淀法得到鋅皮，鋅皮在５００±２０℃高溫熔化后，澆鑄成一定尺寸規格的錠塊進行商品流通。因電解沉淀工藝限制，鋅皮中含有約０．０５％的雜質，同時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，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、貼簽等作業工序。這些生產流程中，傳統的生產線上人工參與過多，產品質量穩定性難以保證，其生產安全性和經濟性也受到制約。根據生產工藝特點，鋅鑄錠智能生產線可集成澆鑄機器人、扒渣機器人、修錠機器人、碼垛機器人、噴碼機器人?；诖酥悄苌a線，建立鋅澆鑄、扒渣、修錠等三個核心工藝流程的功能評測體系。２．１．１澆鑄機器人工藝評測圖２澆鑄工藝評測結構鋅原材料在感應爐內經電磁感應和電流熱效應，熔煉形成熔融態的金屬液，再經澆鑄特種機器人澆鑄至模具，從而形成的鑄錠塊。鑄錠塊質量主要受溫度和出液量兩個因素的影響。不同溫度下金屬液的冷卻速度不同，它影響鑄錠成型時的外觀、鑄錠內部結晶質量；澆鑄的出液量決定鑄錠的實際重量，這是澆鑄機器人的關鍵控制參數。要實現定量澆鑄，需時刻維持爐內及澆鑄口溫度的動態平衡。因此澆鑄特種工藝機器人應滿足感應爐內溫度實時監測和保溫、爐內液位精準控制、及澆鑄出液量控制等要求。這個過程需要評價的相關參數如圖２所示，要關注安全性、穩定性、可靠性。（１）安全性：該機器人是否具備在高溫的作業環境，溫度控制不可或缺，保證爐內溫度和爐內熔融態的金屬液量處于動態平衡的能力。若超出動態平衡所允許的偏差值，是否擁有緊急報警和在線提示等功能，若能充分保證人身安全、設備安全，則為安全性為優。（２）穩定性：澆鑄過程中，設備是否具有根據爐內傳感器所測得的實時數據的功能，并通過ＰＣ端進行信號數據處理，并進行自適應調節，若突受外界到外影響，澆鑄特種機器人能否快速回到原來的平衡狀態，以保證的特種作業機器人穩定運行。

２.２扒渣機器人工藝評測

扒渣機器人是通過視覺識別技術，結合仿生結構的末端執行器來模擬人工扒渣的過程裝備。扒渣機器人作業效果的優劣依據機器人扒渣后鋅錠表面質量來評價。抽取生產線上的１００個經過扒渣作業的錠塊作為評價樣本，由工業相機進行拍攝采樣，再進行圖像等價分割，得到圖像信息特征向量，測出與之對應圖像的灰度、邊緣、紋理等的特征向量，并與標準的除渣優秀的特征向量進行比較。（１）安全性：扒渣末端執行機構所攜帶的氧化渣，其溫度高達幾百攝氏度，若路徑規劃不合理、機械手臂速度節拍不協調，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，有效避免危險事故的發生，是可靠性的關鍵。（２）穩定性：判斷扒渣機器人在扒渣過程中的穩定性，需根據視覺傳感器及現場監測儀器，綜合對比計算偏差值是否合理。運行中的扒渣機器人，是實時導入虛擬數學模型中，經過計算處理，同時連續地修正機器末端執行機構的路徑，使得關鍵路徑偏差值Ａ始終保持處于一個相對平衡的狀態，若受到外界突然作用的影響，扒渣特種機器人系統經過一個較短的過渡過程仍然能夠回到原來的平衡狀態，以保證扒渣特種作業機器人穩定運行。根據實時測量的相對三維空間坐標系，確定最佳能達修錠機器人工藝評測高溫熔融態的有鋅液，經澆鑄、扒渣、冷卻后，在模具槽里形成固態有色金屬鑄錠塊。由于澆鑄整個工藝流程中，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，從而產生飛邊和毛刺。飛邊和毛刺不僅直接影響了鑄錠的表面質量還可能影響模具的耐用性，所以必須設置一道修錠工序來對鑄錠進行修整。在自動化鑄錠線上普遍采用修錠機器人完成對鑄錠的修整，修錠機器人的末端執行機構含有刀片或打磨頭，在伺服電機的控制下，帶動末端執行機構進行修錠，經過采用圖像灰度邊緣的階躍效應進行識別，綜合判斷修錠路徑。同理，將工業相機拍照采樣后的圖像進行像素等價分割，得到圖像信息特征向量，即可測出與之對應圖像的灰度、邊緣、紋理等的特征向量。

３總結

以鋅鑄錠過程機器人作業為例，根據相關工藝流程與技術要求，以確定物理參數、運行環境、運行配置，實時狀態下，全面和準確地描述機器人的安全性、可靠性、穩定性為主要評價指標，建立了量化評價模型，為相關技術人員提供機器人選型和判斷提供了重要支撐和理論依據，可為有色金屬澆鑄行業智能制造生產線建設提供借鑒。

參考文獻：

［１］曲道奎．中國機器人產業發展深度思考———機遇與挑戰［Ｊ］．機器人產業，２０１９（０５）：６７－７１．

［２］李本旺，吳曾萍，王茂林，冉坤．工業機器人性能測評體系研究綜述［Ｊ］．現代制造工程，２０２０（０９）：１４９－１５５．

［３］王冠，焦禮靜，王惠明，楊雅娟，王琿，朱曉華．鋼鐵行業智能制造技術發展現狀［Ｊ］．環境工程，２０２０，３８（１２）：１７３－１７６＋１３７．

［４］孫鳳元．汽車焊裝車間柔性化生產線的應用研究［Ｊ］．中國設備工程，２０１９（１１）：１５９－１６０．

［５］本刊編輯部．《國家智能制造標準體系建設指南（２０２１版）》發布［Ｊ］．智能制造，２０２１（０６）：９．

［６］宋奇．基于ＲＯＳ的手部運動功能評測及康復訓練系統設計［Ｄ］．鄭州大學，２０１９．

［７］張希明．面向新型域控架構的網關控制器硬件設計及其功能評測系統開發［Ｄ］．吉林大學，２０２１．·５６·

作者：鄭正國 胡馨丹 張勇 武利沖 吳紅丹 姜業龍 陳歡 單位：株洲天橋起重機股份有限公司 湖南省特種設備檢驗檢測研究院