基于機器視覺的陽極銅智能搬運系統開發研究

［摘 要］針對當前陽極銅取樣作業效率低下，特別是銅板搬運工作仍主要依靠人工完成，勞動強度大、人力成本高且具有一定的作業風險性等問題，文章研發了一種基于機器視覺的陽極銅智能搬運系統。通過視覺系統、夾具系統、機器人系統、運輸系統及安全管理系統的多機協同工作，實現了陽極銅的自動化運輸和上下料搬運作業。本系統的設計不僅顯著減輕了工人的勞動強度、降低了人工成本和操作風險，而且為銅冶煉行業提供了一種安全、高效的物料處理解決方案，具有重要的實際應用價值和行業推廣前景。

［關鍵詞］陽極銅；視覺系統；機器人系統；多機協同；自動搬運

［中圖分類號］TF811 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）01–0162–04

陽極銅是銅冶煉行業中生產高純度陰極銅的關鍵原料，其質量檢驗工作依賴于樣品的取樣和分析。目前我國在陽極銅取樣的自動化、智能化方面仍處于初級階段，陽極銅取樣工作大多由人工完成，用叉車將陽極銅運送至鉆樣場地，采用人工配合操縱吊車的方式實現樣銅的運輸和上下料。該過程中的人工作業面臨幾個主要問題：①需要多人在狹小空間內協作，交叉作業頻繁，存在較大的安全風險；②工作效率低下，由于當天所取樣銅無法全部完成鉆樣作業，部分樣銅需次日處理，導致原料驗收效率降低；③整個過程完全依賴人工操作，無自動化設備，勞動強度大，人力成本高。因此，眾多銅冶煉企業在陽極銅取樣環節，有著強烈的智能化升級內在需求。針對這一問題，文章設計了基于機器視覺的陽極銅智能搬運系統，能夠24 h 不間斷地自動化進行陽極銅的運輸和上下料搬運，為企業帶來更高的生產效率和安全性，不僅提升了其競爭力，也推動銅冶煉行業向更高技術水平發展。

1 基于機器視覺的陽極銅智能搬運系統總體結構

1.1 機器人系統

機器人系統主要由某款載重600 kg 機器人及其控制柜和示教盒組成，具備安全高效的集成控制系統和智能交互式對話窗口。通過研究搬運過程中機器人的負載，確立機器人各關節的負荷均滿足負載要求且有一定余量，滿足穩定搬運陽極銅板件的需求。

1.2 運輸系統

運輸系統的主體為負責運送陽極銅板的軌道滑板車，車身本體采用雙邊單電機驅動電動平板車，包含平板車本體、物料架、驅動器、滾輪、抱閘機構、運行導軌及控制系統等。車架受力均勻，最大載重可達25 t，可充分滿足單一批次陽極銅的運輸需求。

1.3 夾具系統

為保障抓取的穩定性，夾具系統也經過專業設計，以確保與陽極銅的尺寸構型相適應。夾具系統由鉤齒、V 形槽、夾持氣缸、夾抱氣缸、相機支架、接近開關等組成。整個夾具系統設計緊湊，以減輕機器人運行負荷。該夾具系統具備意外斷電斷氣保護功能，可有效防止系統在作業過程中因突發故障而導致陽極銅掉落。此外，還對夾具系統內易損部件進行了強化設計，提升夾具系統的可靠性和耐用性。夾具系統設計如圖1 所示。

夾具系統關鍵部件功能如下。

（1）相機支架。提供可靠的支撐，確保視覺相機的牢固固定，并兼具保護作用。集成8 只補光燈，協同照射銅板，有效減少外部光線對相機的干擾。采用高精度加工工藝，誤差控制在±0.02 mm，以保證相機固定位置與夾具法蘭盤平行，有利于后續坐標系統的一致標定。

（2）接近開關。共有4 個接近開關，分布于相機支架四周。在抓取銅板過程中，與3D 相機協同工作，感知機器人工具坐標系z 軸的移動狀態，同時檢測銅板是否掉落，提升抓取過程的穩定性。此外，在機器人抓取銅板時，防止z 軸方向的錯誤動作，起到保護相機支架的作用。

（3）鉤齒、V 形槽。作為夾具系統夾持銅板的重要組件，在夾持氣缸和夾抱氣缸的推頂作用下提供必要的摩擦力。鉤齒位置低于銅板底側夾持面，在抓取銅板時起到分離銅板的作用。V 形槽設計低于銅板底側夾持，在移動過程中持續兜住銅板底部，防止銅板在移動過程中滑落。

夾具系統具備高度可靠性和較強的夾緊能力，能夠可靠完成陽極銅上下料搬運工作中的抓取任務，有效保障了搬運作業的效率。

1.4 視覺識別系統

視覺識別系統的主體是視覺相機，安裝在夾具系統相機支架上，用于檢測運輸車上陽極銅的姿態和位置信息，具有性能穩定、定位周期短、定位精度高等特點。當收到識別指令后，視覺相機拍照識別定位，并根據計算的位移和角度數據，引導機器人調整抓取姿態，從而提升機器人抓取非固定位置下銅板的準確性。

1.5 安全管理系統

安全管理系統主要為作業區域邊緣設置的安全警示圍欄、安全門及安全光柵，對陽極銅智能搬運系統進行隔離。作業過程中，當有工作人員誤入隔離圍欄或安全門被打開時，安全管理系統會發出緊急停機指令，暫停運行，以確保人員安全。

2 基于機器視覺的陽極銅智能搬運系統工作過程

基于機器視覺的陽極銅智能搬運系統的詳細工作流程如圖2 所示。

2.1 陽極銅運輸過程

上下料電動平車是承擔陽極銅自動運輸功能的主要設備，用于協助機器人系統完成搬運任務。在大批量搬運作業中，陽極銅的擺放長度通常超過機器人的作業半徑。若是單純通過升級機器人來加大作業半徑，則會導致負載能力的浪費和成本的顯著上升。為此，在確保機器人搬運能力充足的前提下，可通過移動電動平車運輸陽極銅來適應機器人作業范圍。這種優化方案能夠靈活應對陽極銅擺放長度的變化，提高搬運靈活性。綜合考慮機器人作業半徑、陽極銅規格參數、電動平車移動路徑長度后，為上下料電動平車設定4個停靠位置，并在導軌邊緣對應位置處，安設行程接近開關檢測機構以實現其精準定位。詳細設計情況如圖3 所示。

陽極銅智能搬運系統開始運行前，電動平車停靠在位置4。叉車裝/ 卸料完畢后，上料電動平車移動到抓取位置1，下料電動平車移動到放置位置3。隨著搬運作業進行，上料運輸車陽極銅數量逐漸減少，其位置逐漸變為抓取位置2、抓取位置3，下料運輸車陽極銅數量逐漸增多，其位置逐漸變為放置位置2、放置位置1。最終在搬運任務完成后，上下料電動平車再次移動到位置4 等待叉車裝/ 卸料操作。

2.2 陽極銅上料搬運過程

陽極銅上料搬運作業是將上料運輸車的待取樣陽極銅搬運到取樣工裝臺上，主要流程如下。

（1）視覺識別。上料搬運作業的視覺識別過程涉及多個關鍵步驟，旨在準確識別銅板的角度和位置信息，引導機器人系統調整夾具系統的抓取姿態。這個過程通常包括以下4 種識別姿態：①初始姿態調整。通過視覺相機根據上料軌道滑板運輸車上的銅板數量和偏移量，確定第一種識別姿態。進行初次角度和位置信息的識別，調整相機角度使其與銅板平行。沿z軸方向移動至z 值為700 mm 的位置。②第二次識別姿態調整。在工具坐標系下，進行對銅板角度和距離的第二次識別。調整相機角度以保持與銅板平行。再次沿z 軸方向移動至z 值700 mm 的位置。③第三次識別姿態調整。在工具坐標系下進行對銅板角度和距離的第三次識別。調整相機角度，然后在世界坐標系下沿x 軸、z 軸移動–200 mm、500 mm，達到第三種識別姿態（z 值約為1 250 mm）。④最終姿態調整。在工具坐標系下進行最后一次角度和距離的識別。調整相機角度以保持與銅板平行。在世界坐標系下分別沿x 軸、z 軸移動–200 mm、500 mm，完成第四種識別姿態。

通過這一系列精細調整，視覺識別系統實現了最優的識別效果，確保對銅板姿態的準確捕捉，從而提高搬運系統上料過程的精準度和效率。

（2）夾具系統就位。視覺識別完畢后，機器人會根據所獲得的陽極銅位置和角度信息引導夾具系統調整姿態并移動到合適位置準備抓取物料。在這個過程中，夾具系統會首先快速靠近至距離銅板間距200 mm 的位置，然后降低速度緩慢靠近陽極銅。待其某一接近開關接觸到陽極銅而被觸發時，緩慢沿z軸正方向繼續深入5 mm，此時認為達到鉤齒足夠抓取深度。隨后緩慢沿Y 軸正方向移動固定距離，閉合夾持氣缸使鉤齒夾緊陽極銅。

（3）搬運預檢測。夾具系統夾緊陽極銅后，沿z軸負方向將其緩慢提升200 mm，在此過程中持續通過機器人負載變化及夾具系統接近開關感應信號監測物料抓取情況。若陽極銅在抬高過程中發生松動，導致機器人負載較小或某個接近開關未被觸發，認為抓取動作不穩固，則停止搬運動作，等待人工檢查異常情況；否則認為鉤齒夾持穩固，關閉夾抱氣缸使V形槽壓緊陽極銅托舉物料。

（4）正式搬運。搬運穩固程度測試通過后，在鉤齒和V 形槽的雙重作用下，機器人會提升速度執行搬運動作，安全、穩定地將待取樣陽極銅放置到取樣工裝臺上并發出上料完成指令。

2.3 陽極銅下料搬運過程

陽極銅下料搬運過程同樣包含視覺識別、夾具系統就位、搬運預檢測、正式搬運4 個流程，但又與上料過程有所差別。

（1）視覺識別。等待陽極銅取樣過程中，機器人引導視覺相機調整不同姿態對下料運輸車的陽極銅姿態進行識別。下料視覺識別過程與上料視覺識別過程相同，均需要4 次調整姿態以精準識別陽極銅的角度和位置信息，區別在于上料視覺識別目標為待放置陽極銅停靠的對象，下料視覺識別目標為待抓取陽極銅。

（2）夾具系統就位。視覺識別完畢后機器人將持續等待至陽極銅取樣完畢，由于物料取樣前會將其推頂到固定位置，機器人只需調整夾具系統姿態前往取樣工裝臺固定位置執行預設動作進行搬運，無需再次進行視覺識別。

（3）搬運預檢測。下料搬運預檢測過程與上料過程完全相同。

（4）正式搬運。下料正式搬運過程與上料過程類似。搬運穩固程度測試通過后，在鉤齒和V 形槽的雙重作用下，機器人會提升速度執行搬運動作，將已取樣陽極銅搬運到下料運輸車上與前一塊銅板平行且間距為200 mm 的位置。隨后夾抱氣缸打開V 形槽松開，夾具系統繼續沿z 軸正方向將陽極銅向前搬運150 mm，打開夾持氣缸，松開鉤齒，使物料自然降落，與已有陽極銅貼合放置。

2.4 安全防護過程

陽極銅的搬運過程涉及多裝置、重型機械的自動化協同作業。出于對人員安全、設備安全、作業可靠性的考慮，在陽極銅智能搬運系統運行過程中，人員和無關的機具嚴禁進入作業區。

當陽極銅智能搬運系統全自動運行時，若安全門被打開或安全光柵被遮擋，則觸發闖入急停信號，系統將強制停止所有設備，并通過指示燈發出急停報警聲響。此外，叉車上、下料時需要進入作業區域且該過程屬于設備運行過程中的必要安全操作，因此在取樣工裝臺和機器人處于復位狀態、上/ 下料電動平車處于裝/ 卸料位置且系統未處于循環啟動狀態時、暫時屏蔽闖入急停信號，以免叉車正常工作時觸發安全管理系統。

3 基于機器視覺的陽極銅智能搬運系統控制結構

陽極銅的智能搬運作業是多個系統共同作用的結果。在這一多機協同的控制結構中，機器人系統、視覺識別系統、夾具系統、運輸系統及安全管理系統的有機融合構成了一個緊密協作的整體。這個結構的核心是PLC 系統，其充當著中央調度和控制的樞紐，有效地協調各個子系統之間的信息交流和動作執行。

機器人系統負責執行上下料的具體動作，通過PLC 系統接收任務指令和反饋執行狀態，實現對陽極銅的準確抓取和放置。視覺識別系統則在實時感知銅板位置、角度等關鍵信息的基礎上，通過PLC 系統與機器人系統通信，引導夾具系統實現精準的姿態調整，以適應不同工況和銅板尺寸。此外，PLC 系統居中調控，通過運輸系統響應機器人系統的運輸需求，實時調整陽極銅位置，形成一個閉環控制網絡，能夠根據反饋信號及時識別和糾正由外部干擾引起的位置誤差，保障系統作業的高效性和穩定性。最后，安全管理系統的集成能夠有效增強系統的整體安全性。通過管理系統工作區域的入口，一旦發現潛在的安全風險或異常情況，安全管理系統會即時觸發緊急停機信號，確保了作業場景的安全性。通過這一完整而協同的控制結構，實現了高效、安全的陽極銅自動化運輸和上下料作業。這不僅提升了生產效率，也為生產環境的安全性帶來了全面的保障，展現了先進自動化技術在工業生產中的巨大潛力。

4 基于機器視覺的陽極銅智能搬運系統應用效果

在銅冶煉行業中，提高生產效率、滿足產量和時間要求是關鍵的競爭優勢。為了實現快速而穩定的搬運，文章研發了一套先進的陽極銅智能搬運系統。在這個系統中，定義了單塊陽極銅的搬運時間，即機器人從上料運輸車搬運一塊陽極銅到下料運輸車并返回起始點的總時間。在實際測試過程中，模擬真實生產環境，記錄了多次陽極銅搬運過程中各工步的作業時間，并取均值，最終得到測試的時序表，詳細數據見表1。

下料視覺識別工步是在工裝臺對陽極銅取樣期間執行并完成的，二者的并行設計節省了下料視覺識別工步的63.8 s，使得實際搬運過程的單周期耗時由218.6 s縮短為154.8 s，即陽極銅智能搬運系統的工作效率約為23 塊/h。高搬運效率使得系統能夠滿足下游設備的生產需求，有效提升了整體作業效率。

5 結束語

文章研發了一項基于機器視覺的陽極銅智能搬運系統，通過視覺相機技術和電控技術的協同作用，實現了陽極銅的準確、快速、安全搬運，降低了人力成本，展現了優異的自動化性能。且自動化技術的引入顯著提升了搬運工作的技術裝備水平，增強了企業的核心競爭力。綜上所述，該系統有效滿足了現代工業生產的需求，是企業降本增效、提升市場競爭的戰略性舉措。

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