CN102071437A

CN102071437A - 铝电解阳极炭块炭碗清理系统

Info

Publication number: CN102071437A
Application number: CN 201110049325
Authority: CN
Inventors: 何广平; 贾银忠; 袁俊杰; 苏鹏; 黄昔光; 李士明; 王利超
Original assignee: North China University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology; North China University of Technology
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2031-03-01
Also published as: CN102071437B

Abstract

本发明公开了一种铝电解阳极炭块炭碗清理系统，包括机器人支撑架及设置在该支架上的三自由度直角坐标机器人系统，三自由度直角坐标机器人系统的下部连接有炭块清理刀具装置，机器人支撑架的下部对应炭块清理刀具装置的部位设有炭块夹紧装置，还包括视觉识别系统、炭块测高装置、设备控制系统、灰尘回收系统等。用于清理铝电解阳极炭块上炭碗中炭粒，解决了铝电解阳极炭块炭碗清理的自动化操作，提高了炭碗清理效率，同时大大减轻了工人劳动强度，改善了工作环境。

Description

铝电解阳极炭块炭碗清理系统

技术领域

本发明涉及一种铝电解行业中清理炭块的设备，尤其涉及一种铝电解阳极炭块炭碗清理系统。

背景技术

铝电解阳极炭块以石油焦为原料，经过高温煅烧、混捏、成型、焙烧等工序，得到焙烧阳极块，再与导电钢爪连接后挂接在电解槽中，通过电解置换出铝金属。

阳极块在焙烧过程中，为了避免阳极块的氧化变形，在阳极炭块周围铺设大量炭粒进行保护。焙烧完成后，在阳极炭块表面和炭碗中粘接了大量的炭粒并且有一定的粘接强度。为此，整个生产过程中必须设定一个清理炭块表面粘结炭粒的工序。在当前生产中，清理炭块粘连炭粒，主要通过特制铁铲将炭块表面及炭碗内的粘连填充料铲掉，再用压缩空气吹走，致使车间厂房中弥漫大量粉尘，污染环境的同时给工作人员身体健康带来很大危害。炭块焙烧完，需要长时间放置来降温，人工清理炭块一般要清理2-3次才能符合使用要求。由此可见，目前炭块清理工作环境恶劣、存在安全隐患、工作量大、清理效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种能清理阳极炭块上表面炭碗中填充炭粒的铝电解阳极炭块炭碗清理系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的铝电解阳极炭块炭碗清理系统，包括机器人支架及设置在该支架上的三自由度直角坐标机器人系统，所述三自由度直角坐标机器人系统的下部连接有炭块清理刀具装置，所述机器人支撑架的下部设有炭块夹紧装置。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的铝电解阳极炭块炭碗清理系统，由于包括机器人支架及设置在该支架上的三自由度直角坐标机器人系统，所述三自由度直角坐标机器人系统的下部连接有炭块清理刀具装置，所述机器人支撑架的下部设有炭块夹紧装置。能实现对阳极炭碗中填充炭粒的清理工作，以提高生产效率、节约资源、改善工作环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的铝电解阳极炭块炭碗清理系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中三自由度直角坐标机器人系统的结构示意图；

图3为本发明实施例中刀具和刀架的结构示意图；

图4为本发明实施例中刀具的结构示意图(无吸尘罩)；

图5为本发明实施例中炭块测高装置的结构示意图；

图6为本发明实施例中机器人支架的结构示意图；

图7为本发明实施例中炭块夹紧装置的结构示意图。

图中：

1、Z轴导轨伺服电机，2、Z轴拖链拖动板，3、Z轴安装架，4、Y轴拖链拖动板，5、Y轴导轨(两条)，6、Y轴拖链走线槽，7、Y轴支撑梁，8、X轴导轨，9、炭块测高装置，10、机器人支架，11、炭块夹紧装置，12、炭块清理刀具装置，13、X轴法兰，14、X轴导轨伺服电机，15、传动轴，16、刀具支架，17、Y轴导轨伺服电机，18、Y轴法兰，19、X轴拖链拖动板，20、Z轴导轨，21、Z轴法兰，22、视觉识别装置；

7-1、Y轴支撑横梁，7-2、Y轴支撑梁连接板；

9-2、炭块接触杆头，9-1、直线传感器；

10-1、X轴导轨支撑梁，10-2、横梁，10-3、加强梁，10-4、立柱，10-4-1、走线口(机架上面所有电线由此口通过航空插头出来)，10-5、中间立柱，10-5-1、吸尘孔(设备两侧各一个，根据实际需要连接吸尘管道。内侧由伸缩管与刀具的吸尘罩连接，外侧与吸尘设备连接)，10-6、中间短梁，10-7、斜支撑梁，10-8走线槽(放置走线拖链)；

11-1、固定接触头，11-2、夹紧装置左支架，11-3、夹紧装置右支架，11-4、直线导轨，11-5、滑块，11-6、电动推杆，11-7、柔性边架后端，11-8、导向杆(四个)，11-9、压缩弹簧，11-10、柔性边架前端(带一接触头)；

12-1、主轴伺服电机，12-2、斜槽刀伺服电机 12-3、压缩空气通道口，12-4、力传感器，12-5、斜槽刀，12-6、压缩空气通道出口，12-7、主轴刀，12-8、吸尘罩，12-8-1、负压口。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的铝电解阳极炭块炭碗清理系统，其较佳的具体实施方式是，包括机器人支架及设置在该支架上的三自由度直角坐标机器人系统，所述三自由度直角坐标机器人系统的下部连接有炭块清理刀具装置，所述机器人支撑架的下部对应炭块清理刀具装置的部位设有炭块夹紧装置。

所述三自由度直角坐标机器人系统包括水平方向的相互垂直的X轴自由度和Y轴自由度及垂直方向的Z轴自由度；

所述机器人支架包括立柱，所述立柱的上端设有横梁，所述横梁上设有X轴导轨及其伺服电机，所述X轴导轨上设有Y轴导轨及其伺服电机，所述Y轴导轨上设有Z轴导轨及其伺服电机；

所述炭块清理刀具装置设于所述Z轴导轨的下端。

该系统还包括视觉识别系统和炭块测高装置；

所述视觉识别系统用于对待清理炭块上的炭碗进行识别以便由控制系统来控制刀具定位；

所述炭块测高装置用于测量出待清理炭块的高度。

所述视觉定位系统包括摄像头、串口通信模块、图像采集模块和图像处理模块；

所述摄像头固定在所述Y轴导轨的支架上，能随所述炭块清理刀具装置沿X轴方向同步移动。

该系统还包括设备控制系统，所述设备控制系统包括直角坐标机器人控制子系统、视觉识别子系统、刀具控制子系统、炭块定位控制子系统。

该系统还包括控制单元，所述控制单元接收所述炭块测高装置、视觉识别系统和/或刀具控制子系统反馈传来的信号，并根据接收到的信号向所述炭块清理刀具装置发出控制信号，进行闭环控制。

该系统还包括灰尘回收系统，用于回收清理掉的灰尘和炭粒。

所述加紧定位装置包括左支架和右支架，所述左支架上设有两个定触头，所述右支架上设有一个动触头，所述动触头设置在直线导轨上并通过电动推杆驱动。

所述支撑柱和横梁是由方钢制成，方钢内用于设置电源线和控制线。

本发明的铝电解阳极炭块炭碗清理系统，通过电气控制自动完成铝电解阳极炭块炭碗的底面和内壁清理，并回收切削掉的炭渣。

具体实施例，如图1至图7所示：

铝电解阳极炭块炭碗清理系统主要由机械系统、视觉识别系统和设备控制系统等三大部分组成。具体可细分为：三自由度直角坐标机器人、炭碗清理刀具系统、炭块夹紧定位系统、炭碗位置视觉识别系统、炭块定位子系统、直角坐标机器人控制子系统、刀具清理控制子系统和炭渣清理系统等几个小系统。

下面对各个系统进行详细介绍：

三自由度直角坐标机器人：

三自由度直角坐标机器人主要有机架系统和导轨部分组成。机架系统通过三自由度直角坐标机器人，支撑着炭碗清理刀具系统。机架主体部分均采用方钢焊接而成，确保刀具运动平稳，降低清理炭块引起的震动。

导轨部分属于直角坐标式机器人的主要组成部分。设备工作过程中，设备控制系统控制刀具在三个两两垂直的导向机构(导轨)上运动，顺利进行炭碗整个清理工作。X轴导轨固定在炭碗清理系统的机架上，调节刀具在炭块运动方向的位置；Y轴导轨通过导轨支架固定在X轴导轨滑块上，与X轴导轨在水平面上垂直，调节刀具在垂直炭块运动方向(Y轴方向)的位置；Z轴导轨通过安装架固定在两个Y轴导轨中间，调节刀具在垂直方向上的位置。通过调节导轨在X轴和Y轴方向的位置，来定位刀具在水平平面上的位置(刀具中心与炭块上将要加工炭碗的中心在规定误差范围之内)；Z轴导轨带动刀具上下运动，进行炭碗的清理和退刀任务。导轨的运动由各自的伺服电机驱动。刀具清理工作的运动由刀具系统上的两个伺服电机驱动。

炭碗清理刀具子系统：

碳碗清理刀具用于清理炭碗内和斜槽中粘结的炭粒，该系统内部装有力传感器，实时测量斜槽刀受力的大小，进而调整斜槽刀的运动情况；该系统上表面另装有两个力传感器，实时测量刀具在竖直方向受力大小，进而调整Z轴带动刀具在竖直方向的运动情况，并判断是否清理到炭碗底部。

夹紧定位子系统：

夹紧定位系统是确保刀具在清理炭块过程中，炭块不窜动，减小炭块在加工过程中震动或移动。待加工的炭块通过传送系统运送到设定位置(该位置装有传感器，判断炭块是否达到预定位置)停止(炭块到达预定位置后，控制系统收到传感器信号，停止电机工作)，夹紧定位系统中的电动推杆启动，电动推杆通过推杆带动夹紧系统中的柔性边架沿着直线运动导轨向前推进；当柔性边的接触头接触到待加工的炭块后，柔性边架上的四个弹簧受力被压缩，同时接触头推动尚未定位的炭块移动，直到待加工的炭块定位静止；电机推杆到达最大设定位置后，电机断电停止工作，待加工炭块定位固定。刀具系统进行清理任务。四个炭碗清理完后，电动推杆反向运动，接触头松开已清理好的炭块。刀具回零位，传送系统把已清理好的炭块运送出炭碗清理系统，同时运送下一待清理的炭块进入清理区域。进行下一轮的夹紧、清理、松开操作。

直角坐标机器人控制子系统和刀具清理控制子系统：

直角坐标机器人在X、Y、Z轴方向的运动由三台交流伺服电机驱动，带动刀具在平面上定位，竖直方向上进行炭碗清理任务；炭碗刀和斜槽刀由各自的交流伺服电机驱动，同时清理炭碗底部粘附的炭粒和6个螺旋槽中粘附的炭粒。5台伺服电机是由可编程控制器综合控制。

视觉识别系统：

视觉识别系统是计算待清理炭块上四个炭碗位置的系统。视觉识别系统由摄像头、串口通信模块、图像采集模块、图像处理模块等组成。具有炭碗图像采集、炭碗中心和斜槽位置计算，与电气系统通信等功能。

炭渣清理子系统：

炭渣清理子系统是回收刀具系统清理出炭渣的系统，由大颗粒回收系统和浮沉回收系统组成。设备中采用的是炭粒螺旋输送机和浮尘回收管道(负压设备)构成。炭渣清理子系统能将切削炭渣清理干净。

在炭碗清理过程中，压缩空气把从炭碗中脱落的炭粒和粉尘吹出炭碗，大的颗粒落在炭块周围，由螺旋输送机进行回收；而小颗粒则会在炭碗清理系统周围形成浮尘，这些浮沉是由负压吸气系统进行回收。管道中的气流是由电气控制，回收工作自动进行。此外，气流在工作中，同时也对刀具起到一定的降温作用。

本发明的铝电解阳极炭块炭碗清理系统的主要任务是通过自动控制对炭块上的炭碗进行自动清理，对炭渣进行回收，提高生产效率，净化工作环境，确保员工安全健康，减少污染环境。该机械系统除了具有炭碗圆孔清理和残渣清理的基本功能外，具体实施例中还具有如下独特功能：

刀刃同时清理：

刀具清理系统中刀刃由清理炭碗底面的2个炭碗刀刃(也称作主轴刀刃)和清理炭碗斜槽的6个斜槽刀刃组成，其中主轴刀刃360°旋转，斜槽刀刃约60°往复转动(工作过程是约15°往复转动)。两种刀刃同时进行清理，并且各自速度可控，提高了刀刃的清理效率和可控性。

切削力(清理力)反馈：

刀具清理系统中配有力传感器，能将炭碗刀刃(主轴刀刃)和斜槽刀刃的切削力实时地反馈到电气控制系统中，以便实时控制刀刃的转速和旋转方向，确保主轴刀刃不切削炭块本体。在保证安全前提下，刀具清理系统的进给速度和刀刃清理速度达到的最优值，提高系统的清理效率。

炭块输送与夹紧：

滚道运输过来的炭块，由固定好的光电传感器发送位置信号，控制炭块停止的位置。炭块夹紧系统通过压紧力和摩擦力对炭块进行空间定位。

同步视觉观察：

在Y轴导轨支撑梁上安装了可以与刀具同步沿X轴方向移动的摄像头，清理炭碗之前对炭碗进行拍照，之后可预览每个炭碗的情况、调整视觉定位系统给出炭碗圆心的位置；通过通信把数据传送到控制系统，对刀具位置精确定位起重要作用。此外，还可实时观察炭块表面状况。摄像头固定到Y轴导轨支撑梁上，可确保减少误差，有利于系统零位选择。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种铝电解阳极炭块炭碗清理系统，其特征在于，包括机器人支撑架及设置在该支撑架上的三自由度直角坐标机器人系统，所述三自由度直角坐标机器人系统的下部连接有炭块清理刀具装置，所述机器人支撑架的下部对应炭块清理刀具装置的部位设有炭块夹紧装置。

2.根据权利要求1所述的铝电解阳极炭块炭碗清理系统，其特征在于，所述三自由度直角坐标机器人系统包括水平方向的相互垂直的X轴自由度和Y轴自由度及垂直方向的Z轴自由度；

所述机器人支撑架包括立柱，所述立柱的上端设有横梁，所述横梁上设有X轴导轨及其伺服电机，所述X轴导轨上设有Y轴导轨及其伺服电机，所述Y轴导轨上设有Z轴导轨及其伺服电机；

所述炭块清理刀具装置设于所述Z轴导轨的下端。

3.根据权利要求2所述的铝电解阳极炭块炭碗清理系统，其特征在于，该系统还包括视觉定位系统和炭块测高装置；

所述视觉识别系统用于对待清理炭块上的炭碗进行识别，以便由控制系统来控制刀具定位；

所述炭块测高装置用于测量出待清理炭块的高度。

4.根据权利要求3所述的铝电解阳极炭块炭碗清理系统，其特征在于，所述视觉识别系统包括摄像头、串口通信模块、图像采集模块和图像处理模块；

5.根据权利要求4所述的铝电解阳极炭块炭碗清理系统，其特征在于，该系统还包括设备控制系统，所述设备控制系统包括直角坐标机器人控制子系统、视觉识别子系统、刀具控制子系统、炭块定位控制子系统。

6.根据权利要求5所述的铝电解阳极炭块炭碗清理系统，其特征在于，该系统还包括控制单元，所述控制单元接收所述炭块测高装置、视觉识别系统和/或刀具控制子系统反馈传来的信号，并根据接收到的信号向所述炭块清理刀具装置发出控制信号，进行闭环控制。

7.根据权利要求1至6任一项所述的铝电解阳极炭块炭碗清理系统，其特征在于，该系统还包括灰尘回收系统，用于回收清理掉的灰尘和炭粒。

8.根据权利要求1至6任一项所述的铝电解阳极炭块炭碗清理系统，其特征在于，所述加紧定位装置包括左支架和右支架，所述左支架上设有两个定触头，所述右支架上设有一个动触头，所述动触头设置在直线导轨上并通过电动推杆驱动。

9.根据权利要求1至6任一项所述的铝电解阳极炭块炭碗清理系统，其特征在于，所述支撑柱和横梁是由方钢制成，方钢内用于设置电源线和控制线。