銀錠加工自動化系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

孫歡歡

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 364200)

礦產(chǎn)資源是十分重要的不可再生自然資源，提高礦產(chǎn)資源利用效率有著極其重大的價值和意義?；鸱掋~得到的精煉銅通常均含有雜質(zhì)，某銅冶煉廠采用電解精煉進(jìn)一步將雜質(zhì)降低到產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，電解過程中一些稀貴金屬如金、銀、鉑、鈀、硒等將沉落于陽極泥中，對陽極泥中的稀貴金屬銀進(jìn)行回收利用具有很大的經(jīng)濟價值。

在提銀鑄成銀錠之后需要進(jìn)行清洗、質(zhì)量判別、打標(biāo)、稱重、堆垛等操作，現(xiàn)階段整個過程均以人工操作的方式進(jìn)行，工作效率、勞動強度以及安防管理上均面臨較大的挑戰(zhàn)，隨著檢測技術(shù)、自動化技術(shù)以及機器人技術(shù)的發(fā)展，利用自動化、人工智能技術(shù)對銀錠的加工過程進(jìn)行無人化改造的技術(shù)基礎(chǔ)已具備，達(dá)到精簡企業(yè)管理成本，提高經(jīng)濟效益的目的。

1 工藝流程簡介

因銀錠的鑄造使用了石墨坩堝，使得銀錠從自動澆鑄系統(tǒng)下線后，表面存在部分殘留的石墨粉。因此銀錠澆鑄的工藝流程如圖1所示。

銀錠清洗工序：在水池中擦洗至擦去銀錠表面全部的黑色斑塊(石墨粒)，擦洗后表面可能會出現(xiàn)輕微劃痕，一般不影響銷售。

銀錠干燥：清洗完成后，對銀錠進(jìn)行擦干，去除銀錠表面水分。

質(zhì)量檢查：在打標(biāo)工序前，需判斷銀錠表面質(zhì)量是否合格。銀錠表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為：平整、潔凈，不應(yīng)有夾層冷隔雜物空洞和裂紋等；15 kg銀錠頂端切口高度不應(yīng)超過面5 mm；銀錠表面不得有機械損傷，或手工加工的痕跡(切口、銅刷處理和銀錠表面標(biāo)志除外)等。

銀錠打標(biāo)：使用氣動打標(biāo)機進(jìn)行打標(biāo)，標(biāo)志上有企業(yè)logo、編碼、質(zhì)量等一系列信息。通過電腦制圖、編碼，使用手動按鈕進(jìn)行打標(biāo)操作，可接入PLC或DCS系統(tǒng)。

銀錠稱重：使用電子精密天平進(jìn)行稱重，數(shù)據(jù)可以上傳至電腦或服務(wù)器(手動按鈕，自動上傳)，每天使用前要進(jìn)行校定(包括自動校定和人工砝碼校定)。

銀錠堆垛：使用叉車用托盤，一個托盤上為6組銀錠，一組10塊，1塊約15 kg(±1 kg)。

圖1 銀錠加工工藝流程Fig.1 Silver ingot processing process

2 當(dāng)前問題與技術(shù)難點

2.1 銀錠下線流程當(dāng)前問題

標(biāo)準(zhǔn)澆鑄銀錠較重，約為15 kg每塊(出口為30 kg每塊)，在人工進(jìn)行清洗、擦干、打標(biāo)、稱重和堆垛等作業(yè)中，需要多次拿取、旋轉(zhuǎn)和放置銀錠，現(xiàn)場工人每日勞動量大，勞動強度高。同時，由于銀屬于稀貴金屬，在現(xiàn)場作業(yè)時需要采用多人作業(yè)、設(shè)立安全監(jiān)督員等方式保障企業(yè)財產(chǎn)安全，增加企業(yè)的管理成本。

2.2 系統(tǒng)自動化改造存在的技術(shù)難點

1)殘留于銀錠表面的石墨清洗

銀錠在石墨坩堝中澆鑄形成的過程中，表面會粘有些許石墨粉末，大部分石墨粉末通過簡單清洗即可去除，但因石墨自身性質(zhì)原因，仍有少許粉末附著力較強，無法輕易去除。

2)銀錠表面質(zhì)量判斷

銀錠在鑄造過程中表面或棱角處可能會有凹坑，或因為其他原因造成表面出現(xiàn)劃痕，這些銀錠需要在清洗后回爐重鑄。人工作業(yè)過程中工作人員通過經(jīng)驗和肉眼分辨判定銀錠質(zhì)量是否合格，而在自動化改造中，其判定標(biāo)準(zhǔn)較難界定，實施方法和效果較難評價。

3 自動化改造方案

針對銀錠下線后人工作業(yè)量高、勞動量大的問題，最好的解決辦法是對下線后的流程進(jìn)行自動化改造，實現(xiàn)無人化作業(yè)，從而把員工從繁瑣的作業(yè)中解脫出來，保障員工的職業(yè)健康，提高工作效率，同時節(jié)約勞動成本。

3.1 方案概述

銀錠打碼堆垛系統(tǒng)的自動化改造方案為：利用工業(yè)機器人實現(xiàn)銀錠的抓取、旋轉(zhuǎn)、放置和最終的堆垛功能；利用清洗干燥系統(tǒng)來清除表面石墨粉殘留；配合移栽系統(tǒng)，利用視覺檢測系統(tǒng)來判別表面質(zhì)量是否合格，利用原有打標(biāo)機和電子秤來實現(xiàn)打標(biāo)和稱重功能，工藝流程如圖2所示。

圖2 自動化改造后的銀錠加工工藝流程Fig.2 Process flow of silver ingot after automatic transformation

系統(tǒng)構(gòu)成為：一臺庫卡KR60-3六軸機器人，一套機器人控制系統(tǒng)KRC4，一套機器人地軌，一套機器人安裝座，一套手指式綜合夾具，一套吸盤抓手夾具，一套機器人快換系統(tǒng)，一套清洗干燥系統(tǒng)，一套視覺檢測系統(tǒng)，一套自動在線打標(biāo)稱重系統(tǒng)、一套水平移載系統(tǒng)，一套電器系統(tǒng)、一套氣動系統(tǒng)，氣源﹑電源、水源(出口壓力250～300 kPa)，自動化改造方案布局如圖3所示。

圖3 自動化改造方案布局Fig.3 Automation transformation plan layout

3.2 KR60六軸工業(yè)機器人介紹

KR60六軸工業(yè)機器人承重范圍大，廣泛應(yīng)用于汽車裝配、鑄造設(shè)計或控制臺機器人等。擁有多種可選的配置和機構(gòu)組件，如伸展臂、多樣化夾具等，這使得它成為最受歡迎的多功能機器人之一。

該款機器人采用KRC4控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合于從低載重級至高載重級的所有庫卡機器人的統(tǒng)一控制方案，其“一插即通”的功能還能幫助機器人快速投入運行。此外，其控制系統(tǒng)模塊化的結(jié)構(gòu)還能使其按照需求在硬件和軟件方面實現(xiàn)多種擴展。

銀錠在運輸過程中需要機器人使用夾具來進(jìn)行抓取，為此設(shè)計了手指式和吸盤式兩種夾具。

1)手指式夾具，如圖4所示。采用8個夾爪，左右兩側(cè)4個夾爪為電機帶動齒輪齒條驅(qū)動，保證同步性；前后兩側(cè)4個勾爪采用氣缸帶動；機械手到達(dá)位置后，左右夾爪夾緊銀錠向上提，達(dá)到一定高度之后，前后勾爪勾住底部，防脫落；夾爪和勾爪外部包裹防滑耐磨的布料，防止對銀錠表面破壞。

圖4 手指式綜合夾具Fig.4 Finger integrated fixture

2)吸盤式夾具，如圖5所示。常用于對表面質(zhì)量要求較高的產(chǎn)品；銀錠在下線之后表面會附有石墨粉，可能對真空系統(tǒng)造成破壞，適用于銀錠清洗干燥之后使用。

圖5 吸盤式夾具Fig.5 Sucker fixture

3.3 清洗干燥系統(tǒng)設(shè)計

清洗干燥系統(tǒng)可采用噴淋(壓力250～300 kPa)和氣沖方式進(jìn)行清洗，高溫空氣吹掃方式進(jìn)行干燥。這種系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于制藥、化工等行業(yè)，預(yù)計可以將銀錠表面石墨粉清理干凈，若后期清洗試驗的測試效果不理想，可再設(shè)計擦拭功能。表面清理裝置如圖6所示。

圖6 表面清理裝置Fig.6 Surface cleaning device

3.4 質(zhì)量檢測系統(tǒng)與移栽機構(gòu)設(shè)計

銀錠的質(zhì)量檢測采用視覺檢測系統(tǒng)，利用工業(yè)相機對銀錠表面進(jìn)行拍照。同時構(gòu)建一套平移機構(gòu)，機器手旋轉(zhuǎn)配合對銀錠6個面進(jìn)行檢測。銀錠的打標(biāo)與稱重都需要搭建移載機構(gòu)配合現(xiàn)有打標(biāo)機和精密電子秤進(jìn)行。

3.5 打標(biāo)機與精密電子秤

銀錠打標(biāo)工序使用的是深圳某機電設(shè)備公司的打標(biāo)機器，可接入PLC或DCS系統(tǒng)，現(xiàn)場為電腦制圖、編碼，手動按鈕打標(biāo)，可直接利舊、改造。

銀錠稱重工序現(xiàn)場使用的是進(jìn)口知名品牌的電子精密天平，稱重數(shù)據(jù)可直接上傳至電腦，可直接利舊、改造，改造后保留自動校正和人工校正功能。

4 自動化改造后的優(yōu)點

與原銀錠下線流程相比，自動化改造后的銀錠自動打碼堆垛系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：

1)降低員工的勞動強度，保障員工的職業(yè)健康，同時解放勞動力，減少相應(yīng)的勞務(wù)支出，從而提升企業(yè)的利潤效益；

2)通過自動化生產(chǎn)線的建立，大幅提高了工作效率；

3)實現(xiàn)貴金屬現(xiàn)場少人化和無人化作業(yè)，有利于企業(yè)的貴金屬安防管理。

5 結(jié)論

從全球范圍看，工業(yè)自動化、智能化系統(tǒng)是受益于未來發(fā)展的新興方向，擁有提高效率、節(jié)省人力成本、節(jié)能降耗、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級等明顯效果。從國內(nèi)來看，工業(yè)自動化、智能化系統(tǒng)行業(yè)由國家法規(guī)政策的大力支持，擁有龐大多元化的市場需求。銀錠澆鑄為自動化生產(chǎn)過程，而銀錠下線后的工藝為人工作業(yè)方式，由于標(biāo)準(zhǔn)澆鑄銀錠較重，工人勞動強度大，且工作效率低，同時由于銀錠為貴重金屬，現(xiàn)場安防管理難度大。對其進(jìn)行自動化改造后，可以減輕工人的勞動強度，提高工作效率，實現(xiàn)貴金屬現(xiàn)場少人化和無人化作業(yè)，有利于企業(yè)的貴金屬安防管理，實現(xiàn)減員增效。同時對銀錠自動打碼堆垛系統(tǒng)的改造設(shè)計與應(yīng)用實踐，也進(jìn)一步提高了企業(yè)的自動化生產(chǎn)水平，為智能制造的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。