基于圖像識別系統(tǒng)的自動剝鋅機(jī)智能剔補(bǔ)板技術(shù)研究

王振啟， 楊支海， 呂艷瓊， 趙曉燕

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 福建 上杭 364200；2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司 會澤冶煉分公司， 云南 會澤 654211；3.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司， 北京 100160)

0 前言

戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源已成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，資源安全也被提升到國家安全的戰(zhàn)略高度[1-2]。鋅金屬作為重要的戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源，廣泛應(yīng)用于國防軍工及高新技術(shù)領(lǐng)域，其供應(yīng)安全具有重要意義[3]。近年來，我國有色金屬行業(yè)進(jìn)入轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展階段，“雙碳”戰(zhàn)略實施為我國有色冶煉行業(yè)帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[4]。智能制造賦能鋅冶煉行業(yè)，助力行業(yè)向低碳、綠色、智能、安全、高效方向轉(zhuǎn)型發(fā)展，實現(xiàn)業(yè)態(tài)重構(gòu)是必然選擇[5]。

當(dāng)前，鋅冶煉行業(yè)延續(xù)粗放式發(fā)展，仍面臨作業(yè)以人工為主，勞動強(qiáng)度大、安全風(fēng)險高、裝備落后能耗高、自動化程度低、無組織排放大，環(huán)保風(fēng)險高等問題[6-8]。雖然國外已經(jīng)研發(fā)出了自動剝鋅裝備，但無法適應(yīng)國內(nèi)復(fù)雜的鋅冶煉工藝，對國內(nèi)工藝“水土不服”，無法實現(xiàn)自動化剝鋅，而且價格昂貴，售后維護(hù)不方便，我國急需開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自動剝鋅裝備[9-10]。目前，國外擁有成熟大極板自動剝鋅機(jī)技術(shù)的公司有保爾沃特(Paul Wurth)、日本三井(MESCO)和西班牙新科銳三家企業(yè)，而國內(nèi)只有幾家院所企業(yè)正在進(jìn)行大極板自動剝鋅機(jī)技術(shù)的研究與開發(fā)。北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司從2010年開始對大極板自動剝鋅機(jī)進(jìn)行研究，承擔(dān)了國家課題《大極板電解與自動剝板系統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程》，掌握了成熟的大極板自動剝鋅機(jī)技術(shù)，并且研制出國內(nèi)首臺套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大極板自動剝鋅機(jī)生產(chǎn)線，打破了國外技術(shù)壟斷，各項技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)超國外進(jìn)口裝備，產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)鑒定達(dá)到國際領(lǐng)先水平。先后在云南馳宏鋅鍺、新疆紫金有色、山東恒邦、金鼎鋅業(yè)等冶煉廠成功應(yīng)用(如圖1所示)，近期研發(fā)出3.6 m2超大極板自動剝鋅生產(chǎn)線并出口俄羅斯鋅冶煉廠，大幅提升了鋅冶煉行業(yè)的自動化裝備水平，引領(lǐng)自動剝鋅機(jī)技術(shù)向大型化、智能化方向發(fā)展。本文基于圖像識別技術(shù)，國內(nèi)首次應(yīng)用到剝鋅生產(chǎn)線的剔補(bǔ)板環(huán)節(jié)，解決了生產(chǎn)過程中不良板的換取剔補(bǔ)難題，實現(xiàn)了不良板的自動剔補(bǔ)，該產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鑒定達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

圖1 大極板自動剝鋅生產(chǎn)線

1 自動剝鋅生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)組成與工作原理

BGRIMM-32型自動剝鋅生產(chǎn)線(如圖2所示)包括自動剝鋅生產(chǎn)線上部剝鋅刷洗設(shè)備、自動剝鋅生產(chǎn)線下部接鋅碼垛傳輸設(shè)備、液壓和電氣控制系統(tǒng)三部分。自動剝鋅生產(chǎn)線上部剝鋅刷洗設(shè)備由預(yù)剝離設(shè)備、主剝離設(shè)備、陰極板間距調(diào)整設(shè)備、陰極板輸送線、橫向輸送鏈、自動踢板設(shè)備、自動補(bǔ)板設(shè)備、刷洗設(shè)備組成；自動剝鋅生產(chǎn)線下部接鋅碼垛傳輸設(shè)備由溜槽、皮帶輸送機(jī)、碼垛機(jī)、自動稱重、自動噴碼、鏟裝機(jī)構(gòu)、鋅垛輸送鏈組成；液壓和電氣控制系統(tǒng)由液壓站、閥塊組件、傳動柜、控制柜、操作箱、電氣元器件組成。各個設(shè)備協(xié)同配合，實現(xiàn)鋅電解過程自動化剝鋅作業(yè)。

圖2 自動剝鋅生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)組成圖

新疆紫金有色金屬有限公司建成的年產(chǎn)15萬噸鋅電解自動剝鋅生產(chǎn)線如圖3所示，在電解車間布置3臺套自動剝鋅刷洗機(jī)組，實現(xiàn)全自動生產(chǎn)運(yùn)行。

圖3 剝鋅機(jī)組布置圖

自動剝鋅生產(chǎn)線的剝離、刷洗、圖像識別、剔板、補(bǔ)板工作流程，如圖4所示。

圖4 剝鋅系統(tǒng)作業(yè)流程

鋅電解車間的電解槽分為A、B兩個系列，電解周期為48小時。以A列電解槽和對應(yīng)的自動剝鋅生產(chǎn)線為例對剝鋅系統(tǒng)作業(yè)流程進(jìn)行說明。首先，自動天車通過專用吊具將電解槽中的帶鋅陰極板吊裝到對應(yīng)的放板架上(57片)，然后運(yùn)板小車自動運(yùn)行至放板架處，抓取19片陰極板，轉(zhuǎn)運(yùn)至偏跨剝鋅區(qū)域，放置在剝鋅鏈條上，檢測到有陰極板后，剝鋅系統(tǒng)的傳輸鏈條開始步進(jìn)輸送陰極板至預(yù)剝離工作，完成預(yù)剝離作業(yè)后將預(yù)開口的陰極板放置回鏈條，預(yù)剝離作業(yè)同主剝離作業(yè)并行同步進(jìn)行，通過陰極板間距調(diào)整裝卸機(jī)構(gòu)將預(yù)開口的陰極板放置主剝工位下方，進(jìn)行主剝離作業(yè)，同時將主剝離后的陰極板放回至陰極輸送鏈條。下一步對主剝離作業(yè)后的陰極板進(jìn)行圖像識別，判別檢測陰極板表面是否剝離干凈。如果判定合格，將繼續(xù)正常傳輸至橫向輸送鏈，然后由掛取板機(jī)構(gòu)將陰極板放回至刷洗線進(jìn)行陰極板刷洗作業(yè)，再由轉(zhuǎn)運(yùn)小車轉(zhuǎn)運(yùn)回放板架，等待天車將剝離刷洗后的陰極板放回至電解槽進(jìn)行循環(huán)電解，如此循環(huán)，完成自動剝鋅刷洗作業(yè)。同時，主剝離后的鋅片經(jīng)過溜槽由二樓溜到一樓，方向有豎直方向變?yōu)樗竭\(yùn)動，依靠自身慣性滑入至傳輸皮帶，通過皮帶輸送至碼垛機(jī)，然后進(jìn)行碼垛，碼垛完成傳輸至自動稱重工位稱重，再傳輸至鏟裝工位，等待鏟車轉(zhuǎn)載至熔鑄車間熔鑄作業(yè)。如果主剝離作業(yè)后的陰極板經(jīng)圖像識別系統(tǒng)判斷為不合格陰極板，就會自動啟動剔板和補(bǔ)板作業(yè)。主剝離后的陰極板由剔板小車將不合格陰極板剔除至剔板鏈條上，同時補(bǔ)板小車會將補(bǔ)板鏈條上合格的陰極板回補(bǔ)到橫向輸送鏈上，確保不空板連續(xù)自動化運(yùn)行，避免了人工干預(yù)，從而實現(xiàn)自動剝鋅生產(chǎn)線的高效安全運(yùn)行。

2 剝鋅機(jī)自動剔補(bǔ)板機(jī)構(gòu)工作原理分析

剔板機(jī)構(gòu)用于將剝鋅傳輸鏈上的合格陰極板，掛到橫向鏈設(shè)備的掛勾上，為陰極板橫向轉(zhuǎn)移奠定基礎(chǔ)；或?qū)⒉涣及逄蕹教薨彐溕希瑢崿F(xiàn)對不良板的剔除操作。補(bǔ)板機(jī)構(gòu)用于將橫向鏈設(shè)備掛勾上的陰極板取下并放到刷洗傳輸鏈設(shè)備上，實現(xiàn)陰極板通過傳輸鏈向刷洗機(jī)的傳輸；或?qū)⒑细耜帢O板從補(bǔ)板鏈補(bǔ)充到刷洗傳輸鏈設(shè)備上，實現(xiàn)對合格陰極板的補(bǔ)板操作。

剔板機(jī)構(gòu)與補(bǔ)板機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，僅是設(shè)備運(yùn)行方向不同，下面以剔板機(jī)構(gòu)為例說明裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理。

2.1 自動剔板機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成

剔板機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。剔板機(jī)構(gòu)主要由設(shè)備底座、升降裝置、升降和水平油缸、小車底盤、導(dǎo)向裝置組成。其中設(shè)備底座與廠方土建預(yù)埋件固定連接，小車底盤下方設(shè)計由4個滾輪，可以在設(shè)備底座上表面的V型導(dǎo)軌上前后移動，實現(xiàn)水平方向的運(yùn)行。豎直方向經(jīng)升降裝置實現(xiàn)，通過導(dǎo)向筒導(dǎo)向，油缸伸縮實現(xiàn)豎直方向的運(yùn)行，水平方向和豎直方向移動的驅(qū)動力均通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動油缸實現(xiàn)。升降裝置的上部設(shè)計有兩個舉升叉板，叉取陰極板上部導(dǎo)電梁的兩端，然后配合剔板機(jī)構(gòu)實現(xiàn)水平移動和升降裝置的上下移動，從而實現(xiàn)陰極板的掛板作業(yè)或自動剔板功能。

圖5 自動剔板機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖

剔板機(jī)構(gòu)上傳感器安裝圖如圖6所示，設(shè)計有6個感應(yīng)條和6個接近開關(guān)，實時監(jiān)測實現(xiàn)自動運(yùn)行。

圖6 剔板機(jī)構(gòu)傳感器安裝圖

2.2 自動剔板機(jī)構(gòu)工作過程與原理

剔板機(jī)構(gòu)的作用是將剝鋅傳輸鏈設(shè)備上的不良板剔除到剔板鏈上，實現(xiàn)對不良板的自動剔除操作。

(1)初始位置

剔板機(jī)構(gòu)處在初始位置情況如圖7所示。小車底盤停靠在剔板機(jī)構(gòu)的左端位置處，升降裝置處在下落底部位置，延長縱向鏈右端接近開關(guān)1上有陰極板，接近開關(guān)1有信號，該陰極板在叉板叉口的正上方；剔板鏈鏈輪軸正上方的鏈條齒槽處已空出位置，該處接近開關(guān)2無信號，可以接收陰極板；橫向鏈設(shè)備掛板工位光電開關(guān)無信號，橫向鏈設(shè)備掛板工位的掛鉤上沒有陰極板。剔板作業(yè)過程首先是舉升陰極板，然后水平移動陰極板，再下放陰極板，最后回到初始位置。

圖7 自動剔板機(jī)構(gòu)處在初始位置

(2)剔板機(jī)構(gòu)舉升作業(yè)

檢測到舉升信號，液壓系統(tǒng)驅(qū)動升降油缸使升降裝置上升，直至升降裝置的中間位置，叉板上升后叉口舉起延長縱向鏈上最右側(cè)的陰極板，剔板機(jī)構(gòu)處在中位舉升位置如圖8所示。此時陰極板已經(jīng)脫離開鏈條，可以進(jìn)行水平方向移動。

圖8 剔板機(jī)構(gòu)處在舉升位置

(3)剔板機(jī)構(gòu)水平移動作業(yè)

檢測到水平移動信號，液壓系統(tǒng)驅(qū)動水平牽引油缸使小車底盤向右移動，運(yùn)行至水平方向的右端位置，如圖9所示。此時小車舉升叉板的叉口將陰極板移動到剔板鏈接近開關(guān)2的正上方，為剔板做好準(zhǔn)備。

圖9 剔板機(jī)構(gòu)處在水平移動的右端位置

在剔板小車水平移動陰極板后，剝鋅傳輸鏈向右傳送一步(180 mm)陰極板，接近開關(guān)1有信號，為剔板小車下一次剔板做好準(zhǔn)備。

(4)剔板機(jī)構(gòu)下放作業(yè)

檢測到下降信號，液壓系統(tǒng)驅(qū)動升降油缸使升降裝置降至最低位置，叉口承載的陰極板就被放置在剔板鏈的鏈條上，如圖10所示。此時接近開關(guān)2檢測到陰極板，剔板鏈向前進(jìn)一步，空出接近開關(guān)2上方位置，為下次接收剔出的陰極板做好準(zhǔn)備。

圖10 剔板機(jī)構(gòu)處在下降位置

(5)回歸初始位置

檢測到水平移動信號，液壓系統(tǒng)驅(qū)動水平油缸使小車底盤向左運(yùn)動，運(yùn)行至左端位置。此時剝鋅傳輸鏈也完成向右一倍間距的移動，將陰極板移動到叉板叉口的正上方，此時接近開關(guān)1有信號，為下次掛板(剔板)小車剔板做好準(zhǔn)備。掛板(剔板)小車回到左端初始位置如圖11所示，掛板(剔板)小車經(jīng)過上述移動過程，實現(xiàn)陰極板從剝鋅傳輸鏈到剔板鏈的剔板作業(yè)。

圖11 剔板機(jī)構(gòu)左側(cè)初始位置

對于設(shè)置在刷洗線的補(bǔ)板機(jī)構(gòu)來說，其與設(shè)置在剝鋅線的剔板機(jī)構(gòu)工作原理相同，只是補(bǔ)板機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方向與剔板機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方向正好相反。通過補(bǔ)板機(jī)構(gòu)的反向移動過程，可以實現(xiàn)從補(bǔ)板鏈到刷洗傳輸鏈的補(bǔ)板操作。

3 自動剔補(bǔ)板機(jī)構(gòu)液壓工作原理分析

剔板機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)用來對剔板機(jī)構(gòu)的小車底盤和升降裝置的運(yùn)動進(jìn)行控制，實現(xiàn)陰極板移載動作的平穩(wěn)和快速。剔板機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)與間距調(diào)整設(shè)備的液壓系統(tǒng)基本相同，不同之處僅為油缸行程不同，其工作原理是相同的，而補(bǔ)板機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)與剔板機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)完全相同，如圖12所示。

圖12 剔補(bǔ)板機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)

4 應(yīng)用實例

目前，北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司研制的帶有圖像識別系統(tǒng)的大極板智能剝鋅生產(chǎn)線及自動剔補(bǔ)板機(jī)構(gòu)在國內(nèi)外鋅冶煉企業(yè)得到成功應(yīng)用，實現(xiàn)了剝鋅刷洗生產(chǎn)線的自動化、智能化及無人化。比如新疆紫金有色金屬有限公司、云南馳宏鋅鍺會澤冶煉分公司等企業(yè)，現(xiàn)場應(yīng)用圖如圖13所示。

圖13 新一代大極板自動剝鋅機(jī)組現(xiàn)場應(yīng)用圖

5 結(jié)論

(1)針對國內(nèi)外鋅冶煉行業(yè)現(xiàn)狀及存在的弊端，北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司研制了全新一代大極板自動剝鋅機(jī)組，由機(jī)械剝鋅替代人工剝鋅機(jī)，實現(xiàn)了剝鋅的自動化、智能化、無人化。

(2)研究介紹了全新一代大極板自動剝鋅機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，具有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

(3)針對生產(chǎn)過程中不良板換取勞動強(qiáng)度大、效率低、安全性低等弊端，國內(nèi)外首次提出了一種全新的大極板剝鋅機(jī)自動剔補(bǔ)板機(jī)構(gòu)，并對其工作過程和液壓控制原理進(jìn)行分析，為智能剝鋅技術(shù)發(fā)展提供理論參考和技術(shù)支持。

(4)該技術(shù)在國內(nèi)知名企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，工業(yè)應(yīng)用效果遠(yuǎn)超進(jìn)口設(shè)備及國內(nèi)同行，經(jīng)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鑒定，技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。