姚輝

（金川集團(tuán)股份有限公司鎳冶煉廠，甘肅 金昌 737100）

全自動電解鎳板剪切包裝機(jī)組的開發(fā)與應(yīng)用

姚輝

（金川集團(tuán)股份有限公司鎳冶煉廠，甘肅 金昌 737100）

論文描述了全自動電解鎳板剪切及包裝機(jī)組的概念；介紹了機(jī)組的總體結(jié)構(gòu)和應(yīng)用效果；并對該機(jī)組的技術(shù)難點(diǎn)給出了解決方案。

鎳板剪切；鎳板捆扎；升降式輸送機(jī)；立體庫

0 引言

電解鎳是用電解法生產(chǎn)的高純度鎳，電解鎳在運(yùn)輸和銷售時，國內(nèi)外都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，即要求電解鎳板在銷售時，要剪切去除板身上面的吊耳，如果板面上有不合格的區(qū)域，也要剪切去除，然后捆扎打包，每捆重量為2.5±0.05噸，并在每捆上面噴涂企業(yè)標(biāo)識。我國已經(jīng)進(jìn)入勞動力高成本時代，工資水平30年增長了40多倍［1］。另一方面，我國的制造業(yè)水平在不斷提高。因此，采用提高裝備的自動水平，是現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展的必然之路。

1 電解鎳板剪切、包裝機(jī)組的研制

電解的生產(chǎn)工藝過程決定了電解鎳板的板身上面必須有2個穿導(dǎo)電棒的吊耳，如圖1（a）所示。

圖1　電解鎳板剪切及包裝示意圖Fig.1 Illustration of electrolytic nickel plate shearing and packing process

金川集團(tuán)股份有限公司于上世紀(jì)50年代建廠，從年生產(chǎn)電解鎳3萬噸發(fā)展至今已經(jīng)達(dá)到年生產(chǎn)電解鎳15萬噸，平均每天416噸，約270包。但是目前仍然沿用著手工包裝的生產(chǎn)模式，如圖2所示。從圖中可以看出，在人工打包生產(chǎn)流程中，每天需人工搬運(yùn)鎳板416噸，叉車轉(zhuǎn)運(yùn)鎳板416噸。人工捆扎1080根鋼帶，人工稱重270包并錄入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，這是一非常大的體力勞動過程。初步估算，在這一生產(chǎn)環(huán)境投入的人數(shù)為105人。

圖2　電解鎳板人工剪切及打包流程圖Fig.2 Flow chart of manual shearing and packing the electrolysis nickel plate

人工剪切、打包生產(chǎn)，除了人工投入量大以外還存在其他方面的問題，一是手持式打包器打包時每根鋼帶拉緊力不盡相同，包裝質(zhì)量不高，產(chǎn)品在存儲運(yùn)輸?shù)牡惯\(yùn)過程中時常發(fā)生斷帶散包現(xiàn)象，給用戶的使用帶來了不便；另一個是由于產(chǎn)品標(biāo)識是人工用油漆噴上去的，所噴標(biāo)識大，會對鎳板表面造成污染。

1.1電解鎳板剪切、包裝機(jī)組的概念設(shè)計(jì)

金川公司鎳冶煉廠根據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，提出了全自動電解鎳板剪切、包裝機(jī)組的概念。

（1）自動完成分片：叉車將鎳板送到指定工位，自動分片部分的吸盤能夠?qū)㈡嚢逡黄黄匚饋聿⑺偷郊舭鍣C(jī)的工作臺上。

（2）自動剪切：剪切單元有推板裝置，將鎳板推入剪切位置，完成吊耳的自動剪切。

（3）自動記數(shù)堆垛成摞：剪切完成的鎳板被自動堆垛成摞，每摞30片自動計(jì)數(shù)。

（4）自動完成整摞板的整形：堆垛成摞的板需要整形，整形是指通過推板推擠，使整摞板的4個周邊變得整齊。整形的另一個作用是要用壓機(jī)將整摞板壓緊。

（5）自動穿鋼帶捆扎打包：捆扎打包過程全自動化，自動穿鋼帶并拉緊、自動套鎖扣、自動壓緊鎖扣。

（6）自動稱重計(jì)量：自動稱重計(jì)量重量，并把數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)的格式自動傳送到中心數(shù)據(jù)庫和噴碼機(jī)。

（7）自動噴碼：每包鎳板都有相當(dāng)于其身份信息的一套數(shù)據(jù)，可用噴碼機(jī)噴在鎳板表面，便于識別。

（8）自動裹膜：自動裹膜是指用塑料薄膜包裹。

（9）自動入庫：自動入庫有兩層含義，一是把包裝好的整包鎳板自動送入立體倉庫；二是要把這一包鎳板對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絺}庫的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

1.2電解鎳板剪切及包裝機(jī)組的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對全自動電解鎳板剪切、包裝機(jī)組概念的描述，本文對該機(jī)組進(jìn)行了總體布局設(shè)計(jì)，加工工位及加工流程設(shè)計(jì)，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。整套機(jī)組配有氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)。

圖3　新型自動化鎳成品加工包裝生產(chǎn)線平面示意圖Fig.3 Plan sketch of new automation nickel products processing and packaging line

整摞鎳板由叉車運(yùn)送至三臺剪板機(jī)1的前方堆料平臺，每臺剪板機(jī)都配有相應(yīng)的吸盤上板機(jī)構(gòu)和推板剪切機(jī)構(gòu)，配合剪板機(jī)完成剪耳工序。移料堆垛小車2將三臺剪板機(jī)剪切完成的鎳板進(jìn)行計(jì)數(shù)堆垛后，并放置于升降式輸送機(jī)11的輸送鏈條上。

電鎳板支撐在升降輸送機(jī)的鏈條上，通過升降式輸送機(jī)11的升降運(yùn)動與鏈條的步進(jìn)運(yùn)動配合，放在鏈條上鎳板摞就分別被抬放到整形對齊機(jī)3的支撐臺面上、平壓機(jī)4的支撐臺面上，復(fù)式秤5的臺面上。隨后，在這三個工位分別完成整形對齊、平壓和秤重。在升降式輸送機(jī)進(jìn)行第二次升降輸送時循環(huán)時，完成整形對齊、平壓和秤重的鎳板摞被抬出，下一批鎳板摞又被抬進(jìn)。

鎳板摞在升降機(jī)輸送機(jī)11上完成了對齊、平壓和秤重后，被放置在打包輸送機(jī)10的輸送鏈條上。打包輸送機(jī)10的輸送鏈條安照步進(jìn)的方式運(yùn)行，在打包輸送機(jī)10上，設(shè)置5個工位，分別完成上料、對中、捆扎打包、噴碼、和裹膜工序。和打包輸送機(jī)10對接的是立體庫的入庫輸送機(jī)，包裝好的整捆鎳板由入庫輸送機(jī)送入立體庫儲存。

1.3電解鎳板剪切及包裝機(jī)組的主要關(guān)鍵技術(shù)

（1）升降式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)。在整形對齊、平壓、稱重工位，都需要將鎳板摞抬起來放到相應(yīng)的工作臺上。手工生產(chǎn)時，這一工作是由叉車完成的。叉車可以具備將物料抬起來并移動位置的功能。在全自動化機(jī)組中，我們是用升降式輸送機(jī)來完成的。升降式輸送機(jī)是把同步升降技術(shù)和鏈條輸送技術(shù)組合在一起而形成的一個創(chuàng)新技術(shù)。它的成功應(yīng)用，使得在打包機(jī)組中的，平壓、整形對齊、稱重三個工位能夠自然地串聯(lián)在一起，形成一個以升降輸送機(jī)為基準(zhǔn)線的加工陣列。

圖4為升降式輸送機(jī)的原理圖。鏈條1和升降架2組成輸送機(jī)，鏈條1由電機(jī)驅(qū)動，作步進(jìn)的方式運(yùn)行。鉸鏈部件3、擺動桿3、連桿5和驅(qū)動油缸6構(gòu)成升降部分。當(dāng)驅(qū)動油缸6伸縮時，推動連桿5，連桿5帶動擺動4擺動，從而帶動升降架2升降。平壓、整形對齊、稱重三個加工單元布置在輸送機(jī)的兩側(cè)，加工支撐臺面在兩鏈條的中間空擋中。

圖4　升降式輸送機(jī)原理圖Fig.4 Schematic diagram of the elevating conveyor

升降式輸送機(jī)設(shè)計(jì)制造難點(diǎn)主要是機(jī)架長度大、輸送的物料重量也大。輸送10包鎳板的質(zhì)量約為15噸。當(dāng)15噸的物料按照圖示箭頭方向輸送時，在其相反的方向就會產(chǎn)生相等的反作用力。這個反作用力和物料輸送的加速度成正比。由于升降式輸送機(jī)是由一條升降機(jī)構(gòu)支撐的，所以這個反作用力最后是要升降機(jī)構(gòu)來承受的。因此，升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，要考慮能夠承受由于物料運(yùn)行而產(chǎn)生的慣性力。在輸送鏈條的運(yùn)行速度方面，也要做優(yōu)化處理，控制好速度與加速度。

（2）全自動鋼帶打包機(jī)的應(yīng)用與耗材國產(chǎn)化。在國內(nèi)有色冶金行業(yè)，將成品集中后，再包裝入庫，是普遍采用的生產(chǎn)模式。采用手持式捆扎打包器人工捆扎打包，也是被普遍采用的方法。把全自動鋼帶打包機(jī)引入有色金屬板材的包裝，金川公司是第一家。通過市場調(diào)研分析，全自動鋼帶打包機(jī)最后選用了進(jìn)口品牌。

捆扎打包機(jī)需要打包輸送機(jī)和它配合工作。打包輸送機(jī)負(fù)責(zé)把鎳板摞送進(jìn)打包機(jī)，打完一個方向的2根鋼帶后，將板旋轉(zhuǎn)90°，再打2根鋼帶。4根鋼帶打成#字型后，打包輸送機(jī)再將鎳板摞輸送出打包機(jī)。為了節(jié)省投資，打包輸送機(jī)采用自主研發(fā)的技術(shù)路線。這就相當(dāng)于把進(jìn)口的打包機(jī)配在自主研發(fā)的打包輸送機(jī)上。因此打包輸送機(jī)的設(shè)計(jì)制造都要和進(jìn)口設(shè)備相匹配。

在捆扎打包生產(chǎn)中，鋼帶和鎖扣是屬于消耗材料。金川公司消耗的鋼帶為450噸，鎖扣為40萬個。如此大量的耗材，必須國產(chǎn)化解決。經(jīng)過多次的試驗(yàn)和摸索，這一問題也得到了解決。下一步，力爭再把部分易損件國產(chǎn)化。

（3）成品入庫信息管理系統(tǒng)。成品入庫有兩層含義，一是實(shí)物被放置到達(dá)指定地點(diǎn)，二是和這包實(shí)物對應(yīng)的數(shù)據(jù)也要傳輸?shù)膸旆康臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)，而且不能出現(xiàn)差錯。和實(shí)物對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息相當(dāng)于其身份信息，主要有包號、重量、生產(chǎn)批號、檢驗(yàn)員編號等等。

為保證打包系統(tǒng)與庫房系統(tǒng)能正確交換數(shù)據(jù)和物料，并且對物料的生產(chǎn)過程可追述，我們必須解決以下關(guān)鍵問題：

定義正確的數(shù)據(jù)格式，保證庫房系統(tǒng)可以得到充分的信息。根據(jù)與生產(chǎn)管理部門充分協(xié)商，生產(chǎn)系統(tǒng)向管理系統(tǒng)提交的數(shù)據(jù)格式如下：

表1　包裝機(jī)與庫房系統(tǒng)間傳遞數(shù)據(jù)Tab.1 Passing data between packaging machine？and storeroom systems

制定合理的通訊協(xié)議，保證數(shù)據(jù)在不同的系統(tǒng)間可靠傳遞。為完成打包機(jī)控制系統(tǒng)與庫管系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞，制定了以下通訊協(xié)議：①采用TCP/IP通訊協(xié)議，IP地址采用固定分配；②由打包機(jī)發(fā)起通訊請求；③先傳遞數(shù)據(jù)；④在庫房系統(tǒng)確認(rèn)收到數(shù)據(jù)，并且完成機(jī)械部分的相關(guān)動作后給出確認(rèn)；⑤打包系統(tǒng)送出物料；⑥庫房系統(tǒng)確認(rèn)收到物料，一次通訊完成。

該通訊協(xié)議的特殊之處在于：不僅僅是信息的交換還包含了機(jī)械動作的協(xié)調(diào)，以及實(shí)物的傳遞，必須由電氣控制系統(tǒng)，信息管理系統(tǒng)，機(jī)械、液壓共同協(xié)助才能完成。涉及的環(huán)節(jié)比較復(fù)雜。

采用“事務(wù)”處理機(jī)制，將信息和物料在處理邏輯上封裝為一個“事務(wù)”該技術(shù)保證了物料和信息的同步傳遞，杜絕數(shù)據(jù)和物料的不同步可能?！笆聞?wù)”是指將一系列的動作在邏輯上定義為一不可分割的整體，該動作只有兩種可能：①完成；②未完成，回到執(zhí)行前狀態(tài)。

在動作未完成時系統(tǒng)回到執(zhí)行事務(wù)的初始狀態(tài)，事務(wù)不允許出現(xiàn)“半完成”的狀態(tài)，采用這種設(shè)計(jì)機(jī)制，將信息和物料設(shè)計(jì)為一個“事務(wù)”。

2 電解鎳板剪切、包裝機(jī)組的應(yīng)用

全自動電解鎳板剪切、包裝機(jī)組，2014年4月在金川公司鎳冶煉廠投入使用。經(jīng)過半年多的運(yùn)行證明，機(jī)組的設(shè)計(jì)是合理的。在以下幾個方面取得了顯著的效果。

（1）生產(chǎn)操作人員勞動效率提高80%，減少崗位職工60人。勞動性質(zhì)也發(fā)生了質(zhì)的轉(zhuǎn)變，由原來的體力勞動為主變?yōu)槟X力勞動為主。

（2）包裝質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性都得到了提高。

（3）避免了使用叉車在各個加工工序之間轉(zhuǎn)運(yùn)物，使得叉車的使用量下降75%。改善了現(xiàn)場的環(huán)境，節(jié)省了工作場地。

（4）全自動電解鎳板剪切、包裝機(jī)組和自動化立體庫的對接成功。標(biāo)志著金川公司電鎳產(chǎn)品的倉儲運(yùn)輸達(dá)到了現(xiàn)代化物流系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

［1］IUD領(lǐng)導(dǎo)決策數(shù)據(jù)分析中心.中國進(jìn)入高成本時代［J］.領(lǐng)導(dǎo)決策信息，2008，47.

［2］姚輝，王瑞華，等.電解鎳板剪切的有限元數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，17.

［3］陳欽鴻，孫東明，等.升降式輸送機(jī)起動及制動階段動態(tài)特性分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2014，8.

［4］黃文婷，孫東明，等.陰極銅打包整形過程中油壓機(jī)偏載問題的研究［J］.重型機(jī)械，2013，6.

Development and Application of Automatic Shearing and Packing Unit of Electrolytic Nickel Plate

YAO Hui
（Jinchuan Group Co.，Ltd.，Nickel Smelting Factory，Jinchang Gansu 737100，China）

The thesis describes the concept of automatic shearing and packaging unit of the electrolytic nickel plate，and introduces the overall structure and application effect of this unit，and the paper solve the technical problems.

nickel plate shearing；nickel plate bundling；lifting conveyor；stereo garage

TP29

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.015

1002-6673（2015）02-041-03

2015-01-05

姚輝（1973-），男，浙江寧波人，工程師。主要從事有色冶金裝備及自動化。