利用機器人輸出極板的新型圓盤澆鑄機

曾芳成

（江西瑞林裝備有限公司，江西南昌 330032）

在銅冶煉中，圓盤澆鑄機被廣泛應用于銅陽極板的澆鑄。而我國對圓盤澆鑄機的研制起步較晚，大多還是停留在對進口設備的國產化仿制或局部更改上，具有實質意義的核心技術很少。同時，圓盤澆鑄機作為銅冶煉工藝中的關鍵設備，對穩定性提出了極高的要求。經調查，目前圓盤澆鑄機故障率最高的幾個部件分別是提取機、液壓系統和定量澆鑄系統，其中單提取機故障率占比就達到80%左右[1]。常見的提取機故障，如連桿與偏心盤斷裂、提取機角度改變、動作失效等，修復及更換備件時間長，嚴重影響到圓盤澆鑄機的產能與陽極板質量[2]。然而，國內絕大部分提取機用的還是國外引進的設備，如圖1 所示。因此盡管現有提取機故障率相對較高，但由于目前國內尚未提出更好的解決方案，技術仍然受制于人。

圖1 傳統圓盤澆鑄機的提取機[3]

為了解決上述問題，江西瑞林裝備有限公司自主研發了采用機器人進行陽極板輸出的新型圓盤澆鑄機方案，并成功應用于國內某項目。新研發的圓盤澆鑄機具有占地空間小、布置靈活、故障率低、智能化程度高、穩定性高，且陽極板冷卻效果好、變形小等優點。下文擬對該設備的配置、新結構及特點進行分析介紹。

1 方案總體配置

由江西瑞林裝備有限公司自主研發的全新雙18 模圓盤澆鑄機總體配置如圖2 所示。

圖2 新型圓盤澆鑄機總體配置

為了體現新方案布局的靈活性，圓盤右側在場地受限情況下，該側的冷卻水槽、密集裝置及廢板機進行了方位調整，因此與左側不對稱。相比傳統的圓盤澆鑄機，新方案的主要改進如下：1）取消了廢板機及原有的廢板取板工位，但保留了陽極板的預頂功能。2）對取板機的功能部分做了較大的改動，取消了原來的回轉取板、鏈運排版、堆垛提升等機構，對冷卻水槽也做了較大的結構調整；采用機器人移載裝置和密集裝置代替原有的回轉取板、鏈運排版、堆垛提升功能，并兼顧了提取廢板的功能。

2 設備結構

總體而言，新方案僅是對取板部分做了改動，對圓盤本體、澆鑄裝置、噴淋冷卻裝置、預頂裝置、頂起裝置、噴涂裝置等大體都沿襲了原有結構。下面僅對新方案的改動部分進行介紹。

2.1 機器人移載裝置

機器人移載裝置主要用于將圓盤本體上澆鑄完成的陽極板取出，且將合格的陽極板放置在冷卻水槽中、將不合格的陽極板放置于廢板架上，并將在冷卻水槽中完成冷卻的陽極板提出后放置于密集裝置上進行堆垛。

機器人移載裝置如圖3 所示，主要由機器人、專用夾具和柔性連接件組成。其中，為了節省機器人造價，推薦選用4 軸碼垛機器人，即機器人末端法蘭始終水平，這就要求所有的取、放板工位上的陽極板傾角始終相同，其傾角大小由頂起裝置決定。而專用夾具，由氣缸驅動，以“抱腰”形式夾取圓盤本體上的陽極板的板身中部，陽極板轉運穩定可靠。

圖3 機器人移載裝置示意

需要特別提出的是，在移載機器人的末端法蘭和專用夾具的連接法蘭之間，設置了柔性連接件，以使移載機器人與專用夾具之間可相對轉動一定角度，從而柔性適應抓取陽極板位置誤差的變化，同時具有使已抓取的陽極板自動歸中的功能，提高了抓板的可靠性和放板的準確性。

2.2 冷卻水槽

冷卻水槽的典型結構如圖4 所示，主要用于接收并冷卻機器人移載裝置轉運過來的陽極板，在陽極板冷卻之后，再由機器人移載裝置從中取出，并轉運至密集裝置。新的冷卻水槽與傳統圓盤澆鑄機的冷卻水槽不同，每個冷卻水槽設置2 個冷卻工位，每個冷卻工位單獨隔開，且1 次只能放置1 塊陽極板。水槽中的陽極板與水平呈一定傾角，大小與陽極板在圓盤本體上被頂起裝置5 頂起后的傾角相同。

圖4 冷卻水槽

新方案的冷卻水槽結構僅為簡單的拼焊結構件，水槽外部設置進水口、出水口和溢流口，內部設置接板架和接渣槽即可。整個冷卻水槽沒有任何驅動和傳動元器件，因此設備造價低廉，使用過程中基本無需維護。

2.3 密集裝置

密集裝置主要用于逐塊接收機器人移載裝置從冷卻水槽轉運過來冷卻后的陽極板，將極板實施密集堆垛后，供叉車將整跺陽極板運出。

由于放板時，陽極板傾角較小，不利于叉車叉板，設計時考慮設置旋轉機構，將密集后的陽極跺旋轉一定角度，使陽極板羊角呈水平姿態。因此，密集裝置主要由固定支架、 旋轉支架和旋轉機構組成。密集裝置的放板姿態和叉板姿態分別見圖5、圖6。

圖5 密集裝置放板狀態

圖6 密集裝置叉板姿態

2.4 其他改進

技術人員在將傳統圓盤澆鑄機極板輸出方式更改為機器人輸出之后，還同步做了其他改進：1）取消廢板機。由于機器人移載裝置可以兼顧正常陽極板和廢陽極板的抓取，因此取消了廢板機，廢板在圓盤的正常取板位被機器人取出后，直接放置于廢板架上。2）取消液壓系統。在將傳統圓盤的提取機和水槽更改為機器人取板之后，原提取機中用液壓驅動的回轉取板和堆垛提升也隨之取消。基于此，將預頂起裝置、頂起裝置的驅動由油缸改為電缸，整個圓盤澆鑄機完全取消了液壓。因此，新的圓盤澆鑄機不會再出現漏油或閥芯堵塞等液壓問題，故障率明顯降低。3）全伺服控制。新的圓盤澆鑄機，所有驅動均采用伺服電機驅動，輸出力矩和速度均可實現精準的閉環控制，同時可以取消限位開關的使用，常見的限位開關丟失信號等問題也不再出現。另外，由于所有電機均為伺服驅動，無需再設置變頻器進行調速，因此減少了變頻器對電子設備的感應干擾和對通訊設備的放射干擾，提高了設備的穩定性。

3 設備運行描述

下面參照圖2 描述新型圓盤澆鑄機輸出系統的工作流程。

假定起始時各個冷卻工位無陽極板，圓盤本體的取板位輸出的陽極板按順序分別輸出陽極板A、B、C……。圓盤的輸出系統工作流程如下：1）頂起裝置將圓盤本體取板位的陽極板A 頂起，機器人移載裝置將陽極板A 抓起，轉運至冷卻水槽中的左下側工位進行冷卻；2）頂起裝置將圓盤本體取板位的陽極板B 頂起，機器人移載裝置將陽極板B 抓起，轉運至冷卻水槽中的右下側工位進行冷卻；3）頂起裝置將圓盤本體取板位的陽極板C 頂起，機器人移載裝置將陽極板C 抓起，轉運至冷卻水槽中的左上側工位進行冷卻；4)機器人移載裝置將冷卻水槽中的左下側工位完成冷卻的陽極板A 抓起，轉運至左側的密集裝置上堆垛；5）頂起裝置將圓盤本體取板位的陽極板D 頂起，機器人移載裝置將陽極板D 抓起，轉運至冷卻水槽中的右上側工位進行冷卻；6）機器人移載裝置將冷卻水槽中的右下側工位完成冷卻的陽極板B 抓起，轉運至右側的密集裝置上堆垛；7）機器人移載裝置在各個冷卻工位中交替放置來自圓盤本體的陽極板進行冷卻，并將完成冷卻的陽極板放在對應側的密集裝置處堆垛；8）當圓盤本體取板位的陽極板不合格時，則由機器人移載裝置將其抓起，直接放至廢板架處。9）當某個密集裝置堆垛的陽極板數量達到設定值時，密集裝置翻轉至叉板姿態，由叉車將密集的整垛陽極板運走；10）當廢板架的廢板數量達到設定值時，則由叉車將整垛廢板運走。上述操作流程，現場還可以根據實際情況靈活調整。

4 設備特點分析

利用機器人輸出極板的新型圓盤澆鑄機具有如下特點。

1）布置形式更為靈活，且空間占用更小。以圖2為例，若右側單圓盤的正前方有廠房立柱，傳統的布置形式的水槽無法放置或放置后叉車無法取板，而現有的輸出系統則可以輕松將水槽和密集裝置的擺放位置和傾斜角度做一定調整以避開立柱，甚至無需更改設備設計，直接在現場調整都行，只要保證水槽和密集裝置的位置落在機器人的運動范圍內即可。如現場需要，連水槽和密集裝置的數量都可以按需求進行調整，以適應不同的場地需求，使叉車行走更為順暢。

2）智能化程度高，故障率低，維護成本低。機器人是成熟的標準化產品，其智能化程度高；而冷卻水槽也是簡單的焊接結構，沒有多余的驅動及傳動裝置，故障率低、設備維護量少。相比而言，在傳統圓盤澆鑄機中，非標設計的提取機、水槽中的鏈運機，還有堆垛提升的液壓系統等，結構復雜，故障率較高，對用戶而言，備件成本會更高。

3）極板冷卻效果更好且穩定。多個冷卻水槽交替冷卻陽極板，且每個冷卻工位1 次只冷卻1 塊陽極板，更利于極板散熱，在澆鑄機實現連續穩定生產后，每塊陽極板冷卻時長相同，相比傳統的水槽鏈運機中陽極板跺的每塊板冷卻時長逐個遞減的情況，本方案的陽極板冷卻效果更好且穩定，極板變形小。

4）設備穩定性高。各個冷卻水槽和密集裝置之間彼此獨立，可同時使用，也可互為備用。即使某一裝置故障，其他裝置也可以繼續運行，設備穩定性高。比如在出銅階段，某一密集裝置故障，此時，該側的圓盤無需停止，可以只用機器人另一側的冷卻水槽和密集裝置繼續進行極板冷卻和輸出。

5）對圓盤同時出大、小極板的適應能力強。有些冶煉廠要求圓盤既能出大陽極板，也能出小陽極板。傳統圓盤需要更換提取機和廢板機的夾具，并調整冷卻水槽鏈運機的鏈條中心距，操作較為復雜。而新的圓盤輸出系統，僅需簡單更換機器人移載裝置中專用夾具的夾爪即可，其他均不用改變，調整起來明顯更便捷。

6）輸出系統生產能力強。根據當前國內某公司的實際應用來看，新圓盤澆鑄機的極板輸出系統，其輸出1 塊陽極板的作業周期可以達到24 s 以內，比常規圓盤澆鑄機的作業周期 （普遍在26 s 以上） 更短，也即新圓盤澆鑄機中的輸出系統生產能力優于整機的生產能力，有利于整機生產能力的進一步提升。

7）自主知識產權。本方案完全為自主研發，并獲得國家專利授權，突破了國外的技術封鎖，設備出口不再受限。

5 結語

該項目為改造項目，由于傳統圓盤澆鑄機在老廠房無法布置，原方案是將廠房推倒重建，江西瑞林裝備有限公司推出了基于機器人進行極板輸出的新型圓盤澆鑄機方案。該方案占地空間小，并可以根據現場靈活布置，最終實現了廠房利舊，給業主減少了一大筆廠房改造費。在新型圓盤澆鑄機成功投產后，設備因其高智能化及穩定性、低故障率，以及大小極板輕易切換等特點，獲得了業主的一致好評，具有很高的推廣價值。