鎳陽極板扭線穿棒設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用

中圖分類號：TF815 文獻標志碼：B 文章編號：1004-4345（2025）02-0029-05

Research and Application of Twisted-Wire Threading Rod Equipment for thePreparationofNickel AnodePlate

HAN Lizhong， FU Shouguo，LYU Dianqiang， ZHANG Jintao， CHU Liangji （Yantai Tongtai Metallurgical EquipmentManufacturing Co.，Ltd.，Yantai，Shandong 264OO2，China）

AbstractAfullautomatictwisted-wire threadingrodequipmentfornickelanodeplatewasdesignedanddevelopedtoaddress theproblemsofloweficiencyhighsafetyhazards，ndunstableproductqualityinmanualoperationduringthepreparationof nickel anode plates.Theequipmentconsistsofcoreunitssuchaspositioningandfeding，automatictwisting，automaticrodthreadingand plateselectionamp;disarging.ItdoptsaintellgensotingssteandROFEdistrbutedcontrolframework，ntegateddamic weighing，3D visual positioning，and mechanical arm linkage technology，and achieves the processobjectives of 90^°（±1^°） precise twistingofcopperwireandcoaxialthreadingofconductiverods（eror≤±.5mm）throughamulti-unitcolaborativecontrol architecture and high-precision servo drive technology.

Keywordsnickel electrolysis;nickelanodeplate；automationequipment;servodrive;twistedwire threadingrod;inteligent sorting

1研發(fā)背景

鎳陽極板作為不銹鋼、動力電池及高溫合金材料等高端產(chǎn)品的原料，其電解工藝過程控制的好壞直接影響電解效率與產(chǎn)品合格率。目前，鎳陽極板生產(chǎn)工藝涵蓋澆鑄、插銅耳線、冷卻、脫模、儲運、穿導(dǎo)電棒及排板上架等工序。其中，插銅耳線與穿導(dǎo)電棒兩道工序需人工完成，會存在以下問題：1存在安全隱患。操作工需在高溫環(huán)境中進行重物搬運與交叉作業(yè)，易發(fā)生生產(chǎn)事故。2）生產(chǎn)效率低。熟練工處理量僅為40＼～50組/h，難以實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。3）成品質(zhì)量不穩(wěn)定。由于人工操作的力度與角度難以精確控制，出現(xiàn)銅耳線扭轉(zhuǎn)速率不均勻或?qū)щ姲舸┤胛恢闷疲瑢?dǎo)致最終成品合格率低于 90% 。

當前，針對鎳陽極板穿棒工序的自動化設(shè)備研究尚處起步階段。以金川集團為例，該集團鎳熔鑄車間已采用自動定量澆鑄生產(chǎn)鎳陽極板2，并配套鎳陽極板銅耳線成型插裝系統(tǒng)3，實現(xiàn)了前段工序優(yōu)化，但穿棒工序仍需人工操作，成為制約鎳電解生產(chǎn)工藝整體效率提升的核心因素。因此，該廠迫切需要研發(fā)1套鎳陽極板自動扭線穿棒設(shè)備，提高鎳陽極板制備的作業(yè)效率，降低安全風險。

煙臺同泰冶金設(shè)備制造有限公司根據(jù)客戶的需求，開展了針對鎳陽極板穿棒工序?qū)Ｓ迷O(shè)備的研發(fā)，并取得了階段性進展，設(shè)計制造出1套全自動鎳陽極板扭線穿棒設(shè)備。該設(shè)備實現(xiàn)三大技術(shù)創(chuàng)新：1）多單元協(xié)同控制架構(gòu)，集成定位、扭線、穿棒及出料模塊，構(gòu)建全流程自動化生產(chǎn)線。2）高精度伺服驅(qū)動技術(shù)，采用伺服電動缸與齒輪傳動系統(tǒng)，確保耳線扭轉(zhuǎn)角度偏差 ?±1^° 。3）智能分揀系統(tǒng)，通過3D視覺定位與機械手聯(lián)動實現(xiàn)廢品自動剔除，廢品率降低至0.3% 。該設(shè)備通過全自動化觸屏面板進行操作，可實現(xiàn)自動定位入料，能夠有效地把鎳陽極板的銅耳線圈扭轉(zhuǎn) 90^° 并穿入導(dǎo)電棒，大幅降低了勞動力成本與生產(chǎn)風險。

2加工對象及控制指標

2.1鎳陽極板

鎳陽極板是由粗鎳、硫化鎳或含鎳溶液冶煉澆鑄而成4。金川集團鎳陽極板規(guī)格尺寸為 900mm× 380mm ，最大厚度為 53mm ，單片約 82kg 。材料特性：表面需平整無裂紋，銅耳線抗拉強度 ≥200MPa 。鎳陽極板規(guī)格尺寸如圖1所示。

2.2加工指標

鎳陽極板扭線穿棒設(shè)備可以將兩塊鎳陽極板耳線扭轉(zhuǎn)后把導(dǎo)電銅棒穿人其中，使陽極板懸掛在導(dǎo)電棒之上，見圖2。具體指標如下：1）生產(chǎn)效率。生產(chǎn)能力 ?120 組/h。2）控制精度。耳線扭轉(zhuǎn)角度 90^° （偏差≤ ±1^° ），導(dǎo)電棒穿入同軸度 ?0.5mm 。3）穩(wěn)定性。連續(xù)工作 8h 故障率 ?0.5% 。

3 系統(tǒng)組成及原理分析

3.1工作流程

該設(shè)備工作流程分為5個階段，如圖3所示1）上料與分揀。機械手從板料箱依提取出鎳陽極板，通過動態(tài)稱重與視覺檢測剔除廢品，由機械手放入廢料箱。2）定位與轉(zhuǎn)移。定位入料機構(gòu)接收到2片鎳陽極板后，將它們?nèi)肓现僚ぞ€機構(gòu)工位。3）耳線扭轉(zhuǎn)。扭線機構(gòu)4組馬蹄形夾爪同步夾持銅耳線，齒輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動其精確扭轉(zhuǎn) 90^°;4） 導(dǎo)電棒穿入。鏈條輸送機將導(dǎo)電棒送至穿棒工位，由穿棒機構(gòu)推送導(dǎo)電棒穿穿插進入已完成扭線的鎳陽極板的銅線圈內(nèi)。5）成品出料。挑板機構(gòu)按預(yù)設(shè)弧形軌跡將成品轉(zhuǎn)移至出料位，完成單次作業(yè)循環(huán)。

3.2設(shè)備組成及參數(shù)

鎳陽極板扭線穿棒設(shè)備由自動上料單元、定位入料單元、自動扭線單元、自動穿棒單元、挑板出料單元5個部分組成，另設(shè)配套電氣及控制系統(tǒng)：1）自動上料單元，含六軸機械手、板料箱、廢料箱，負責鎳陽極板精準抓取與分揀；2）定位入料單元，含氣動夾爪、伺服電動缸，實現(xiàn)陽極板定位與工位轉(zhuǎn)移；3）自動扭線單元含齒輪一連桿復(fù)合傳動機構(gòu)，完成銅耳線 90^° 同步扭轉(zhuǎn)；4）自動穿棒單元含鏈條輸送機、無桿氣缸，實現(xiàn)導(dǎo)電棒高速精準穿入;5）挑板出料單元，含四連桿挑板叉，完成成品轉(zhuǎn)移與碼垛。鎳陽極板扭線穿棒設(shè)備組成及設(shè)計參數(shù)見圖4、表1。

3.3設(shè)備主要部分機械原理分析

3.3.1自動上料單元

自動上料單元由機械手、板料箱及廢料箱構(gòu)成。自動上料單元的基本機械原理如下：上料機械手配置六軸協(xié)作機械臂，通過重復(fù)定位精度 ±0.05mm 的軌跡，控制手臂末端配套專業(yè)非標夾具，將鎳陽極板從板料箱中取出，向定位人料機構(gòu)中搬運。其間，若檢測出廢鎳陽極板，機械手會自動將其投放入廢料箱。鎳陽極板在熔鑄車間脫模取出時，銅耳線通常狀態(tài)較為混亂（見圖5），不利于機械手的識別、定位及抓取。傳統(tǒng)機械手在抓取和搬運鎳陽極板的過程中，也極易發(fā)生板身晃動。人工檢驗廢板工作量大。基于這些問題，本項目自動上料單元在設(shè)計時專門進行了如下創(chuàng)新性設(shè)計，保障了鎳陽極板轉(zhuǎn)運、上料流程順利平穩(wěn)。

1）板料箱設(shè)計。板料箱由方鋼及型鋼焊接制成，不易變形，強度高。板料箱上部的4個角位有可隱藏式的吊裝鉤耳，箱內(nèi)底面焊接間隔擋齒，防止陽極板滑移竄動，箱底部設(shè)計有叉車齒空間，便于叉車轉(zhuǎn)運，如圖6所示。

2）高精度機械手。采用ABBIRB6700系列六軸機械臂，重復(fù)定位精度 ±0.05mm ，末端配置牛角形非標夾具，兼具銅耳線擴口與板身防晃功能（如圖7），可以通過動態(tài)夾持力自適應(yīng)調(diào)整，確保轉(zhuǎn)運過程無滑移。

3）智能視覺系統(tǒng)。集成Baslerace2MP工業(yè)相機（檢測精度為 ±0.02mm 與深度學習算法（識別準確率 ?99.8% ），實現(xiàn)銅耳線環(huán)亞毫米級空間定位與三維坐標實時補償。機械手能夠準確識別并定位鎳陽極板的銅耳線環(huán)的方位，快速引導(dǎo)夾具準確挑起鎳陽極板的銅耳線

4）動態(tài)稱重模塊。搭載梅特勒—托利多PW15C3稱重傳感器（量程 0～100kg ，精度 ±5g ，通過質(zhì)量檢測自動剔除斷裂板。當機械臂末端的夾具捕捉到鎳陽極板并提起后，系統(tǒng)會自動檢測并記錄鎳陽極板質(zhì)量，并實時與標準值（ 82kg^? ）進行比較。當檢測獲得的鎳陽極板的質(zhì)量數(shù)據(jù)值遠小于標準質(zhì)量時（偏差 55% 時），則可以判定此鎳陽極板身已經(jīng)斷裂，視為廢陽極板，此時機械手自動將其放入廢料箱

3.3.2定位入料單元

定位人料單元由氣動夾持機構(gòu)與伺服平移裝置構(gòu)成，其核心功能為實現(xiàn)鎳陽極板的精準定位與工位轉(zhuǎn)移。工藝流程及參數(shù)如下：1）夾持定位。氣動夾爪接收鎳陽極板后執(zhí)行夾持動作，動態(tài)調(diào)整夾持力，確保板身固定無位移。2）角度調(diào)節(jié)。通過可調(diào)式定位板動態(tài)修正陽極板傾角，維持銅耳線豎直狀態(tài)，定位精度達 ±0.5mm3） 工位轉(zhuǎn)移。伺服平移裝置將陽極板輸送至扭線機構(gòu)工位下方。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖8所示

該單元的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點：1）伺服電動缸驅(qū)動。伺服電缸是一種借助伺服電機與傳動機構(gòu)，把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的機電一體化裝置。平移裝置采用交流伺服電機，能夠?qū)崿F(xiàn)精準的轉(zhuǎn)速和扭矩控制。2）閉環(huán)控制體系。基于PLC與編碼器反饋構(gòu)建位置閉環(huán)，實現(xiàn)平移裝置行程及位移的精確控制

3.3.3自動扭線單元

自動扭線單元由升降機構(gòu)與扭轉(zhuǎn)機構(gòu)組成（見圖9），其核心功能為實現(xiàn)銅耳線 90^° 精準扭轉(zhuǎn)。工藝流程及參數(shù)如下：1）工位定位。鎳陽極板經(jīng)平移車輸送至扭線工位后，升降機構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)夾頭下移，使銅耳線環(huán)精確嵌入4組夾爪中心。2）同步扭轉(zhuǎn)。伺服電動缸驅(qū)動齒輪一連桿復(fù)合傳動系統(tǒng)，帶動4組夾爪同步旋轉(zhuǎn) 90^° ，扭轉(zhuǎn)角度誤差 ?±1^°°3 夾持保持。當夾爪夾住銅耳線，旋轉(zhuǎn) 90^° 后，可以向耳線圈內(nèi)穿人導(dǎo)電棒。這時夾爪依然保持夾持狀態(tài)，以利于導(dǎo)電棒的順利穿人。待導(dǎo)電棒完全穿人銅耳線圈內(nèi)以后，夾爪才可松開。此時扭線機構(gòu)可直接上移，脫離穿好導(dǎo)電棒的鎳陽極板。

該單元關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點：1）馬蹄狀夾爪設(shè)計。夾爪設(shè)計成下開口式的馬蹄形狀。向下開口的馬蹄形狀的夾爪有利于在夾緊銅線的狀態(tài)下穿入導(dǎo)電棒，完成穿棒后夾爪可直接松開并上行脫離導(dǎo)電棒。2）復(fù)合傳動設(shè)計。齒輪組與連桿機構(gòu)協(xié)同作用，實現(xiàn)夾爪開合與旋轉(zhuǎn)運動的解耦控制。3）動態(tài)夾持策略。夾爪的開合由氣缸驅(qū)動拉桿帶動連桿機構(gòu)完成，夾爪閉合力通過氣缸壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)，能適應(yīng)銅耳線的尺寸與位置的偏差。

3.3.4自動穿棒單元

自動穿棒單元由銅棒儲存斗、輸送鏈條機、推棒穿插機構(gòu)組成（見圖10）。其核心功能為實現(xiàn)導(dǎo)電棒精準穿入銅耳線環(huán)。工藝流程及參數(shù)如下：1）儲運。銅導(dǎo)電棒放置于儲存斗內(nèi)，儲存斗可容納約300根導(dǎo)電棒。儲存斗下的鏈條機的鏈條帶有溝槽，將銅棒從儲存斗內(nèi)刮取輸送到推棒穿插機構(gòu)位置，鏈條以每30s行走1個步距的頻率輸送導(dǎo)電棒，保證供料連續(xù)穩(wěn)定。2）推送。推棒穿插機構(gòu)采用長行程無桿氣缸驅(qū)動，行程長約 2050mm 。無桿氣缸導(dǎo)向采用滑動軸承導(dǎo)軌型，在 0.6MPa 使用壓力下，推力可達754N，可將導(dǎo)電棒順利推出并插入已經(jīng)完成扭轉(zhuǎn)的鎳陽極板耳線圈內(nèi)。齒形帶傳動系統(tǒng)實現(xiàn) 1m/s 穿棒速度，動態(tài)響應(yīng)時間 ?20ms ；磁性開關(guān)檢測行程起止位置，確保快速、準確地將導(dǎo)電棒推出到位

3.3.5挑板出料單元

挑板出料單元由底座、驅(qū)動裝置、主動軸、傳動裝置、齒輪箱、挑板叉構(gòu)成（見圖11），其核心功能是負責成品鎳陽極板的轉(zhuǎn)移與碼垛。系統(tǒng)工藝流程及參數(shù)如下：1）驅(qū)動模塊。電機減速機驅(qū)動主動軸旋轉(zhuǎn)，主動軸上的兩個鏈輪分別通過鏈條帶動齒輪箱內(nèi)的齒輪同步旋轉(zhuǎn)。2）執(zhí)行機構(gòu)。挑板叉采用四連桿機構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)齒輪的帶動下，挑板叉頂端可挑起鎳陽極板的銅導(dǎo)電棒按弧形運動軌跡移動，速度可調(diào)范圍為 0.5～1.2m/s 。

3.4電氣控制系統(tǒng)

本設(shè)備采用西門子S7-1500PLC作為中央控制器，構(gòu)建基于PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)（10OMbps）的分布式控制架構(gòu)。系統(tǒng)集成安全扭矩關(guān)斷（STO）與安全停機（SS1）雙重冗余保護機制，安全完整性等級達到SIL3標準。電氣控制柜設(shè)置于設(shè)備操作側(cè)，柜內(nèi)集成HMI觸摸屏，實時顯示扭線穿棒工序動態(tài)、傳感器狀態(tài)（接近開關(guān)/限位開關(guān)）及設(shè)備運行參數(shù)，操作人員可通過可視化界面完成啟停控制與工藝參數(shù)設(shè)置。應(yīng)急操作面板獨立設(shè)置于設(shè)備本體，配備急停按鈕與啟動按鈕，在緊急情況下可就近操作，停止設(shè)備運行或重新啟動設(shè)備。

電氣控制系統(tǒng)主要功能包括：1）狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。實時采集、顯示傳感器信號與設(shè)備運行參數(shù)等。2）參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。支持在線調(diào)整扭線角度、穿棒速度等關(guān)鍵參數(shù)。3）故障診斷系統(tǒng)。內(nèi)置自檢程序，能根據(jù)故障邏輯模型，觸發(fā)聲光報警并生成故障代碼。

4結(jié)論與展望

本研究基于鎳電解工藝智能化升級需求，通過解析鎳陽極板制備工藝人工操作存在的問題，成功研發(fā)鎳陽極板扭線穿棒成套裝備。設(shè)備集成自動轉(zhuǎn)運、高精度扭線及穿棒功能，實現(xiàn)耳線扭轉(zhuǎn)角度誤差 ?±1^°"、導(dǎo)電棒穿入同軸度 ?0.5mm 的工藝指標，單機產(chǎn)能達120組/h，廢品率降至 0.3% 。工業(yè)驗證表明：設(shè)備使成品合格率由不足 90% 提升至 99.7% ，人工成本降低 30% ，節(jié)約生產(chǎn)成本400萬元/a，為鎳電解工藝自動化轉(zhuǎn)型提供可靠技術(shù)支撐。

該設(shè)備針對金川集團鎳電解車間使用場景進行設(shè)計，可優(yōu)化鎳電解生產(chǎn)工藝流程，提高生產(chǎn)效率并極大解放勞動力，解決了傳統(tǒng)工藝的效率與質(zhì)量兼顧難的問題，實現(xiàn)了鎳電解生產(chǎn)的智能化升級，可在國內(nèi)鎳冶煉行業(yè)大力推廣。未來研究方向包括：1）智能檢測深化，引入AI視覺深度學習算法，優(yōu)化銅耳線缺陷識別精度；2）模塊化設(shè)計擴展，即開發(fā)適配不同規(guī)格陽極板的快速換型模塊；3）綠色制造創(chuàng)新，即通過提高材料利用率與優(yōu)化能耗，降低碳足跡。

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