銅模水平自動調整系統(tǒng)的設計與實踐

〔摘 要〕針對奧爐精煉車間雙圓盤澆鑄系統(tǒng)中銅模水平度調整問題，在具備實時自動水平檢測的條件下，研制了一款自動調整裝置。該裝置以實時監(jiān)測數據為依據，利用機械手替代人工快速、精確地調節(jié)模位螺栓桿上螺栓的高度。介紹了該銅模水平自動調整系統(tǒng)的設計思路，分析了系統(tǒng)需求及技術路線分析。驗證試驗和性能評估證明，該系統(tǒng)具有較高的精度、較快的響應速度及較高的穩(wěn)定性和可靠性，滿足陽極板澆鑄工藝要求。

〔關鍵詞〕銅模水平調整；實時監(jiān)測；自動調平；模塊化設計

中圖分類號：TP273" " " " 文獻標志碼：B" 文章編號：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，國家正在大力推進重點領域智能工廠/數字化車間試點建設，以加快推動新一代信息技術和制造技術的融合發(fā)展。以銅冶煉企業(yè)的智能工廠建設為例，通過引入先進的信息技術和自動化設備，銅冶煉生產過程變得智能化、精細化，從而有效地提高生產效率，提升產品質量，節(jié)省生產成本，減少安全隱患；在配置資源得到優(yōu)化的同時，助力企業(yè)在市場中獲得更大的競爭優(yōu)勢。本文擬以國內某企業(yè)奧爐精煉車間澆鑄盤銅模的水平定位自動調整系統(tǒng)為例，探討冶金企業(yè)通過智能化設備解決具體問題、優(yōu)化生產過程的能力。

1" "項目研究背景

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

目前，該車間每月需更換銅模40～50塊。新模水平度初次調整40～50次/月，二次復調需20～30次/月，因銅模生產耗損、變形造成的調整40～50次/月，即銅模水平調整在100～130次/月。

銅模質量為3.5 t/塊，若水平調整采用人工操作，則每次須借助葫蘆吊由3人協(xié)助完成。且由于車間現(xiàn)場設備繁多，操作空間不足，環(huán)境比較惡劣，操作的工人勞動強度高，存在重大的安全隱患。因此，開發(fā)銅模水平自動調整系統(tǒng)對于降低生產成本、減少安全隱患、解決銅模調平不及時對陽極板厚度、錐度的影響具有重要意義。

1" "研究內容

1.1" 設計思路

目前，陽極板澆鑄盤采用楔形模，每個銅模工位有3個調整螺栓用于調整銅模的水平度，澆筑盤模具模擬俯視圖，如圖１～ 2所示。

為實現(xiàn)自動化調整，本次設計將3個調整點改為1個固定點、2個調整點，同時設計采用2個升舉式機械手替代人工調整調節(jié)螺栓（見圖3）。陽極模隨著圓盤到達檢測和調整工位后，水平度檢測系統(tǒng)快速檢測出當前陽極模水平度情況。如果檢測結果滿足澆鑄工藝要求，機械手不再做任何動作；如果陽極模水平度不滿足澆鑄工藝要求，機械手會升至設定位置，待激光測距儀檢測調平六方與頂模螺栓的水平間距，并指令角度調節(jié)電機工作找正兩者同軸后，再繼續(xù)上升使調平六方與頂模螺栓耦合。依據水平度檢測系統(tǒng)數據，系統(tǒng)指令兩個調平電機獨立或協(xié)同工作，最終實現(xiàn)陽極模水平度調整。

圖3" 調整機械手示意

1.2" 自動調平的實現(xiàn)

1）機械手結構。每個機械手包括安裝底座、直升降安裝座、絲桿升降機、弧形滑軌、角度調節(jié)電機、弧形齒條、調平電機、調節(jié)六方、傳動皮帶及外部防護罩、伺服驅動器等部分，如圖4所示。

圖4" "機械手裝置

2）螺栓的調整與優(yōu)化。為確保自動調平的準確性，將澆鑄轉盤原有頂模螺栓座結構改為內螺紋形式，確保每個模位內的3個頂模螺栓位置相同、相鄰模位中心線夾角一致，以及各模位內外側頂模螺栓分別同圓。把內側各頂模螺栓調整到相同的頂出高度，高度范圍以陽極模面標高滿足生產要求為準，然后用雙螺母鎖緊內側各頂模螺栓。后續(xù)自動調平將以內側各頂模螺栓上方陽極模內底標高為基準。

3）調平系統(tǒng)的實現(xiàn)。合理選擇某一模位（暫定脫模劑噴涂工位前一模位），在其下方設置自動調平機械手2臺。1臺調平機械手對應1個外側頂模螺栓，每臺調平機械手可獨立或協(xié)同工作。澆鑄圓盤到達工位停止后，機械間隙會產生2 cm內的誤差，為使調整平臺與澆鑄圓盤精準銜接，確保調整機械手準確調整螺栓，調整工位的調整平臺在升舉時通過錐形導槽與澆鑄圓盤對接。裝置運行模擬平面如圖5所示。

圖5" 裝置運行模擬平面

2" "系統(tǒng)需求及技術路線分析

2.1" 需求分析

為了確保系統(tǒng)能夠滿足陽極板生產的需求，對該系統(tǒng)工藝需求進行了全面分析，具體如下。1）自動調整功能，即系統(tǒng)能通過自動調整銅模的水平位置來實現(xiàn)平衡和穩(wěn)定。這要求系統(tǒng)具備實時監(jiān)測銅模位置的能力，并能根據監(jiān)測結果進行相應的調整。2）模塊化設計，即系統(tǒng)能夠根據功能拆分為多個獨立的模塊。每個模塊的功能獨立且管理靈活，易于維護和升級。3）具有先進的算法，使系統(tǒng)能夠準確地計算銅模的位置，并具備快速且準確的調整能力。4）實時監(jiān)測，即系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測到銅模的位置，并且能夠及時地反饋給控制算法。這要求系統(tǒng)需要具備高頻率的監(jiān)測能力，并能夠快速響應銅模位置的變化。5）激光測距。激光測距技術是實現(xiàn)系統(tǒng)對銅模位置監(jiān)測的技術基礎。這要求系統(tǒng)中需要集成激光測距模塊，并能夠準確地測量銅模到激光源之間的距離。

2.2" 技術路線

1）傳感器選擇和安裝。選擇適用于水平度監(jiān)測的傳感器，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)測要求。安裝傳感器在需要監(jiān)測水平度的位置上，確保其穩(wěn)固和準確。

2）數據采集與處理。實時采集傳感器輸出的數據，并通過數據處理系統(tǒng)將其轉換為水平度信息。數據采集與處理的過程還包括濾波、噪聲消除和數據校準等步驟，以確保信息轉化的準確與可靠。

3）控制系統(tǒng)設計。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，通過比較實際水平度和目標水平度之間的誤差，自動調整執(zhí)行機構以實現(xiàn)對水平度的準確控制。

4）執(zhí)行機構的選擇和集成。選擇適當的執(zhí)行機構，如電動馬達、液壓缸或氣動元件，用于實現(xiàn)水平度調整，并將其集成到系統(tǒng)中，以確保其能夠快速、準確地響應控制系統(tǒng)的指令。

5）用戶界面設計。系統(tǒng)須提供一個用戶界面，使操作員能夠監(jiān)視水平度數據、設定目標水平度和手動干預調整。用戶界面可以是圖形化的，以便更直觀地顯示實時數據和系統(tǒng)狀態(tài)。

6）安全保障。考慮到安全因素，系統(tǒng)應引入過載保護、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)能夠迅速響應并保護設備和操作人員。

7）自動校準功能。系統(tǒng)集成自動校準功能，主要用于定期檢查系統(tǒng)的準確性并進行調整。該功能可以通過使用已知水平度的參考標準或其他自動校準方法來實現(xiàn)。

8）數據記錄與分析。系統(tǒng)還需實現(xiàn)數據記錄和分析功能，以便操作員查看歷史數據、趨勢分析和性能評估，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題并進行預防性維護。

9）系統(tǒng)優(yōu)化。系統(tǒng)要能不斷優(yōu)化自身性能，根據實際使用經驗和反饋進行改進。這涉及算法調整、硬件升級或其他技術改進等。

通過上述技術路線，該銅模水平自動調整系統(tǒng)能夠實現(xiàn)高精度、高效率的水平度控制，適用于各種需要精準水平度的工業(yè)應用。

3" "功能模塊的實現(xiàn)

通過模塊化設計，銅模水平自動調整系統(tǒng)的各個功能模塊能夠獨立工作、互相配合，實現(xiàn)系統(tǒng)的高效運行和良好的性能。模塊化設計提高了系統(tǒng)的可維護性和可擴展性，并為系統(tǒng)的進一步優(yōu)化和升級提供了便利。

3.1" "控制模塊

該模塊根據激光測距模塊傳輸的位置信息，使用PID控制算法計算出調整銅模位置所需的控制信號[1-3]。

在PID控制算法中，比例增益參數（Proportional Gain，P）用于根據當前誤差的大小和方向來確定控制輸出量的大小和方向。控制輸出量與誤差成正比，因此誤差較大時，控制輸出量也較大。積分時間參數（Integral Time，I）用于對累積誤差進行補償，可以消除常態(tài)誤差（如系統(tǒng)稱為誤差、系統(tǒng)飽和等）。微分時間參數（Derivative Time，D）用于對誤差變化速率進行補償，可以提前預測系統(tǒng)的變化趨勢，從而減小超調和振蕩。PID控制算法的計算公式為：

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、積分時間參數和微分時間參數。

PID控制算法通過比較實際距離和期望距離之間的差異，調整輸出信號的大小和方向，以實現(xiàn)銅模水平的自動調整。該算法具有良好的穩(wěn)定性和適應性，能夠實現(xiàn)快速而精確地調整[4-6]。

3.2" 監(jiān)測模塊

該模塊用于實時監(jiān)測銅模的位置和系統(tǒng)的工作狀態(tài)。首先，應根據監(jiān)測對象和需要的數據類型，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量，以確保覆蓋監(jiān)測區(qū)域并獲取全面的數據；并設計高效的實時處理算法，對數據進行快速分析，生成有用的信息。然后，創(chuàng)建用戶友好的監(jiān)控界面，集成報警系統(tǒng)，以便在監(jiān)測到異常時及時通知操作人員。同時，需確保數據安全性和隱私保護，并進行全面的系統(tǒng)測試和集成，提供相關的報警和故障診斷信息[7]。監(jiān)測模塊能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，并通過合適的措施進行處理，從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3" 激光測距模塊

激光測距[8]模塊的主要任務是通過激光傳感器實時監(jiān)測銅模的位置，并將測量結果傳輸給控制模塊。設計激光測距模塊時需要考慮測距精度、測距范圍和測距速度等多個因素。

1）測距精度。選用高精度的激光傳感器[9]，并采用合適的信號處理算法來降低測量誤差。同時，還可以通過增加采樣次數和平均值濾波等方法進一步提高測距精度。

2）測距范圍。首先需要確保激光傳感器可以覆蓋整個銅模的移動范圍，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)對較大測距范圍的需求。

3）測距速度[10-12]。激光傳感器應具備較快的響應時間，以確保能夠及時獲取銅模的位置信息。同時，激光傳感器的采樣頻率和數據傳輸速率也需要滿足系統(tǒng)的實時性要求。在激光測距模塊的設計中，還需考慮到傳感器的安裝和調試。合理選擇傳感器的安裝位置和角度，以獲得良好的測距效果。在調試過程中，需校準傳感器，確保其輸出的距離與實際距離一致。

4" "結論

通過對某奧爐精煉車間銅模水平自動調整系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了在實時自動水平檢測的前提下，利用機械手快速、精確地調整銅模水平度，滿足陽極板澆鑄工藝要求的目標。驗證試驗和性能評估，證明：1）該系統(tǒng)具有較高的精度，通過激光測距技術可以實時獲取銅模的信息，并進行精確計算。相比于人眼觀察和手動調整的方法，該系統(tǒng)能夠更加準確地感知銅模的傾斜程度，從而實現(xiàn)更精確的自動調整。2）系統(tǒng)具有較快的響應速度。PID控制算法通過對銅模的角度誤差進行反饋控制，可以實時調整系統(tǒng)的輸出。相比于人工調整的過程，系統(tǒng)的響應速度更快，能夠在短時間內實現(xiàn)對銅模的調整。3）系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。對系統(tǒng)進行多次實驗和測試的結果表明，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致的調整誤差。

綜上所述，本次銅模水平自動調整系統(tǒng)設計合理，功能穩(wěn)定可靠，具有較高的精度和響應速度，能夠滿足實際工業(yè)應用的需求。該系統(tǒng)是銅冶煉企業(yè)數字化車間的一小部分，其成功實現(xiàn)為建設全流程智慧生產的銅冶煉工廠提供了思路與經驗。

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收稿日期：2023-12-17

作者簡介：金澤志（1973—），男，高級技師，主要從事火法冶煉工作。