DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.02.003
铝电解槽爆炸焊钢板和阴极钢棒窄间隙自动焊接机器人
毛一剑1, 2，梁自泽1，景奉水1，赵伟青1
(1. 中国科学院自动化研究所 复杂系统管理与控制国家重点实验室，北京，100190；
2. 中国科学院大学，北京，100049)
摘要：针对铝厂特殊环境所研制的焊接机器人以控制系统为核心，由移动平台、机械臂和焊接装置组成。该机器人的运动控制系统由下位机和上位机组成：下位机采用运动控制器MC464来实时控制伺服电机；上位机采用平板电脑用于人机交互，采集摄像头数据，以及与焊机和手脉通信。机器人可处于示教和再现2种工作模式。研究结果表明：该机器人可完成电解槽中阴极母线和爆炸焊钢板的多层多道自动焊接，大幅度降低连接处压降，不仅节能减耗，而且可以保障电解槽电流均布，有效提高电解槽寿命。
关键词：焊接机器人；电解铝；运动控制：多层多道焊
中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2018)02-0275-07
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)
Abstract: 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.
Key words: welding robot; electrolytic aluminum; motion control; multi-layer and multi-pass automatic welding
作为传统重工业，电解铝厂的作业环境极其恶劣：车间温度最高可达50 ℃；高浓度粉尘中含有氧化铝、沥青、石油焦等有害物质；电解槽附近的气体中含有大量的氟化物、硫化物、一氧化碳等；磁感应强度高达12.5 mT。此外，噪声、机械、电气危害等都时刻严重威胁着工人的健康和安全。电解铝工业要消耗大量的电能，特别是阴极母线属消耗品，需定期更换[1-2]。经现场调研，铝电解厂现场环境如图1所示。1个350 kA的电解铝系列由288个铝电解槽串联而成(图1(a))。每个电解槽两侧分别并联30个焊接工位(图1(b))。图1(c)和图1(d)所示的焊接工位采用文献[3]中提到的传统的焊接方式，每个工位有2个待焊接点，分别需要焊接30块钢片，1次大修共需焊接1 036 800块钢板，采用这种方式连接的阴极母线的导电性能好，但是焊接的工作量巨大。还可采用于泳涛[4]提出的压接式连接，其操作相对方便，不过其最大的问题是在初期安装时导电性应尽量满足要求，但接触面会因环境温度变化发生变形，导致接触电阻越来越大。黄英科等[5]提到的对阴极钢棒接头的改进，将阴极钢棒与爆炸焊钢板连接面的30~50层钢板改为1条焊缝，但其采用人工填充的方式，不仅效率低，而且如此狭小空间的焊接需要非常娴熟的焊接工人来完成。由于电解槽阴极母线焊接可操作空间狭小，现有的自动化焊接设备[6]难以达到要求，目前完全依靠人工焊接。为此，本文作者针对电解铝阴极母线焊接工艺的特点，设计能够实现阴极母线接头自动焊接的机器人系统。应用最新的全自动窄间隙焊接技术[7]，采用多层多道焊接方式[8]完全充满焊缝，可大幅度降低接触电阻。采用本技术可降低损耗10 mV，全系列每年可节电 883万kW·h，按照电价0.55元/(kW·h)计算，全系列每年可节省电费485.65万元。随着电解冶金企业在节能降耗方面压力的逐渐增大，用人成本的逐渐升高，本项目的目标产品在降低电解槽热损、提高生产效率、降低工人劳动强度、增加电解槽寿命[9-10]等方面具有显著优势，有广阔的发展前景。目前，国内外工业机器人[11]发展很快，但是我国工业机器人的应用还非常落后，本技术可为工业机器人在我国的大力推广和应用起到积极的作用。
图1 电解铝工业现场环境
Fig. 1 Industrial field environment of electrolytic aluminium
1 焊接机器人系统机构
图2所示为本机器人焊接系统机构。由图2可见：该系统以控制系统为核心，由移动平台、机械臂和焊接装置组成。铝电解槽沿板上配套专用导轨，移动小车可在导轨上移动，用于不同工位的焊接。机械臂末端装有专用窄间隙焊枪，可实现阴极钢棒和爆炸焊钢片的高效连接。
图2 焊接机器人总体系统机构
Fig. 2 Overall system structure of welding robot
1.1 机械臂
机械臂有4个自由度，包括1个平移关节和3个旋转关节，如图3所示。关节1是平移关节，由电机1采用滚珠丝杠结构实现直线运动；关节2是旋转关节，由电机2直接驱动；关节3和关节4均是旋转关节，由电机3和电机4通过皮带传递。每个机械臂关节具有关节锁死装置，方便机械臂的搬运和安装。
1.2 机械臂末端执行机构
机械臂末端安装如图4所示的执行机构，该机构有2个自由度，1个是水平滑动导轨，可沿焊缝方向移动，另1个是旋转关节，可使焊枪沿着自身轴线方向旋转。为了保证侧壁熔透，经现场调试导电嘴弯曲10°，由于空间非常狭小，末端不采用传统的喷嘴方式施加保护气体，而是采用图4所示两侧装送气管。当旋转关节运动时，气管不动，实际工作时气量为15~20 L/min，可有效保证焊接质量。
图3 机械臂结构
Fig. 3 Structure of manipulator arm
图4 机械臂末端执行器
Fig. 4 End effector of manipulator arm
1.3 焊接夹具
图5所示为待焊接夹具示意图。在阴极钢棒和爆炸焊钢片之间形成1个待焊接的狭窄间隙，理论上间隙宽度越窄越好，这样，一方面可控制焊接变形，另一方面可节省焊丝，降低成本。但由于焊枪尺寸的物理限制，焊枪尺寸越小，越不利于散热，反而影响焊枪的使用寿命。综上所述，狭窄间隙宽度范围通常选为20~35 mm，进而可采用熔化极气体保护多层多道焊接技术，实现阴极钢棒和爆炸焊钢片的连接。本文作者针对待焊接工位设计了图5所示的焊接夹具。首先，通过阴极钢棒定位螺栓和待焊接工位2个阴极钢棒的连接，将夹具固定在待焊接工位上；再通过爆炸焊钢片定位螺栓实现对爆炸焊钢片的装卡定位，使其平行于阴极钢棒，并可进一步调整待焊接区域的宽度，满足焊接要求。防焊垫板可防止焊接过程中熔池流到外侧，整个焊接夹具可防止焊接过程阴极钢棒和爆炸焊钢片的变形，方便拆卸和安装。
图5 焊接夹具
Fig. 5 Welding fixtures
2 控制系统设计
2.1 硬件设计框架
焊接机器人硬件设计框架如图6所示。选用翠欧的MC464运动控制器控制机械臂的伺服电机[12]进行焊接。控制器通过DI/DO模块控制读取限位保护信号。平板电脑通过以太网和控制器连接，主要用于人机交互。焊接工位埋在地下0.5 m处，由于现场进行示教非常困难，因此，将机床上所用手脉改装，方便现场调试，并采用RS232接口实现与平板电脑的通信。此外，加装摄像头方便工人远程操作，焊机也由平板电脑通过RS485控制。
2.2 软件设计框架
机器人轨迹规划、限位保护等实时性要求高，由下位机程序实现。根据工作模式，控制器程序可分为2部分：示教模式和再现模式。图7所示为示教模式程序流程图。示教过程中焊接臂末端焊枪姿态需要与焊缝成一定角度才能保证焊接质量。图8所示为再现模式程序流程图。在对机械臂完成示教后，机械臂可在不进行焊接的状态下，再现规定动作，确保在准确无误的情况下再进行实际作业。
图6 硬件设计框架
Fig. 6 Design architecture of hardware
图7 示教模式程序流程图
Fig. 7 Program flow chart of teaching mode
图8 再现模式程序流程图
Fig. 8 Program flow chart of playing mode
3 机器人运动规划
3.1 正运动学
除末端执行器外，机械臂有4个自由度，包括1个平移关节和3个转动关节，其结构示意如图9所示。选取平移关节的运动方向为z轴，垂直纸面向外，电机码盘值即为z坐标值。取垂直向下为x轴，由右手定则确定y轴。其中大臂
长为L1，中臂
长为L2，小臂
长为L3。3个转动关节位于xOy平面内，因此，对机械臂作运动学分析时不考虑平移关节，即典型的平面3R结构[13]。
图9 机械臂的结构示意图
Fig. 9 Structural diagram of manipulator arm
由图9可知，点C的坐标为：
(1)
(2)
姿态角为
(3)
已知关节角θ1，θ2，θ3，利用式(1)~(3)，可唯一确定机械臂末端的位姿x，y，γ。
3.2 逆运动学
机械臂逆运动学与正运动学过程相反，即由已知的x，y，γ确定相应的关节角θ1，θ2，θ3。
首先对△OAB应用余弦定理：
(4)
将已知量代入式(4)，并整理可得
(5)
其中分子项为
(6)
由式(5)可获得2个解，即θ2的正负解。
重新整理式(1)和式(2)得：
(7)
(8)
联立式(7)和式(8)，对应θ2的正负2个解可求得
(9)
因此，机械臂在工作空间的逆运动学最多可以有2组解。
3.3 可达空间分析
本实验采用直线进行路径规划来实现示教点之间的运动，因此，有必要证明以下结论：若平面3R机械臂末端可到达点P1和点P2，则线段P1 P2上的每点都可达。为证明上述结论，首先给出机械臂的可达工作空间的定义[14]：某一姿态下机械臂末端位置的集合
(10)
式中：p(θ):Q→R3是正运动学映射的位置量，R3代表三维空间；WR是内径为L1-L2-L3、外径为L1+L2+L3的圆环。在满足以下条件时可得该结论：
(11)
(12)
若不满足式(11)与式(12)，则证明过程参考黄磊光等[15]的分析过程。
由上述分析，机械臂的可达空间是连通的圆环。若机械臂可到达点P1和点P2，不妨设
≤
，则以为内径，为外径的圆环
满足
(13)
又因为直线
每点都在圆环中，即
(14)
因此，
(15)
即线段上的每点都属于机械臂的可达空间。因此，通过直线来完成运动规划[16]，一定不会出现奇异点，能够保证机器人可靠地正常工作。
4 焊接过程
4.1 末端执行器运动规划
本实验中，1个焊接工位有2个待焊接区域：焊缝间隙为20 mm，焊缝长度为180 mm，焊接板厚为50 mm。机械臂可实现自动焊接[17]。图10所示为单工位机器人的运动轨迹。整个焊接过程如下：首先移动到左侧焊接区域，执行器末端导电嘴本身有10°的焊接角度保证侧壁熔合，每层进行2道焊接[18]：首先对准阴极钢棒侧，在水平导轨的作用下实现直线焊接，然后在旋转关节的作用下，将导电嘴对准到爆炸焊钢板一侧，实现直线焊接，最后再旋转到初始位置。2条直线焊缝既要保证熔合在一起，还要保证和侧壁良好熔合，电弧在旋转过程中要将焊接参数调小，保证成型美观，完美收弧。
图10 单工位机器人运动轨迹
Fig. 10 Motion trajectory of robot in unilateral station
4.2 关键技术指标
机械臂有4个自由度，用于初定位，将末端执行器放置到合适的位置，末端执行器有2个自由度以实现焊接操作。该系统的其余关键技术指标[19]如表1所示。
4.3 焊接参数
实验过程中采用如表2所示的焊接参数，在机械臂的带动下，同时对2个阴极棒头进行多层多道焊接，首先对左侧进行焊接，然后对右侧进行焊接，机械臂向上提升3 mm，如此循环往复，因为这种焊接工艺要求每完成一道，冷却40 s，控制层间温度，防止过高，以保证焊接质量。
表1 机器人系统关键技术指标
Table 1 Key technical indicators of robot system
表2 焊接参数
Table 2 Welding parameters
本焊接工艺对焊缝深度的适应性较好，不论焊缝有多长，可连续焊接，本次实验中焊缝长度为180 mm，每层焊接高度为3 mm，因此，需要60层焊接，大概需要1 h。实际待焊接工位，因为安装误差一般有3 mm，这种焊接工艺可容许5 mm以下的误差，可保证阴极钢棒和爆炸焊钢片充分连接，保证导电性能；此外，电解槽本身有多个系列，不同系列的电解槽阴极钢棒的厚度不同，此焊接工艺可适应不同厚度的钢棒。
5 实验结果
实验选定的场所为遵义铝厂350 kV·A铝电解厂房216号工位。为了焊接实验的需要，遵义铝厂安排相关技术人员对其中的4个焊接工位进行了清理，并把铝带焊接在爆炸钢片上，尽量与正常工作中的焊接工位一致。首先，为了保证焊缝不因焊接热变形而导致位置的偏差，技术人员在每个工位安装了工装夹具。然后，用现场的吊机把机器人运至待焊工位，并对其进行固定和调水平。在机器人进行焊接之前，技术人员在专用视觉检测装备的指引下对机器人的焊接轨迹进行示教，同时，根据焊缝的特点调节好焊接参数。起弧焊接后，机器人进行连续多层多道焊接，直至焊接完毕。图11所示为焊接机器人的工作场景，图12所示为已经完成的1个焊接作业。
对现场的工位焊接完毕后，委托遵义乌江机电公司运来专用检测设备对焊接完毕的电解槽阴极母线的连接质量进行综合检测。检测结果表明：利用机器人焊接完成的工位压降小，综合质量为优。
图11 正在作业的焊接机器人
Fig. 11 Welding robot in working
图12 已焊接作业
Fig. 12 Welded work
表3 压降测试结果
Table 3 Test results of voltage drop
6 结论
1) 研制了用于铝电解槽焊接机器人系统，该系统具有以下优势：节省钢片，对比传统的人工焊接采用6 mm厚、50 mm宽的钢片叠加，需要事先准备大量钢片，本系统可直接通过焊丝填满20 mm宽的间隙，可省去大量钢片；省电，无论是与传统的焊接方式还是压降方式相比较，本系统采用的窄间隙焊接技术可完全充满焊缝，使压降大幅度下降；焊接一致性好，机器人焊接可保持长时间的精确性和稳定性。
2) 目前，该机构仍存在不足之处：机器人的效率和人的效率相当，由于现场空间非常狭小，焊接准备时间较长；目前机器人构型仍非最优，因为现场环境的不一致性，每个工位都不同，需要进一步增加自由度，优化机构；该机器人仍为比较传统的示教再现型，智能化程度不高，需进一步安装视觉反馈系统，对工作环境进行三维重建，才可自动完成焊接操作。
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(编辑 刘锦伟)
收稿日期：2017-02-25；修回日期：2017-04-08
基金项目(Foundation item)：国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA041002)；国家自然科学基金资助项目(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)
通信作者：梁自泽，博士，教授，从事机器人研究；E-mail：zize.liang@ia.ac.cn
