一种机器人移载锌极板图像识别技术的研究开发

丁敬斌

（中际山河科技有限责任公司，湖南 长沙 410100）

引言

锌电积是湿法炼锌的重要工序，其工艺和装备水平很大程度代表了湿法炼锌行业的技术发展水平，锌电积所用阴极板一般为铝合金板，阴极板有效面积从1.13 m2发展到1.6 m2、2.6 m2、3.2 m2甚至更大，行业内将有效面积在3.2 m2及以上的阴极板叫大极板，对比传统小极板剥锌工艺，大极板剥锌工艺具有操作频次低、厂房占地面积小、机械化程度高等明显优势[1]。自2009年国内第一台套大极板锌电积、自动剥锌车间在丹霞冶炼厂顺利投产，随后，江铜冶炼厂、西部矿业锌氧压浸出工程、呼伦贝尔驰宏铅锌冶炼工程、云南驰宏锌锗会泽铅锌冶炼工程均采用了3.2 m2大极板锌电积及自动剥锌设备。中际山河有限责任公司研发的大极板自动剥锌设备于2017 年配套西部矿业锌氧压浸出工程，各项性能指标等同于同期引进的国外设备，实现了进口设备的国产化完全替代。在此基础上，中际山河对大极板的搬运方式与剥离成功识别方法设计出新的技术方案，并搭建了工业试验平台，取得了完整的数据，为某大型冶炼厂新型自动剥锌生产线的设计提供了重要依据[2]。本研究重点介绍了剥锌生产线的一种机器人移载锌极板图像识别技术的研究开发。

1 某冶炼厂大极板电锌生产工艺要求

（1） 电积周期为48 h，自动剥锌机组理论最快剥片速度≤11 s/片，稳定剥片速度≤12 s/片。

（2） 剥锌机连续作业时间约10 h/d。

（3） 阴极板有效面积=3.2 m2。

2 大极板自动剥锌机组的典型布置

典型剥锌机组布置见图1，工作流程详述如下：

图1 传统剥锌机组布置

在剥锌循环内，吊车从电解槽吊运半槽阴极板放置在图1 所示入板机架上，转运小车将阴极板搬运到入板链条输送机上，阴极板经预剥离工位完成预开口，主剥工位剥刀自上往下将锌片与阴极板分离，成功被剥离锌片的阴极板被横向链移载机转运到洗刷输送链条上，剥离不成功的阴极板经人工判断，手动操作横向链移载机将该阴极板移载到剔板输送机上，再从补板输送机上搬运一块不带锌片的阴极板到洗刷链条输送机上[3]。洗刷链条输送机步进，洗刷单元提升阴极板，提升过程中由转动的刷子进行刷洗。刷洗后，阴极板放回洗刷链条输送机上，转运小车将刷洗干净的阴极板搬运到多功能吊车装载位置，达到半槽阴极板数量，吊车将自动抓取该批阴极板，并将其送回原电解槽。剥离的锌片由接收盒接收送入制动单元接收装置的轮组中，轮组将锌片放置在皮带机上，该皮带输送机可向两个方向运动，接收装置负责将锌片送至小皮带输送机，在此处锌片由转运传送机送至码垛台[4]。锌片垛码、自动称重、自动喷码，通过锌垛输送链运到预定点等待叉车下线。

3 传统自动剥锌机组存在的主要问题

（1） 剥片自动化程度不足：锌片是否剥离成功，完全依靠人眼观察，经常漏判、误判造成停机故障，严重影响生产效率。

（2） 可靠性差：剔补板采用多套移载机完成，动作多，速度慢，故障率高，设备运行不稳定，可靠性差。

（3） 信息孤岛：自动剥锌+人工识别+人工剔补板的模式，导致各工位控制信息处于互不关联的孤岛状态，设备生产连贯性差，生产效率受工艺波动、人员状态的影响非常严重。

4 一种机器人移载极板图像识别技术的研究与开发

为解决以上问题，设计出一种新型剥锌机布置和自动剔补板方案，见图2、图3。从以下方面做了关键改进：

图2 新型剥锌机组布置

图3 图像识别装置结构

（1） 主剥工位后增加图像识别工位，依靠机器视觉完成阴极板锌片剥离成功的判断，解决漏检与误判的问题，消除人工误判或漏检引起后续剔补板工位停机的故障。

（2） 剔补板搬运改为采用成熟的工业机器人配以设计专用机械手夹具，设计合理的运动轨迹与控制程序，系统解决移载机搬运阴极板动作复杂、速度慢、故障率高的问题。

（3） 信息贯通：自动剥锌+人工识别+人工剔补板模式改变为自动剥锌+机器识别+自动剔补板模式。

图像识别装置布置在主剥离之后，包括机架、相机、伺服驱动器、导向装置。识别时间与剥片时间同步，一次识别一块阴极板，通过布置在两侧的相机上下移动完成对阴极板板面的扫描，检测阴极板上的锌片是否完全剥离、阴极板是否变形。检测数据实时传送到控制系统，指导下一个工位搬运阴极板的正确路径[5]。

为验证图像识别的精度与可靠性，中际山河搭建了检验测试平台。模拟主剥之后，阴极板面残留有未完全剥离的锌片的实际工况，在设定的空间内布置该套图像识别装置，进行了仿真测试，测试结果见表1。

表1

表1 的测试结果表明，增加的视觉识别装置，可有效检测识别锌片未能完全剥离的工况，从而指导下一工序机器人搬运阴极板的准确路径。

图4 为阴极板移动路径的两种模式简化图。阴极板上电积的锌片被主剥装置剥离之后，阴极板完好且板面没有残留的锌片，此种工况为模式1；锌片未被完全剥离，或锌片被完全剥离，但阴极板损伤，此工况为模式2。模式1 为标准作业模式；模式2 为自动剔补板模式。

图4 阴极板移动模式

模式1 的工作路径：移载机1 将阴极板搬运到横向链，横向链横移一个工位，移载机3 将阴极板从横向链搬运到刷板链条机。

模式2 的工作路径：移载机1 将阴极板搬运到横向链，移载机2 将阴极板搬运到剔板链条机，移载机4 将补充阴极板移动到横向链，移载机3 将补充阴极板移动到刷板输送机。

现有技术横向连移载机（见图5）搬运阴极板次数多，涉及的移载设备多，随着阴极板使用时间增加，阴极板的尺寸一致性越来越差，移载故障越来越频繁，搬运可靠性越来越差，效率越来越低，从而严重制约了自动剥锌机的生产效率。为解决此问题，中际山河项目组设计了机器人移载机搬运阴极板的技术方案替代现有技术，并在厂内试验平台上进行了模拟真实生产场景的测试，详述如下：

图5 横向链移载机布置

如图7 所示，图像识别装置布置在主剥机后方，主剥机剥离阴极板电积锌片的同时，图像识别装置同步完成对先前剥离阴极板的缺陷识别，并将结果反馈到控制程序中，从而指导机器人移载阴极板的工作路径。

图7 机器人移载图像识别装置立面布置

机器人移载工作路径（见图6）

图6 机器人移载机布置

模式1：机器人本体在预设控制程序下带动机械手夹具将阴极板搬运到刷板链条机，刷板链条机步进，完成一次循环。

模式2：机器人本体在预设控制程序下带动机械手夹具将阴极板搬运到剔板链条机，再将补板链条机上的阴极板搬运到刷板链条机上，链条机步进，完成一次循环。

机器人移载装置由机器人本体、机械手夹具和机器人运行控制程序组成。机器人移载装置每次搬运1块阴极板。在每次搬运的初始工位，气缸2 推动同步机构动作，两侧夹杆同时夹住阴极板板面，与此同时，气缸1 推动挂钩开合机构从打开位置运动到合拢位置，在高度上与吊耳下平面保持一定的距离，防止夹持块松脱等异常工况下，挂钩开合机构仍可将阴极板吊耳勾起，防止掉落，起到安全保护的作用，见图8。

图8 机械手夹具详图

阴极板在被搬运的过程中，主要受力部位为夹持杆与夹持块，夹持块采用耐磨材料制作而成，装配式连接在夹持杆上，当使用一定的时间，磨损达到一定程度之后，用非常短的时间就可以完成夹持块的更换工作，从而恢复整套机器人移载装置的运行。

由于阴极板高度达到1.8 m,重量最高约130 kg,当搬运方向与板面垂直时，惯性力使得阴极板底部晃动幅度非常大，夹持杆受力状况不佳，因此，控制程序设计了多次加减速的方式完成移动，解决了大型阴极极快速移动时剧烈摇摆的问题。

机器人搬运阴极板，既要满足可靠性要求，更要满足生产效率的要求，为此，中际山河在搭建的机器人移载测试平台进行了仿真测试，测试结果见表2。

表2

表2 测试结果表明，机器人移载装置可快速、稳定的完成阴极板的自动剔补搬运动作，搬运指令经上一工位图像识别判断发出，实现了剥锌工位的信息畅通与自动化，移载效率满足实际生产的需求。

5 结论

现有技术条件下，影响剥锌生产效率的主要因素是在剥锌环节，锌片是否成功被剥离完全依靠现场操作工人肉眼观察判断，未成功剥离的阴极板的剔除与补充，也完全依靠人工来操作，严重降低了剥锌设备的自动化程度，加重了现场操作工人的思想负担和劳动强度，一旦误判或者漏判，轻则影响生产效率，重则损坏设备。而电积锌的工艺指标波动本属于常态，锌片剥离的难易程度是一个动态的变化过程。中际山河从生产实际出发，采用图像识别技术替代人工完成剥片判断，采用机器人移载替代传统的移载机进行剔板与补板的搬运，在工厂内搭建了完全模拟生产场景的试验平台进行试验测试，获得了可靠的数据，为新型自动剥锌设备的研发设计提供了有力的支撑，对提升大极板剥锌设备的自动化程度、提升生产效率与可靠性具有非常重要的指导意义。