一種機器人移載鋅極板圖像識別技術的研究開發

丁敬斌

（中際山河科技有限責任公司，湖南 長沙 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的技術發展水平，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發展到1.6 m2、2.6 m2、3.2 m2甚至更大，行業內將有效面積在3.2 m2及以上的陰極板叫大極板，對比傳統小極板剝鋅工藝，大極板剝鋅工藝具有操作頻次低、廠房占地面積小、機械化程度高等明顯優勢[1]。自2009年國內第一臺套大極板鋅電積、自動剝鋅車間在丹霞冶煉廠順利投產，隨后，江銅冶煉廠、西部礦業鋅氧壓浸出工程、呼倫貝爾馳宏鉛鋅冶煉工程、云南馳宏鋅鍺會澤鉛鋅冶煉工程均采用了3.2 m2大極板鋅電積及自動剝鋅設備。中際山河有限責任公司研發的大極板自動剝鋅設備于2017 年配套西部礦業鋅氧壓浸出工程，各項性能指標等同于同期引進的國外設備，實現了進口設備的國產化完全替代。在此基礎上，中際山河對大極板的搬運方式與剝離成功識別方法設計出新的技術方案，并搭建了工業試驗平臺，取得了完整的數據，為某大型冶煉廠新型自動剝鋅生產線的設計提供了重要依據[2]。本研究重點介紹了剝鋅生產線的一種機器人移載鋅極板圖像識別技術的研究開發。

1 某冶煉廠大極板電鋅生產工藝要求

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

（2） 剝鋅機連續作業時間約10 h/d。

（3） 陰極板有效面積=3.2 m2。

2 大極板自動剝鋅機組的典型布置

典型剝鋅機組布置見圖1，工作流程詳述如下：

圖1 傳統剝鋅機組布置

在剝鋅循環內，吊車從電解槽吊運半槽陰極板放置在圖1 所示入板機架上，轉運小車將陰極板搬運到入板鏈條輸送機上，陰極板經預剝離工位完成預開口，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轉運到洗刷輸送鏈條上，剝離不成功的陰極板經人工判斷，手動操作橫向鏈移載機將該陰極板移載到剔板輸送機上，再從補板輸送機上搬運一塊不帶鋅片的陰極板到洗刷鏈條輸送機上[3]。洗刷鏈條輸送機步進，洗刷單元提升陰極板，提升過程中由轉動的刷子進行刷洗。刷洗后，陰極板放回洗刷鏈條輸送機上，轉運小車將刷洗干凈的陰極板搬運到多功能吊車裝載位置，達到半槽陰極板數量，吊車將自動抓取該批陰極板，并將其送回原電解槽。剝離的鋅片由接收盒接收送入制動單元接收裝置的輪組中，輪組將鋅片放置在皮帶機上，該皮帶輸送機可向兩個方向運動，接收裝置負責將鋅片送至小皮帶輸送機，在此處鋅片由轉運傳送機送至碼垛臺[4]。鋅片垛碼、自動稱重、自動噴碼，通過鋅垛輸送鏈運到預定點等待叉車下線。

3 傳統自動剝鋅機組存在的主要問題

（1） 剝片自動化程度不足：鋅片是否剝離成功，完全依靠人眼觀察，經常漏判、誤判造成停機故障，嚴重影響生產效率。

（2） 可靠性差：剔補板采用多套移載機完成，動作多，速度慢，故障率高，設備運行不穩定，可靠性差。

（3） 信息孤島：自動剝鋅+人工識別+人工剔補板的模式，導致各工位控制信息處于互不關聯的孤島狀態，設備生產連貫性差，生產效率受工藝波動、人員狀態的影響非常嚴重。

4 一種機器人移載極板圖像識別技術的研究與開發

為解決以上問題，設計出一種新型剝鋅機布置和自動剔補板方案，見圖2、圖3。從以下方面做了關鍵改進：

圖2 新型剝鋅機組布置

圖3 圖像識別裝置結構

（1） 主剝工位后增加圖像識別工位，依靠機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題，消除人工誤判或漏檢引起后續剔補板工位停機的故障。

（2） 剔補板搬運改為采用成熟的工業機器人配以設計專用機械手夾具，設計合理的運動軌跡與控制程序，系統解決移載機搬運陰極板動作復雜、速度慢、故障率高的問題。

（3） 信息貫通：自動剝鋅+人工識別+人工剔補板模式改變為自動剝鋅+機器識別+自動剔補板模式。

圖像識別裝置布置在主剝離之后，包括機架、相機、伺服驅動器、導向裝置。識別時間與剝片時間同步，一次識別一塊陰極板，通過布置在兩側的相機上下移動完成對陰極板板面的掃描，檢測陰極板上的鋅片是否完全剝離、陰極板是否變形。檢測數據實時傳送到控制系統，指導下一個工位搬運陰極板的正確路徑[5]。

為驗證圖像識別的精度與可靠性，中際山河搭建了檢驗測試平臺。模擬主剝之后，陰極板面殘留有未完全剝離的鋅片的實際工況，在設定的空間內布置該套圖像識別裝置，進行了仿真測試，測試結果見表1。

表1

表1 的測試結果表明，增加的視覺識別裝置，可有效檢測識別鋅片未能完全剝離的工況，從而指導下一工序機器人搬運陰極板的準確路徑。

圖4 為陰極板移動路徑的兩種模式簡化圖。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 為標準作業模式；模式2 為自動剔補板模式。

圖4 陰極板移動模式

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

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

現有技術橫向連移載機（見圖5）搬運陰極板次數多，涉及的移載設備多，隨著陰極板使用時間增加，陰極板的尺寸一致性越來越差，移載故障越來越頻繁，搬運可靠性越來越差，效率越來越低，從而嚴重制約了自動剝鋅機的生產效率。為解決此問題，中際山河項目組設計了機器人移載機搬運陰極板的技術方案替代現有技術，并在廠內試驗平臺上進行了模擬真實生產場景的測試，詳述如下：

圖5 橫向鏈移載機布置

如圖7 所示，圖像識別裝置布置在主剝機后方，主剝機剝離陰極板電積鋅片的同時，圖像識別裝置同步完成對先前剝離陰極板的缺陷識別，并將結果反饋到控制程序中，從而指導機器人移載陰極板的工作路徑。

圖7 機器人移載圖像識別裝置立面布置

機器人移載工作路徑（見圖6）

圖6 機器人移載機布置

模式1：機器人本體在預設控制程序下帶動機械手夾具將陰極板搬運到刷板鏈條機，刷板鏈條機步進，完成一次循環。

模式2：機器人本體在預設控制程序下帶動機械手夾具將陰極板搬運到剔板鏈條機，再將補板鏈條機上的陰極板搬運到刷板鏈條機上，鏈條機步進，完成一次循環。

機器人移載裝置由機器人本體、機械手夾具和機器人運行控制程序組成。機器人移載裝置每次搬運1塊陰極板。在每次搬運的初始工位，氣缸2 推動同步機構動作，兩側夾桿同時夾住陰極板板面，與此同時，氣缸1 推動掛鉤開合機構從打開位置運動到合攏位置，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，掛鉤開合機構仍可將陰極板吊耳勾起，防止掉落，起到安全保護的作用，見圖8。

圖8 機械手夾具詳圖

陰極板在被搬運的過程中，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，當使用一定的時間，磨損達到一定程度之后，用非常短的時間就可以完成夾持塊的更換工作，從而恢復整套機器人移載裝置的運行。

由于陰極板高度達到1.8 m,重量最高約130 kg,當搬運方向與板面垂直時，慣性力使得陰極板底部晃動幅度非常大，夾持桿受力狀況不佳，因此，控制程序設計了多次加減速的方式完成移動，解決了大型陰極極快速移動時劇烈搖擺的問題。

機器人搬運陰極板，既要滿足可靠性要求，更要滿足生產效率的要求，為此，中際山河在搭建的機器人移載測試平臺進行了仿真測試，測試結果見表2。

表2

表2 測試結果表明，機器人移載裝置可快速、穩定的完成陰極板的自動剔補搬運動作，搬運指令經上一工位圖像識別判斷發出，實現了剝鋅工位的信息暢通與自動化，移載效率滿足實際生產的需求。

5 結論

現有技術條件下，影響剝鋅生產效率的主要因素是在剝鋅環節，鋅片是否成功被剝離完全依靠現場操作工人肉眼觀察判斷，未成功剝離的陰極板的剔除與補充，也完全依靠人工來操作，嚴重降低了剝鋅設備的自動化程度，加重了現場操作工人的思想負擔和勞動強度，一旦誤判或者漏判，輕則影響生產效率，重則損壞設備。而電積鋅的工藝指標波動本屬于常態，鋅片剝離的難易程度是一個動態的變化過程。中際山河從生產實際出發，采用圖像識別技術替代人工完成剝片判斷，采用機器人移載替代傳統的移載機進行剔板與補板的搬運，在工廠內搭建了完全模擬生產場景的試驗平臺進行試驗測試，獲得了可靠的數據，為新型自動剝鋅設備的研發設計提供了有力的支撐，對提升大極板剝鋅設備的自動化程度、提升生產效率與可靠性具有非常重要的指導意義。