一種機(jī)器人移載鋅極板圖像識(shí)別技術(shù)的研究開發(fā)

丁敬斌

（中際山河科技有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100）

引言

鋅電積是濕法煉鋅的重要工序，其工藝和裝備水平很大程度代表了濕法煉鋅行業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平，鋅電積所用陰極板一般為鋁合金板，陰極板有效面積從1.13 m2發(fā)展到1.6 m2、2.6 m2、3.2 m2甚至更大，行業(yè)內(nèi)將有效面積在3.2 m2及以上的陰極板叫大極板，對(duì)比傳統(tǒng)小極板剝鋅工藝，大極板剝鋅工藝具有操作頻次低、廠房占地面積小、機(jī)械化程度高等明顯優(yōu)勢(shì)[1]。自2009年國(guó)內(nèi)第一臺(tái)套大極板鋅電積、自動(dòng)剝鋅車間在丹霞冶煉廠順利投產(chǎn)，隨后，江銅冶煉廠、西部礦業(yè)鋅氧壓浸出工程、呼倫貝爾馳宏鉛鋅冶煉工程、云南馳宏鋅鍺會(huì)澤鉛鋅冶煉工程均采用了3.2 m2大極板鋅電積及自動(dòng)剝鋅設(shè)備。中際山河有限責(zé)任公司研發(fā)的大極板自動(dòng)剝鋅設(shè)備于2017 年配套西部礦業(yè)鋅氧壓浸出工程，各項(xiàng)性能指標(biāo)等同于同期引進(jìn)的國(guó)外設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化完全替代。在此基礎(chǔ)上，中際山河對(duì)大極板的搬運(yùn)方式與剝離成功識(shí)別方法設(shè)計(jì)出新的技術(shù)方案，并搭建了工業(yè)試驗(yàn)平臺(tái)，取得了完整的數(shù)據(jù)，為某大型冶煉廠新型自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)[2]。本研究重點(diǎn)介紹了剝鋅生產(chǎn)線的一種機(jī)器人移載鋅極板圖像識(shí)別技術(shù)的研究開發(fā)。

1 某冶煉廠大極板電鋅生產(chǎn)工藝要求

（1） 電積周期為48 h，自動(dòng)剝鋅機(jī)組理論最快剝片速度≤11 s/片，穩(wěn)定剝片速度≤12 s/片。

（2） 剝鋅機(jī)連續(xù)作業(yè)時(shí)間約10 h/d。

（3） 陰極板有效面積=3.2 m2。

2 大極板自動(dòng)剝鋅機(jī)組的典型布置

典型剝鋅機(jī)組布置見圖1，工作流程詳述如下：

圖1 傳統(tǒng)剝鋅機(jī)組布置

在剝鋅循環(huán)內(nèi)，吊車從電解槽吊運(yùn)半槽陰極板放置在圖1 所示入板機(jī)架上，轉(zhuǎn)運(yùn)小車將陰極板搬運(yùn)到入板鏈條輸送機(jī)上，陰極板經(jīng)預(yù)剝離工位完成預(yù)開口，主剝工位剝刀自上往下將鋅片與陰極板分離，成功被剝離鋅片的陰極板被橫向鏈移載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到洗刷輸送鏈條上，剝離不成功的陰極板經(jīng)人工判斷，手動(dòng)操作橫向鏈移載機(jī)將該陰極板移載到剔板輸送機(jī)上，再?gòu)难a(bǔ)板輸送機(jī)上搬運(yùn)一塊不帶鋅片的陰極板到洗刷鏈條輸送機(jī)上[3]。洗刷鏈條輸送機(jī)步進(jìn)，洗刷單元提升陰極板，提升過(guò)程中由轉(zhuǎn)動(dòng)的刷子進(jìn)行刷洗。刷洗后，陰極板放回洗刷鏈條輸送機(jī)上，轉(zhuǎn)運(yùn)小車將刷洗干凈的陰極板搬運(yùn)到多功能吊車裝載位置，達(dá)到半槽陰極板數(shù)量，吊車將自動(dòng)抓取該批陰極板，并將其送回原電解槽。剝離的鋅片由接收盒接收送入制動(dòng)單元接收裝置的輪組中，輪組將鋅片放置在皮帶機(jī)上，該皮帶輸送機(jī)可向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，接收裝置負(fù)責(zé)將鋅片送至小皮帶輸送機(jī)，在此處鋅片由轉(zhuǎn)運(yùn)傳送機(jī)送至碼垛臺(tái)[4]。鋅片垛碼、自動(dòng)稱重、自動(dòng)噴碼，通過(guò)鋅垛輸送鏈運(yùn)到預(yù)定點(diǎn)等待叉車下線。

3 傳統(tǒng)自動(dòng)剝鋅機(jī)組存在的主要問(wèn)題

（1） 剝片自動(dòng)化程度不足：鋅片是否剝離成功，完全依靠人眼觀察，經(jīng)常漏判、誤判造成停機(jī)故障，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

（2） 可靠性差：剔補(bǔ)板采用多套移載機(jī)完成，動(dòng)作多，速度慢，故障率高，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，可靠性差。

（3） 信息孤島：自動(dòng)剝鋅+人工識(shí)別+人工剔補(bǔ)板的模式，導(dǎo)致各工位控制信息處于互不關(guān)聯(lián)的孤島狀態(tài)，設(shè)備生產(chǎn)連貫性差，生產(chǎn)效率受工藝波動(dòng)、人員狀態(tài)的影響非常嚴(yán)重。

4 一種機(jī)器人移載極板圖像識(shí)別技術(shù)的研究與開發(fā)

為解決以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種新型剝鋅機(jī)布置和自動(dòng)剔補(bǔ)板方案，見圖2、圖3。從以下方面做了關(guān)鍵改進(jìn)：

圖2 新型剝鋅機(jī)組布置

圖3 圖像識(shí)別裝置結(jié)構(gòu)

（1） 主剝工位后增加圖像識(shí)別工位，依靠機(jī)器視覺完成陰極板鋅片剝離成功的判斷，解決漏檢與誤判的問(wèn)題，消除人工誤判或漏檢引起后續(xù)剔補(bǔ)板工位停機(jī)的故障。

（2） 剔補(bǔ)板搬運(yùn)改為采用成熟的工業(yè)機(jī)器人配以設(shè)計(jì)專用機(jī)械手夾具，設(shè)計(jì)合理的運(yùn)動(dòng)軌跡與控制程序，系統(tǒng)解決移載機(jī)搬運(yùn)陰極板動(dòng)作復(fù)雜、速度慢、故障率高的問(wèn)題。

（3） 信息貫通：自動(dòng)剝鋅+人工識(shí)別+人工剔補(bǔ)板模式改變?yōu)樽詣?dòng)剝鋅+機(jī)器識(shí)別+自動(dòng)剔補(bǔ)板模式。

圖像識(shí)別裝置布置在主剝離之后，包括機(jī)架、相機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、導(dǎo)向裝置。識(shí)別時(shí)間與剝片時(shí)間同步，一次識(shí)別一塊陰極板，通過(guò)布置在兩側(cè)的相機(jī)上下移動(dòng)完成對(duì)陰極板板面的掃描，檢測(cè)陰極板上的鋅片是否完全剝離、陰極板是否變形。檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到控制系統(tǒng)，指導(dǎo)下一個(gè)工位搬運(yùn)陰極板的正確路徑[5]。

為驗(yàn)證圖像識(shí)別的精度與可靠性，中際山河搭建了檢驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。模擬主剝之后，陰極板面殘留有未完全剝離的鋅片的實(shí)際工況，在設(shè)定的空間內(nèi)布置該套圖像識(shí)別裝置，進(jìn)行了仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1

表1 的測(cè)試結(jié)果表明，增加的視覺識(shí)別裝置，可有效檢測(cè)識(shí)別鋅片未能完全剝離的工況，從而指導(dǎo)下一工序機(jī)器人搬運(yùn)陰極板的準(zhǔn)確路徑。

圖4 為陰極板移動(dòng)路徑的兩種模式簡(jiǎn)化圖。陰極板上電積的鋅片被主剝裝置剝離之后，陰極板完好且板面沒有殘留的鋅片，此種工況為模式1；鋅片未被完全剝離，或鋅片被完全剝離，但陰極板損傷，此工況為模式2。模式1 為標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)模式；模式2 為自動(dòng)剔補(bǔ)板模式。

圖4 陰極板移動(dòng)模式

模式1 的工作路徑：移載機(jī)1 將陰極板搬運(yùn)到橫向鏈，橫向鏈橫移一個(gè)工位，移載機(jī)3 將陰極板從橫向鏈搬運(yùn)到刷板鏈條機(jī)。

模式2 的工作路徑：移載機(jī)1 將陰極板搬運(yùn)到橫向鏈，移載機(jī)2 將陰極板搬運(yùn)到剔板鏈條機(jī)，移載機(jī)4 將補(bǔ)充陰極板移動(dòng)到橫向鏈，移載機(jī)3 將補(bǔ)充陰極板移動(dòng)到刷板輸送機(jī)。

現(xiàn)有技術(shù)橫向連移載機(jī)（見圖5）搬運(yùn)陰極板次數(shù)多，涉及的移載設(shè)備多，隨著陰極板使用時(shí)間增加，陰極板的尺寸一致性越來(lái)越差，移載故障越來(lái)越頻繁，搬運(yùn)可靠性越來(lái)越差，效率越來(lái)越低，從而嚴(yán)重制約了自動(dòng)剝鋅機(jī)的生產(chǎn)效率。為解決此問(wèn)題，中際山河項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了機(jī)器人移載機(jī)搬運(yùn)陰極板的技術(shù)方案替代現(xiàn)有技術(shù)，并在廠內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了模擬真實(shí)生產(chǎn)場(chǎng)景的測(cè)試，詳述如下：

圖5 橫向鏈移載機(jī)布置

如圖7 所示，圖像識(shí)別裝置布置在主剝機(jī)后方，主剝機(jī)剝離陰極板電積鋅片的同時(shí)，圖像識(shí)別裝置同步完成對(duì)先前剝離陰極板的缺陷識(shí)別，并將結(jié)果反饋到控制程序中，從而指導(dǎo)機(jī)器人移載陰極板的工作路徑。

圖7 機(jī)器人移載圖像識(shí)別裝置立面布置

機(jī)器人移載工作路徑（見圖6）

圖6 機(jī)器人移載機(jī)布置

模式1：機(jī)器人本體在預(yù)設(shè)控制程序下帶動(dòng)機(jī)械手夾具將陰極板搬運(yùn)到刷板鏈條機(jī)，刷板鏈條機(jī)步進(jìn)，完成一次循環(huán)。

模式2：機(jī)器人本體在預(yù)設(shè)控制程序下帶動(dòng)機(jī)械手夾具將陰極板搬運(yùn)到剔板鏈條機(jī)，再將補(bǔ)板鏈條機(jī)上的陰極板搬運(yùn)到刷板鏈條機(jī)上，鏈條機(jī)步進(jìn)，完成一次循環(huán)。

機(jī)器人移載裝置由機(jī)器人本體、機(jī)械手夾具和機(jī)器人運(yùn)行控制程序組成。機(jī)器人移載裝置每次搬運(yùn)1塊陰極板。在每次搬運(yùn)的初始工位，氣缸2 推動(dòng)同步機(jī)構(gòu)動(dòng)作，兩側(cè)夾桿同時(shí)夾住陰極板板面，與此同時(shí)，氣缸1 推動(dòng)掛鉤開合機(jī)構(gòu)從打開位置運(yùn)動(dòng)到合攏位置，在高度上與吊耳下平面保持一定的距離，防止夾持塊松脫等異常工況下，掛鉤開合機(jī)構(gòu)仍可將陰極板吊耳勾起，防止掉落，起到安全保護(hù)的作用，見圖8。

圖8 機(jī)械手夾具詳圖

陰極板在被搬運(yùn)的過(guò)程中，主要受力部位為夾持桿與夾持塊，夾持塊采用耐磨材料制作而成，裝配式連接在夾持桿上，當(dāng)使用一定的時(shí)間，磨損達(dá)到一定程度之后，用非常短的時(shí)間就可以完成夾持塊的更換工作，從而恢復(fù)整套機(jī)器人移載裝置的運(yùn)行。

由于陰極板高度達(dá)到1.8 m,重量最高約130 kg,當(dāng)搬運(yùn)方向與板面垂直時(shí)，慣性力使得陰極板底部晃動(dòng)幅度非常大，夾持桿受力狀況不佳，因此，控制程序設(shè)計(jì)了多次加減速的方式完成移動(dòng)，解決了大型陰極極快速移動(dòng)時(shí)劇烈搖擺的問(wèn)題。

機(jī)器人搬運(yùn)陰極板，既要滿足可靠性要求，更要滿足生產(chǎn)效率的要求，為此，中際山河在搭建的機(jī)器人移載測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了仿真測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2

表2 測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)器人移載裝置可快速、穩(wěn)定的完成陰極板的自動(dòng)剔補(bǔ)搬運(yùn)動(dòng)作，搬運(yùn)指令經(jīng)上一工位圖像識(shí)別判斷發(fā)出，實(shí)現(xiàn)了剝鋅工位的信息暢通與自動(dòng)化，移載效率滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

5 結(jié)論

現(xiàn)有技術(shù)條件下，影響剝鋅生產(chǎn)效率的主要因素是在剝鋅環(huán)節(jié)，鋅片是否成功被剝離完全依靠現(xiàn)場(chǎng)操作工人肉眼觀察判斷，未成功剝離的陰極板的剔除與補(bǔ)充，也完全依靠人工來(lái)操作，嚴(yán)重降低了剝鋅設(shè)備的自動(dòng)化程度，加重了現(xiàn)場(chǎng)操作工人的思想負(fù)擔(dān)和勞動(dòng)強(qiáng)度，一旦誤判或者漏判，輕則影響生產(chǎn)效率，重則損壞設(shè)備。而電積鋅的工藝指標(biāo)波動(dòng)本屬于常態(tài)，鋅片剝離的難易程度是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程。中際山河從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，采用圖像識(shí)別技術(shù)替代人工完成剝片判斷，采用機(jī)器人移載替代傳統(tǒng)的移載機(jī)進(jìn)行剔板與補(bǔ)板的搬運(yùn)，在工廠內(nèi)搭建了完全模擬生產(chǎn)場(chǎng)景的試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，獲得了可靠的數(shù)據(jù)，為新型自動(dòng)剝鋅設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)提供了有力的支撐，對(duì)提升大極板剝鋅設(shè)備的自動(dòng)化程度、提升生產(chǎn)效率與可靠性具有非常重要的指導(dǎo)意義。