CN111571592A - 一种用于出炉机械手的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于出炉机械手的控制系统，用于实现电解炉出炉，其特征在于所述控制系统通过网络接入安装出炉机械手的车间的工控机，工控机与数据库可实时数据交换，工控机、数据库与公司ERP网络连接；控制系统直接获取数据库中的数据，接收工控机的指令，控制系统将机械手的状态信息和数据实时发送给工控机进行数据处理，发送给数据库进行数据储存；控制系统包含的控制面板具有手动操作模式、自动模式和中控机操作模式；控制系统包括：PLC可编程逻辑控制器(1001)、位置检测元件(1005)、输出力矩控制元件(1004)、HMI人机交互控制面板(1002)、通讯系统(1003)、其它可扩展辅助元件(1016)及执行机构(1017)。

Description

一种用于出炉机械手的控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及稀土冶金领域，具体涉及一种用于出炉机械手的控制系统及控制方法。

背景技术

采用氧化物电解技术制备稀土金属及合金在目前中国已经发展了很长时间，坩埚方式仍然是重要的生产方式，采用坩埚方式的电解方式的优点在于：金属出炉耗时短、对电解炉正常工作影响小，不需要长时间等待出炉金属,操作简便。虽然电解炉出金属的技术在不断改进，但在坩埚出炉方式仍然较为落后。

传统的人工操作方式，工作环境恶劣，一个是电解炉温度高，辐射热长期辐射容易导致工作人员中暑和灼伤皮肤；再者出炉过程中，劳动强度大，容易操作失误造成工伤、火灾和产品损失；电解产生的有害气体也损伤工人身体健康。为了更好的从电解炉中取出坩埚，提高生产效率，降低生产成本，减少工作人员，改善工作人员工作环境，降低工作强度，有必要研发一种电解炉出炉方法及出炉机械手。

CN105904442A记载了一种可旋转升降的机械手，但是该装置没有考虑到实际生产中的具体情况，因而并不实用。一是机械手的设置角度不合理，不方便伸入电解炉；二是对高温工作的恶劣条件估计不足，高温下电子控制设备、光学设备、液压传动设备都可能故障，因此，应当尽量远离接触位置；三是没有考虑生产实践中的细节，例如没有防止将电解液带出造成浪费的操作，也没有注意到要控制力度防止损坏坩埚、电极。

特别是第三个与控制相关的现有技术缺陷，如果不提出适当的解决方案，无法提供效果较好的电解炉出炉机械手以及对应的实施方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种用于出炉机械手的控制系统，通过控制系统使得出炉机械手能够更高效工作，有利于提高产品质量，降低人工成本，大幅度降低工人劳动强度，降低人工出金属的工作强度。

本发明的目的在于提供了一种用于出炉机械手的控制系统，所述控制系统用于实现电解炉出炉，所述控制系统通过网络接入安装出炉机械手的车间的工控机，工控机与数据库可实时数据交换，工控机、数据库与公司ERP网络连接；控制系统直接获取数据库中的数据，接收工控机的指令，控制系统将机械手的状态信息和数据实时发送给工控机进行数据处理，发送给数据库进行数据储存。

优选的，所述控制系统包含的控制面板具有手动操作模式、自动模式和中控机操作模式。

优选的，所述控制系统包括：PLC可编程逻辑控制器(1001)、位置检测元件(1005)、输出力矩控制元件(1004)、HMI人机交互控制面板(1002)、通讯系统(1003)、其它可扩展辅助元件(1016)及执行机构(1017)。

优选的，所述PLC可编程逻辑控制器(1001)为出炉机械手的控制中心，通过I/O接口与控制系统其他部件连接，自身具有存储器，采用所述存储器或者通过通讯接口从上位机中植入控制程序，所述PLC可编程逻辑控制器(1001)作为从PLC接入至工厂电解线工控机的主PLC中，工控机主PLC直接读取从PLC存储器中的内容，或对数据进行调取存储或发送指令程序。

优选的，所述位置检测元件(1005)由多个连接至所述PLC可编程逻辑控制器(1001)的位置传感器构成，包括横移方向位置传感器、纵移方向位置传感器、旋转位置传感器以及力传感器，多个所述位置传感器包括接近开关、光电开关、光纤传感器，所述位置传感器的位置根据机械手运动位置确定安装在机械手的横梁纵梁的各个指定位置，所述位置传感器作为信号源为所述PLC可编程逻辑控制器提供控制信号，作为硬限位防止执行机构中的伺服电机失效，起保险作用。

优选的，所述输出力矩控制元件(1004)包括横移伺服电机驱动、纵移伺服电机驱动、旋转伺服电机驱动以及夹持伺服电机驱动，采用位置控制、速度模式控制、力矩模式控制多个伺服电机,所述多个伺服电机为横移机构、纵移机构、旋转机构、夹持机构的驱动元件，所述输出力矩控制元件(1004)通过感应器(3)的反馈对夹持伺服电机驱动进行控制，所述输出力矩控制元件(1004)分别与机械手横移、机械手纵移、机械手旋转以及夹持机构夹持连接，采用位置或者位置结合速度控制模式可完成纵移机构(2)、横移机构(3)和旋转机构(4)的控制，采用速度模式控制和力矩模式联合控制所述坩埚夹持机构(1)。

优选的，所述HMI人机交互控制面板(1002)实现远距离控制，在避免恶劣环境对控制元器件的损坏之外，改善操纵人员的工作环境，并且对机械手的工作状态及工作数据通过图形表格的方式呈现并进行记录，有助于对设备的改进，并且通过数据可以对生产工艺的改进起指导作用。

优选的，所述通讯系统(1003)，采用以MODBUS/TCP网络，实现与工控机的网络通讯功能。

优选的，所述其它辅助元件(1016)及其它执行机构(1017)包括安装在机械手上的称重模块和/或，直接得出出炉金属的粗重量，为后期数据处理提供指导作用；还包括图像识别模块，用于确定坩埚的位置并控制机械手移动。

本发明的目的还在于提供一种控制系统的控制方法，

在PLC可编程逻辑控制器(1001)内通过下述方式确定所述输入力矩控制元件(1004)的扭矩系数：夹持过程分为两个过程，过程一为寻找坩埚，过程二为坩埚夹持，所述过程一时，夹持机构多个夹取爪上压力传感器为F1、F2、F3...Fn，其中取所述F1、F2、F3...Fn的绝对值用于计算；坩埚及其内金属重量产生重力为G1，伺服电机的扭矩产生的力矩为F_扭，伺服电机的额定扭矩为F_额，输入控制伺服的扭矩系数a，卡爪的夹持力传导系数b；贴着阳极片下降过程中，即过程1，需要满足|Fn|≤|m*F_额|＝F安全，F安全为给定值，即卡爪张开不会使阳极片被顶破的安全值，已加入安全系数计算，只要有任何一只卡爪不满足判断条件便停止张开，并且机械手控制夹持机构挟持卡爪朝着力的反方向移动并张开，使其继续满足判定条件，当同时存在多个不满足时张开停止，下降到设置高度停止下降，到达夹持位置；所述过程二为夹持过程，坩埚及其内金属重量产生重力为G1，伺服电机的扭矩产生的力矩为F_扭，伺服电机的额定扭矩为F_额，输入控制伺服的扭矩系数a，各卡爪的平均压力F_均，卡爪的夹持力传导系数b,F_扭＝a*F_额，F_均＝b*F_扭＝a*b*F_额，夹取安全时有F_扭>1.5*G1，可得a＝F_均/(b*F_额)，a>1.5*G1/F_额，a>(1.5*G1/F_均)^1/2；在此基础上，PLC通过PID计算控制输出合适的a，即a＝kp(1+1/m*∫F(t)dt+n*F(t)/dt)，或其简化形式a＝kp(1+1/(TI*t)+TD*t)；由此，使用PID控制力矩模式控制修正a、m，根据所述感应器(3)的信号控制伺服电机以合适的扭力夹住坩埚。

本发明的有益效果：

主要解决了采用放置坩埚在电解炉中电解方式中，人工出炉劳动强度大、工作环境恶劣、出炉时间把控不准，影响电解金属质量问题；其次解决了采用其它辅助设备夹持坩埚出炉，在坩埚电解过程中，由于坩埚受电解液的波动而位置发生移动，夹持设备难准确判定坩埚位置问题。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的出炉机械手的主视图。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的出炉机械手的夹持机构的局部视图。

图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的出炉机械手的俯视图的局部视图。

图4示意性示出了根据本发明优选实施例的控制系统与出炉机械手其他部分的连接原理图。

图5示意性地示出了根据本发明优选实施例的出炉方法的操作示例流程图。

图6示意性地示出了根据本发明优选实施例的出炉机械手悬挂式实施方式实现1对多的主视图示意图。

图7示意性地示出了根据本发明优选实施例的出炉机械手悬挂式实施方式实现1对多的局部放大示意图。

图8示意性地示出了根据本发明优选实施例的出炉机械手悬挂式实施方式实现1对多的左视图示意图。

附图标记说明：1-夹持机构、101-下卡爪、102-下感应器支架、103-感应器、104-上感应器支架、105-上卡爪、106-卡爪连接轴、107-传动螺母、108-连接杆、109-传动丝杠、110-机架、111-夹持机构驱动电机、112-连接杆连接轴、113-传动螺母连接轴、2-纵移机构、201-纵移机构导向轮、202-纵移机构驱动电机、203-立柱、204-提升框架、205-纵移机构齿条、206-纵移机构齿轮、207-轴、208-从动链轮、209-主动链轮、210-链条、211-轴承、212-纵移机构导轨、3-横移机构、301-横梁、302-横移机构下导轨、303-齿条、304-横移机构驱动电机、305-横移机构下导向轮、306横移机构上导向轮、307-横移机构上导轨、4-旋转机构、401-旋转机构驱动电机、402-主动齿轮、403-从动齿轮、404-旋转轴、405-旋转机构安装座、5-电解炉、6-坩埚、7-带导向放置平台、8-阳极片、9-悬挂装置、901-型钢、902-固定螺栓、903-安装板、904-纵向轮轴、905-纵向轮、906-链轮、907-链轮安装板、908-链轮安装轴、909-横向轮、910-横向轮轴、911-横向轮安装板、912-悬挂装置驱动电机、913-链条、10-轨道装置。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

实施例1

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的出炉机械手的主视图。

如图1所示，根据本发明优选实施例的出炉机械手包括：控制系统5、坩埚夹持机构1、纵移机构2、横移机构3和旋转机构4；其中，坩埚夹持机构1安装至横移机构3，横移机构3与纵移机构2连接，纵移机构2和旋转机构4连接；旋转机构4用于使得横移机构3和纵移机构2绕着纵移机构2的立柱的中心线旋转，横移机构3用于使坩埚夹持机构1横向移动，纵移机构用于使坩埚夹持机构1和横移机构3一起纵向移动；控制系统用于通过控制纵移机构2、横移机构3和旋转机构4的驱动电机的工作，来控制所述坩埚夹持机构从电解炉中取出装好已经电解好的熔融金属的坩埚，倾倒熔融金属至目标区域，并夹持空坩埚放回电解炉中。

下面描述本发明的具体结构示例。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的出炉机械手的夹持机构的示例的局部视图。如图1和图2所示，坩埚夹持机构包括：下卡爪101、下感应器支架102、感应器103、上感应器支架104、上卡爪105、卡爪连接轴106、传动螺母107、连接杆108、传动丝杠109、机架110、夹持机构驱动电机111、连接杆连接轴112、传动螺母连接轴113；下卡爪101和下感应器支架102连接，下感应器支架102安装在下卡爪101的侧面；下卡爪101的下端具有最大宽度，并且具有一斜面，所述斜面与坩埚外形相适应；感应器103一端固定在下感应器支架102上，另一端固定在上感应器支架上104；上感应器支架104安装在上卡爪105的侧面；上卡爪105与下卡爪101通过一端安装在上感应器支架104上，另一端与安装在下感应器支架102上的感应器103连接在一起；上卡爪105上安装有卡爪连接轴106和传动螺母连接轴113，卡爪连接轴106将上卡爪105和连接杆108连接在一起，传动螺母连接轴113将上卡爪105连接在传动螺母107侧面；三个上卡爪105等间距地安装于传动螺母107侧面，而且每个上卡爪105对应配备有对应的下卡爪101、上感应器支架104、下感应器支架102和感应器103；连接杆108的另一端通过连接杆连接轴112安装在机架110上；传动丝杠109一端与夹持机构驱动电机111连接，另一端从机架110顶部垂直穿过与传动螺母107配合连接；夹持机构驱动电机111安装在机架110的顶部。

图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的出炉机械手的俯视图的局部视图。如图1和图3所示，横移机构3一端与夹持机构机架110连接在一起，另一端不固定；其中，横移机构3包括：横梁301、横移机构下导轨302、齿条303、横移机构驱动电机304、横移机构下导向轮305、横移机构上导向轮306、横移机构上导轨307、提升框架204；横梁301一端固定连接在夹持机构机架110上，另一端不固定；横移机构上导轨307安装在横梁301上表面；横移机构下导轨302安装在横梁下表面；横移机构下导轨302采用V型导轨；齿条303安装在横梁301侧面，和横梁301等长；横移机构上导向轮306有四个，安装在提升框架204上，和横移机构上导轨307配合，配合四个与横移机构下导轨302的下导向轮305将横梁301夹持在提升框架204中间，横移机构下导向轮305采用V型槽轮。

纵移机构2包括：纵移机构导向轮201、纵移机构驱动电机202、立柱203、纵移机构齿条205、纵移机构齿轮206、轴207、从动链轮208和主动链轮209；立柱203用于支持纵移机构的上下移动，平行放置两块；纵移机构导轨212平行于立柱，在内表面各布置一个由两道平行轨线构成的导轨路径；八个纵移机构导向轮201固定在提升框架上，与布置的纵移机构导轨配合，将导轨夹在导向轮之间，使提升框架只能沿着导轨做垂直方向上的上下移动，导轨立柱一侧采用V型导轨配合V型槽轮，另一侧采用平导轨配合滚针凸轮导向器；纵移机构齿条205固定安装在立柱204内表面一侧；纵移机构驱动电机202安装在提升框架204上，电机轴上安装有主动链轮209，轴207两端各安装一个轴承211，轴承211安装在提升框架204两侧，轴207中间安装有从动链轮208，通过链条210与安装在纵移机构驱动电机上202的主动链轮209配合；纵移机构齿轮206安装在轴207一端，与纵移机构齿条205配合。

旋转机构4包括：旋转机构驱动电机401、主动齿轮402、从动齿轮403、旋转轴404和旋转座安装座405；旋转机构安装座405上表面连接立柱203一端，立柱203能够在旋转机构安装座405上旋转；旋转轴404连接在立柱203上；从动齿轮403安装在轴404的末端；旋转机构驱动电机401安装在旋转机构安装座405上，电机的轴上安装一主动齿轮402，与从动齿轮403配合。

参见图4，为控制系统与出炉机械手其他部分的连接原理图，控制系统包括：PLC可编程逻辑控制器1001、位置检测元件1005、输出力矩控制元件(伺服控制系统)1004、HMI人机交互控制面板1002、通讯系统1003和其它可扩展辅助元件1016及执行机构1017。

PLC可编程逻辑控制器1001为出炉机械手的控制中心，通过I/O接口与控制系统其他部件连接，自身具有存储器，综合利用其自带存储器或者通过通讯接口从上位机中植入控制程序；PLC可编程逻辑控制器1001可以作为从PLC接入至工厂电解线工控机主PLC中，工控机主PLC直接读取从PLC存储器中的内容，或对数据进行调取存储或发送指令程序。

所述位置检测元件1005，由一系列连接至PLC可编程逻辑控制器1001的位置传感器构成，包括横移方向位置传感器、纵移方向位置传感器、旋转位置传感器以及力传感器，位置传感器包括接近开关、光电开关、光纤传感器等位置传感器，位置传感器安装在机械手的横梁纵梁等各个指定位置，安装位置视机械手运动位置确定；位置传感器作为信号源为PLC可编程逻辑控制器提供控制信号，作为硬限位防止执行机构中的伺服电机失效，起保险作用；

所述输出力矩控制元件(伺服控制系统)1004包括横移伺服电机驱动、纵移伺服电机驱动、旋转伺服电机驱动以及夹持伺服电机驱动，用于控制多个伺服电机，所述多个伺服电机为横移机构、纵移机构、旋转机构、夹持机构的驱动元件，伺服电机灵活采用位置控制、速度模式控制、力矩模式控制；分别与机械手横移、机械手纵移、机械手旋转以及夹持机构夹持连接，采用位置或者位置结合速度控制模式可完成纵移机构2、横移机构3和旋转机构4的控制；坩埚夹持机构1的控制上采用速度模式控制和力矩模式联合控制，保证坩埚夹持机构1顺利完成工作的情况下，防止其他设备遭到损坏；

所述HMI人机交互控制面板1002，必要时可实现远距离控制，在避免恶劣环境对控制元器件的损坏之外，改善操纵人员的工作环境；同时可对机械手的工作状态及工作数据，通过图形表格的方式进行呈现并进行记录，有助于对设备的改进，并且通过数据可以对生产工艺的改进起指导作用；

通讯系统1003，采用以MODBUS/TCP网络，实现与工控机的网络通讯功能；

所述其它辅助元件1016及其它执行机构1017，用于功能扩展，本实施例包括在机械手上安装称重模块，直接得出出炉金属的粗重量，为后期数据处理提供指导作用；还可以增加图像识别模块用以确定坩埚的位置并控制机械手移动.

具体的，当启动工作指令完成初始化及检测工作后，控制系统开始控制旋转伺服电机驱动，使机械手10秒内旋转至炉台中心轴线正上方，与此同时PLC控制横移伺服电机驱动、纵移伺服电机驱动，从而驱动机械手横移、机械手纵移到达准备出炉状态；随后纵移机构开始运作以携带横移机构、夹持机构一起(例如以2000转/分的电机转速)往下运作，使夹持机构卡爪到达电解炉上方预定位置(例如相距10-100mm的预定位置)停止，旋转、横移、纵移同步工作10秒内就位于准备出炉状态；纵移机构继续往下运作，运作速度被降为慢速，具体速度以卡爪伸入电解炉中不激起电解液为准，卡爪下降至炉面以下5-50mm时，停止下降，就位于准备夹持状态；

所述输出力矩控制元件1004通过感应器3的反馈对夹持伺服电机驱动进行控制，综合利用伺服电机转矩控制、位置控制和速度模式控制机械手的夹持，保证坩埚的准确抓取，卡爪上的力传感器与伺服电机形成PID-PID串级闭环控制模式，防止伺服电机转矩模式失效而继续运作夹持坏坩埚或者撑破电解炉中阳极片；感应器3一端安装在上感应器支架104，另一端连接在下感应器支架102上，两感应器支架分别安装在上卡爪105和下卡爪101上；具体的，电机检测到转矩≥所选电机总力矩的10％(此值为设定值，可以根据阳极片的实质情况改大改小)使机械继续纵移即F安全的设定值，同时卡爪贴着阳极片张开，直至卡爪下表面超过坩埚上表面10-60mm，纵移机构停止运动，完成寻找坩埚工作；进一步的夹持机构驱动电机切换成正向转矩模式，并设置最大转矩≤70％夹持机构电机总转矩(此值为设定值，因为卡爪与坩埚外形是啮合式夹持，如果单纯的只是夹持出炉，力矩可以设定的很小，甚至可以在卡爪与坩埚留有间隙的情况下都能实现，但是考虑到后期的倾倒或小幅度振动使由于表面张力大而突起的金属液流回电解炉中，设置此值，防止坩埚在不被夹碎的情况下完成上述工作时脱落)，夹持机构在夹持机构驱动电机的驱动下，卡爪开始夹紧，直至全部卡爪接触坩埚并继续夹紧，当力矩≥70％夹持机构电机转矩时，停止夹持；开始出炉，此时各驱动机构伺服电机转速降低，具体使搬运工作中不洒电解液为准；完成出炉倾倒工作后，机械手夹持坩埚放回电解炉，最终快速回归初始状态，完成单次出炉作业；

更具体的，输入力矩控制元件1004的扭矩系数在PLC可编程逻辑控制器(1001)内通过下述方式确定所述输入力矩控制元件(1004)的扭矩系数：夹持过程分为两个过程，过程一为寻找坩埚，过程二为坩埚夹持，所述过程一时，夹持机构多个夹取爪上压力传感器为F1、F2、F3...Fn，其中取所述F1、F2、F3...Fn的绝对值用于计算；坩埚及其内金属重量产生重力为G1，伺服电机的扭矩产生的力矩为F_扭，伺服电机的额定扭矩为F_额，输入控制伺服的扭矩系数a，卡爪的夹持力传导系数b；贴着阳极片下降过程中，即过程1，需要满足|Fn|≤|m*F_额|＝F安全，F安全为给定值，即卡爪张开不会使阳极片被顶破的安全值，已加入安全系数计算，只要有任何一只卡爪不满足判断条件便停止张开，并且机械手控制夹持机构挟持卡爪朝着力的反方向移动并张开，使其继续满足判定条件，当同时存在多个不满足时张开停止，下降到设置高度停止下降，到达夹持位置；所述过程二为夹持过程，坩埚及其内金属重量产生重力为G1，伺服电机的扭矩产生的力矩为F_扭，伺服电机的额定扭矩为F_额，输入控制伺服的扭矩系数a，各卡爪的平均压力F_均，卡爪的夹持力传导系数b,F_扭＝a*F_额，F_均＝b*F_扭＝a*b*F_额，夹取安全时有F_扭>1.5*G1，可得a＝F_均/(b*F_额)，a>1.5*G1/F_额，a>(1.5*G1/F_均)^1/2；在此基础上，PLC通过PID计算控制输出合适的a，即a＝kp(1+1/m*∫F(t)dt+n*F(t)/dt)，或其简化形式a＝kp(1+1/(TI*t)+TD*t)；由此，使用PID控制力矩模式控制修正a、m，根据所述感应器(3)的信号控制伺服电机以合适的扭力夹住坩埚。

作为优选的技术方案，所述坩埚6具有上大下小的形状。优选横截面为矩形或圆形。

作为优选的技术方案，横移机构、纵移机构的四道导轨，可以选择性的各布置两道V型的导轨，配合V型导向轮使用，可以使导向更为准确。

作为优选的技术方案，夹持机构驱动电机、横移机构驱动电机、纵移机构驱动电机和旋转机构驱动电机采用伺服电机。

作为优选的技术方案，横移机构的齿轮齿条、纵移机构的齿轮齿条采用斜齿。

作为优选的技术方案，可以在安装出炉机械手的车间布置轨道，旋转机构安装座底部安装与轨道对应的导向轮以及用于驱动导向轮的驱动电机，实现机械手的一对多工作。也可以架空一根横梁901，通过固定螺栓902，将横梁安装在天花板上，使横梁901水平布置电解炉上空，横梁采用H钢，8组纵向轮905通过纵向轮轴904固定在安装板903上，安装板固定安装在旋转机构4上，上下左右对称布置将H型钢上下夹在轮组间，2组左右对称横向轮909通过横向轮轴910安装在横向安装板911上，将H型钢横向夹持在横向轮组之间，将机械手悬挂式安装在横梁上，横梁两端各布置一链轮906，横梁中间布置惰性链轮，链条913两端分别安装在机械手旋转装置4对称两端上，在横梁一端上安装一驱动电机912，用于带动链条913工作，一根横梁901上布置两台出炉机械手。

在优选示例中，控制系统通过MODBUS/TCP网络接入安装出炉机械手的车间的工控机，工控机与数据库可实时数据交换，同时工控机、数据库与公司ERP网络连接；控制系统可直接获取数据库中的数据，接收工控机的指令，同时对于机械手的状态信息和数据，控制系统实时发送给工控机进行数据处理，发送给数据库进行数据储存；控制系统包含的控制面板可以在电解炉边机械手所在地进行手动操作，也可以通过自动模式，或者于中控室通过中控机整体把控，协调操纵机械手完成出炉工作；对于夹持机构自动寻找坩埚通过控制系统控制各驱动电机协调完成。

本发明的机构机械手可以替代人工完成电解炉坩埚出炉工作，加入工业组网，实现远距离控制；结合电解炉阳极片的实际消耗情况，设计适配性的卡爪，配合使用位置/转矩模式的电机控制，可以更准确的使坩埚落入夹持卡爪间，另外通过控制转矩，对电解炉、阳极片、坩埚起到了保护作用；在不停的实践中，机械手可以准确的确定坩埚的位置，解决了坩埚不稳定移位，从而无法确认坩埚实际位置，使用自动取出坩埚困难的问题。直接的减少了工作人员的劳动强度，采用机械手出炉的方式，可以减少车间工作人员，根据原有的1人管理两台电解炉，现在至少可以提升至1人管理4台电解炉；另外，改善了工作人员的工作环境，不需要人工通过坩埚钳去手工夹持坩埚，尽管做了防护措施，但还是比较危险，过多的防护一个是影响工作，另一个在夏季车间温度高，极易发生中暑现象；进一步的出炉时间由控制系统自行控制，而不需要人工去计算时间，具有一定的误差时间，把控好这个时间点，一个可以提升电解炉的利用率，再一个提升出炉金属的品质。

实施例2

图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的出炉方法的操作示例流程图。

如图4所示，根据本发明优选实施例的出炉方法包括：

使夹持机构位于电解炉中心液面正上方，控制系统发送准备工作指令给出炉机械手，出炉机械手得到指令后旋转机构工作，以电机最大转速快速将横移机构、纵移机构绕着立柱中心线旋转到电解炉中心轴线方向，随后横移机构运作以(例如以所选电机最大转速)使连接在横移机构末端的夹持机构中心轴线位于电解炉中心轴线上，随后纵移机构开始运作以携带横移机构、夹持机构一起(例如以2000转/分的电机转速)往下运作，使夹持机构卡爪位于电解炉上方预定位置(例如相聚10-100mm的预定位置)停止；

卡爪贴着阳极片张开缓慢移动至液面下，完成夹持；根据实际电解炉正常工作状态下，电解炉中的阳极片越往炉底则消耗的越多，整体表现为阳极片靠近电解炉液面的地方厚，然后越往炉底越来越薄的现象，加上炉底空间变大，电解液波动，坩埚会发生移位，但是坩埚始终处于电解炉阳极片之间，就此现象，结合伺服电机的位置/转矩模式的切换工作，加上卡爪的下头大于整根卡爪并且具有斜面啮合坩埚表面的外形，灵活的确定电解炉中坩埚的位置；具体工作为夹持机构驱动电机以位置模式快速将卡爪夹紧，夹紧完成后，夹持机构驱动电机切换成转矩模式(例如所选电机力矩为3000N.m)，同时电机转速改成慢速转动，纵移机构驱动电机也改成慢速转动，卡爪下降至炉面以下5-50mm时，停止下降，通过卡爪驱动电机的反向驱动开始张开，纵移机构缓慢往下运动，当有一只卡爪碰触到阳极片，并且电机检测到力矩≥所选电机总力矩的10％,此值为设定值，可以根据阳极片的实质情况改大改小，具体以不撑破阳极片，但又能使卡爪接触部分贴实阳极片为准，夹持机构驱动电机停止运动，纵移机构继续工作，否则夹持机构驱动电机继续驱动，直至卡爪下表面超过坩埚上表面10-60mm，纵移机构停止运动，夹持机构反向转矩确定坩埚位置工作完成，限制力矩既可保证卡爪沿着阳极下降的同时，又可防止卡爪由于夹持机构电机持续运动，张开卡爪将阳极片顶破；夹持机构驱动电机切换成正向转矩模式，并设置最大转矩≤70％夹持机构电机总转矩，此值亦为设定值，因为卡爪与坩埚外形是啮合式夹持，如果单纯的只是夹持出炉，力矩可以设定的很小，甚至可以在卡爪与坩埚留有间隙的情况下都能实现，但是考虑到后期的倾倒或小幅度振动使由于表面张力大而突起的金属液流回电解炉中，设置此值，防止坩埚在不被夹碎的情况下完成上述工作时脱落，夹持机构在加持机构驱动电机的驱动下，卡爪开始夹紧，最先接触的卡爪将坩埚往未接触卡爪方向移动(或者卡爪接触坩埚后停止移动而未接触坩埚的卡爪往坩埚方向移动)，直至全部卡爪接触坩埚并继续夹紧，当力矩≥70％的夹持机构电机转矩时，停止夹持，采用这种方式可以避免由于坩埚在电解炉中长时间持续高温环境下，变脆，夹持机构夹持力度过大将坩埚夹碎，作为保险的方式，卡爪上安装的传感器与电机结合形成控制系统CPU-PID算法控制-PID算法控制，串级闭环控制模式，总体控制力矩误差在±2.5％以内；经过长达数月的运行，机械手每次都能完全正确的确定坩埚所在位置，并完成出炉工作，解决了以往的出炉无法准确寻找坩埚位置难题。

夹持提升至液面上：纵移机构驱动电机转速降低转速，往上提升，坩埚下表面距离电解炉上表面不小于100mm时停止提升，(具有倾倒装置时晃动或者稍侧倾1-2秒倒出少量电解液)并停留例如1-10秒以使坩埚表面的电解液流回电解炉中；

运送至平台、倾倒：机械手夹持坩埚，横移机构驱动电机切换成不大于与例如500转/分、旋转机构驱动电机切换成不大于1000转/分的转速运作，降低转速可以平稳的移送盛满金属的坩埚运送至设置在一旁带定位机构平台上，坩埚放置于带定位机构平台上由人工完成将熔融金属倒入模具中，再把坩埚放回带坩埚定位的平台上；或者机械手上安装倾倒装置，在不需要人工的情况下完成对坩埚中的熔融金属完成倾倒至模具中，并恢复水平位置；完成将坩埚运送至平台、倾倒金属至模具工作；

夹持返回液面上方，机械手夹持机构夹持坩埚，控制系统控制横移机构、旋转机构恢复电机转速2000转/分，将坩埚移送至坩埚中心线与电解炉中心线重合处液面上方，纵移机构运作将坩埚快速往下放置，至坩埚下表面距离液面5-30mm处，纵移机构转速切换成1000转/分防止放置速度过快将电解炉中电解质溅出，同时继续往下放置坩埚，直至放置至电解炉底；完成将空坩埚放回电解炉中，同时，夹持机构驱动电机切换成位置模式；

机械手归位：放置完坩埚，控制系统控制纵移机构提升至卡爪距离炉台之上不小于100mm，横移机构、旋转机构配合运作，回到初始位置，等待下一工作指令；凝固在卡爪上的电解液进行下一次工作的时候，被液体高温电解液熔化，重新回到电解炉。

重复以上上述完成所有循环动作。

相对于手工出炉，本实施例出炉时间由约200S下降至约95S；出炉金属及电解液撒落次数由下降了70％；单台电解炉班产量增加了约2％；熔盐单耗下降了约0.5％；电耗下降了约2％；稀土收率提高了约0.5％。

在手工出炉方式中，单人每班通常承担2台电解炉的出炉工作；但在采用本实施例所述技术方案时可以实现单人每班管理8台以上电解炉的出炉工作，采用该实施例出炉效率是人工的4倍以上，同时大大降低工人的劳动强度，提高了劳动效率。另外，由于避免了作业人员直接接触高温液体，并离开电解炉炉膛口，不必近距离在恶劣的环境中从事高强度体力劳动。采用本实施例所述出炉方式可以将出炉熔盐烫伤作业人员的事故降至零，改善了劳动环境。

实施例3

与实施例2不同的是，当某一只卡爪碰到坩埚后，卡爪停止夹持，机械手控制往接触卡爪的相反方向运动，直至另一卡爪碰到坩埚。判断是否碰到卡爪是采用夹持机构电机在极小力矩模式下工作，具体范围在卡爪碰到坩埚不能推动放置的坩埚为准；经过多个方向的移动，以及坩埚外形尺寸，最终计算确定坩埚中心点，找到坩埚位置，卡爪移动至卡爪中心与坩埚中心重合位置，继续以力矩模式完成夹持；再完成与实施例2相同的剩下的出炉、倾倒等工作。

注意，上述电机转速、电机力矩和距离的具体数值仅仅是用于实现特定有益效果的优选方案，而不是对本发明的限制。

需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于出炉机械手的控制系统，所述控制系统用于实现电解炉出炉，其特征在于所述控制系统通过网络接入安装出炉机械手的车间的工控机，工控机与数据库可实时数据交换，工控机、数据库与公司ERP网络连接；控制系统直接获取数据库中的数据，接收工控机的指令，控制系统将机械手的状态信息和数据实时发送给工控机进行数据处理，发送给数据库进行数据储存。

2.根据权利要求1所述的一种用于出炉机械手的控制系统，其特征在于：所述控制系统包含的控制面板具有手动操作模式、自动模式和中控机操作模式。

3.根据权利要求1所述的一种用于出炉机械手的控制系统，其特征在于所述控制系统包括：PLC可编程逻辑控制器(1001)、位置检测元件(1005)、输出力矩控制元件(1004)、HMI人机交互控制面板(1002)、通讯系统(1003)、其它可扩展辅助元件(1016)及执行机构(1017)。

4.根据权利要求3所述的一种用于出炉机械手的控制系统，其特征在于所述PLC可编程逻辑控制器(1001)为出炉机械手的控制中心，通过I/O接口与控制系统其他部件连接，自身具有存储器，采用所述存储器或者通过通讯接口从上位机中植入控制程序，所述PLC可编程逻辑控制器(1001)作为从PLC接入至工厂电解线工控机的主PLC中，工控机主PLC直接读取从PLC存储器中的内容，或对数据进行调取存储或发送指令程序。

5.根据权利要求3所述的一种用于出炉机械手的控制系统，其特征在于：所述位置检测元件(1005)由多个连接至所述PLC可编程逻辑控制器(1001)的位置传感器构成，包括横移方向位置传感器、纵移方向位置传感器、旋转位置传感器以及力传感器，多个所述位置传感器包括接近开关、光电开关、光纤传感器，所述位置传感器的位置根据机械手运动位置确定安装在机械手的横梁纵梁的各个指定位置，所述位置传感器作为信号源为所述PLC可编程逻辑控制器提供控制信号，作为硬限位防止执行机构中的伺服电机失效，起保险作用。

6.根据权利要求3所述的一种用于出炉机械手的控制系统，其特征在于：所述输出力矩控制元件(1004)包括横移伺服电机驱动、纵移伺服电机驱动、旋转伺服电机驱动以及夹持伺服电机驱动，采用位置控制、速度模式控制、力矩模式控制多个伺服电机,所述多个伺服电机为横移机构、纵移机构、旋转机构、夹持机构的驱动元件，所述输出力矩控制元件(1004)通过感应器(3)的反馈对夹持伺服电机驱动进行控制，所述输出力矩控制元件(1004)分别与机械手横移、机械手纵移、机械手旋转以及夹持机构夹持连接，采用位置或者位置结合速度控制模式可完成纵移机构(2)、横移机构(3)和旋转机构(4)的控制，采用速度模式控制和力矩模式联合控制所述坩埚夹持机构(1)。

7.根据权利要求3所述的一种用于出炉机械手的控制系统，其特征在于：所述HMI人机交互控制面板(1002)实现远距离控制，在避免恶劣环境对控制元器件的损坏之外，改善操纵人员的工作环境，并且对机械手的工作状态及工作数据通过图形表格的方式呈现并进行记录，有助于对设备的改进，并且通过数据可以对生产工艺的改进起指导作用。

8.根据权利要求3所述的一种用于出炉机械手的控制系统，其特征在于：所述通讯系统(1003)，采用以MODBUS/TCP网络，实现与工控机的网络通讯功能。

9.根据权利要求3所述的一种用于出炉机械手的控制系统，其特征在于：所述其它辅助元件(1016)及其它执行机构(1017)包括安装在机械手上的称重模块和/或，直接得出出炉金属的粗重量，为后期数据处理提供指导作用；还包括图像识别模块，用于确定坩埚的位置并控制机械手移动。

10.根据权利要求1-9任一所述控制系统的控制方法，其特征在于在PLC可编程逻辑控制器(1001)内通过下述方式确定所述输入力矩控制元件(1004)的扭矩系数：夹持过程分为两个过程，过程一为寻找坩埚，过程二为坩埚夹持，所述过程一时，夹持机构多个夹取爪上压力传感器为F1、F2、F3...Fn，其中取所述F1、F2、F3...Fn的绝对值用于计算；坩埚及其内金属重量产生重力为G1，伺服电机的扭矩产生的力矩为F_扭，伺服电机的额定扭矩为F_额，输入控制伺服的扭矩系数a，卡爪的夹持力传导系数b；贴着阳极片下降过程中，即过程1，需要满足|Fn|≤|m*F_额|＝F安全，F安全为给定值，即卡爪张开不会使阳极片被顶破的安全值，已加入安全系数计算，只要有任何一只卡爪不满足判断条件便停止张开，并且机械手控制夹持机构挟持卡爪朝着力的反方向移动并张开，使其继续满足判定条件，当同时存在多个不满足时张开停止，下降到设置高度停止下降，到达夹持位置；所述过程二为夹持过程，坩埚及其内金属重量产生重力为G1，伺服电机的扭矩产生的力矩为F_扭，伺服电机的额定扭矩为F_额，输入控制伺服的扭矩系数a，各卡爪的平均压力F_均，卡爪的夹持力传导系数b,F_扭＝a*F_额，F_均＝b*F_扭＝a*b*F_额，夹取安全时有F_扭>1.5*G1，可得a＝F_均/(b*F_额)，a>1.5*G1/F_额，a>(1.5*G1/F_均)^1/2；在此基础上，PLC通过PID计算控制输出合适的a，即a＝kp(1+1/m*∫F(t)dt+n*F(t)/dt)，或其简化形式a＝kp(1+1/(TI*t)+TD*t)；由此，使用PID控制力矩模式控制修正a、m，根据所述感应器(3)的信号控制伺服电机以合适的扭力夹住坩埚。

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