CN102350421A - 实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统，包括五台自带绝对编码器的伺服驱动电机、两个压力传感器、一个扭矩传感器，还包括可编程控制器，所述可编程控制器通过现场总线与五台伺服驱动电机通信、并通过I/O端口与所述压力传感器和扭矩传感器相连；还包括安装在炭块的起始位置和终点位置用于对炭块进行定位的光电开关；还包括对炭块的炭碗中心和斜槽角度定位的视觉系统；所述可编程控制器根据视觉系统获得的位置信息，将清理刀具定位至炭块的炭碗和斜槽，并控制刀具对炭碗和斜槽同时进行清理。能够实现阳极炭块定位、阳极炭块测高、炭碗和斜槽的定位、炭碗和斜槽清理的全自动力位置伺服控制。

Description

实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统

技术领域

本发明涉及一种工业伺服控制系统，尤其涉及一种实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统。

背景技术

国内的电解铝厂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，将炭块与导电钢爪连接后挂接在电解槽中通电，炭块作为阳极通过电解可置换出铝金属。阳极炭块如附图4所示，炭块上表面有四个盲孔，直径170mm左右，孔内壁有升角为75°的螺旋槽，这些盲孔俗称炭碗。将导电钢爪插入炭碗并浇铸牢固，即可送往电解槽使用。炭碗内壁螺旋斜槽的作用是为防止炭块与导电钢爪连接松动。

阳极炭块在焙烧过程中，为了避免氧化，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会粘结大量的炭粒并且有一定的粘接强度，这些炭粒在使用前需要进行清理。目前采用的炭块的清理方法是，用特制铁铲将炭块表面及炭碗内的炭粒铲掉，再用压缩空气吹走，人工清理炭块一般要清理2-3次才能达到合格要求，并且压缩空气会使炭粉弥漫在空气中，使得炭块清理工作环境恶劣、工作量大，人员流动性较大，存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统，包括五台自带绝对编码器的伺服驱动电机、两个压力传感器、一个扭矩传感器和视觉识别软硬件系统，所述五台自带绝对编码器的伺服驱动电机分别为主轴伺服电机、斜槽伺服电机、X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机；

还包括可编程控制器，所述可编程控制器通过现场总线与五台伺服驱动电机通信、并通过I/O端口与所述压力传感器和扭矩传感器相连；五台伺服电机中的三台构成三自由度直角坐标机器人系统，用于携带清理刀具并实现定位，其余两台对清理刀具上的两种刀具运动进行分别控制；

还包括安装在炭块的起始位置和终点位置用于对炭块进行定位的光电开关；

还包括对炭块的炭碗中心和斜槽角度定位的视觉系统；

通过力位置混合控制方法能够控制刀具对炭碗和斜槽同时进行清理。

安装在炭块终点位置的光电开关有两个，用于检测炭块到位和炭块离开，实现与原生产线工作方式的配合。

炭碗中心和斜槽角度位置的确定是采用视觉系统和图像识别软件获取坐标，然后用PLC控制所述三自由度直角坐标机器人的电机进行对刀搜索实现。

视觉系统获取炭碗坐标时对单个炭碗分别拍照，获取炭碗的相对坐标，然后以伺服电机编码器数值为参考计算出绝对坐标。

控制系统采用力限制条件下的下探法对炭碗的位置进行搜索，即刀具在搜索过程中每移动一步，刀具下探接触炭块，并在达到一定接触力后停止，通过下压高度判断刀具是否对准炭碗中心和斜槽位置。

PLC控制三自由度直角坐标机器人搜索炭碗中心的实际位置时，采用了一种网格式遍历搜索方式，即以计算坐标为中心划分网格，以固定步长在X和Y方向进行对刀试探。

炭块高度的测量是利用刀具接触炭块的方法实现，即刀具下压并读取力传感器数据，当刀具与炭块上表面接触时，通过Z轴伺服电机的编码器数值能够得到炭块高度。

切削过程对垂直方向的压力和斜槽刀的扭力进行限制，通过扭力与斜槽刀运动的闭环PID控制实现了力位置混合控制，使斜槽刀能够在切削下降过程中，自动沿斜槽的螺旋方向转动，实现炭碗和斜槽的同时清理。

具有双触摸屏操作界面，其中触摸式工控机显示屏用于操作炭碗拍照识别软件和监视炭碗情况，工业触摸屏用于整个系统的操作、控制和过程监控。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统，由于包括可编程控制器，所述可编程控制器通过现场总线与五台伺服驱动电机通信、并通过I/O端口与所述压力传感器和扭矩传感器相连；还包括安装在炭块的起始位置和终点位置用于对炭块进行定位的光电开关；还包括对炭块的炭碗中心和斜槽角度定位的视觉系统；所述可编程控制器根据对炭块的炭碗和斜槽的定位控制刀具对炭碗和斜槽同时进行清理。在阳极炭块定位完成后，自动完成对炭块的测高，炭碗与斜槽定位、炭碗与斜槽清理等任务，同时保证不损坏斜槽、炭碗内部炭粒清理干净符合工业要求，炭块的清理效率保证在300块/天，完全达到生产车间的日产量要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统的原理示意图；

图2为本发明中炭碗清理系统结构示意总图；

图3为本发明中刀具结构示意图；

图4a为本发明中阳极炭块示意图；

图4b为本发明中炭碗示意图；

图5为本发明中力位置伺服控制系统流程图；

图6为本发明中炭块高度测量信号流程图；

图7为本发明中炭碗中心定位信号流程图；

图8为本发明中炭碗清理信号流程图。

图中：1、滚道安装位置，2、炭块清理位置，3、第三光电开关发射与第二光电开关接收安装位置，4.、刀具，5、X轴导轨，6、Z轴导轨，7、Z轴伺服电机，8、Y轴导轨，9、Y轴伺服电机，10、信号灯安装位置，11、X轴伺服电机，12、夹紧电机，13、第三光电开关接收与第二光电开关发射位置，14、主轴(M轴)伺服电机，15、斜槽电机，16、压力传感器，17、扭矩传感器，18、第二刀头，19、第一刀头，20、第一炭碗，21、第二炭碗，22、第三炭碗，23、第四炭碗，24、斜槽，25、炭碗台阶面，26、阳极炭块炭碗，27、阳极炭块。

具体实施方式

本发明的实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统，实现了炭碗清理系统的全自动循环运行、故障诊断和保护功能，采用专用的控制系统和控制方法实现其功能。该控制系统结合图像识别技术和现场总线技术解决了炭碗坐标识别定位问题，同时利用切削力测量部件实现了炭碗清理刀具的力位置混合控制，高效率的通过一次切削完成炭碗内表面和斜槽的同时清理，同时力测量部件还为清理过程的故障诊断和自保护提供监控数据。该系统通过PLC控制单元实现了全部的过程控制、运动控制和力反馈控制算法，首次通过主轴刀铣削和斜槽刀具同时随动切削的方法实现了电解阳极炭碗的自动清理，该系统对于炭碗中炭粒粘接硬度较高的情况也能够完全清理。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统，其较佳的具体实施方式如图1所示：

包括五台自带绝对编码器的伺服驱动电机、两个压力传感器、一个扭矩传感器和一个通过现场总线与五台伺服驱动电机通信、通过I/O端口与压力传感器和扭矩传感器相连的可编程控制器PLC。其特征是：阳极炭块通过第一装置和第二装置在在工件的起始位置和终点位置安装光电开关进行定位→通过视觉系统对阳极炭块的炭碗中心和斜槽角度定位→对阳极炭块的实际高度进行测量→PLC搜索算法对阳极炭块炭碗和斜槽的精确定位→刀具对炭碗和斜槽同时进行清理。

第一装置安装在炭块的起始位置，对炭块准备情况向控制系统发出信号；第二装置安装在炭块的终点位置，对炭块的到位情况向控制系统发出信号。

具有多个第二装置处的光电开关。

在炭块未到达，起始或终点位置时，由于现场环境恶劣导致的光电开关误触发的情况下，不会导致机械系统的误动作。

对炭碗和斜槽的定位采用机器人视觉系统和PLC搜索算法双重定位。

机器人视觉系统与PLC的通讯方式采用RS232。

对炭碗的位置搜索，第二刀头进入炭碗为完成标志信号，即当前Z轴编码器数值与第一刀头到达炭块上表面时Z轴伺服电机编码器数值的差值是否大于一定的数值。

控制系统采用点击法对炭碗的位置进行搜索，即刀具每移动一定的距离，向下点击一次，确定是否到达炭碗的中心位置。

控制系统对炭碗搜索的警告判断是压力传感器的力反馈超出限制。

具体搜索范围的判断是系统允许的X轴方向和Y轴方向的最大误差。

控制系统对炭碗搜索的Y轴方向判断是通过压力传感器在第一刀头与炭块表面接触的时，两个压力传感器的力反馈不同判断。

炭块高度的测量是通过刀具与炭块上表面的接触时的Z轴编码器数值确定的。

炭块高度测量到位判断是通过两个压力传感器的力反馈数值超过炭碗清理时的限制值。

在测高期间，主轴伺服电机以力矩模式驱动第一刀头转动，清走炭块表面上的炭粒。

搜索斜槽期间，第二刀头保持与炭碗台阶面的一定接触力。

保持接触力的实现是以压力传感器的力反馈为PID的输入，PID的输出为第二刀头在竖直方向上的位置。

PID的周期脉冲方式触发，输出第二刀头在竖直方向上的相对位移。

搜索斜槽期间，A轴伺服电机以力矩模式驱动第二刀头转动，同时通过扭矩传感器的力反馈控制第二刀头在竖直方向上的位置即刀具在Z轴方向上的位置。

搜索斜槽期间，通过压力传感器的力反馈判断第二刀头是否到达斜槽的正上方。

搜索斜槽期间，压力传感器的力反馈超过限制的情况下，控制系统PLC会发出警告。

控制系统发出的警告可以表现在控制柜面板上的报警指示灯、触摸屏和报警蜂鸣器。

清理炭碗内部和炭碗斜槽内的炭粒同时被清理。

炭碗斜槽的位置控制方式为PID伺服控制。

PID伺服控制的输入为扭矩传感器的力反馈，输出为第二刀头在斜槽内部的移动的相对位移。

扭矩传感器反馈的力为第二刀头的六个刀刃所受的水平切向力。

炭碗清理期间第二刀头运动的与斜槽形状相符的空间螺旋线是通过控制系统的PID调节第二刀头的角度实现的。

在找到炭碗和斜槽的位置后，控制系统会对炭碗和斜槽的位置和形状拟定理想的规划曲线。

控制系统对第二刀头的水平和竖直方向的运动与理想的规划曲线进行拟合，允许一定的误差。

具体对于炭碗的损坏状况控制系统根据压力传感器和扭矩传感器的力反馈与正常清理时的力反馈进行综合比较判断。

第一刀头是否到达炭碗的底部的判断是通过压力传感器的力反馈数值超过预设数值和当前Z轴编码器数值与第一刀头到达炭块上表面时Z轴伺服电机编码器数值的差值大于预设的数值。

本发明的控制对象主要是炭碗清理系统的刀具系统。控制系统在实现炭块清理功能的同时，还赋予了炭碗清理系统全面的自动化运行能力。能够克服阳极炭块生产中的阳极炭块表面温度高、炭碗形状不规则、炭粒粘附在炭块表面和炭碗内部的随机性大、电磁干扰强烈、碳粉的高污染性和导电性等不良因素对控制系统的影响。克服现有技术中存在的投入人力多、对人体健康危害大、生产效率低、成本高、受主观因素影响大、污染环境等不足；本发明提供一种严格高效、低投入、高产出、无环境污染、操作方便、自动化程度高、无需专业人员，通过人机界面即可达到完全监控阳极炭块炭碗清理的控制系统。

本发明中，PLC系统载入控制算法程序，通过既定的流程，根据传感器反馈的信息，向伺服电机发出指令，控制伺服电机工作与停止；

人机界面系统与PLC系统产生交互信息，完成控制系统的状态监控、默认值修改、手动操作、故障处理等操作。

其中PLC与五个伺服驱动电机的通讯方式为Canopen总线；

所述的扭矩传感器和压力传感器采集的数据通过PLC的I/O数据采集模块传输到PLC；

系统中主要采用的技术有伺服电机控制技术、压力测量技术、扭矩测量技术、I/O数据采集技术、I/O数据滤波技术、数据时域分析技术和PID控制技术等与阳极炭块工艺生产流水线相结合的清理控制方案；PLC自动搜索程序方案的搜索范围为视觉系统反馈阳极炭碗中心坐标和斜槽角度坐标的误差最大误差。

下面对如何实现炭块高度测量、炭碗中心定位、斜槽的定位、炭碗和斜槽的清理分别说明：

炭块高度测量：阳极炭块上表面有部分炭粒，具有一定的硬度和粘附力。在进行阳极炭块的炭碗清理以前，首先将刀具移至阳极炭块的上方，利用Z轴伺服电机自带的绝对编码器，可以随时记录Z轴上刀具的位置。Z轴下降，同时启动主轴伺服电机的扭矩模式，使第一刀头以一定的扭矩转动，当刀具与阳极炭块表面进行接触时，第一刀头可以清除阳极炭块表面的粘附炭粒，通过刀具上部的两个压力传感器的测得数值确定刀具是否到达实际的炭块表面。采用该方案是考虑刀具系统本身具有一定的柔性，刀具的柔性在一般情况下可以保护刀具的刀头和压力传感器不受损害；如果采用常规技术进行测量，即使忽略成本和技术问题，测得精度很高的数据，在刀具本身具有柔性的情况下，即使Z轴已经下降理论上的炭碗深度，但是刀具的刀头仍不能到达炭碗底部，不能将炭碗内部的炭粒完全清理干净。

炭碗中心定位：刀具的初始位置为视觉系统所给坐标位置；对阳极炭块炭碗的搜索，通过刀具的两侧压力传感器的当前值波峰变化，判断第二刀头进入炭碗的情况：(第一刀头较之炭碗有一定的余量，即使炭块定位有一定的误差，也可以进入炭碗，)第二刀头要进入炭碗，其定位精度需要达到2mm；根据炭块的定位误差(X轴方向上一般为6mm左右，Y轴方向上一般为4mm左右)；刀具按照预定阳极炭块炭碗位置下降，此时有两个算法：一是第二刀头进入炭碗8mm以上，则认为第二刀头进入炭碗，开始搜索斜槽；二是第二刀头探入炭碗的深度小于8mm；触发搜索程序，在X轴方向上对炭碗进行搜索，以点击法搜索炭碗的中心，即以一定的步长，分步进行，当未到达X轴方向炭碗中心的位置时，由于点击炭块造成的刀具上方两个压力传感器数值变化量相差不会太大或保持固定的差值，通过观察两个压力传感器的输出数据滤波后形成的时域波动曲线可以得到准确的判断；当到达炭碗中心X轴方向位置时，根据两个压力传感器的输出数据滤波后形成的时域波动曲线，两个压力传感器的变化量有明显的差别，由此可以推断第二刀头的位置误差是在Y轴的正方向还是负方向；在对Y轴方向进行搜索，以较小步长，点击搜索，找到炭碗中心位置；

对阳极炭块斜槽的搜索：第二刀头进入炭碗里8mm左右，需要在炭碗内部的台阶面上寻找斜槽的位置，第二刀头压在台阶面上(压力的大小保证在一定的范围内)，该过程以两个压力传感器的输出，作为PID控制算法的输入，然后以PID算法的输出作为Z轴位置微量调节的位移，从而达到将第二刀头与炭碗台阶面保持接触力的目的；同时，以一定的扭矩转动第二刀头，当遇到较大粘附炭粒时，第二刀头速度降低，Z轴升起刀具，同时保持第二刀头以一定的压力压在台阶面上，直至第二刀头的六个刀刃进入斜槽。

对阳极炭块炭碗的清理：确定炭碗的中心位置和斜槽的角度后，刀具上升，退出炭碗；保持位置不变，启动主轴伺服电机，第一刀头开始以恒速转动，启动刀具快速下降模式，接近炭块；距离炭块5mm处，Z轴伺服电机切换到扭矩模式开始下降，此时同时启动斜槽伺服电机的力位置伺服控制系统，进入斜槽；在斜槽内，第二刀头的六个刀刃将受到两个方向的力作用，分别为：竖直方向上的力和刀刃上的侧向力，刀刃受到的竖直方向力为清理炭粒时产生的，不做单独的测量与监控，它与第一刀头清理炭碗内部炭粒时受到的力之和同时反映到两个压力传感器的数值变化上，当两个压力传感器的输出数值变化过大时，刀具停止下降，并上升一定的高度，保护刀头和压力传感器；刀刃上的侧向力是需要严格控制的力；考虑炭碗斜槽的宽度较之刀刃的宽度大4mm，力位置伺服控制的目标是刀刃只受到竖直方向上的力，侧向力为零；但是炭碗的六个斜槽工艺为以空间螺旋形分布在炭碗的内表面，第二刀头的六个刀刃要想到达炭碗的底部，不可避免要与斜槽的内壁进行接触，产生与六个刀刃形成圆周的切向力，第二刀头所受切向力可以通过扭矩传感器直接测得，一旦超过正常转动需要的扭矩，将触发斜槽伺服电机对第二刀头进行位置调节，位置调节的方向与切向力的方向相同，该调节是以扭矩传感器测得切向力变化作为PID控制算法的输入，PID控制算法的输出为第二刀头转动的角度，这个角度的累计最大值不会超过斜刀槽和刀刃的差值；这种调节是实时进行的，可以说第二刀头在这种模式下，是处于一种动平衡状态，正是这种动平衡状态使第二刀头的刀刃在清理炭碗和斜槽时的运动轨迹为与斜槽工艺相符的空间螺旋曲线。从而保证了炭碗和斜槽的清理效果符合要求。

本发明可以达到的效果为：在阳极炭块定位完成后，自动完成对炭块的测高，炭碗与斜槽定位、炭碗与斜槽清理等任务，同时保证不损坏斜槽、炭碗内部炭粒清理干净符合工业要求，炭块的清理效率保证在300块/天完全达到生产车间的日产量要求。

下面结合附图，对本发明的实施案例进行进一步的详细描述如下：

如图2、图3、图4a、图4b所示，炭碗清理系统是安装在阳极炭块27生产线上的，对生产出的炭块27进行直接处理，首先，系统通过信号灯10通知推入炭块27，信号灯10有两个灯：绿色为推入炭块信号，红灯为开始清理阳极炭块信号，信号灯10自带蜂鸣器，发出等待信号。生产线推入阳极炭块27进入炭碗清理系统控制输送装置，第一光电开关检查到炭块27，启动滚道电机，将炭块27送入清理位置2。为了保证炭块的定位准确，为输送装置电机安装抱闸，使用两对光电开关——第二光电开关与第三光电开关；炭块27首先到达第二光电开关位置，PLC检测到第二光电开关启动，向滚道电机发出停止指令，同时检测第三光电开关的状态，第三光电开关的状态可直接与阳极炭块炭碗26的初始位置相关。两个光电开关的位置相差一定的距离，它们的状态可以将炭块27的位置误差保证在允许的范围内；PLC控制夹紧电机12夹紧炭块27，X轴伺服电机11驱动刀具4沿X轴正方向移动，分三步，为四个炭碗26拍照(初始位置可以为第一炭碗20拍照)；PLC通过串口与视觉系统通讯，视觉系统负责拍照和计算各个炭碗的坐标，并发送给PLC，PLC根据收到的坐标确定各个炭碗的预定位置，视觉系统发送的坐标误差一般在±3mm。

如附图5、图6所示流程图，首先将刀具4移动到两个炭碗26的中心位置，启动压力传感器16保护程序，该程序分两种：其一，为正确测量炭块27高度的算法，压力传感器16输出达到该模式设定压力值范围内时，第一刀头19、刀具4、压力传感器16、导轨都可以正常工作，且可以正确测得炭块高度；其二，为保护刀具传感器16和导轨的算法，压力传感器16输出达到该模式设定压力值范围内时，第一刀头19、刀具4、压力传感器16、导轨可能出现故障，且测得炭块27高度偏低；这两种模式的压力值范围是根据压力传感器16的量程和清理过程中压力传感器16的变化范围确定的，这里所说的压力传感器16输出数值是指刀具4上方的两个压力传感器16单个和总体，即压力传感器16输出未超出规定范围不但指单个压力传感器16的输出未超过规定范围，而且要求压力传感器16的输出之和也未超过规定范围；考虑到刀具4为刚性部件，第一刀头19与炭块的接触采取快速接近，慢速接触，同时启动主轴伺服电机14扭矩模式，第一刀头19开始转动，可以清除阳极炭块27上表面绝大部分炭粒。第一刀头19压紧炭块以后，压力传感器19的输出出现跳变，PLC记录当前的Z轴伺服电机7编码器数值，作为炭块27的高度，同时Z轴导轨6上升，将第一刀头19与炭块27分开。通过这种方法测出的炭块27高度在炭碗定位判断时需要进行矫正，因为PLC是根据Z轴下降的位移作为判断刀头进入炭碗的情况的，矫正是要去除由于刀具4本身的柔性变形，对刀头下降位移造成的误差。

如附图7所示流程图，确定阳极炭块27的高度后，根据视觉系统提供的坐标位置，PLC控制伺服电机移动刀具4到达第四炭碗23的中心坐标位置，调整第一刀头19两个刀刃的方向为X轴导轨5方向；启动压力传感器16力保护模式，同时Z轴快速下降，接近阳极炭块27，在距离阳极炭块表面1一定的距离，Z轴切换为慢速模式，准备进入阳极炭块炭碗26，在Z轴下降过程中，PLC会判断第一刀头19和第二刀头18是否进入炭碗26和斜槽24，是否满足正常清理炭碗26的条件；炭碗26搜索主程序中共有三个主要的判断标准：1、第一刀头19是否进入炭碗26，；2、第二刀头18是否进入炭碗26；3、第二刀头18的六个刀刃是否进入斜槽24。PLC对这三个判断表现为Z轴相对于矫正后的炭块高度位置下降的位移为多少，如当Z轴6当前位置相对于矫正后的炭块高度位置小于30mm，则认为第二刀头18的六个刀刃已经进入斜槽24，炭碗26的定位已经完成。

对于炭碗26定位主程序中的判断1，第一刀头19两个刀刃处于X轴5方向，所以可以不考虑Y方向刀具4的误差，只要刀具4的位置在X轴5方向的误差在误差范围内，第一刀头19就可以进入炭碗26，同时为了确保炭碗26的可清理率，也为第一刀头19设计一套搜索程序，首先将刀具4沿X轴5负方向移至炭碗坐标误差极限位置，以该位置为起点开始搜索，每移动一个步长，第一刀头(19)向下点击一次，每次点击完成后，Z轴6迅速升起，防止压力传感器16超限；如果Z轴6下降位置低于炭块高度位置一定的距离，则认为第一刀头18进入炭碗。正负极限位置之间总步数是确定的，搜索步数超过总步数则认为，炭碗损坏，不能搜索到炭碗。

对于炭碗26定位主程序中的判断2，第一刀头18进入炭碗26的位移如果超过25mm，(第一刀头19与第二刀头18的竖直方向距离为15mm)则认为第二刀头19也进入炭碗26；如果不能进入炭碗26，启动第二刀头18搜索程序，首先Z轴6升起，移动刀具4至第二刀头18的误差极限位置或第一刀头进入炭碗的初始位置，同时转动第二刀头18使其中一对刀刃与Y轴8方向平行，开始搜索炭碗26，每移动一个步长，第二刀头(19)向下点击一次，每次点击完成后，Z轴6迅速升起，防止压力传感器16超限；每次点击完成后，由PLC分析两个压力传感器16的变化曲线和第二刀头19探入炭碗的深度，如果符合特定变化曲线的特征，且探入深度不满足要求，则认为第二刀头到达炭碗X轴5方向中心位置，但Y轴8方向还存在定位误差。通过对两个压力传感器16的变化曲线进行分析，可以得出第二刀头18的误差方向，同时退出炭碗26，Y轴8方向移动一个步长；再次点击炭块27；直至第二刀头19探入炭碗27的深度满足条件；X轴5与Y轴8由于其误差范围确定，所以它们各自的总搜索步数是确定的，达到总搜索步数仍不满足进入炭碗26的条件，则认为，该炭碗26损坏，不能搜索到炭碗26。

对于炭碗26定位主程序中的判断3，如果Z轴6下降位置低于炭块27高度35mm，则认为第二刀头18的六个刀刃进入斜槽24；否则启动斜槽24搜索程序；启动PID第一调节，该PID调节是以压力传感器16的输出为输入，Z轴6需要移动的相对位移为输出，进行的实时监控调节；该调节在第一次第二刀头18的六个刀刃压紧炭碗26的台阶面25时被触发；斜槽电机15扭矩模式启动，驱动第二刀头18沿逆时针方向转动；此时，如果第二刀头18停止转动，则表示遇到较大炭粒，此时Z轴6升起，第二刀头18重新开始转动，同时PID第一调节又促使Z轴6下降保持与台阶面25的压力值；直到找到第二刀头18的六个刀刃进入斜槽；第二刀头18的搜索范围为70度，第二刀头18转动70度后仍未能进入斜槽24，则认为炭碗26损坏，不能进入斜槽24；当刀刃被确定进入斜槽24，PID第一调节被关闭，同时记录当前X轴5、Y轴8位置，斜槽电机15的编码器位置(斜槽24的位置)，然后Z轴6上升，第二刀头18退出炭碗26。

如附图8所示流程图，确定阳极炭块的炭碗和斜槽位置后，对于测得X轴5Y轴8坐标还需要矫正，考虑到炭碗26直径比第二刀头直径大，单方向搜索进入炭碗26不能达到炭碗26的中心位置，所以对测得中心位置坐标需要进行矫正；矫正值是根据Y轴与X轴移动的步长和实验的经验值得出。启动PID第二调节，该PID调节是以扭矩传感器17的输出值变化量为输入，第二刀头18的位移调节量为输出。该调节可以实时将第二刀头18的六个刀刃受到的侧向力反映到第二刀头18的位置调节上来；对扭矩传感器17的输出数据进行的采集并不是一直进行的，而是每20ms采集一次，如果扭矩传感器17的输出满足调节要求，则驱动第二刀头18移动相应的位移量，否则PID处于监控状态；主轴伺服电机14驱动第一刀头19开始转动，负责清理炭碗26内部的炭粒；Z轴6下降，第二刀头18的六个刀刃开始进入斜槽24，此时存在两种调节：第一调节是PID第二调节；第二调节是压力传感器16的输出调节；对于第一调节，如果扭矩传感器17数值增大(减小)，超出PID调节的死区范围，则逆时针(顺时针)调节第二刀头18的刀刃一定的角度；对于第二调节，如果压力传感器16的单个或总体数值超过限制值，将会触发Z轴6快退动作，以保护刀头和刀具上的传感器；第一调节、第二调节和Z轴下降等动作有效的条件是刀头未到达炭碗26的底部；一旦到达炭碗26的底部，将触发刀具4的快速退出炭碗程序；退出炭碗26时，PID第二调节不会被关闭，直到第二刀头18离开炭碗26，然后，开始下第三炭碗22的清理。

在对第三炭碗22进行定位以前，PLC会对第四炭碗23的实际清理位置、第三炭碗22的预设位置，根据阳极炭块27的炭碗设计位置进行综合比较，选择其中一个作为第三炭碗22的中心位置，将刀具4移动到该位置，正常情况下，刀具4不需要再进行搜索，就可以直接进入第三炭碗26，开始清理炭碗26的程序；但是如果炭块27在焙烧时，变形比较大，则还需要搜索，但是此时炭碗27的位置误差已经大大减小了，启动与第四炭碗同样的搜索程序完成第三炭碗22、第二炭碗21、和第一炭碗20的清理任务；此时，PLC控制夹紧电机12松开炭块26；松开完成后，信号灯10亮起，提示推入下一个炭块26，滚道电机输送下一个炭碗26的同时，清理完成的炭块26也被输送出。

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 (9)

1.一种实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统，包括五台自带绝对编码器的伺服驱动电机、两个压力传感器、一个扭矩传感器和视觉识别软硬件系统，所述五台自带绝对编码器的伺服驱动电机分别为主轴伺服电机、斜槽伺服电机、X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机，其特征在于：

还包括可编程控制器，所述可编程控制器通过现场总线与五台伺服驱动电机通信、并通过I/O端口与所述压力传感器和扭矩传感器相连；五台伺服电机中的三台构成三自由度直角坐标机器人系统，用于携带清理刀具并实现定位，其余两台对清理刀具上的两种刀具运动进行分别控制；

还包括安装在炭块的起始位置和终点位置用于对炭块进行定位的光电开关；

还包括对炭块的炭碗中心和斜槽角度定位的视觉系统；

通过力位置混合控制方法能够控制刀具对炭碗和斜槽同时进行清理。

2.根据权利要求1所述的实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统，其特征在于：

安装在炭块终点位置的光电开关有两个，用于检测炭块到位和炭块离开，实现与原生产线工作方式的配合。

3.根据权利要求1所述的实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统，其特征在于：

炭碗中心和斜槽角度位置的确定是采用视觉系统和图像识别软件获取坐标，然后用PLC控制所述三自由度直角坐标机器人的电机进行对刀搜索实现。

4.根据权利要求1或3所述的实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统，其特征在于：

视觉系统获取炭碗坐标时对单个炭碗分别拍照，获取炭碗的相对坐标，然后以伺服电机编码器数值为参考计算出绝对坐标。

5.根据权利要求1或3所述的实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统，其特征在于：

控制系统采用力限制条件下的下探法对炭碗的位置进行搜索，即刀具在搜索过程中每移动一步，刀具下探接触炭块，并在达到一定接触力后停止，通过下压高度判断刀具是否对准炭碗中心和斜槽位置。

6.根据权利要求1、3或5所述的实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统，其特征在于：

PLC控制三自由度直角坐标机器人搜索炭碗中心的实际位置时，采用了一种网格式遍历搜索方式，即以计算坐标为中心划分网格，以固定步长在X和Y方向进行对刀试探。

7.根据权利要求1所述的实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统，其特征在于：

炭块高度的测量是利用刀具接触炭块的方法实现，即刀具下压并读取力传感器数据，当刀具与炭块上表面接触时，通过Z轴伺服电机的编码器数值能够得到炭块高度。

8.根据权利要求1所述的实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统，其特征在于：

切削过程对垂直方向的压力和斜槽刀的扭力进行限制，通过扭力与斜槽刀运动的闭环PID控制实现了力位置混合控制，使斜槽刀能够在切削下降过程中，自动沿斜槽的螺旋方向转动，实现炭碗和斜槽的同时清理。

9.根据权利要求1所述的实现铝电解用阳极炭块炭碗自动化清理的力位置伺服控制系统，其特征在于：

具有双触摸屏操作界面，其中触摸式工控机显示屏用于操作炭碗拍照识别软件和监视炭碗情况，工业触摸屏用于整个系统的操作、控制和过程监控。

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