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

隨著技術的發(fā)展及國家產業(yè)政策的引導，電鋅生產日益朝著規(guī)?；同F代化方向發(fā)展，通過引進國外先進裝備逐步實現全自動機械化剝鋅［1-2］。作為電鋅生產最后一道工序的鑄錠，技術發(fā)展相對緩慢，國內以江西銅業(yè)鉛鋅金屬有限公司、南方冶煉廠采用的株洲火炬生產的鋅直線鑄錠機自動化程度最高，實現了陰極鋅片的輸送、融化、鑄錠、碼垛的全過程自動化［3-4］，但仍存在設備故障率偏高、人工介入頻次高、現場噪音大等問題。因此，完善改進鋅鑄錠生產線，進一步提升自動化水平，對提高生產效率、降低員工勞動強度和改善作業(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、2000kW感應電爐、石墨勺、模具、落錠、水冷線、翻錠裝置、機器人碼垛裝置等。如圖1，鋅片經加料機進入感應爐融化，石墨勺將融化后的鋅液舀出，澆鑄在模具內，經一次冷卻碰撞脫模后，鋅錠經落錠輥道轉向90°進入水冷鏈條進行冷卻，在水冷鏈條頭部經過翻錠下落到推錠平臺，再由推錠氣缸將其推到抓錠平臺，當兩塊鋅錠到達抓錠平臺，光電開關感應，機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 公司生產現狀

在實際生產過程中，生產節(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擺放，頂層不需翻轉直接放置。兩塊鋅錠同時進入翻錠機構，才能實現自動翻錠，若兩塊鋅錠不同步，后面的鋅錠則無法進入翻錠機構造成卡錠。然而，鋅錠脫模隨機性較大，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。鋅錠提前脫模會導致鋅錠正反面存在不確定性，為保證正常連續(xù)生產，翻錠工位需要專人值守，出現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，嚴重影響員工的身心健康。

4 改進方案

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雜而艱巨的工作。從設備升級改進角度考慮，提升設備的智能化水平，增強設備在復雜工況下的識別和應對能力至關重要。

4.1 取消翻錠裝置

延長水冷線，取消翻錠機構和推錠機構，機器人直接在水冷線上抓錠，消除翻錠機構卡錠和翻錠產生的噪音。

圖4 改進后抓錠工位布局

4.2 水冷線增加抓取工位

鋅錠從水冷線出來后機器人無法直接抓取，需要將鋅錠頂起給機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。

改進后的水冷輸送結構組成如圖5所示，包含機架、輸送鏈條、托盤、頂升氣缸、校正氣缸以及感應開關。在頭部兩塊鋅錠正前方各有一個感應開關，當兩個感應開關都接收到信號時，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，兩側夾緊氣缸開始動作，對兩塊鋅錠位置校正對齊，以便于機器人抓取鋅錠。出現兩塊鋅錠到達頭部的時間不一致時，當其中一塊鋅錠提前觸碰到感應開關后，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開關，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

翻錠機構取消后，鋅錠無法在鑄錠線上實現翻錠。機器人夾具需要具備翻轉功能。在現有機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有PLC、機器人實現對接。

新夾具結構主要由夾具法蘭盤、基板、夾爪、旋轉電機等組成，翻轉鋅錠過程如圖6所示。頂升機構接到信號后頂起鋅錠，機器人到達抓取工位，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、旋轉翻錠動作。

圖6 夾具旋轉翻錠

4.4 自動翻錠結構設計

單塊鋅錠質量為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，兩側推錠氣缸要克服鋅錠在托盤表面的摩擦力。

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

圖7 頂升機構受力示意圖

式中：FN為向上的推力；m1、m2分別為兩塊鋅錠的質量；m3為托盤質量；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）得出鋅錠所需兩側推力為：

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

校正氣缸推力F取F1、F2中較大者，即F=max(F1，F2)。鋅 錠 質 量m1、m2都 取 最 大 值25kg，托盤質量m3取50kg，代入數據得FN=980N，考慮到頂起時的沖擊力和加速度，輸入安全系數α=2，頂起力為1960N。鋅錠與托盤之間的摩擦系數取μ=0.4，代入公式（2），得出校正推力F=98N，F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，旋轉軸提供扭矩轉動，

式中：M為鋅錠翻轉所需轉矩，IC為轉動慣量；a為角加速度；m為鋅錠質量；h為鋅錠厚度；l為鋅錠寬度；θ為翻轉角度；t為翻轉所需時間。

鋅錠的厚度和寬度分別為50mm和230mm，質量為25kg，代入公式（4）中，得轉動慣量IC=0.115kg·m2。機器人夾具將鋅錠翻轉一周時間一般設置為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到所需計算力矩要求，滿足鋅錠翻轉要求。

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，獲取產線上鋅錠狀態(tài)的實時視頻流，邊緣算力設備對視頻流進行抽幀，并使用部署在設備上的深度學習模型對鋅錠狀態(tài)進行判斷，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］?？刂破鞲鶕斍般U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行邏輯判斷，并將動作信號發(fā)送給相應的翻錠電機，實現鋅錠的自動翻面。

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致機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)。通過現場調試摸索，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生。改進前，一個澆鑄循環(huán)的時間為26s，改進后降低至21s。如圖9所示,澆鑄周期縮短20%，鋅錠澆鑄產能由100kt/a提升至120kt/a。

圖9 石墨勺、模具速度

圖10 石墨勺-模具

5 結論

該鋅熔鑄碼垛自動生產線自2011年投用以來，通過結合機器人自動翻錠、鋅錠智能識別、變速澆鑄三項技術改進，大幅降低了生產現場噪音,避免了人工干預，同時鋅錠外觀質量大幅度的提升，生產線的自動化水平也得到了進一步的提升，并取得了很好的經濟效益，為公司完成120kt/a的鋅錠產量任務提供了保障。