CN106001855A - 一种焊接方法和机器人焊接系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种实现铝电解槽阴极钢棒和爆炸焊钢片连接的焊接方法和机器人焊接系统。所述方法包括：以阴极钢棒为基准的夹具对爆炸焊钢片进行定位，在阴极钢棒和爆炸焊钢片之间形成一个待焊接的狭窄间隙，采用熔化极气体保护特种焊接技术实现阴极钢棒和爆炸焊钢片的连接。针对此方法，本发明提出的机器人焊接系统：以控制系统为核心，该系统由移动平台，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，实现阴极钢棒和爆炸焊钢片的高效连接。

Description

一种焊接方法和机器人焊接系统
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种实现铝电解槽阴极钢棒与爆炸焊钢片焊接的焊接方法和机器人焊接系统。
背景技术
作为传统重工业，电解铝行业现场作业环境相当的恶劣。高温，粉尘，强磁，噪声，机械以及高压电气等严重危害着工人的生命安全与健康。电解铝工业作为电能消耗大户，任何一个生产环节电能的节省都可以产生巨大的经济效益。
阴极钢棒作为电解槽的消耗部件，需要定期进行更换。如图1(a)所示，每个车间由数十个铝电解槽首尾串联组成。如图1(b)所示相邻电解槽之间通过软铝带母线进行连接，其中软铝带母线末端通过爆炸焊钢板连接，然而如图1(c)所示，每个待焊接工位的爆炸焊钢板和阴极钢棒的连接一直是一个棘手的问题。最早多采用螺栓连接的方式。这种方法的优点是容易安装，但会造成连接处电阻太大，损耗很多的电能，多数铝厂早已不再采用。目前我国几乎所有铝厂都采用如图1(d)所示的多层钢板焊接的方式实现阴极钢棒和爆炸焊钢片的连接。这种连接方式相比于传统的方式，大大减少了接触电阻，但是其工作量巨大。以350kA的电解槽为例，一个车间由如图所示的20个铝电解槽组成，每个电解槽两侧分别并联30个焊接工位，每个焊接工位需要至少60块钢片的焊接，一个优秀的焊接工人大概需要半天的时间，这项工作一直是加快铝厂大修进度的瓶颈。此外由于待焊接工位是埋在地下的，工人进行焊接操作时，非常不方便，而且焊接产生的大量的烟，随着人力成本不断地提升，焊接工人需求得不到满足。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种用于实现铝电解槽阴极钢棒和爆炸焊钢片焊接的焊接方法和机器人焊接系统，以解决现有技术中存在的上述问题。
根据本发明一方面，提供了一种实现铝电解槽阴极钢棒和爆炸焊钢片连接的焊接方法，包括：
以阴极钢棒为基准的夹具对爆炸焊钢片进行定位，在阴极钢棒和爆炸焊钢片之间形成一个待焊接的间隙，该间隙的宽度范围在20-35mm之间；
采用熔化极气体保护特种焊接技术实现阴极钢棒和爆炸焊钢片的连接。
根据本发明另一方面，提供了一种实现铝电解槽阴极钢棒和爆炸焊钢片焊接的机器人焊接系统，包括：控制系统、机械臂、焊接装置和移动平台；
所述移动平台包括导轨和移动小车，导轨铺设在铝电解槽沿板上，移动小车承载控制系统、机械臂和焊接装置在导轨上来回移动；
所述控制系统用于控制所述机械臂；
所述机械臂包括一个平移关节和三个旋转关节，平移关节通过滚珠丝杠在所述导轨上移动，三个旋转关节与平移关节依次连接，最末端旋转关节的末端固定有焊枪；
所述焊接装置包括焊接电源和焊接控制电路，所述焊接电源用于提供大功率焊接参数，所述焊接控制电路用于调节焊接参数，控制起弧、灭弧，控制焊接保护气体的有无。
本发明通过重新设计阴极钢棒和爆炸焊钢片之间的连接结构，采用配套窄间隙熔化极气体保护焊接技术的机器人系统实现高效焊接，将单个工位的焊接时间缩短至10分钟。这种焊接方式更近一步大大减少了接触电阻，电解槽在该部位的损耗可以几乎忽略不计。值得强调的是，随着人力成本的不断增加以及工业机器人技术的不断成熟，该系统有着广阔的推广前景，为我国工业机器人的应用有着重要的意义。
附图说明
图1是传统电解铝工业现场环境，其中(a)为电解铝车间；(b)为单个电解槽；(c)为待焊接工位；(d)为已焊接工位。
图2是本发明中电解槽上待焊接工位结构示意图。
图3是本发明中机器人运动控制系统的功能模块示意图。
图4是本发明中机械臂结构示意图。
图5是本发明中机械臂运动学模型示意图。
图6是本发明中机械臂多轴联动结构示意图。
图7是本发明中焊枪末端运动轨迹示意图。
图8是本发明中焊枪末端摆焊运动轨迹示意图。
图9是本发明中机器人总体系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
为了铝电解槽阴极钢棒和爆炸焊钢片高效连接，本发明重新设计了阴极钢棒和爆炸焊钢片的连接方式。铝电解槽每个待焊接工位有两根平行的阴极钢棒，以阴极钢棒为基准，设计定位夹具。
本发明提出的一种实现铝电解槽阴极钢棒和爆炸焊钢片高效连接的焊接方法包括：
以阴极钢棒为基准的夹具对爆炸焊钢片进行定位，在阴极钢棒和爆炸焊钢片之间形成一个待焊接的狭窄间隙，采用熔化极气体保护特种焊接技术实现阴极钢棒和爆炸焊钢片的连接。
如图2所示是待焊接工位示意图。在阴极钢棒和爆炸焊钢片之间形成一个待焊接的狭窄间隙，理论上间隙宽度是越窄越好，这样一方面可以控制焊接变形，另一方面可以节省焊丝，降低成本，但是由于焊枪尺寸的物理限制，焊枪尺寸越小，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在20到35mm，进而可以采用熔化极气体保护特种焊接技术实现阴极钢棒和爆炸焊钢片的连接。此外，本发明针对待焊接工位设计了如图2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两个阴极钢棒的连接，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，并可以进一步调整待焊接区域的宽度，满足焊接要求；防焊垫板可以防止焊接过程中熔池流到外侧，整个焊接夹具可以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。
为实现上述焊接方式，本发明设计了如图9所述的焊接机器人系统，该机器人系统包括控制系统，机械臂，焊接装置和移动平台。控制系统和焊接装置位于控制柜中。控制柜采用磁屏蔽设计，有效防止周围磁场环境对其产生干扰。
如图3所示，控制系统的硬件设计框架，以工业运动控制卡作为主控制器用于控制机械臂，并通过总线方式控制伺服驱动器。平板电脑作为上位机用于人机交互：通过RS232接口和示教盒相连，用于机器人示教；通过USB接口和摄像头相连，采集待焊接工位图像，方便工人远程操作；通过RS485接口控制焊机通断，以及配置焊接参数。
所述机械臂有四个自由度，包括一个平移关节和三个旋转关节。如图4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都是旋转关节，由电机3和电机4通过皮带传递。机械臂每个关节具有关节锁死装置，方便机械臂的搬运和安装。机械臂运动学模型如图5所示，选取平移关节的运动方向为z轴，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。其中关节1至关节2之间的大臂OA长为L1，关节2至关节3之间的中臂AB长为L2，关节3至关节4之间的小臂BC长为L3。三个转动关节位于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。如图6所示，机器人末端在笛卡尔空间沿直线或者圆弧的运动需要协调各个轴同时运动，通过cam指令实现多个轴的同步运动。首先由table指令给表进行赋值，表中可存放三个到上万个位置数据，然后由cam指令执行，可控制各轴同步。
焊接装置包括：焊接电源和焊接控制电路。焊接电源需要保证可以提供大功率焊接参数，优选500A的焊机，并且可以在现场强磁场干扰环境下正常工作，保证焊接参数稳定。焊接控制电路调节焊接电压和电流参数，控制起弧、灭弧，控制焊接保护气体的有无。配套的窄间隙焊枪固定在第3个旋转关节末端，结构小巧，可以在狭小空间完成焊接，并且在大电流状态下长时间正常工作。
以350kA的电解槽为例，待焊接区域是一个长55mm，宽30mm，高180mm的狭窄长方体，通过本发明实现对该区域的有效连接。焊接工艺参数：焊接电流为350～450A；焊接电压为30～38V；焊丝牌号为T-1系列的药芯焊丝，其直径为1.2～2.4mm；保护气体采用混合气体(80％Ar+20％CO2)，气体流量为15～20L/min。焊接过程中焊枪的行走轨迹如图7所示，该图是以正视图方向所看到的焊枪末端运动情况。机械臂的关节1实现如图所示的左右往复运动，其他3个旋转关节同步动作实现焊枪的直线轨迹规划，以恒定不变的速度提升焊枪。如果待焊接区域的宽度增加到35mm，增大焊接电流可能会造成焊机暂载率过低，影响工作效率，在不影响焊接质量的前提下，为增加两侧的熔合深度就需要控制焊枪在焊缝宽度方向的摆动，增加摆动以后的焊枪末端摆焊运动的轨迹如图8所示。
如图9所示，移动平台包括：导轨和移动小车。在铝电解槽模型上方的电解铝槽沿板上铺设导轨，将上述机器人控制柜固定在移动小车上，通过移动小车在导轨上移动实现系统在不同工位的焊接，焊接电源和控制系统放置在控制柜中，机械臂水平移动平台安装在移动小车下方，机械臂小臂末端固定的窄间隙焊枪可以伸到待焊接工位。图中所示是在实验室搭建的1∶1模型，其中只有三个待焊接工位。此外，由于一个电解槽有数十个工位，可以一个电解槽可以同时安装多台机器人并行工作，大幅度减少焊接周期。
焊接机器人按照以下流程操作。
(1)将机器人系统安装固定在铝电解槽沿板上；
(2)打磨阴极钢棒，安装焊接夹具；
(3)移动机械臂，将焊丝末端移动到焊接起始点；
(4)启动焊接命令，机械臂向上运动，完成焊接；
(5)将机器人移动到下一个工位，重复上述步骤，直到铝电解槽单侧的工位焊接完成。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种实现铝电解槽阴极钢棒和爆炸焊钢片连接的焊接方法，其特征在于，包括：
以阴极钢棒为基准的夹具对爆炸焊钢片进行定位，在阴极钢棒和爆炸焊钢片之间形成一个待焊接的间隙，该间隙的宽度范围在20-35mm之间；
采用熔化极气体保护特种焊接技术实现阴极钢棒和爆炸焊钢片的连接。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述以阴极钢棒为基准的夹具对爆炸焊钢片进行定位，包括：
通过阴极钢棒定位螺栓和待焊接工位两个阴极钢棒的连接，将夹具固定在待焊接工位上；
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。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述熔化极气体保护特种焊接技术由机器人系统实现。
4.一种实现铝电解槽阴极钢棒和爆炸焊钢片焊接的机器人焊接系统，其特征在于，包括：控制系统、机械臂、焊接装置和移动平台；
所述移动平台包括导轨和移动小车，导轨铺设在铝电解槽沿板上，移动小车承载控制系统、机械臂和焊接装置在导轨上来回移动；
所述控制系统用于控制所述机械臂；
所述机械臂包括一个平移关节和三个旋转关节，平移关节通过滚珠丝杠在所述导轨上移动，三个旋转关节与平移关节依次连接，最末端旋转关节的末端固定有焊枪；
所述焊接装置包括焊接电源和焊接控制电路，所述焊接电源用于提供大功率焊接参数，所述焊接控制电路用于调节焊接参数，控制起弧、灭弧，控制焊接保护气体的有无。
5.根据权利要求4所述的机器人系统，其特征在于，移动小车下方安装有机械臂水平移动平台，供机械臂移动。
6.如权利要求4所述的机器人系统，其特征在于，所述控制系统包括下位机和上位机，且下位机和上位机通过以太网来通讯；下位机采用通用运动控制卡来实时控制机械臂的电机；上位机采用终端设备用于人机交互，获取待焊接工位的图像数据，以及与焊机和示教盒通讯。
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