锌铸锭码垛自动生产线运行实践及优化改进

吴明华，韩丽军

（江西铜业铅锌金属有限公司，江西 九江 332500）

1 引言

随着技术的发展及国家产业政策的引导，电锌生产日益朝着规模化和现代化方向发展，通过引进国外先进装备逐步实现全自动机械化剥锌［1-2］。作为电锌生产最后一道工序的铸锭，技术发展相对缓慢，国内以江西铜业铅锌金属有限公司、南方冶炼厂采用的株洲火炬生产的锌直线铸锭机自动化程度最高，实现了阴极锌片的输送、融化、铸锭、码垛的全过程自动化［3-4］，但仍存在设备故障率偏高、人工介入频次高、现场噪音大等问题。因此，完善改进锌铸锭生产线，进一步提升自动化水平，对提高生产效率、降低员工劳动强度和改善作业环境具有重要意义。

2 锌铸锭码垛线介绍

锌铸锭线采用双石墨勺四模浇铸，包含锌片加料机、2000kW感应电炉、石墨勺、模具、落锭、水冷线、翻锭装置、机器人码垛装置等。如图1，锌片经加料机进入感应炉融化，石墨勺将融化后的锌液舀出，浇铸在模具内，经一次冷却碰撞脱模后，锌锭经落锭辊道转向90°进入水冷链条进行冷却，在水冷链条头部经过翻锭下落到推锭平台，再由推锭气缸将其推到抓锭平台，当两块锌锭到达抓锭平台，光电开关感应，机器人抓取锌锭开始码垛作业。堆码好的锌锭由锭垛输送机向前输送到打包工位打包，打包完毕，锭垛称重后由叉车叉运入库。1垛锌锭12层，共46块锌锭，42块面朝上，顶部4块背朝上，锌锭脱模后统一为背朝上，因此1垛锌锭有42块需要翻面，4块不需要翻面，如图2所示。

图1 铸锭线流程图

图2 锌锭垛型图

3 公司生产现状

在实际生产过程中，生产节拍 ≤10.36s，每垛循环节拍 ≤238.28s。按要求，锌锭第一层至第十一层需要翻转摆放，顶层不需翻转直接放置。两块锌锭同时进入翻锭机构，才能实现自动翻锭，若两块锌锭不同步，后面的锌锭则无法进入翻锭机构造成卡锭。然而，锌锭脱模随机性较大，很难保证两块锌锭同时脱模，甚至存在不脱模或者提前脱模的情况。锌锭提前脱模会导致锌锭正反面存在不确定性，为保证正常连续生产，翻锭工位需要专人值守，出现卡锭或锌锭正反不一时及时介入处理。同时，翻锭工位噪音尖锐刺耳，严重影响员工的身心健康。

4 改进方案

影响锌锭脱模的因素较多，每个模具都是一个单独的个体，因此保证锌锭同时脱模是一项复杂而艰巨的工作。从设备升级改进角度考虑，提升设备的智能化水平，增强设备在复杂工况下的识别和应对能力至关重要。

4.1 取消翻锭装置

延长水冷线，取消翻锭机构和推锭机构，机器人直接在水冷线上抓锭，消除翻锭机构卡锭和翻锭产生的噪音。

图4 改进后抓锭工位布局

4.2 水冷线增加抓取工位

锌锭从水冷线出来后机器人无法直接抓取，需要将锌锭顶起给机器人留出足够的抓取空间。为保证锌锭码放紧凑整齐，还需在前、左、右三个方向安装校正装置。

改进后的水冷输送结构组成如图5所示，包含机架、输送链条、托盘、顶升气缸、校正气缸以及感应开关。在头部两块锌锭正前方各有一个感应开关，当两个感应开关都接收到信号时，顶升气缸执行上推命令，将放有锌锭的托盘顶起，到极限位置后，两侧夹紧气缸开始动作，对两块锌锭位置校正对齐，以便于机器人抓取锌锭。出现两块锌锭到达头部的时间不一致时，当其中一块锌锭提前触碰到感应开关后，气缸不执行顶起指令，锌锭在托盘上停留等待，直至第二快锌锭也触碰到感应开关，顶升气缸才开始执行顶升动作，有效解决了锌锭不同步造成的卡锭问题。

图5 水冷线抓取工位

4.3 夹具增加翻锭功能

翻锭机构取消后，锌锭无法在铸锭线上实现翻锭。机器人夹具需要具备翻转功能。在现有机器人上安装一套带翻锭功能的新夹具，各检测信号和控制单元与现有PLC、机器人实现对接。

新夹具结构主要由夹具法兰盘、基板、夹爪、旋转电机等组成，翻转锌锭过程如图6所示。顶升机构接到信号后顶起锌锭，机器人到达抓取工位，夹爪夹紧锌锭，完成锌锭夹持动作。两个夹爪相互独立，可以单个执行夹紧、松开、旋转翻锭动作。

图6 夹具旋转翻锭

4.4 自动翻锭结构设计

单块锌锭质量为25kg，长度为460mm，宽度为230mm，厚度为50mm 。顶升气缸要克服两块锌锭和托盘的重力，两侧推锭气缸要克服锌锭在托盘表面的摩擦力。

图7为顶升机构受力示意图，两块锌锭置于托盘上，由公式（1）得出所需向上推力为：

图7 顶升机构受力示意图

式中：FN为向上的推力；m1、m2分别为两块锌锭的质量；m3为托盘质量；g为重力加速度，g为9.8m/s2。

为校正锌锭摆放位置，由公式（2）得出锌锭所需两侧推力为：

式中：Ff1、Ff2为锌锭所受摩擦力，μ 为摩擦系数；F1、F2分别为两侧推力。

校正气缸推力F取F1、F2中较大者，即F=max(F1，F2)。锌 锭 质 量m1、m2都 取 最 大 值25kg，托盘质量m3取50kg，代入数据得FN=980N，考虑到顶起时的冲击力和加速度，输入安全系数α=2，顶起力为1960N。锌锭与托盘之间的摩擦系数取μ=0.4，代入公式（2），得出校正推力F=98N，F为校正气缸所需推力。所选用的顶升气缸和校正气缸需满足工作要求。

在夹爪夹紧的同时，旋转轴提供扭矩转动，

式中：M为锌锭翻转所需转矩，IC为转动惯量；a为角加速度；m为锌锭质量；h为锌锭厚度；l为锌锭宽度；θ为翻转角度；t为翻转所需时间。

锌锭的厚度和宽度分别为50mm和230mm，质量为25kg，代入公式（4）中，得转动惯量IC=0.115kg·m2。机器人夹具将锌锭翻转一周时间一般设置为0.8s，代入公式（5），得角加速度 为a=19.625rad/s2，最 终 代 入 公 式（3），得M=2.26N·m，所选用摆动气缸力矩需达到所需计算力矩要求，满足锌锭翻转要求。

4.5 增加正反面识别系统

增加一套锌锭正反面识别系统。在水冷线末端加装工业相机，获取产线上锌锭状态的实时视频流，边缘算力设备对视频流进行抽帧，并使用部署在设备上的深度学习模型对锌锭状态进行判断，状态输出分为正面朝上/反面朝上，并将状态及位置信号发送给控制器［6］。控制器根据当前铅锌垛是否为码垛前六块、锌锭状态/位置信号等输入信息进行逻辑判断，并将动作信号发送给相应的翻锭电机，实现锌锭的自动翻面。

图8 逻辑控制图

4.6 采用变速浇铸系统

锌锭表面的飞边毛刺是导致机器人夹具翻锭不顺畅或者无法翻锭的主要原因，因此需要从浇铸源头控制飞边毛刺的产生。在浇铸过程中，模具匀速向前运行，石墨勺残留的锌液滴落在模具边沿，产生飞边毛刺。采用高低速浇铸系统减少残留锌液低落在模具边沿，当石墨勺浇铸时模具低速运行，浇铸完成后模具高速运行，石墨勺迅速提升，完成一个浇铸循环。通过现场调试摸索，确定了最佳运行速度。采用变速浇铸系统，减少了锌锭飞边毛刺产生。改进前，一个浇铸循环的时间为26s，改进后降低至21s。如图9所示,浇铸周期缩短20%，锌锭浇铸产能由100kt/a提升至120kt/a。

图9 石墨勺、模具速度

图10 石墨勺-模具

5 结论

该锌熔铸码垛自动生产线自2011年投用以来，通过结合机器人自动翻锭、锌锭智能识别、变速浇铸三项技术改进，大幅降低了生产现场噪音,避免了人工干预，同时锌锭外观质量大幅度的提升，生产线的自动化水平也得到了进一步的提升，并取得了很好的经济效益，为公司完成120kt/a的锌锭产量任务提供了保障。