基于機(jī)械手的圓盤澆鑄機(jī)提取方案優(yōu)化實(shí)踐

〔摘 要〕針對圓盤澆鑄機(jī)傳統(tǒng)提取裝置提取速度慢、精度不高、易發(fā)生故障等問題，設(shè)計了一種新型機(jī)械手結(jié)構(gòu)。該機(jī)械手由高強(qiáng)度耐磨材料制成，通過控制系統(tǒng)精確控制運(yùn)動軌跡和速度，實(shí)現(xiàn)了高速、高精度的提取和移送操作。試驗(yàn)測試結(jié)果表明，新型機(jī)械手提取速度提高了約12%，精準(zhǔn)率達(dá)到了99.9%，故障掉板率僅為0.5%，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)提取裝置。此外，還對冷卻水槽和密集裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，提高了設(shè)備的整體性能和效率。實(shí)踐表明，該裝置的成功應(yīng)用能有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了備件成本，具有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)際價值。

〔關(guān)鍵詞〕機(jī)械手；提取裝置；圓盤澆鑄機(jī)；冷卻水槽；密集裝置

中圖分類號：TF351.6 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）0６-0050-0４

Optimization Practice of Extraction Scheme for Casting Wheel Based on Robotic Arm

TU Hao

（Jiangxi Copper Group （Guixi） Metallurgical Chemical Engineering Co.， Ltd.， Yingtan， Jiangxi 335400， China）

Abstract" A new type of robotic arm structure was designed to address the problems of slow extraction speed， low accuracy， and high failure rate of traditional extraction device in the casting wheel. The robotic arm was made of high-strength wear-resistant materials， and its motion trajectory and speed were precisely controlled by a control system， by which high-speed and high-precision extraction and transfer operations were achieved. The experimental test results show that the new robotic arm has increased the extraction speed by about 12%， achieved an accuracy rate of 99.9% and a failure rate of only 0.5%， which is significantly better than traditional extraction devices. In addition， the design of the cooling water tank and intensive device has been optimized to improve the overall performance and efficiency of the equipment. Practice has shown that the successful application of this device can effectively improve production efficiency and product quality， reduce the cost of spare parts， and has a wide range of application prospects and practical value.

Keywords" robotic arm; extraction device; casting wheel; cooling water tank; intensive device

圓盤澆鑄機(jī)是當(dāng)今國內(nèi)火法煉銅工藝中用于煉銅連續(xù)定量澆鑄陽極板的主要設(shè)備。其工作原理是通過控制系統(tǒng)控制稱量與澆鑄單元，將熔融的金屬液注入圓盤模具中，形成圓盤鑄件。隨后，陽極提取單元將合格的圓盤鑄件從模具中提取出來，移至冷卻水槽進(jìn)行冷卻。冷卻后的鑄件再經(jīng)過收集、噴涂和噴淋冷卻等單元處理，最終得到成品陽極板。圓盤澆鑄機(jī)具有高效、連續(xù)、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在銅冶煉行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)圓盤澆鑄機(jī)的提取裝置存在諸多不足，如提取速度慢、精度不高、易發(fā)生故障等。這些問題嚴(yán)重影響了圓盤澆鑄機(jī)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，因此迫切需要對傳統(tǒng)的提取裝置進(jìn)行改造和優(yōu)化，以提高其性能，滿足生產(chǎn)需求。

1" "傳統(tǒng)提取裝置不足分析

傳統(tǒng)的提取裝置主要采用機(jī)械臂或氣缸等結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)圓盤鑄件的提取和移送。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，這些裝置存在以下不足：1）提取速度慢。由于機(jī)械臂或氣缸的運(yùn)動速度和加速度有限，導(dǎo)致提取速度較慢，無法滿足高效生產(chǎn)的需求。2）精度不高。傳統(tǒng)的提取裝置在提取過程中容易受到外界因素的干擾，如振動、溫度等，導(dǎo)致提取精度不高，容易出現(xiàn)鑄件掉落或損壞等問題。3）易發(fā)生故障。由于傳統(tǒng)提取裝置的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且在使用過程中容易受到磨損和腐蝕等因素的影響，導(dǎo)致故障率較高，需要頻繁進(jìn)行維護(hù)和更換備件。傳統(tǒng)提取臂見圖1。

針對以上問題，某企業(yè)對傳統(tǒng)的提取裝置進(jìn)行了改造和優(yōu)化，在充分考慮提取速度和精度要求的前提下，兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性，設(shè)計了一種新型的機(jī)械手結(jié)構(gòu)。下文擬著重對該機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2" "新型機(jī)械手的設(shè)計與測試

２.1" 新型機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)械手移載裝置是本研究中提出的改進(jìn)方案的一個重要組成部分。其主要功能是將合格圓盤鑄件從圓盤模具移至冷卻水槽，并確保移載過程的安全和穩(wěn)定。為了能夠滿足圓盤澆鑄機(jī)的特殊需求，此次設(shè)計的新型機(jī)械手結(jié)構(gòu)由機(jī)械手臂、夾持器和傳動裝置等組成，具有高速、高精度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

1）機(jī)械手臂。機(jī)械手臂主要負(fù)責(zé)移動和定位，采用高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料制成，具有足夠的剛度和強(qiáng)度，能夠承受圓盤鑄件的重量和沖擊力。同時，機(jī)械手臂的運(yùn)動軌跡和速度可以通過控制系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)高速、高精度的提取和移送操作。

2）夾持器。夾持器用于抓取和釋放鑄件。傳統(tǒng)的提取機(jī)只能以某個固定角度對圓盤鑄件進(jìn)行抓取，有時會因角度問題導(dǎo)致抓取失敗，而調(diào)節(jié)角度需要現(xiàn)場調(diào)整螺絲。生產(chǎn)作業(yè)時，現(xiàn)場環(huán)境溫度高，調(diào)整作業(yè)難度系數(shù)大。改造后的夾持器，能夠在觸摸屏上進(jìn)行角度調(diào)整，并采用了特殊設(shè)計的夾持結(jié)構(gòu)，能夠牢固地夾住鑄件，避免在提取和移送過程中發(fā)生掉落或損壞。同時，夾持器的開啟和關(guān)閉動作也可以通過控制系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)自動化操作。

3）傳動裝置。傳動裝置負(fù)責(zé)驅(qū)動機(jī)械手臂的運(yùn)動，采用了先進(jìn)的傳動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動技術(shù)。與傳統(tǒng)提取裝置相比，改造后的傳動機(jī)構(gòu)由多個齒輪組成，通過程序控制邏輯，不但能傳遞力和力矩，還能傳遞運(yùn)動角位移和角速度，從而能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手臂的高速、高精度運(yùn)動。同時，傳動裝置還具有自鎖功能，能夠在斷電或故障情況下保持機(jī)械手臂的位置穩(wěn)定，確保安全。

新型機(jī)械手還設(shè)計了多個定位電機(jī)，考慮了圓盤鑄件的尺寸和質(zhì)量，能夠確保在移載過程中保持鑄件的穩(wěn)定性并降低運(yùn)動誤差。新型機(jī)械手移載裝置如圖2所示。

2.2" 試驗(yàn)測試與結(jié)果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證新型機(jī)械手結(jié)構(gòu)的性能，技術(shù)人員進(jìn)行了提取速度與提取穩(wěn)定性的比較試驗(yàn)測試。通過在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中使用傳統(tǒng)提取裝置和新型機(jī)械手進(jìn)行移載操作，對比二者的移載速度、精度和故障率等指標(biāo)。數(shù)據(jù)對比見表1。

試驗(yàn)結(jié)果表明，新型機(jī)械手結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)提取裝置。在移載速度方面，新型機(jī)械手的提取速度比傳統(tǒng)提取裝置提高了約12%；在精度方面，新型機(jī)械手的精準(zhǔn)率達(dá)到了99.9%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)提取裝置的99.0%；在故障率方面，新型機(jī)械手的故障掉板率僅為0.5%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)提取裝置的1.0%。此外，新型機(jī)械手還具有自動化控制的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化操作和監(jiān)控，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

3" "優(yōu)化設(shè)計

3.1" 冷卻水槽的優(yōu)化設(shè)計

除了對提取裝置進(jìn)行改進(jìn)外，該企業(yè)還對圓盤澆鑄機(jī)的冷卻水槽進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。冷卻水槽是圓盤澆鑄機(jī)中的一個重要部件，其主要用于散除澆鑄過程中產(chǎn)生的熱量，確保鑄件能夠迅速冷卻并保持一定的硬度。

在傳統(tǒng)的冷卻水槽設(shè)計中，存在水溫控制不準(zhǔn)確、水流分布不均勻等問題，導(dǎo)致冷卻效果較差。傳統(tǒng)冷卻水槽見圖3。為了解決這些問題，對冷卻水槽進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的水槽見圖4。具體優(yōu)化措施如下。

1）增加冷卻水槽的容量和數(shù)量。在原有設(shè)計的基礎(chǔ)上，增加了冷卻水槽的容量和數(shù)量，由原先的單一水槽改為4個水槽并聯(lián)使用。這樣可以充分應(yīng)對突發(fā)情況，確保在澆鑄過程中有足夠的冷卻水供應(yīng)。

2）優(yōu)化流道布局和截面形狀。對冷卻水槽的流道布局和截面形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。通過改變流道的布局和截面形狀，提高了水流的流速和流量，從而增強(qiáng)了冷卻水槽的冷卻效果。同時，在冷卻水槽的進(jìn)水口和出水口位置增加了可調(diào)節(jié)的泵站，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)冷卻水的流量，進(jìn)一步提高冷卻效果。

3）引入先進(jìn)的水溫控制系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的提取裝置中，水溫控制通常使用恒溫器來實(shí)現(xiàn)，但由于水溫的變化較快，恒溫器的控制精度較低。為了解決水溫控制不準(zhǔn)確的問題，引入了先進(jìn)的水溫控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于PID控制算法，通過實(shí)時監(jiān)測水溫并調(diào)節(jié)冷卻水的流動速度和溫度，保持水溫的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)后的水溫控制系統(tǒng)后，冷卻水槽的冷卻效果顯著提高，鑄件的硬度和質(zhì)量也得到了有效保證。

4）優(yōu)化底部排污口。為了方便排出冷卻水槽中的雜質(zhì)和污漬，在冷卻水槽的底部設(shè)計了一個可開啟的排污口，并配置了專門的清潔裝置。這樣既方便了清洗和維護(hù)，又有利于提高冷卻水槽的使用壽命和穩(wěn)定性[2]。

3.2" 密集裝置的優(yōu)化設(shè)計

密集裝置是圓盤澆鑄機(jī)中的另一個重要部件，其作用是提高澆鑄效率和保證澆鑄質(zhì)量。在傳統(tǒng)的密集裝置設(shè)計中，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便、易堵塞等問題，見圖5。因此，本次改造對密集裝置進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，優(yōu)化后的密集裝置見圖6。

1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化。傳統(tǒng)的密集裝置結(jié)構(gòu)過于簡單，直接在水槽內(nèi)由推板機(jī)將鑄件在水槽尾部進(jìn)行密集。這種操作存在一定的故障率，且一旦出現(xiàn)故障維修困難。基于此，對密集裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，增加了動作機(jī)構(gòu)，提高了裝置的可靠性和穩(wěn)定性。

2）加強(qiáng)控制和監(jiān)測。傳統(tǒng)的密集裝置缺乏有效的控制和監(jiān)測手段，難以實(shí)現(xiàn)自動化操作和實(shí)時監(jiān)測。新型密集裝置增加了配套的控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)，通過在頭端增加了氣缸，有效緩解接收陽極板時的壓力；將整垛陽極板規(guī)整、對齊后，利用增加的多個傳感器檢測陽極板的數(shù)量和位置，從而實(shí)現(xiàn)了對密集裝置的精確控制和實(shí)時監(jiān)測，提高了工作效率和澆鑄質(zhì)量。

通過上述改進(jìn)方案，新型的密集裝置在提高澆鑄效率和保證澆鑄質(zhì)量方面表現(xiàn)出色。與傳統(tǒng)的密集裝置相比，新型密集裝置具有結(jié)構(gòu)完善、操作方便、效率高、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。同時，它還能夠減少澆注過程中的浪費(fèi)和損耗，提高了生產(chǎn)效益[3]。

３.３" 其他優(yōu)化改進(jìn)措施

除上述改進(jìn)措施外，此次優(yōu)化還進(jìn)行了以下提高設(shè)備性能和效率的改進(jìn)措施。

1）優(yōu)化機(jī)械手設(shè)計和控制系統(tǒng)。針對傳統(tǒng)提取裝置提取速度慢的問題，通過優(yōu)化機(jī)械手的設(shè)計和控制系統(tǒng)，提高了提取速度和精度。同時，改進(jìn)了提取機(jī)的傳動系統(tǒng)，使得提取過程更加穩(wěn)定和快速。

2）引入精密傳感器和精確控制算法。為了更準(zhǔn)確地抓取和定位操作，避免鑄件掉落，引入了精密傳感器和精確的控制算法。這些傳感器和算法能夠?qū)崟r監(jiān)測機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行精確控制，確保鑄件在提取過程中不受損壞。

3）采用高強(qiáng)度、耐磨損材料。為了提高設(shè)備的穩(wěn)定性和壽命，降低維護(hù)成本，采用了高強(qiáng)度、耐磨損材料來制造機(jī)械手的關(guān)鍵部件。這些材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐磨性能，能夠在惡劣的工作環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，減少易損件的更換和維護(hù)，降低維護(hù)成本和故障率，從而使機(jī)械手的使用壽命得以延長。

4）引入自動化控制技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化操作和監(jiān)控，提高生產(chǎn)效率，引入了先進(jìn)的自動化控制技術(shù)。通過與計算機(jī)系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的自動化操作，減少了人工操作的需求。同時，自動化控制技術(shù)還能夠減少人為誤操作導(dǎo)致的安全隱患。

4" "優(yōu)化改進(jìn)成效分析

4.1" 優(yōu)化后設(shè)備特點(diǎn)分析

經(jīng)過上述改進(jìn)和優(yōu)化后，圓盤澆鑄機(jī)具有以下特點(diǎn)：1）高產(chǎn)能。通過優(yōu)化機(jī)械手的設(shè)計和控制系統(tǒng)、改進(jìn)冷卻水槽和密集裝置等部件，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率和澆鑄質(zhì)量，能夠滿足鑄件的大規(guī)模生產(chǎn)。2）高精度。引入精密傳感器和精確控制算法，使得圓盤澆鑄機(jī)在澆鑄過程中能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定位和抓取，大大提高了產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量。3）高穩(wěn)定性。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料升級，增強(qiáng)了設(shè)備的整體剛性和耐磨損性能，使得設(shè)備在長時間連續(xù)運(yùn)行下仍能保持穩(wěn)定的性能，減少了故障停機(jī)時間。4）智能化。引入自動化控制技術(shù)和智能監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障預(yù)警，使得操作更加便捷，維護(hù)更加及時，大大提高了設(shè)備的管理水平和生產(chǎn)效率。5）節(jié)能環(huán)保。在優(yōu)化設(shè)備性能的同時，注重節(jié)能環(huán)保方面的設(shè)計，通過改進(jìn)冷卻系統(tǒng)和優(yōu)化能源利用，減少了能源消耗和廢棄物排放，符合現(xiàn)代綠色生產(chǎn)的要求。6）易于維護(hù)。機(jī)械手的設(shè)計考慮了維護(hù)的便捷性，關(guān)鍵部件易于拆卸和更換，降低了維護(hù)難度和成本。同時，設(shè)備配備有完善的故障診斷系統(tǒng)，能夠快速定位并解決問題，減少了維修時間。

綜上所述，采用機(jī)械手替代傳統(tǒng)的提取裝置，不僅顯著提升了圓盤澆鑄機(jī)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，還實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的智能化和節(jié)能環(huán)保，能夠滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求，是圓盤澆鑄機(jī)技術(shù)升級的一次重要改進(jìn)，具有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)際價值。

4.2" "經(jīng)濟(jì)效益與社會效益分析

1）經(jīng)濟(jì)效益。改進(jìn)后的圓盤澆鑄機(jī)提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本和備件消耗。相比傳統(tǒng)設(shè)備，新設(shè)備在生產(chǎn)效率上提高了約10%，在備件成本上降低了約15%；澆鑄能力由100 t/h提高到110 t/h，合格率由99.5%提高到99.8%；鑄模的壽命也由1 200 t/塊提高到1 400 t/塊。這將為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，提高市場競爭力。

2）社會效益。新設(shè)備的應(yīng)用不僅提高了企業(yè)的生產(chǎn)效益，還在一定程度上促進(jìn)了銅冶煉行業(yè)的科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級。新設(shè)備的智能化和自動化水平的提高，減少了人工操作的依賴，降低了勞動強(qiáng)度，提高了工作環(huán)境的安全性。

5" "結(jié)語

本研究通過對圓盤澆鑄機(jī)的提取裝置、冷卻水槽、密集裝置等進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，設(shè)計了一種新型機(jī)械手結(jié)構(gòu)，并引入了自動化控制技術(shù)和智能監(jiān)測系統(tǒng)。該機(jī)械手由多個關(guān)節(jié)組成，能夠精準(zhǔn)地提取圓盤，并將其移動到指定位置。提取速度與提取穩(wěn)定性比較試驗(yàn)結(jié)果表明，新設(shè)備在提取速度、精度、穩(wěn)定性以及智能化水平等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)備，滿足了生產(chǎn)需求并降低了備件成本。新型機(jī)械手結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有效地解決了雙18模圓盤澆鑄機(jī)傳統(tǒng)提取裝置存在的問題，不僅能夠提高生產(chǎn)效率，還能夠保證提取的精度和穩(wěn)定性。本研究的成果能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供一定的參考和借鑒。

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