〔摘 要〕針對(duì)奧爐精煉車間雙圓盤澆鑄系統(tǒng)中銅模水平度調(diào)整問題，在具備實(shí)時(shí)自動(dòng)水平檢測(cè)的條件下，研制了一款自動(dòng)調(diào)整裝置。該裝置以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用機(jī)械手替代人工快速、精確地調(diào)節(jié)模位螺栓桿上螺栓的高度。介紹了該銅模水平自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，分析了系統(tǒng)需求及技術(shù)路線分析。驗(yàn)證試驗(yàn)和性能評(píng)估證明，該系統(tǒng)具有較高的精度、較快的響應(yīng)速度及較高的穩(wěn)定性和可靠性，滿足陽(yáng)極板澆鑄工藝要求。

〔關(guān)鍵詞〕銅模水平調(diào)整；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；自動(dòng)調(diào)平；模塊化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP273" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號(hào)：1004-4345（2024）04-0040-04

Design and Implementation of Copper Mould Automatic Levelling System

JIN Zezhi1， ZHOU Guanghui2

（1. Jinguan Copper Branch of Tongling Nonferrous Metals Group Co.， Ltd.， Tongling， Anhui 244000， China;

2. Hefei Tongguan Information Technology Co.， Ltd.， Hefei， Anhui 230000， China）

Abstract" To address the issue of levelling copper mould in the twin-wheel casting system of the Ausmelt furnace refining plant， an automatic levelling unit is developed under the condition of real-time automatic level detection. This unit takes real-time monitoring data as the basis and uses mechanical arm instead of manual operation to quickly and accurately adjust the height of the bolts on the mold bolt rod. The paper introduces the design concept of the copper mould automatic levelling system， and analyzes the system requirements and technical routes analysis. It has been proved by verification experiments and performance evaluations that the system has high accuracy， fast response speed， and high stability and reliability， which can satisfy the requirements of the anode plate casting process.

Keywords" copper mould levelling; real-time monitoring; automatic levelling; modular design

目前，國(guó)家正在大力推進(jìn)重點(diǎn)領(lǐng)域智能工廠/數(shù)字化車間試點(diǎn)建設(shè)，以加快推動(dòng)新一代信息技術(shù)和制造技術(shù)的融合發(fā)展。以銅冶煉企業(yè)的智能工廠建設(shè)為例，通過引入先進(jìn)的信息技術(shù)和自動(dòng)化設(shè)備，銅冶煉生產(chǎn)過程變得智能化、精細(xì)化，從而有效地提高生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省生產(chǎn)成本，減少安全隱患；在配置資源得到優(yōu)化的同時(shí)，助力企業(yè)在市場(chǎng)中獲得更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。本文擬以國(guó)內(nèi)某企業(yè)奧爐精煉車間澆鑄盤銅模的水平定位自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)為例，探討冶金企業(yè)通過智能化設(shè)備解決具體問題、優(yōu)化生產(chǎn)過程的能力。

1" "項(xiàng)目研究背景

某奧爐精煉車間雙圓盤澆鑄系統(tǒng)擁有18個(gè)模位。每個(gè)模位上都配備有3個(gè)螺栓桿，這些螺栓桿與銅模底部3個(gè)定位孔相匹配，從而起到穩(wěn)定銅模位置的作用。一旦銅模固定在位，可以通過調(diào)整螺栓桿上的螺栓高度來(lái)確保銅模的水平度。然而，由于銅模在制作時(shí)會(huì)存在精度誤差。因此在新銅模使用之前，須對(duì)其水平度進(jìn)行初次校準(zhǔn)，在投入使用后，根據(jù)澆鑄出的陽(yáng)極板情況，進(jìn)行二次微調(diào)。銅模長(zhǎng)期受到銅水的沖刷，表面會(huì)發(fā)生磨損和變形，導(dǎo)致澆鑄的陽(yáng)極板出現(xiàn)厚薄不均和折邊，從而影響陽(yáng)極板質(zhì)量。

目前，該車間每月需更換銅模40～50塊。新模水平度初次調(diào)整40～50次/月，二次復(fù)調(diào)需20～30次/月，因銅模生產(chǎn)耗損、變形造成的調(diào)整40～50次/月，即銅模水平調(diào)整在100～130次/月。

銅模質(zhì)量為3.5 t/塊，若水平調(diào)整采用人工操作，則每次須借助葫蘆吊由3人協(xié)助完成。且由于車間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備繁多，操作空間不足，環(huán)境比較惡劣，操作的工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，存在重大的安全隱患。因此，開發(fā)銅模水平自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)對(duì)于降低生產(chǎn)成本、減少安全隱患、解決銅模調(diào)平不及時(shí)對(duì)陽(yáng)極板厚度、錐度的影響具有重要意義。

1" "研究?jī)?nèi)容

1.1" 設(shè)計(jì)思路

目前，陽(yáng)極板澆鑄盤采用楔形模，每個(gè)銅模工位有3個(gè)調(diào)整螺栓用于調(diào)整銅模的水平度，澆筑盤模具模擬俯視圖，如圖１～ 2所示。

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)整，本次設(shè)計(jì)將3個(gè)調(diào)整點(diǎn)改為1個(gè)固定點(diǎn)、2個(gè)調(diào)整點(diǎn)，同時(shí)設(shè)計(jì)采用2個(gè)升舉式機(jī)械手替代人工調(diào)整調(diào)節(jié)螺栓（見圖3）。陽(yáng)極模隨著圓盤到達(dá)檢測(cè)和調(diào)整工位后，水平度檢測(cè)系統(tǒng)快速檢測(cè)出當(dāng)前陽(yáng)極模水平度情況。如果檢測(cè)結(jié)果滿足澆鑄工藝要求，機(jī)械手不再做任何動(dòng)作；如果陽(yáng)極模水平度不滿足澆鑄工藝要求，機(jī)械手會(huì)升至設(shè)定位置，待激光測(cè)距儀檢測(cè)調(diào)平六方與頂模螺栓的水平間距，并指令角度調(diào)節(jié)電機(jī)工作找正兩者同軸后，再繼續(xù)上升使調(diào)平六方與頂模螺栓耦合。依據(jù)水平度檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)指令兩個(gè)調(diào)平電機(jī)獨(dú)立或協(xié)同工作，最終實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極模水平度調(diào)整。

圖3" 調(diào)整機(jī)械手示意

1.2" 自動(dòng)調(diào)平的實(shí)現(xiàn)

1）機(jī)械手結(jié)構(gòu)。每個(gè)機(jī)械手包括安裝底座、直升降安裝座、絲桿升降機(jī)、弧形滑軌、角度調(diào)節(jié)電機(jī)、弧形齒條、調(diào)平電機(jī)、調(diào)節(jié)六方、傳動(dòng)皮帶及外部防護(hù)罩、伺服驅(qū)動(dòng)器等部分，如圖4所示。

圖4" "機(jī)械手裝置

2）螺栓的調(diào)整與優(yōu)化。為確保自動(dòng)調(diào)平的準(zhǔn)確性，將澆鑄轉(zhuǎn)盤原有頂模螺栓座結(jié)構(gòu)改為內(nèi)螺紋形式，確保每個(gè)模位內(nèi)的3個(gè)頂模螺栓位置相同、相鄰模位中心線夾角一致，以及各模位內(nèi)外側(cè)頂模螺栓分別同圓。把內(nèi)側(cè)各頂模螺栓調(diào)整到相同的頂出高度，高度范圍以陽(yáng)極模面標(biāo)高滿足生產(chǎn)要求為準(zhǔn)，然后用雙螺母鎖緊內(nèi)側(cè)各頂模螺栓。后續(xù)自動(dòng)調(diào)平將以內(nèi)側(cè)各頂模螺栓上方陽(yáng)極模內(nèi)底標(biāo)高為基準(zhǔn)。

3）調(diào)平系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。合理選擇某一模位（暫定脫模劑噴涂工位前一模位），在其下方設(shè)置自動(dòng)調(diào)平機(jī)械手2臺(tái)。1臺(tái)調(diào)平機(jī)械手對(duì)應(yīng)1個(gè)外側(cè)頂模螺栓，每臺(tái)調(diào)平機(jī)械手可獨(dú)立或協(xié)同工作。澆鑄圓盤到達(dá)工位停止后，機(jī)械間隙會(huì)產(chǎn)生2 cm內(nèi)的誤差，為使調(diào)整平臺(tái)與澆鑄圓盤精準(zhǔn)銜接，確保調(diào)整機(jī)械手準(zhǔn)確調(diào)整螺栓，調(diào)整工位的調(diào)整平臺(tái)在升舉時(shí)通過錐形導(dǎo)槽與澆鑄圓盤對(duì)接。裝置運(yùn)行模擬平面如圖5所示。

圖5" 裝置運(yùn)行模擬平面

2" "系統(tǒng)需求及技術(shù)路線分析

2.1" 需求分析

為了確保系統(tǒng)能夠滿足陽(yáng)極板生產(chǎn)的需求，對(duì)該系統(tǒng)工藝需求進(jìn)行了全面分析，具體如下。1）自動(dòng)調(diào)整功能，即系統(tǒng)能通過自動(dòng)調(diào)整銅模的水平位置來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡和穩(wěn)定。這要求系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)銅模位置的能力，并能根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。2）模塊化設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)能夠根據(jù)功能拆分為多個(gè)獨(dú)立的模塊。每個(gè)模塊的功能獨(dú)立且管理靈活，易于維護(hù)和升級(jí)。3）具有先進(jìn)的算法，使系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地計(jì)算銅模的位置，并具備快速且準(zhǔn)確的調(diào)整能力。4）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到銅模的位置，并且能夠及時(shí)地反饋給控制算法。這要求系統(tǒng)需要具備高頻率的監(jiān)測(cè)能力，并能夠快速響應(yīng)銅模位置的變化。5）激光測(cè)距。激光測(cè)距技術(shù)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)銅模位置監(jiān)測(cè)的技術(shù)基礎(chǔ)。這要求系統(tǒng)中需要集成激光測(cè)距模塊，并能夠準(zhǔn)確地測(cè)量銅模到激光源之間的距離。

2.2" 技術(shù)路線

1）傳感器選擇和安裝。選擇適用于水平度監(jiān)測(cè)的傳感器，如慣性傳感器、激光傳感器或氣泡水平儀。確保傳感器的精度和靈敏度符合監(jiān)測(cè)要求。安裝傳感器在需要監(jiān)測(cè)水平度的位置上，確保其穩(wěn)固和準(zhǔn)確。

2）數(shù)據(jù)采集與處理。實(shí)時(shí)采集傳感器輸出的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換為水平度信息。數(shù)據(jù)采集與處理的過程還包括濾波、噪聲消除和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等步驟，以確保信息轉(zhuǎn)化的準(zhǔn)確與可靠。

3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)屬于閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，通常使用PID控制器，通過比較實(shí)際水平度和目標(biāo)水平度之間的誤差，自動(dòng)調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)對(duì)水平度的準(zhǔn)確控制。

4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇和集成。選擇適當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)，如電動(dòng)馬達(dá)、液壓缸或氣動(dòng)元件，用于實(shí)現(xiàn)水平度調(diào)整，并將其集成到系統(tǒng)中，以確保其能夠快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)控制系統(tǒng)的指令。

5）用戶界面設(shè)計(jì)。系統(tǒng)須提供一個(gè)用戶界面，使操作員能夠監(jiān)視水平度數(shù)據(jù)、設(shè)定目標(biāo)水平度和手動(dòng)干預(yù)調(diào)整。用戶界面可以是圖形化的，以便更直觀地顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)。

6）安全保障?？紤]到安全因素，系統(tǒng)應(yīng)引入過載保護(hù)、緊急停止按鈕等安全功能，以防止?jié)撛趽p害，確保在異常情況下系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)并保護(hù)設(shè)備和操作人員。

7）自動(dòng)校準(zhǔn)功能。系統(tǒng)集成自動(dòng)校準(zhǔn)功能，主要用于定期檢查系統(tǒng)的準(zhǔn)確性并進(jìn)行調(diào)整。該功能可以通過使用已知水平度的參考標(biāo)準(zhǔn)或其他自動(dòng)校準(zhǔn)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

8）數(shù)據(jù)記錄與分析。系統(tǒng)還需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和分析功能，以便操作員查看歷史數(shù)據(jù)、趨勢(shì)分析和性能評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題并進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。

9）系統(tǒng)優(yōu)化。系統(tǒng)要能不斷優(yōu)化自身性能，根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)和反饋進(jìn)行改進(jìn)。這涉及算法調(diào)整、硬件升級(jí)或其他技術(shù)改進(jìn)等。

通過上述技術(shù)路線，該銅模水平自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高效率的水平度控制，適用于各種需要精準(zhǔn)水平度的工業(yè)應(yīng)用。

3" "功能模塊的實(shí)現(xiàn)

通過模塊化設(shè)計(jì)，銅模水平自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊能夠獨(dú)立工作、互相配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效運(yùn)行和良好的性能。模塊化設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，并為系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化和升級(jí)提供了便利。

3.1" "控制模塊

該模塊根據(jù)激光測(cè)距模塊傳輸?shù)奈恢眯畔?，使用PID控制算法計(jì)算出調(diào)整銅模位置所需的控制信號(hào)[1-3]。

在PID控制算法中，比例增益參數(shù)（Proportional Gain，P）用于根據(jù)當(dāng)前誤差的大小和方向來(lái)確定控制輸出量的大小和方向?？刂戚敵隽颗c誤差成正比，因此誤差較大時(shí)，控制輸出量也較大。積分時(shí)間參數(shù)（Integral Time，I）用于對(duì)累積誤差進(jìn)行補(bǔ)償，可以消除常態(tài)誤差（如系統(tǒng)稱為誤差、系統(tǒng)飽和等）。微分時(shí)間參數(shù)（Derivative Time，D）用于對(duì)誤差變化速率進(jìn)行補(bǔ)償，可以提前預(yù)測(cè)系統(tǒng)的變化趨勢(shì)，從而減小超調(diào)和振蕩。PID控制算法的計(jì)算公式為：

控制輸出量 = Kp×偏差 +Ki×累積偏差 +

Kd×偏差變化率

式中：Kp、Ki和 Kd分別為比例增益參數(shù)、積分時(shí)間參數(shù)和微分時(shí)間參數(shù)。

PID控制算法通過比較實(shí)際距離和期望距離之間的差異，調(diào)整輸出信號(hào)的大小和方向，以實(shí)現(xiàn)銅模水平的自動(dòng)調(diào)整。該算法具有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)快速而精確地調(diào)整[4-6]。

3.2" 監(jiān)測(cè)模塊

該模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)銅模的位置和系統(tǒng)的工作狀態(tài)。首先，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象和需要的數(shù)據(jù)類型，選擇合適的傳感器，如攝像頭、溫度傳感器、壓力傳感器等。其次，確定傳感器的位置和數(shù)量，以確保覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域并獲取全面的數(shù)據(jù)；并設(shè)計(jì)高效的實(shí)時(shí)處理算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析，生成有用的信息。然后，創(chuàng)建用戶友好的監(jiān)控界面，集成報(bào)警系統(tǒng)，以便在監(jiān)測(cè)到異常時(shí)及時(shí)通知操作人員。同時(shí)，需確保數(shù)據(jù)安全性和隱私保護(hù)，并進(jìn)行全面的系統(tǒng)測(cè)試和集成，提供相關(guān)的報(bào)警和故障診斷信息[7]。監(jiān)測(cè)模塊能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并通過合適的措施進(jìn)行處理，從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3" 激光測(cè)距模塊

激光測(cè)距[8]模塊的主要任務(wù)是通過激光傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)銅模的位置，并將測(cè)量結(jié)果傳輸給控制模塊。設(shè)計(jì)激光測(cè)距模塊時(shí)需要考慮測(cè)距精度、測(cè)距范圍和測(cè)距速度等多個(gè)因素。

1）測(cè)距精度。選用高精度的激光傳感器[9]，并采用合適的信號(hào)處理算法來(lái)降低測(cè)量誤差。同時(shí)，還可以通過增加采樣次數(shù)和平均值濾波等方法進(jìn)一步提高測(cè)距精度。

2）測(cè)距范圍。首先需要確保激光傳感器可以覆蓋整個(gè)銅模的移動(dòng)范圍，然后通過合理選擇激光器的功率和接收器的靈敏度，滿足系統(tǒng)對(duì)較大測(cè)距范圍的需求。

3）測(cè)距速度[10-12]。激光傳感器應(yīng)具備較快的響應(yīng)時(shí)間，以確保能夠及時(shí)獲取銅模的位置信息。同時(shí)，激光傳感器的采樣頻率和數(shù)據(jù)傳輸速率也需要滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。在激光測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)中，還需考慮到傳感器的安裝和調(diào)試。合理選擇傳感器的安裝位置和角度，以獲得良好的測(cè)距效果。在調(diào)試過程中，需校準(zhǔn)傳感器，確保其輸出的距離與實(shí)際距離一致。

4" "結(jié)論

通過對(duì)某奧爐精煉車間銅模水平自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)時(shí)自動(dòng)水平檢測(cè)的前提下，利用機(jī)械手快速、精確地調(diào)整銅模水平度，滿足陽(yáng)極板澆鑄工藝要求的目標(biāo)。驗(yàn)證試驗(yàn)和性能評(píng)估，證明：1）該系統(tǒng)具有較高的精度，通過激光測(cè)距技術(shù)可以實(shí)時(shí)獲取銅模的信息，并進(jìn)行精確計(jì)算。相比于人眼觀察和手動(dòng)調(diào)整的方法，該系統(tǒng)能夠更加準(zhǔn)確地感知銅模的傾斜程度，從而實(shí)現(xiàn)更精確的自動(dòng)調(diào)整。2）系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度。PID控制算法通過對(duì)銅模的角度誤差進(jìn)行反饋控制，可以實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的輸出。相比于人工調(diào)整的過程，系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)銅模的調(diào)整。3）系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)和測(cè)試的結(jié)果表明，系統(tǒng)在不同情況下都能夠穩(wěn)定地工作，并有效地將銅模保持在水平狀態(tài)。與傳統(tǒng)的人工調(diào)整方法相比，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性更高，減少了因人為因素導(dǎo)致的調(diào)整誤差。

綜上所述，本次銅模水平自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，功能穩(wěn)定可靠，具有較高的精度和響應(yīng)速度，能夠滿足實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的需求。該系統(tǒng)是銅冶煉企業(yè)數(shù)字化車間的一小部分，其成功實(shí)現(xiàn)為建設(shè)全流程智慧生產(chǎn)的銅冶煉工廠提供了思路與經(jīng)驗(yàn)。

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收稿日期：2023-12-17

作者簡(jiǎn)介：金澤志（1973—），男，高級(jí)技師，主要從事火法冶煉工作。