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. 中國科學院自動化研究所 復雜系統管理與控制國家重點實驗室，北京，100190；2. 中國科學院大學，北京，100049)

針對鋁廠特殊環境所研制的焊接機器人以控制系統為核心，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，采集攝像頭數據，以及與焊機和手脈通信。機器人可處于示教和再現2種工作模式。研究結果表明：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

作為傳統重工業，電解鋁廠的作業環境極其惡劣：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；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]。經現場調研，鋁電解廠現場環境如圖1所示。1個 350 kA的電解鋁系列由288個鋁電解槽串聯而成 (圖1(a))。每個電解槽兩側分別并聯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電性應盡量滿足要求，但接觸面會因環境溫度變化發生變形，導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，現有的自動化焊接設備[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，設計能夠實現陰極母線接頭自動焊接的機器人系統。應用最新的全自動窄間隙焊接技術[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。采用本技術可降低損耗10 mV，全系列每年可節電883萬kW·h，按照電價0.55元/(kW·h)計算，全系列每年可節省電費485.65萬元。隨著電解冶金企業在節能降耗方面壓力的逐漸增大，用人成本的逐漸升高，本項目的目標產品在降低電解槽熱損、提高生產效率、降低工人勞動強度、增加電解槽壽命[9?10]等方面具有顯著優勢，有廣闊的發展前景。目前，國內外工業機器人[11]發展很快，但是我國工業機器人的應用還非常落后，本技術可為工業機器人在我國的大力推廣和應用起到積極的作用。

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

1 焊接機器人系統機構

圖2所示為本機器人焊接系統機構。由圖2可見：該系統以控制系統為核心，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軌，移動小車可在導軌上移動，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機構

1.1 機械臂

機械臂有4個自由度，包括1個平移關節和3個旋轉關節，如圖3所示。關節1是平移關節，由電機1采用滾珠絲杠結構實現直線運動；關節2是旋轉關節，由電機2直接驅動；關節3和關節4均是旋轉關節，由電機3和電機4通過皮帶傳遞。每個機械臂關節具有關節鎖死裝置，方便機械臂的搬運和安裝。

1.2 機械臂末端執行機構

機械臂末端安裝如圖4所示的執行機構，該機構有2個自由度，1個是水平滑動導軌，可沿焊縫方向移動，另1個是旋轉關節，可使焊槍沿著自身軸線方向旋轉。為了保證側壁熔透，經現場調試導電嘴彎曲10°，由于空間非常狹小，末端不采用傳統的噴嘴方式施加保護氣體，而是采用圖4所示兩側裝送氣管。當旋轉關節運動時，氣管不動，實際工作時氣量為15~20L/min，可有效保證焊接質量。

圖3 機械臂結構

圖4 機械臂末端執行器

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，實現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，并可進一步調整待焊接區域的寬度，滿足焊接要求。防焊墊板可防止焊接過程中熔池流到外側，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) 斜側圖；(b) 主視圖

2 控制系統設計

2.1 硬件設計框架

焊接機器人硬件設計框架如圖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。控制器通過DI/DO模塊控制讀取限位保護信號。平板電腦通過以太網和控制器連接，主要用于人機交互。焊接工位埋在地下0.5 m處，由于現場進行示教非常困難，因此，將機床上所用手脈改裝，方便現場調試，并采用RS232接口實現與平板電腦的通信。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 軟件設計框架

機器人軌跡規劃、限位保護等實時性要求高，由下位機程序實現。根據工作模式，控制器程序可分為2部分：示教模式和再現模式。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需要與焊縫成一定角度才能保證焊接質量。圖8所示為再現模式程序流程圖。在對機械臂完成示教后，機械臂可在不進行焊接的狀態下，再現規定動作，確保在準確無誤的情況下再進行實際作業。

圖6 硬件設計框架

圖7 示教模式程序流程圖

圖8 再現模式程序流程圖

3 機器人運動規劃

3.1 正運動學

圖9 機械臂的結構示意圖

由圖9可知，點的坐標為：

姿態角為

已知關節角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

機械臂逆運動學與正運動學過程相反，即由已知的，，確定相應的關節角1，2，3。

首先對△應用余弦定理：

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：

聯立式(7)和式(8)，對應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劃來實現示教點之間的運動，因此，有必要證明以下結論：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。為證明上述結論，首先給出機械臂的可達工作空間的定義[14]：某一姿態下機械臂末端位置的集合

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

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 末端執行器運動規劃

本實驗中，1個焊接工位有2個待焊接區域：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：首先移動到左側焊接區域，執行器末端導電嘴本身有10°的焊接角度保證側壁熔合，每層進行2道焊接[18]：首先對準陰極鋼棒側，在水平導軌的作用下實現直線焊接，然后在旋轉關節的作用下，將導電嘴對準到爆炸焊鋼板一側，實現直線焊接，最后再旋轉到初始位置。2條直線焊縫既要保證熔合在一起，還要保證和側壁良好熔合，電弧在旋轉過程中要將焊接參數調小，保證成型美觀，完美收弧。

圖10 單工位機器人運動軌跡

4.2 關鍵技術指標

機械臂有4個自由度，用于初定位，將末端執行器放置到合適的位置，末端執行器有2個自由度以實現焊接操作。該系統的其余關鍵技術指標[19]如表1 所示。

4.3 焊接參數

實驗過程中采用如表2所示的焊接參數，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，首先對左側進行焊接，然后對右側進行焊接，機械臂向上提升3 mm，如此循環往復，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，以保證焊接質量。

表1 機器人系統關鍵技術指標

表2 焊接參數

本焊接工藝對焊縫深度的適應性較好，不論焊縫有多長，可連續焊接，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，此焊接工藝可適應不同厚度的 鋼棒。

5 實驗結果

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，遵義鋁廠安排相關技術人員對其中的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致位置的偏差，技術人員在每個工位安裝了工裝夾具。然后，用現場的吊機把機器人運至待焊工位，并對其進行固定和調水平。在機器人進行焊接之前，技術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，根據焊縫的特點調節好焊接參數。起弧焊接后，機器人進行連續多層多道焊接，直至焊接完畢。圖11所示為焊接機器人的工作場景，圖12所示為已經完成的1個焊接作業。

對現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備對焊接完畢的電解槽陰極母線的連接質量進行綜合檢測。檢測結果表明：利用機器人焊接完成的工位壓降小，綜合質量為優。

圖11 正在作業的焊接機器人

(a) 焊接剛完成時的作業；(b) 夾具拆卸后的作業

表3 壓降測試結果

6 結論

1) 研制了用于鋁電解槽焊接機器人系統，該系統具有以下優勢：節省鋼片，對比傳統的人工焊接采用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，無論是與傳統的焊接方式還是壓降方式相比較，本系統采用的窄間隙焊接技術可完全充滿焊縫，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定性。

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

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(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

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2013AA041002)；國家自然科學基金資助項目(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