利用机器人输出极板的新型圆盘浇铸机

曾芳成

（江西瑞林装备有限公司，江西南昌 330032）

在铜冶炼中，圆盘浇铸机被广泛应用于铜阳极板的浇铸。而我国对圆盘浇铸机的研制起步较晚，大多还是停留在对进口设备的国产化仿制或局部更改上，具有实质意义的核心技术很少。同时，圆盘浇铸机作为铜冶炼工艺中的关键设备，对稳定性提出了极高的要求。经调查，目前圆盘浇铸机故障率最高的几个部件分别是提取机、液压系统和定量浇铸系统，其中单提取机故障率占比就达到80%左右[1]。常见的提取机故障，如连杆与偏心盘断裂、提取机角度改变、动作失效等，修复及更换备件时间长，严重影响到圆盘浇铸机的产能与阳极板质量[2]。然而，国内绝大部分提取机用的还是国外引进的设备，如图1 所示。因此尽管现有提取机故障率相对较高，但由于目前国内尚未提出更好的解决方案，技术仍然受制于人。

图1 传统圆盘浇铸机的提取机[3]

为了解决上述问题，江西瑞林装备有限公司自主研发了采用机器人进行阳极板输出的新型圆盘浇铸机方案，并成功应用于国内某项目。新研发的圆盘浇铸机具有占地空间小、布置灵活、故障率低、智能化程度高、稳定性高，且阳极板冷却效果好、变形小等优点。下文拟对该设备的配置、新结构及特点进行分析介绍。

1 方案总体配置

由江西瑞林装备有限公司自主研发的全新双18 模圆盘浇铸机总体配置如图2 所示。

图2 新型圆盘浇铸机总体配置

为了体现新方案布局的灵活性，圆盘右侧在场地受限情况下，该侧的冷却水槽、密集装置及废板机进行了方位调整，因此与左侧不对称。相比传统的圆盘浇铸机，新方案的主要改进如下：1）取消了废板机及原有的废板取板工位，但保留了阳极板的预顶功能。2）对取板机的功能部分做了较大的改动，取消了原来的回转取板、链运排版、堆垛提升等机构，对冷却水槽也做了较大的结构调整；采用机器人移载装置和密集装置代替原有的回转取板、链运排版、堆垛提升功能，并兼顾了提取废板的功能。

2 设备结构

总体而言，新方案仅是对取板部分做了改动，对圆盘本体、浇铸装置、喷淋冷却装置、预顶装置、顶起装置、喷涂装置等大体都沿袭了原有结构。下面仅对新方案的改动部分进行介绍。

2.1 机器人移载装置

机器人移载装置主要用于将圆盘本体上浇铸完成的阳极板取出，且将合格的阳极板放置在冷却水槽中、将不合格的阳极板放置于废板架上，并将在冷却水槽中完成冷却的阳极板提出后放置于密集装置上进行堆垛。

机器人移载装置如图3 所示，主要由机器人、专用夹具和柔性连接件组成。其中，为了节省机器人造价，推荐选用4 轴码垛机器人，即机器人末端法兰始终水平，这就要求所有的取、放板工位上的阳极板倾角始终相同，其倾角大小由顶起装置决定。而专用夹具，由气缸驱动，以“抱腰”形式夹取圆盘本体上的阳极板的板身中部，阳极板转运稳定可靠。

图3 机器人移载装置示意

需要特别提出的是，在移载机器人的末端法兰和专用夹具的连接法兰之间，设置了柔性连接件，以使移载机器人与专用夹具之间可相对转动一定角度，从而柔性适应抓取阳极板位置误差的变化，同时具有使已抓取的阳极板自动归中的功能，提高了抓板的可靠性和放板的准确性。

2.2 冷却水槽

冷却水槽的典型结构如图4 所示，主要用于接收并冷却机器人移载装置转运过来的阳极板，在阳极板冷却之后，再由机器人移载装置从中取出，并转运至密集装置。新的冷却水槽与传统圆盘浇铸机的冷却水槽不同，每个冷却水槽设置2 个冷却工位，每个冷却工位单独隔开，且1 次只能放置1 块阳极板。水槽中的阳极板与水平呈一定倾角，大小与阳极板在圆盘本体上被顶起装置5 顶起后的倾角相同。

图4 冷却水槽

新方案的冷却水槽结构仅为简单的拼焊结构件，水槽外部设置进水口、出水口和溢流口，内部设置接板架和接渣槽即可。整个冷却水槽没有任何驱动和传动元器件，因此设备造价低廉，使用过程中基本无需维护。

2.3 密集装置

密集装置主要用于逐块接收机器人移载装置从冷却水槽转运过来冷却后的阳极板，将极板实施密集堆垛后，供叉车将整跺阳极板运出。

由于放板时，阳极板倾角较小，不利于叉车叉板，设计时考虑设置旋转机构，将密集后的阳极跺旋转一定角度，使阳极板羊角呈水平姿态。因此，密集装置主要由固定支架、 旋转支架和旋转机构组成。密集装置的放板姿态和叉板姿态分别见图5、图6。

图5 密集装置放板状态

图6 密集装置叉板姿态

2.4 其他改进

技术人员在将传统圆盘浇铸机极板输出方式更改为机器人输出之后，还同步做了其他改进：1）取消废板机。由于机器人移载装置可以兼顾正常阳极板和废阳极板的抓取，因此取消了废板机，废板在圆盘的正常取板位被机器人取出后，直接放置于废板架上。2）取消液压系统。在将传统圆盘的提取机和水槽更改为机器人取板之后，原提取机中用液压驱动的回转取板和堆垛提升也随之取消。基于此，将预顶起装置、顶起装置的驱动由油缸改为电缸，整个圆盘浇铸机完全取消了液压。因此，新的圆盘浇铸机不会再出现漏油或阀芯堵塞等液压问题，故障率明显降低。3）全伺服控制。新的圆盘浇铸机，所有驱动均采用伺服电机驱动，输出力矩和速度均可实现精准的闭环控制，同时可以取消限位开关的使用，常见的限位开关丢失信号等问题也不再出现。另外，由于所有电机均为伺服驱动，无需再设置变频器进行调速，因此减少了变频器对电子设备的感应干扰和对通讯设备的放射干扰，提高了设备的稳定性。

3 设备运行描述

下面参照图2 描述新型圆盘浇铸机输出系统的工作流程。

假定起始时各个冷却工位无阳极板，圆盘本体的取板位输出的阳极板按顺序分别输出阳极板A、B、C……。圆盘的输出系统工作流程如下：1）顶起装置将圆盘本体取板位的阳极板A 顶起，机器人移载装置将阳极板A 抓起，转运至冷却水槽中的左下侧工位进行冷却；2）顶起装置将圆盘本体取板位的阳极板B 顶起，机器人移载装置将阳极板B 抓起，转运至冷却水槽中的右下侧工位进行冷却；3）顶起装置将圆盘本体取板位的阳极板C 顶起，机器人移载装置将阳极板C 抓起，转运至冷却水槽中的左上侧工位进行冷却；4)机器人移载装置将冷却水槽中的左下侧工位完成冷却的阳极板A 抓起，转运至左侧的密集装置上堆垛；5）顶起装置将圆盘本体取板位的阳极板D 顶起，机器人移载装置将阳极板D 抓起，转运至冷却水槽中的右上侧工位进行冷却；6）机器人移载装置将冷却水槽中的右下侧工位完成冷却的阳极板B 抓起，转运至右侧的密集装置上堆垛；7）机器人移载装置在各个冷却工位中交替放置来自圆盘本体的阳极板进行冷却，并将完成冷却的阳极板放在对应侧的密集装置处堆垛；8）当圆盘本体取板位的阳极板不合格时，则由机器人移载装置将其抓起，直接放至废板架处。9）当某个密集装置堆垛的阳极板数量达到设定值时，密集装置翻转至叉板姿态，由叉车将密集的整垛阳极板运走；10）当废板架的废板数量达到设定值时，则由叉车将整垛废板运走。上述操作流程，现场还可以根据实际情况灵活调整。

4 设备特点分析

利用机器人输出极板的新型圆盘浇铸机具有如下特点。

1）布置形式更为灵活，且空间占用更小。以图2为例，若右侧单圆盘的正前方有厂房立柱，传统的布置形式的水槽无法放置或放置后叉车无法取板，而现有的输出系统则可以轻松将水槽和密集装置的摆放位置和倾斜角度做一定调整以避开立柱，甚至无需更改设备设计，直接在现场调整都行，只要保证水槽和密集装置的位置落在机器人的运动范围内即可。如现场需要，连水槽和密集装置的数量都可以按需求进行调整，以适应不同的场地需求，使叉车行走更为顺畅。

2）智能化程度高，故障率低，维护成本低。机器人是成熟的标准化产品，其智能化程度高；而冷却水槽也是简单的焊接结构，没有多余的驱动及传动装置，故障率低、设备维护量少。相比而言，在传统圆盘浇铸机中，非标设计的提取机、水槽中的链运机，还有堆垛提升的液压系统等，结构复杂，故障率较高，对用户而言，备件成本会更高。

3）极板冷却效果更好且稳定。多个冷却水槽交替冷却阳极板，且每个冷却工位1 次只冷却1 块阳极板，更利于极板散热，在浇铸机实现连续稳定生产后，每块阳极板冷却时长相同，相比传统的水槽链运机中阳极板跺的每块板冷却时长逐个递减的情况，本方案的阳极板冷却效果更好且稳定，极板变形小。

4）设备稳定性高。各个冷却水槽和密集装置之间彼此独立，可同时使用，也可互为备用。即使某一装置故障，其他装置也可以继续运行，设备稳定性高。比如在出铜阶段，某一密集装置故障，此时，该侧的圆盘无需停止，可以只用机器人另一侧的冷却水槽和密集装置继续进行极板冷却和输出。

5）对圆盘同时出大、小极板的适应能力强。有些冶炼厂要求圆盘既能出大阳极板，也能出小阳极板。传统圆盘需要更换提取机和废板机的夹具，并调整冷却水槽链运机的链条中心距，操作较为复杂。而新的圆盘输出系统，仅需简单更换机器人移载装置中专用夹具的夹爪即可，其他均不用改变，调整起来明显更便捷。

6）输出系统生产能力强。根据当前国内某公司的实际应用来看，新圆盘浇铸机的极板输出系统，其输出1 块阳极板的作业周期可以达到24 s 以内，比常规圆盘浇铸机的作业周期 （普遍在26 s 以上） 更短，也即新圆盘浇铸机中的输出系统生产能力优于整机的生产能力，有利于整机生产能力的进一步提升。

7）自主知识产权。本方案完全为自主研发，并获得国家专利授权，突破了国外的技术封锁，设备出口不再受限。

5 结语

该项目为改造项目，由于传统圆盘浇铸机在老厂房无法布置，原方案是将厂房推倒重建，江西瑞林装备有限公司推出了基于机器人进行极板输出的新型圆盘浇铸机方案。该方案占地空间小，并可以根据现场灵活布置，最终实现了厂房利旧，给业主减少了一大笔厂房改造费。在新型圆盘浇铸机成功投产后，设备因其高智能化及稳定性、低故障率，以及大小极板轻易切换等特点，获得了业主的一致好评，具有很高的推广价值。