鋁電解槽爆炸焊鋼板和陰極鋼棒窄間隙自動焊接機器人

毛一劍，梁自澤，景奉水，趙偉青

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鋁電解槽爆炸焊鋼板和陰極鋼棒窄間隙自動焊接機器人

毛一劍1, 2，梁自澤1，景奉水1，趙偉青1

(1. 中國科學(xué)院自動化研究所 復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點實驗室，北京，100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京，100049)

針對鋁廠特殊環(huán)境所研制的焊接機器人以控制系統(tǒng)為核心，由移動平臺、機械臂和焊接裝置組成。該機器人的運動控制系統(tǒng)由下位機和上位機組成：下位機采用運動控制器MC464來實時控制伺服電機；上位機采用平板電腦用于人機交互，采集攝像頭數(shù)據(jù)，以及與焊機和手脈通信。機器人可處于示教和再現(xiàn)2種工作模式。研究結(jié)果表明：該機器人可完成電解槽中陰極母線和爆炸焊鋼板的多層多道自動焊接，大幅度降低連接處壓降，不僅節(jié)能減耗，而且可以保障電解槽電流均布，有效提高電解槽壽命。

焊接機器人；電解鋁；運動控制：多層多道焊

作為傳統(tǒng)重工業(yè)，電解鋁廠的作業(yè)環(huán)境極其惡劣：車間溫度最高可達50 ℃；高濃度粉塵中含有氧化鋁、瀝青、石油焦等有害物質(zhì)；電解槽附近的氣體中含有大量的氟化物、硫化物、一氧化碳等；磁感應(yīng)強度高達12.5 mT。此外，噪聲、機械、電氣危害等都時刻嚴重威脅著工人的健康和安全。電解鋁工業(yè)要消耗大量的電能，特別是陰極母線屬消耗品，需定期更換[1?2]。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，鋁電解廠現(xiàn)場環(huán)境如圖1所示。1個 350 kA的電解鋁系列由288個鋁電解槽串聯(lián)而成 (圖1(a))。每個電解槽兩側(cè)分別并聯(lián)30個焊接工位 (圖1(b))。圖1(c)和圖1(d)所示的焊接工位采用文獻[3]中提到的傳統(tǒng)的焊接方式，每個工位有2個待焊接點，分別需要焊接30塊鋼片，1次大修共需焊接1 036 800塊鋼板，采用這種方式連接的陰極母線的導(dǎo)電性能好，但是焊接的工作量巨大。還可采用于泳濤[4]提出的壓接式連接，其操作相對方便，不過其最大的問題是在初期安裝時導(dǎo)電性應(yīng)盡量滿足要求，但接觸面會因環(huán)境溫度變化發(fā)生變形，導(dǎo)致接觸電阻越來越大。黃英科等[5]提到的對陰極鋼棒接頭的改進，將陰極鋼棒與爆炸焊鋼板連接面的30~50層鋼板改為1條焊縫，但其采用人工填充的方式，不僅效率低，而且如此狹小空間的焊接需要非常嫻熟的焊接工人來完成。由于電解槽陰極母線焊接可操作空間狹小，現(xiàn)有的自動化焊接設(shè)備[6]難以達到要求，目前完全依靠人工焊接。為此，本文作者針對電解鋁陰極母線焊接工藝的特點，設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)陰極母線接頭自動焊接的機器人系統(tǒng)。應(yīng)用最新的全自動窄間隙焊接技術(shù)[7]，采用多層多道焊接方式[8]完全充滿焊縫，可大幅度降低接觸電阻。采用本技術(shù)可降低損耗10 mV，全系列每年可節(jié)電883萬kW·h，按照電價0.55元/(kW·h)計算，全系列每年可節(jié)省電費485.65萬元。隨著電解冶金企業(yè)在節(jié)能降耗方面壓力的逐漸增大，用人成本的逐漸升高，本項目的目標(biāo)產(chǎn)品在降低電解槽熱損、提高生產(chǎn)效率、降低工人勞動強度、增加電解槽壽命[9?10]等方面具有顯著優(yōu)勢，有廣闊的發(fā)展前景。目前，國內(nèi)外工業(yè)機器人[11]發(fā)展很快，但是我國工業(yè)機器人的應(yīng)用還非常落后，本技術(shù)可為工業(yè)機器人在我國的大力推廣和應(yīng)用起到積極的作用。

(a) 電解鋁車間；(b) 鋁電解槽；(c) 待焊接工位；(d) 已焊接工位

1 焊接機器人系統(tǒng)機構(gòu)

圖2所示為本機器人焊接系統(tǒng)機構(gòu)。由圖2可見：該系統(tǒng)以控制系統(tǒng)為核心，由移動平臺、機械臂和焊接裝置組成。鋁電解槽沿板上配套專用導(dǎo)軌，移動小車可在導(dǎo)軌上移動，用于不同工位的焊接。機械臂末端裝有專用窄間隙焊槍，可實現(xiàn)陰極鋼棒和爆炸焊鋼片的高效連接。

圖2 焊接機器人總體系統(tǒng)機構(gòu)

1.1 機械臂

機械臂有4個自由度，包括1個平移關(guān)節(jié)和3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，如圖3所示。關(guān)節(jié)1是平移關(guān)節(jié)，由電機1采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)實現(xiàn)直線運動；關(guān)節(jié)2是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，由電機2直接驅(qū)動；關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)4均是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，由電機3和電機4通過皮帶傳遞。每個機械臂關(guān)節(jié)具有關(guān)節(jié)鎖死裝置，方便機械臂的搬運和安裝。

1.2 機械臂末端執(zhí)行機構(gòu)

機械臂末端安裝如圖4所示的執(zhí)行機構(gòu)，該機構(gòu)有2個自由度，1個是水平滑動導(dǎo)軌，可沿焊縫方向移動，另1個是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可使焊槍沿著自身軸線方向旋轉(zhuǎn)。為了保證側(cè)壁熔透，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試導(dǎo)電嘴彎曲10°，由于空間非常狹小，末端不采用傳統(tǒng)的噴嘴方式施加保護氣體，而是采用圖4所示兩側(cè)裝送氣管。當(dāng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運動時，氣管不動，實際工作時氣量為15~20L/min，可有效保證焊接質(zhì)量。

圖3 機械臂結(jié)構(gòu)

圖4 機械臂末端執(zhí)行器

1.3 焊接夾具

圖5所示為待焊接夾具示意圖。在陰極鋼棒和爆炸焊鋼片之間形成1個待焊接的狹窄間隙，理論上間隙寬度越窄越好，這樣，一方面可控制焊接變形，另一方面可節(jié)省焊絲，降低成本。但由于焊槍尺寸的物理限制，焊槍尺寸越小，越不利于散熱，反而影響焊槍的使用壽命。綜上所述，狹窄間隙寬度范圍通常選為20~35mm，進而可采用熔化極氣體保護多層多道焊接技術(shù)，實現(xiàn)陰極鋼棒和爆炸焊鋼片的連接。本文作者針對待焊接工位設(shè)計了圖5所示的焊接夾具。首先，通過陰極鋼棒定位螺栓和待焊接工位2個陰極鋼棒的連接，將夾具固定在待焊接工位上；再通過爆炸焊鋼片定位螺栓實現(xiàn)對爆炸焊鋼片的裝卡定位，使其平行于陰極鋼棒，并可進一步調(diào)整待焊接區(qū)域的寬度，滿足焊接要求。防焊墊板可防止焊接過程中熔池流到外側(cè)，整個焊接夾具可防止焊接過程陰極鋼棒和爆炸焊鋼片的變形，方便拆卸和安裝。

(a) 斜側(cè)圖；(b) 主視圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計框架

焊接機器人硬件設(shè)計框架如圖6所示。選用翠歐的MC464運動控制器控制機械臂的伺服電機[12]進行焊接?？刂破魍ㄟ^DI/DO模塊控制讀取限位保護信號。平板電腦通過以太網(wǎng)和控制器連接，主要用于人機交互。焊接工位埋在地下0.5 m處，由于現(xiàn)場進行示教非常困難，因此，將機床上所用手脈改裝，方便現(xiàn)場調(diào)試，并采用RS232接口實現(xiàn)與平板電腦的通信。此外，加裝攝像頭方便工人遠程操作，焊機也由平板電腦通過RS485控制。

2.2 軟件設(shè)計框架

機器人軌跡規(guī)劃、限位保護等實時性要求高，由下位機程序?qū)崿F(xiàn)。根據(jù)工作模式，控制器程序可分為2部分：示教模式和再現(xiàn)模式。圖7所示為示教模式程序流程圖。示教過程中焊接臂末端焊槍姿態(tài)需要與焊縫成一定角度才能保證焊接質(zhì)量。圖8所示為再現(xiàn)模式程序流程圖。在對機械臂完成示教后，機械臂可在不進行焊接的狀態(tài)下，再現(xiàn)規(guī)定動作，確保在準確無誤的情況下再進行實際作業(yè)。

圖6 硬件設(shè)計框架

圖7 示教模式程序流程圖

圖8 再現(xiàn)模式程序流程圖

3 機器人運動規(guī)劃

3.1 正運動學(xué)

圖9 機械臂的結(jié)構(gòu)示意圖

由圖9可知，點的坐標(biāo)為：

姿態(tài)角為

已知關(guān)節(jié)角1，2，3，利用式(1)~(3)，可唯一確定機械臂末端的位姿，，。

3.2 逆運動學(xué)

機械臂逆運動學(xué)與正運動學(xué)過程相反，即由已知的，，確定相應(yīng)的關(guān)節(jié)角1，2，3。

首先對△應(yīng)用余弦定理：

將已知量代入式(4)，并整理可得

其中分子項為

由式(5)可獲得2個解，即2的正負解。

重新整理式(1)和式(2)得：

聯(lián)立式(7)和式(8)，對應(yīng)2的正負2個解可求得

因此，機械臂在工作空間的逆運動學(xué)最多可以有2組解。

3.3 可達空間分析

本實驗采用直線進行路徑規(guī)劃來實現(xiàn)示教點之間的運動，因此，有必要證明以下結(jié)論：若平面3R機械臂末端可到達點1和點2，則線段12上的每點都可達。為證明上述結(jié)論，首先給出機械臂的可達工作空間的定義[14]：某一姿態(tài)下機械臂末端位置的集合

式中：():→3是正運動學(xué)映射的位置量，3代表三維空間；W是內(nèi)徑為1?2?3、外徑為1+2+3的圓環(huán)。在滿足以下條件時可得該結(jié)論：

若不滿足式(11)與式(12)，則證明過程參考黃磊光等[15]的分析過程。

因此，

4 焊接過程

4.1 末端執(zhí)行器運動規(guī)劃

本實驗中，1個焊接工位有2個待焊接區(qū)域：焊縫間隙為20mm，焊縫長度為180mm，焊接板厚為50mm。機械臂可實現(xiàn)自動焊接[17]。圖10所示為單工位機器人的運動軌跡。整個焊接過程如下：首先移動到左側(cè)焊接區(qū)域，執(zhí)行器末端導(dǎo)電嘴本身有10°的焊接角度保證側(cè)壁熔合，每層進行2道焊接[18]：首先對準陰極鋼棒側(cè)，在水平導(dǎo)軌的作用下實現(xiàn)直線焊接，然后在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的作用下，將導(dǎo)電嘴對準到爆炸焊鋼板一側(cè)，實現(xiàn)直線焊接，最后再旋轉(zhuǎn)到初始位置。2條直線焊縫既要保證熔合在一起，還要保證和側(cè)壁良好熔合，電弧在旋轉(zhuǎn)過程中要將焊接參數(shù)調(diào)小，保證成型美觀，完美收弧。

圖10 單工位機器人運動軌跡

4.2 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

機械臂有4個自由度，用于初定位，將末端執(zhí)行器放置到合適的位置，末端執(zhí)行器有2個自由度以實現(xiàn)焊接操作。該系統(tǒng)的其余關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[19]如表1 所示。

4.3 焊接參數(shù)

實驗過程中采用如表2所示的焊接參數(shù)，在機械臂的帶動下，同時對2個陰極棒頭進行多層多道焊接，首先對左側(cè)進行焊接，然后對右側(cè)進行焊接，機械臂向上提升3 mm，如此循環(huán)往復(fù)，因為這種焊接工藝要求每完成一道，冷卻40 s，控制層間溫度，防止過高，以保證焊接質(zhì)量。

表1 機器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

表2 焊接參數(shù)

本焊接工藝對焊縫深度的適應(yīng)性較好，不論焊縫有多長，可連續(xù)焊接，本次實驗中焊縫長度為180 mm，每層焊接高度為3 mm，因此，需要60層焊接，大概需要1 h。實際待焊接工位，因為安裝誤差一般有 3 mm，這種焊接工藝可容許5 mm以下的誤差，可保證陰極鋼棒和爆炸焊鋼片充分連接，保證導(dǎo)電性能；此外，電解槽本身有多個系列，不同系列的電解槽陰極鋼棒的厚度不同，此焊接工藝可適應(yīng)不同厚度的 鋼棒。

5 實驗結(jié)果

實驗選定的場所為遵義鋁廠350 kV?A鋁電解廠房216號工位。為了焊接實驗的需要，遵義鋁廠安排相關(guān)技術(shù)人員對其中的4個焊接工位進行了清理，并把鋁帶焊接在爆炸鋼片上，盡量與正常工作中的焊接工位一致。首先，為了保證焊縫不因焊接熱變形而導(dǎo)致位置的偏差，技術(shù)人員在每個工位安裝了工裝夾具。然后，用現(xiàn)場的吊機把機器人運至待焊工位，并對其進行固定和調(diào)水平。在機器人進行焊接之前，技術(shù)人員在專用視覺檢測裝備的指引下對機器人的焊接軌跡進行示教，同時，根據(jù)焊縫的特點調(diào)節(jié)好焊接參數(shù)。起弧焊接后，機器人進行連續(xù)多層多道焊接，直至焊接完畢。圖11所示為焊接機器人的工作場景，圖12所示為已經(jīng)完成的1個焊接作業(yè)。

對現(xiàn)場的工位焊接完畢后，委托遵義烏江機電公司運來專用檢測設(shè)備對焊接完畢的電解槽陰極母線的連接質(zhì)量進行綜合檢測。檢測結(jié)果表明：利用機器人焊接完成的工位壓降小，綜合質(zhì)量為優(yōu)。

圖11 正在作業(yè)的焊接機器人

(a) 焊接剛完成時的作業(yè)；(b) 夾具拆卸后的作業(yè)

表3 壓降測試結(jié)果

6 結(jié)論

1) 研制了用于鋁電解槽焊接機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：節(jié)省鋼片，對比傳統(tǒng)的人工焊接采用6 mm厚、50 mm寬的鋼片疊加，需要事先準備大量鋼片，本系統(tǒng)可直接通過焊絲填滿20 mm寬的間隙，可省去大量鋼片；省電，無論是與傳統(tǒng)的焊接方式還是壓降方式相比較，本系統(tǒng)采用的窄間隙焊接技術(shù)可完全充滿焊縫，使壓降大幅度下降；焊接一致性好，機器人焊接可保持長時間的精確性和穩(wěn)定性。

2) 目前，該機構(gòu)仍存在不足之處：機器人的效率和人的效率相當(dāng)，由于現(xiàn)場空間非常狹小，焊接準備時間較長；目前機器人構(gòu)型仍非最優(yōu)，因為現(xiàn)場環(huán)境的不一致性，每個工位都不同，需要進一步增加自由度，優(yōu)化機構(gòu)；該機器人仍為比較傳統(tǒng)的示教再現(xiàn)型，智能化程度不高，需進一步安裝視覺反饋系統(tǒng)，對工作環(huán)境進行三維重建，才可自動完成焊接操作。

[1] 劉業(yè)翔, 李劼. 現(xiàn)代鋁電解[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2008: 231?236. LIU Yexiang, LI Jie. Modern aluminum electrolysis[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2008: 231?236.

[2] WE Haupin. Principles of aluminum electrolysis[M]. Berlin: Springer International Publishing, 2016: 1?10.

[3] 王紫千, 曹斌, 楊濤, 等. 鋁電解槽全電流焊接降磁技術(shù)的試驗研究[C]//全國鋁冶金技術(shù)研討會.貴陽:中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會, 2013: 1?5. WANG Ziqian, CAO Bin, YANG Tao, et al. All current welding aluminum reduction cells drop test of magnetic technology research[C]// Proceedings of the National Aluminium Metallurgy Technology Conference. Guiyang: China Association of Science and Technology, 2013: 1?5.

[4] 于泳濤. 鋁電解槽陰極鋼棒壓接式連接的應(yīng)用[C]//中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會. 重慶: 中國環(huán)境科學(xué), 2008: 2403?2404.

YU Yongtao. Aluminum electrolytic cell cathode steel stick type pressure connection application[C]// Proceedings of 2008 Annual Meeting of China Environmental Science Society. Chongqing: China Environmental Science, 2008: 2403?2404.

[5] 黃英科, 羅云清. 改進鋁電解槽陰極鋼棒棒頭與爆炸塊之間的焊接方式對節(jié)能的影響[J]. 上海金屬: 有色分冊, 1991, 12(1): 50?52. HUANG Yingke, LUO Yunqing. Improvement of aluminum electrolytic cell cathode steel stick between the head and block explosion welding way affect energy[J]. Journal of Shanghai Metal: Non-ferrous Pathol, 1991, 12(1): 50?52.

[6] 劉偉, 周廣濤, 王玉松. 中厚板焊接機器人系統(tǒng)及傳感技術(shù)應(yīng)用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2013: 4?7. LIU Wei, ZHOU Guangtao, WANG Yusong. The application of robot system and sensing technology in mid-thick plate welding[M]. Beijing: China Machine Press, 2013: 4?7.

[7] ELMESALAMY A S, LI L, FRANCIS J A, et al. Understanding the process parameter interactions in multiple-pass ultra-narrow- gap laser welding of thick-section stainless steels[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 68(1/2/3/4): 1?17.

[8] LEE I K, CHUNG C L, LEE Y T, et al. Effect of thermal refining on mechanical properties of annealed SAE 4130 by multilayer GTAW[J]. Journal of Iron and Steel Research, International, 2012, 19(7): 71?78.

[9] RIGAMONTI M, BARALDI P, ZIO E, et al. A particle filtering-based approach for the prediction of the remaining useful life of an aluminum electrolytic capacitor[C]// Proceedings of 2nd European Conference of the Prognostics and Health Management Society. Rochester: PHME, 2014: 8?10.

[10] KENNE E B. Electrochemical cell for aluminum production using carbon monoxide: US14473135[P]. 2014?08?29.

[11] ERKAYA S. Investigation of joint clearance effects on welding robot manipulators[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2012, 28(4): 449?457.

[12] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)[M]. 3版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2012: 190?200. CHEN Boshi. Control system of electric drives[M]. 3rd ed. Beijing: China Machine Press, 2012: 190?200.

[13] JOSEPH D. Statics and kinematics with applications to robotics[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1996: 24?26.

[14] MURRAY R M, LI Z X, SHANKARA S S. A mathematical introduction to robotic manipulation[M]. Florida: CRC Press, 1994: 95?97.

[15] 黃磊光, 李耀通, 譚民. 一般平面機器人的工作空間分析[J]. 機器人, 1997(4): 241?243. HUANG Leiguang, LI Yaotong, TAN Min. On the workplace of general planar manipulators[J]. Robot, 1997(4): 241?243.

[16] LOZANO-PEREA T. Spatial planning: a configuration space approach[J]. IEEE Trans on Computers, 1983, 32(2): 108?120.

[17] TZYH J T, CHEN S B, GU F. Robotic welding, intelligence and automation[M]. Berlin: Springer, 2011: 105?115.

[18] 危文灝, 贠超, 宋德政, 等. 機器人多層多道焊接的路徑規(guī)劃[J]. 機器人, 2014, 36(3): 257?262. WEI Wenhao, YUN Chao, SONG Dezheng, et al. Path planning for robotic multi-path/multi-layer welding[J]. Robot, 2014, 36(3): 257?262.

[19] 李定坤, 葉聲華, 任永杰, 等. 機器人定位精度標(biāo)定技術(shù)的研究[J]. 計量學(xué)報, 2007, 28(3): 224?227. LI Dingkun, YE Shenghua, REN Yongjie, et al. Research on Robot’s positioning accuracy calibration[J]. Acta Metrologica Sinica, 2007, 28(3): 224?227.

(編輯 劉錦偉)

Narrow gap welding robot for explosion welding steel plate and steel cathode at aluminium electrolyser

MAO Yijian1, 2, LIANG Zize1, JING Fengshui1, ZHAO Weiqing1

(1. State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems, Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Aiming at the special environment of aluminium plant，a welding robot system composed of mobile platform，manipulator arm and welding device was developed with the control system as the core. The motion control system of the robot was composed of lower computer and upper computer: the lower computer adopts motion controller MC464 in real time to control servo motors; and the upper computer adopts tablet computer for human-machine interface, and also the camera data were acquired communicating with welding machine and control box. This robot could work in two modes(teaching and playing). The results show that the robot system is able to accomplish multi-layer and multi-pass automatic welding of steel cathode to the explosion welding steel plate in the aluminum electrolytic cells. Voltage drop in the busbar connection can greatly be reduced, which can not only conserve energy and reduce consumption, but also improve the life of electrolyzer by ensuing uniform electrolytic cell current.

welding robot; electrolytic aluminum; motion control; multi-layer and multi-pass automatic welding

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.02.003

TP242

A

1672?7207(2018)02?0275?07

2017?02?25；

2017?04?08

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2013AA041002)；國家自然科學(xué)基金資助項目(61305024，61273337) (Project (2013AA041002) supported by the National High Technology Research and Development Program(863 Program) of China; Projects(61305024, 61273337) supported by the National Natural Science Foundation of China)

梁自澤，博士，教授，從事機器人研究；E-mail：zize.liang@ia.ac.cn