鋅鑄錠碼垛自動生產(chǎn)線運行實踐及優(yōu)化改進(jìn)

吳明華，韓麗軍

（江西銅業(yè)鉛鋅金屬有限公司，江西 九江 332500）

1 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展及國家產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)，電鋅生產(chǎn)日益朝著規(guī)模化和現(xiàn)代化方向發(fā)展，通過引進(jìn)國外先進(jìn)裝備逐步實現(xiàn)全自動機(jī)械化剝鋅［1-2］。作為電鋅生產(chǎn)最后一道工序的鑄錠，技術(shù)發(fā)展相對緩慢，國內(nèi)以江西銅業(yè)鉛鋅金屬有限公司、南方冶煉廠采用的株洲火炬生產(chǎn)的鋅直線鑄錠機(jī)自動化程度最高，實現(xiàn)了陰極鋅片的輸送、融化、鑄錠、碼垛的全過程自動化［3-4］，但仍存在設(shè)備故障率偏高、人工介入頻次高、現(xiàn)場噪音大等問題。因此，完善改進(jìn)鋅鑄錠生產(chǎn)線，進(jìn)一步提升自動化水平，對提高生產(chǎn)效率、降低員工勞動強(qiáng)度和改善作業(yè)環(huán)境具有重要意義。

2 鋅鑄錠碼垛線介紹

鋅鑄錠線采用雙石墨勺四模澆鑄，包含鋅片加料機(jī)、2000kW感應(yīng)電爐、石墨勺、模具、落錠、水冷線、翻錠裝置、機(jī)器人碼垛裝置等。如圖1，鋅片經(jīng)加料機(jī)進(jìn)入感應(yīng)爐融化，石墨勺將融化后的鋅液舀出，澆鑄在模具內(nèi)，經(jīng)一次冷卻碰撞脫模后，鋅錠經(jīng)落錠輥道轉(zhuǎn)向90°進(jìn)入水冷鏈條進(jìn)行冷卻，在水冷鏈條頭部經(jīng)過翻錠下落到推錠平臺，再由推錠氣缸將其推到抓錠平臺，當(dāng)兩塊鋅錠到達(dá)抓錠平臺，光電開關(guān)感應(yīng)，機(jī)器人抓取鋅錠開始碼垛作業(yè)。堆碼好的鋅錠由錠垛輸送機(jī)向前輸送到打包工位打包，打包完畢，錠垛稱重后由叉車叉運入庫。1垛鋅錠12層，共46塊鋅錠，42塊面朝上，頂部4塊背朝上，鋅錠脫模后統(tǒng)一為背朝上，因此1垛鋅錠有42塊需要翻面，4塊不需要翻面，如圖2所示。

圖1 鑄錠線流程圖

圖2 鋅錠垛型圖

3 公司生產(chǎn)現(xiàn)狀

在實際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)節(jié)拍 ≤10.36s，每垛循環(huán)節(jié)拍 ≤238.28s。按要求，鋅錠第一層至第十一層需要翻轉(zhuǎn)擺放，頂層不需翻轉(zhuǎn)直接放置。兩塊鋅錠同時進(jìn)入翻錠機(jī)構(gòu)，才能實現(xiàn)自動翻錠，若兩塊鋅錠不同步，后面的鋅錠則無法進(jìn)入翻錠機(jī)構(gòu)造成卡錠。然而，鋅錠脫模隨機(jī)性較大，很難保證兩塊鋅錠同時脫模，甚至存在不脫模或者提前脫模的情況。鋅錠提前脫模會導(dǎo)致鋅錠正反面存在不確定性，為保證正常連續(xù)生產(chǎn)，翻錠工位需要專人值守，出現(xiàn)卡錠或鋅錠正反不一時及時介入處理。同時，翻錠工位噪音尖銳刺耳，嚴(yán)重影響員工的身心健康。

4 改進(jìn)方案

影響鋅錠脫模的因素較多，每個模具都是一個單獨的個體，因此保證鋅錠同時脫模是一項復(fù)雜而艱巨的工作。從設(shè)備升級改進(jìn)角度考慮，提升設(shè)備的智能化水平，增強(qiáng)設(shè)備在復(fù)雜工況下的識別和應(yīng)對能力至關(guān)重要。

4.1 取消翻錠裝置

延長水冷線，取消翻錠機(jī)構(gòu)和推錠機(jī)構(gòu)，機(jī)器人直接在水冷線上抓錠，消除翻錠機(jī)構(gòu)卡錠和翻錠產(chǎn)生的噪音。

圖4 改進(jìn)后抓錠工位布局

4.2 水冷線增加抓取工位

鋅錠從水冷線出來后機(jī)器人無法直接抓取，需要將鋅錠頂起給機(jī)器人留出足夠的抓取空間。為保證鋅錠碼放緊湊整齊，還需在前、左、右三個方向安裝校正裝置。

改進(jìn)后的水冷輸送結(jié)構(gòu)組成如圖5所示，包含機(jī)架、輸送鏈條、托盤、頂升氣缸、校正氣缸以及感應(yīng)開關(guān)。在頭部兩塊鋅錠正前方各有一個感應(yīng)開關(guān)，當(dāng)兩個感應(yīng)開關(guān)都接收到信號時，頂升氣缸執(zhí)行上推命令，將放有鋅錠的托盤頂起，到極限位置后，兩側(cè)夾緊氣缸開始動作，對兩塊鋅錠位置校正對齊，以便于機(jī)器人抓取鋅錠。出現(xiàn)兩塊鋅錠到達(dá)頭部的時間不一致時，當(dāng)其中一塊鋅錠提前觸碰到感應(yīng)開關(guān)后，氣缸不執(zhí)行頂起指令，鋅錠在托盤上停留等待，直至第二快鋅錠也觸碰到感應(yīng)開關(guān)，頂升氣缸才開始執(zhí)行頂升動作，有效解決了鋅錠不同步造成的卡錠問題。

圖5 水冷線抓取工位

4.3 夾具增加翻錠功能

翻錠機(jī)構(gòu)取消后，鋅錠無法在鑄錠線上實現(xiàn)翻錠。機(jī)器人夾具需要具備翻轉(zhuǎn)功能。在現(xiàn)有機(jī)器人上安裝一套帶翻錠功能的新夾具，各檢測信號和控制單元與現(xiàn)有PLC、機(jī)器人實現(xiàn)對接。

新夾具結(jié)構(gòu)主要由夾具法蘭盤、基板、夾爪、旋轉(zhuǎn)電機(jī)等組成，翻轉(zhuǎn)鋅錠過程如圖6所示。頂升機(jī)構(gòu)接到信號后頂起鋅錠，機(jī)器人到達(dá)抓取工位，夾爪夾緊鋅錠，完成鋅錠夾持動作。兩個夾爪相互獨立，可以單個執(zhí)行夾緊、松開、旋轉(zhuǎn)翻錠動作。

圖6 夾具旋轉(zhuǎn)翻錠

4.4 自動翻錠結(jié)構(gòu)設(shè)計

單塊鋅錠質(zhì)量為25kg，長度為460mm，寬度為230mm，厚度為50mm 。頂升氣缸要克服兩塊鋅錠和托盤的重力，兩側(cè)推錠氣缸要克服鋅錠在托盤表面的摩擦力。

圖7為頂升機(jī)構(gòu)受力示意圖，兩塊鋅錠置于托盤上，由公式（1）得出所需向上推力為：

圖7 頂升機(jī)構(gòu)受力示意圖

式中：FN為向上的推力；m1、m2分別為兩塊鋅錠的質(zhì)量；m3為托盤質(zhì)量；g為重力加速度，g為9.8m/s2。

為校正鋅錠擺放位置，由公式（2）得出鋅錠所需兩側(cè)推力為：

式中：Ff1、Ff2為鋅錠所受摩擦力，μ 為摩擦系數(shù)；F1、F2分別為兩側(cè)推力。

校正氣缸推力F取F1、F2中較大者，即F=max(F1，F(xiàn)2)。鋅 錠 質(zhì) 量m1、m2都 取 最 大 值25kg，托盤質(zhì)量m3取50kg，代入數(shù)據(jù)得FN=980N，考慮到頂起時的沖擊力和加速度，輸入安全系數(shù)α=2，頂起力為1960N。鋅錠與托盤之間的摩擦系數(shù)取μ=0.4，代入公式（2），得出校正推力F=98N，F(xiàn)為校正氣缸所需推力。所選用的頂升氣缸和校正氣缸需滿足工作要求。

在夾爪夾緊的同時，旋轉(zhuǎn)軸提供扭矩轉(zhuǎn)動，

式中：M為鋅錠翻轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩，IC為轉(zhuǎn)動慣量；a為角加速度；m為鋅錠質(zhì)量；h為鋅錠厚度；l為鋅錠寬度；θ為翻轉(zhuǎn)角度；t為翻轉(zhuǎn)所需時間。

鋅錠的厚度和寬度分別為50mm和230mm，質(zhì)量為25kg，代入公式（4）中，得轉(zhuǎn)動慣量IC=0.115kg·m2。機(jī)器人夾具將鋅錠翻轉(zhuǎn)一周時間一般設(shè)置為0.8s，代入公式（5），得角加速度 為a=19.625rad/s2，最 終 代 入 公 式（3），得M=2.26N·m，所選用擺動氣缸力矩需達(dá)到所需計算力矩要求，滿足鋅錠翻轉(zhuǎn)要求。

4.5 增加正反面識別系統(tǒng)

增加一套鋅錠正反面識別系統(tǒng)。在水冷線末端加裝工業(yè)相機(jī)，獲取產(chǎn)線上鋅錠狀態(tài)的實時視頻流，邊緣算力設(shè)備對視頻流進(jìn)行抽幀，并使用部署在設(shè)備上的深度學(xué)習(xí)模型對鋅錠狀態(tài)進(jìn)行判斷，狀態(tài)輸出分為正面朝上/反面朝上，并將狀態(tài)及位置信號發(fā)送給控制器［6］。控制器根據(jù)當(dāng)前鉛鋅垛是否為碼垛前六塊、鋅錠狀態(tài)/位置信號等輸入信息進(jìn)行邏輯判斷，并將動作信號發(fā)送給相應(yīng)的翻錠電機(jī)，實現(xiàn)鋅錠的自動翻面。

圖8 邏輯控制圖

4.6 采用變速澆鑄系統(tǒng)

鋅錠表面的飛邊毛刺是導(dǎo)致機(jī)器人夾具翻錠不順暢或者無法翻錠的主要原因，因此需要從澆鑄源頭控制飛邊毛刺的產(chǎn)生。在澆鑄過程中，模具勻速向前運行，石墨勺殘留的鋅液滴落在模具邊沿，產(chǎn)生飛邊毛刺。采用高低速澆鑄系統(tǒng)減少殘留鋅液低落在模具邊沿，當(dāng)石墨勺澆鑄時模具低速運行，澆鑄完成后模具高速運行，石墨勺迅速提升，完成一個澆鑄循環(huán)。通過現(xiàn)場調(diào)試摸索，確定了最佳運行速度。采用變速澆鑄系統(tǒng)，減少了鋅錠飛邊毛刺產(chǎn)生。改進(jìn)前，一個澆鑄循環(huán)的時間為26s，改進(jìn)后降低至21s。如圖9所示,澆鑄周期縮短20%，鋅錠澆鑄產(chǎn)能由100kt/a提升至120kt/a。

圖9 石墨勺、模具速度

圖10 石墨勺-模具

5 結(jié)論

該鋅熔鑄碼垛自動生產(chǎn)線自2011年投用以來，通過結(jié)合機(jī)器人自動翻錠、鋅錠智能識別、變速澆鑄三項技術(shù)改進(jìn)，大幅降低了生產(chǎn)現(xiàn)場噪音,避免了人工干預(yù)，同時鋅錠外觀質(zhì)量大幅度的提升，生產(chǎn)線的自動化水平也得到了進(jìn)一步的提升，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，為公司完成120kt/a的鋅錠產(chǎn)量任務(wù)提供了保障。