NO20121557A1 - Fremgangsmåte og apparat for rensing av karbonanoder - Google Patents

Abstract

Et system og en fremgangsmåte for etterrengjøring av elektrolytt fra en brukt karbonanode i aluminiumsproduksjon er beskrevet. Systemet omfatter en robot med en manipulatorarm utstyrt med et verktøy for fjerning av elektrolytten; et synssystem omfattende minst en 3D-sensor for deteksjon av en tredimensjonal form til en overflate av nevnte karbonanode og et analysesystem for å identifisere elektrolytten på nevnte karbonanode fra overflatens tredimensjonale form. En sensor detekterer verktøygjennombrudd gjennom elektrolytten på nevnte karbonanode og et styresystem styrer robotmanipulatorarmen og verktøyet basert på informasjon fra synssystemet og sensoranordningen for deteksjon av verktøygjennombrudd.

Description

INNLEDNING

Denne søknaden vedrører en fremgangsmåte og et apparat for automatisk etterrengjøring av karbonanoder i aluminiumsproduksjon.

BAKGRUNN

Ved aluminiumsproduksjon blir store karbonanoder senket ned i smeltet elektrolytt i reduksjonsceller. Karbonanodene reagerer med oksygenet fra oppløst alumina i elektrolytten og aluminium og CO2blir produsert. Karbonanodene er store rektangulære blokker av karbon festet til en jernstruktur. Hver karbonanode er fastgjort på en anodehenger. Anodehengeren består av et stål-åk med fire bolter som står inn i toppen av anoden og en aluminiumsstang koblet til strukturoverdelen. Karbonanoden blir byttet ut jevnlig som følge av slitasje.

En brukt anode kalles en anodestump, eller bare stump. Den består hovedsakelig av karbonrester sammen med en betydelig mengde frosset elektrolytt og alumina på toppen. Denne frosne elektrolytten må fjernes for å resirkulere restkarbonet. Fjerningsprosessen er en delvis automatisert prosess. En anodestump som har gjennomgått rengjøringsprosessen kalles en ren stump. Brukte karbonanoder blir i noen tilfeller ikke tilstrekkelig rengjort og må inspiseres og rengjøres manuelt i en etterrengjøringsprosess. Etter inspeksjon og etterrengjøring blir anodestumpen skilt fra anodehengeren og sendt til resirkulering.

N019853325 beskriver rengjøring av anoder med bruk av en robot. En optoelektronisk anordning (et kamera) blir anvendt for å styre roboten. En sensor detekterer konturen til restkarbonet under rengjøringen og styrer roboten. Et slagverktøy, skrapeverktøy eller freseverktøy, en vannstråle eller trykkluft blir anvendt.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et system og en fremgangsmåte for automatisering av etterrengjøring av karbonanoder i aluminiumproduksjon. Den automatiserte fremgangsmåten og systemet tilveiebringer deteksjon av elektrolyttmateriale på den brukte karbonanoden og et avansert robotsystem for å fjerne dette materialet fra den brukte karbonanoden.

I et første aspekt tilveiebringer oppfinnelsen et system for etterrengjøring av elektrolytt fra en brukt karbonanode i aluminiumsproduksjon, systemet omfattende: - en robot med en manipulatorarm utstyrt med et verktøy for fjerning av elektrolytten;

- et synssystem, omfattende:

minst én 3D-sensor for deteksjon av en tredimensjonal form til en overflate av nevnte karbonanode, og et analysesystem for å identifisere elektrolytten på nevnte karbonanode fra overflatens tredimensjonale form; - en sensor for deteksjon av verktøygjennombrudd gjennom elektrolytten på nevnte karbonanode; og - et styresystem for å styre robotmanipulatorarmen og verktøyet basert på informasjon fra synssystemet og sensoranordningen for deteksjon av verktøygjennombrudd.

I en utførelsesform kan sensoren for deteksjon av verktøygjennombrudd omfatte en kraft/dreiemoment-(FT - Force/Torque)-sensor. Alternativt kan sensoren for deteksjon av verktøygjennombrudd omfatte bruk av minst én av en lydsensor og en impedansmåleranordning.

Styresystemet kan omfatte en kraft/dreiemoment-(FT)-sensor for krafttilbakekoblingskontroll, hvor kraft/dreiemoment-(FT)-sensoren detekterer kraftvekselvirkning mellom verktøyet og karbonanoden. Styresystemet kan videre omfatte en bevegelsesplanlegger for baneoptimalisering av bevegelsesbanen til robotmanipulatorarmen og verktøyet i forhold til overflaten av karbonanoden som skal etterrengjøres.

Den minst ene 3D-sensoren kan omfatte minst én av strukturert lys-kameraer, stereokameraer, ToF-(Time-of-Flight)-kameraer og 3D laserskannere. Analysesystemet kan tilveiebringe fargedifferensiering og posisjonering av elektrolytten i et koordinatsystem relatert til den tredimensjonale formen til overflaten av karbonanoden som skal rengjøres.

Verktøyet kan være et mekanisk verktøy valgt fra minst én av et meiselverktøy, et slipeverktøy og et sandblåsingsverktøy. Verktøyholderen kan omfatte minst én vibrasjonsdemper.

I et andre aspekt tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte for etterrengjøring av elektrolytt fra en brukt karbonanode i aluminiumsproduksjon, systemet omfattende en robot med en manipulatorarm utstyrt med et verktøy for fjerning av elektrolytten, fremgangsmåten omfattende: - detektering av en tredimensjonal form til en overflate av nevnte karbonanode; - analyse av den tredimensjonale formen og identifisering av posisjoner til elektrolytten på nevnte karbonanode, - styring av robotmanipulatorarm med verktøy basert på den tredimensjonale formen og de identifiserte posisjonene til elektrolytten, og - detektering av verktøygjennombrudd gjennom elektrolytten på nevnte karbonanode for videre styring av robotmanipulatorarm med verktøy.

I en utførelsesform kan fremgangsmåten videre omfatte detektering av verktøygjennombrudd gjennom elektrolytten på nevnte karbonanode med bruk av en kraft-dreiemoment-(FT)-sensor anordnet på en endeeffektor på robotmanipulatorarmen. Alternativt kan detektering av verktøygjennombrudd gjennom elektrolytten på nevnte karbonanode utføres ved å anvende en lydsensor eller ved å anvende impedansmålinger mellom verktøyet og den rengjorte karbonanoden.

Fremgangsmåten kan videre omfatte identifisering av posisjonene til elektrolytten på nevnte karbonanode gjennom fargedifferensiering. Valg av minst ett verktøy som skal anvendes i etterrengjøringen av karbonanoden kan utføres basert på de identifiserte posisjonene til elektrolytten. Fremgangsmåten kan videre omfatte generering av en punkt-til-punkt-bane for rengjøring av karbonanoden optimalisert med hensyn til tid. Genereringen av punkt-til-punkt-banen kan være basert på metoden RRT (Rapidly-exploring Random Trees). En kollisjonsfri bane for verktøyet med henblikk på overflaten til karbonanoden som skal rengjøres kan bli generert. En rekke baner kan bli simulert før innledning av etterrengjøringsprosessen og bestemmelse av en faktisk bane basert på rengjøringseffektivitet med hensyn til tid. Bevegelsesbanen som skal følges av verktøyet under rengjøringsprosessen kan bli oppdatert basert på sanntidsdeteksjon av den tredimensjonale formen til karbonanodens overflate.

Det automatiserte systemet for etterrengjøring av brukte karbonanoder (anodestumper) gir en rekke fordeler i forhold til den manuelle meislingen i kjent teknikk. • Sikrere etterrengjøring av brukt karbonnode og bedre HMS (Helse, Miljø, Sikkerhet)

• Mer effektiv etterrengjøringsprosess

• Raskere responstid og høyere kvalitet for den brukte karbonanoden, ettersom mindre elektrolytt etterlates på stumpene

• Færre arbeidere på den faktiske produksjonlinjen, reduserte kostnader

• Økt produktivitet i anoderengjøringslinjen

• Økt nøyaktighet i etterrengjøringen av stumper

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Eksempler på utførelser av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet med støtte i de følgende tegningene, hvor: Figur 1a illustrerer et automatisert robotsystem for meisling av brukt karbonanode ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Figurene 1b og 1c er flytdiagrammer av en rengjøringsoperasjon ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Figur 2a illustrerer en verktøyholder og et verktøy, en vibrasjonsdemper og en kraftsensor for roboten ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Figur 2b er et bilde av et meiselverktøy anordnet på verktøyholderen med vibrasjonsopptakere, FT-sensor og en adapterplate som kobler verktøyet til robotarmen, i samsvar med en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Figur 3 illustrerer skjematisk et flytdiagram for planlegging av bevegelsesbane for meislingsoperasjonen ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Figur 4 viser en robotmanipulator med en lufthammer som utfører en meislingsoperasjon ifølge et eksempel på utførelse av foreliggende oppfinnelse; Figur 5 viser et bilde av et eksperimentelt resultat av meisling utført av robotmanipulatoren fra figur 4 på karbonanode med elektrolytt; Figur 6 viser en graf av kraft (N) som funksjon av tid (s) som detektert av en kraftsensor på roboten vist i figur 4, og viser deteksjon av gjennombrudd til karbonstumpene ifølge et eksempel på utførelse av foreliggende oppfinnelse; og Figur 7 viser en luftsliper anordnet på en robotmanipulator for uttesting av konseptet ifølge foreliggende oppfinnelse.

DETALJERT BESKRIVELSE

Det overordnede konseptet ifølge foreliggende oppfinnelse er illustrert i figur 1a. Robotsystemet i figur 1a tilveiebringer et integrert system med delsystemer for deteksjon og styring. Deteksjon av en tredimensjonal form til den rene karbonstumpen, deteksjon av elektrolytt på den rene karbonstumpen samt deteksjon av verktøygjennombrudd gjennom elektrolytten avsatt på stumpen tilveiebringes. Informasjon fra deteksjonssystemene blir innmatet til styresystemene, som styrer en manipulatorarm på robotsystemet.

I figur 1a er robotmanipulatorarmen i robotsystemet utstyrt med et passende verktøy for fjerning av elektrolytt fra en brukt, ren karbonstump. Et synssystem er tilveiebragt for innsamling og analyse av data. Et verktøysystem sørger for beregning av posisjon til elektrolyttgroper i overflaten av den brukte, rene stumpen og muliggjør deteksjon av bad-materialer og valg av verktøy. En bevegelsesplanlegger genererer en bevegelsesbane for robotmanipulatoren. Videre er robotsystemet utstyrt med en robotstyringsenhet. Robotstyringsenheten tilveiebringer funksjoner for kraft- og posisjonsstyring for robotmanipulatoren samt montering av verktøy. Elektrolyttgjennombrudd blir også detektert av verktøysystemet. Et brukergrensesnitt muliggjør styring av robotsystemet av en operatør. Når den rene karbonstumpen er posisjonert for etterrengjøring, og prosessen innledes, er imidlertid etterrengjøringsprosedyren fullt automatisert og utføres av robotsystemet.

Robotsystemet omfatter en robotmanipulator med et passende verktøy. Robotstyringsenheten innbefatter en bevegelsesplanlegger, en banefølger og en kraftstyringsenhet (hybrid styringsenhet). Robotmanipulatoren kan være en alminnelig tilgjengelig industriell manipulator. Industrielle manipulatorer leveres med kommersielle styringsenheter for ledd- og kartesisk styring av manipulatoren. Bevegelsesplanleggeren vil fungere uavhengig av den kommersielle styringsenheten. Den hybride styringsenheten vil generere leddreferanser til den kommersielle styringsenheten for manipulatoren.

Bevegelsesplanleggeren vil generere bevegelsesbanen for manipulatorens endeeffektor basert på deteksjon av urene deler av stumpene. Deteksjonssystemet kan bestå av forskjellige typer sensorer. Banefølgeren vil sikre en optimal bevegelse mellom de urene områdene av stumpene og kraftstyringsenheten vil styre manøvreringen.

Synssystem og identifisering av ikke rengjorte områder

Synssystemet utgjøres av én eller flere 3D-sensorer. Eksempler på slike sensorer er strukturelt lys-kameraer, stereokameraer, ToF-kameraer eller 3D laserskannere. Målingene blir distribuert over et standard grensesnitt, så som CameraLink eller Gigabit Ethernet til en PC for videre analyse, hvor alminnelig tilgjengelig programvare som Scorpion Vision fra Tordivel kan bli anvendt. Resultatet er en 3D-visning av overflaten til stumpen som skal etterrengjøres. Beliggenheten av de urene områdene blir identifisert gjennom fargedifferensiering og posisjonering i et kartesisk koordinatsystem relatert til den tredimensjonale formen til stumpen som skal rengjøres. Den tredimensjonale formen til stumpen og de identifiserte urene områdene blir innmatet til et bevegelsesplanleggersystem for planlegging av robotmanipulatorens bevegelse. Robotmanipulatorens bevegelse planlegges for å oppnå en rask og pålitelig etterrengjøring av stumpen.

Visuelle målinger blir fortrinnsvis utført av synssystemet i intervaller under rengjøringsoperasjonen for å sjekke om anoden er ren nok. Etter en meislingsoperasjon blir anoden skannet av synssystemet for å sjekke om all elektrolytt er fjernet eller om et annet verktøy må anvendes for å rengjøre anoden. Den visuelle informasjonen fra 3D-visningen av overflaten blir således anvendt som tilbakemelding til verktøysystemet for å sikre vellykket fjerning av elektrolytten. Skanning av anoden av synssystemet blir normalt ikke utført under selve rengjøringsoperasjonen, ettersom støv og etterlatenskaper fra rengjøringsoperasjonen ødelegger kvaliteten til den visuelle målingen. Den tredimensjonale formen til stumpen blir også innmatet til verktøysystemet for valg av ett eller flere verktøy som skal anvendes for å rengjøre stumpen. Figur 1 b viser et flytdiagram av etterrengjøringsprosessen for elektrolytt fra et brukt karbonanode. Anoden er satt i posisjon i en anodeholder. Anoden blir skannet av synssystemet, som frembringer en 3D-visning av anoden. De visuelle 3D-dataene fra synssystemet blir analysert i et analysesystem. Områdene med elektrolytt på anoden og anodens kontur detekteres, og en bevegelsesbane skapes mellom de elektrolyttdekkede områdene. Dersom det ikke finnes områder med elektrolytt på karbonanoden, er rengjøringen ferdig. Dersom det finnes områder med elektrolytt på anoden, velges et verktøy for rengjøringsoperasjonen. Deretter opprettes lokale banepunkter basert på det identifiserte elektrolyttområdet og verktøyet valgt for rengjøringsoperasjonen. Deretter utføres rengjøringen av området. Etter at rengjøring av et område er utført av verktøyet, blir anoden skannet på nytt av synssystemet, som frembringer en ny 3D-visning av anoden. Den nye 3D-visningen analyseres for å detektere gjenværende elektrolytt og anodens kontur. Dersom det finnes flere områder med elektrolytt på anoden, velges på nytt et verktøy, lokale banepunkter opprettes basert på de identifiserte gjenværende elektrolyttområdene, og området rengjøres. Prosessen gjentas inntil karbonanoden er tilstrekkelig rengjort. Figur 1 c viser et flytdiagram av et eksempel på utførelse av prosessen for rengjøring av et elektrolyttområde på karbonanoden. Dersom området er tilstrekkelig rengjort, er området ferdig. Dersom området ikke er tilstrekkelig rengjort, blir verktøyet beveget til banepunktet for dette området, som opprettet tidligere i skanne- og analysetrinnet. Rengjøringen med verktøyet innledes når verktøyet er i posisjon. Verktøyet beveger seg mot karbonanodens overflate.

Dersom verktøyet er et slipeverktøy, stilles slipeverktøyet inn til å følge anodens kontur til det neste banepunktet. Sliping utføres inntil det neste banepunktet er nådd. Når neste banepunkt nås, blir verktøyet trukket tilbake. Dersom området ikke er tilstrekkelig rengjort, blir verktøyet igjen beveget til banepunktet.

Dersom verktøyet er et meiselverktøy, blir meisling utført inntil gjennombrudd detekteres. Deretter blir meiselverktøyet trukket tilbake. Dersom gjennombrudd ikke detekteres i løpet av et spesifisert intervall, blir verktøyet trukket tilbake og ført mot anoden på nytt. Et alternativt verktøy kan også bli valgt, hvoretter det alternative verktøyet blir beveget mot anoden.

Dersom området identifiseres som rent, er området ferdig. Som forklart over blir området som skal rengjøres skannet med 3D-synssystemet for å sjekke om det ønskede rengjøringsresultatet ble oppnådd eller ikke. Rengjøring blir utført inntil det ønskede rengjøringsresultatet er oppnådd.

Verktøysystem

Robotsystemet omfatter en robotmanipulator med et passende verktøy for fjerning av elektrolytt fra de rene stumpene. Verktøyet er anbragt i/på en verktøyholder anordnet på en endeeffektor på robotmanipulatoren. Manipuleringen kan bli utført av et mekanisk verktøy. Det mekaniske verktøyet kan f.eks. være et meiselverktøy, et slipeverktøy eller et sandblåsingsverktøy. Meiselverktøyet kan f.eks. være et luftmeiselverktøy og slipeverktøyet kan f.eks. være et stålslipeverktøy (børste).

Valget av verktøy som skal anvendes for rengjøring av stumpen gjøres av verktøysystemet etter en analyse av 3D-visningen av stumpens overflate innmatet fra synssystemet. Den tredimensjonale formen til stumpen som skal etterrengjøres blir identifisert og posisjonene til de urene områdene av stumpen identifiseres gjennom fargedifferensiering. Valget av verktøy vil avhenge av mengden elektrolytt på stumpene og kompleksiteten til de urene områdene av stumpen. Et forhåndsdefinert beslutningstre bygget på erfaring blir anvendt for å identifisere det beste verktøyet og dette vil være en del av verktøysystemet. Beslutningstreet anvender en kunnskapsdatabase som bygges opp kontinuerlig basert på erfaring fra tidligere rengjøringsoperasjoner. Kunnskapsdatabasen omfatter sensorinformasjon fra tidligere rengjøringsoperasjoner og koblet med menneskelig kunnskap. Operatørbasert valg av verktøy vil avhenge av det kontaminerte området og denne erfaringen vil bli koblet med bildene tatt av det kontaminerte området. Beslutningstreet kan være en oppslagstabell som sammenlikner sanntids sensorinformasjon med innhold i databasen.

Operasjonen kan bli utført ved anvendelse av en rekke mulige verktøy, inkludert et verktøyutskiftingssystem, og kan bli utført ved anvendelse av ett enkelt verktøy eller et sammensatt multiverktøy. Det sammensatte multiverktøyet kan være spesiallaget for formålet og kan omfatte et antall verktøyelementer, som f.eks. meisel, sliper og børste.

Figur 4 viser et eksempel hvor en lufthammer er koblet til et dempersystem til robotmanipulatorens endeeffektor. Figur 5 viser et eksempel hvor en luftsliper er anordnet på robotens manipulatorarm. Luftsliperen utfører en strykeoperasjon for etterrengjøring av stumpen. Tester ble utført med disse robotene, hvor manipulatorarmen fulgte en forhåndsprogrammert bane. Testene viste at i dette spesifikke tilfellet, elektrolytten ble fjernet med suksess i løpet av sekunder. Roboten var av typen industriell manipulator levert av ABB. Andre typer industrielle manipulatorer kan også bli anvendt.

Hastigheten til rengjøringsprosessen avhenger av hvor mye elektrolytt som skal rengjøres, verktøyets effektivitet, den ønskede kvaliteten til rengjøringsresultatet, men også av typen sensor som anvendes og målefrekvensen. I dag krever den manuelle rengjøringsprosessen flere årsverk. Bruk av et robotrengjøringssystem vil kreve mindre enn ett årsverk i et gjennomsnittlig aluminiumsverk.

I dag er etterrengjøringen manuell og i stor grad avhengig av operatørens erfaring. Lag av støv dekker den brukte karbonanoden, og frossen elektrolytt ligger under støvet.

Etterrengjøringen utføres i dag som en manuell prosess med bruk av tunge manuelle meiselverktøy der hvor urene områder er detektert ved visuell inspeksjon, og resten ved berøringsdeteksjon ettersom frossen elektrolytt føles mykere enn karbonet som danner stumpene. Når meiselverktøyet bryter gjennom den frosne elektrolytten, føles dette tydelig av operatøren og operatøren stanser meislingen. Denne følelsen som oppleves av operatøren ved manuell etterrengjøring er overført til robotløsningen ifølge foreliggende oppfinnelse med bruk av krafttilbakemeldingssensorer.

Figur 2a viser et eksempel på utførelse av en verktøyholder. Verktøyholderen er i denne utførelsesformen utstyrt med en kraft/dreiemomentsensor (FT-sensor) som gir krafttilbakemelding for deteksjon av elektrolyttgjennombrudd. FT-sensoren er av en industriell type og robust i forhold til tøffe miljøer. Sensoren er anordnet på verktøyholderens endeeffektor slik at verktøykreftene linjeføres med sensorelementene. Adapterplater kobler FT-sensoren til robotendeeffektoren. Adapterplatene er anordnet mellom FT-sensoren, verktøyholderen og vibrasjonsdemperen. Adapterplatene er fast festet på robotendeeffektoren. FT-sensoren anvendes for tilbakemeldingsbasert kraftstyring av roboten. Dette vil bli forklart senere. Figur 2b er et bilde av et meiselverktøy anordnet på verktøyholderen som i figur 2a med vibrasjonopptakere, FT-sensor og en adapterplate som kobler verktøyet til robotarmen.

Kraftige vibrasjoner fra verktøyene, og spesielt fra luftverktøy, kan forårsake

hyppig forekomst av feil på robotstyringsenheten, som resulterer i et dårlig resultat av etterrengjøringen. Vibrasjonsdempere er anordnet på robotendeeffektoren for å fjerne disse feilene og muliggjøre presis styring av roboten. I utførelsesformen vist i figurene 2a og 2b er vibrasjonsdemperene i form av parallelle aluminumsplater

med gummibaserte vibrasjonsopptakere forbundet med maskinskruer. Andre festemidler enn maskinskruer kan også bli anvendt. De parallelle aluminumsplatene er tilknyttet mellom adapterplatene og verktøyendeeffektoren

slik at de parallelle aluminumsplatene oppstilles vinkelrett på verktøykreftene. Platene kan være tilknyttet med bruk av maskinskruer. De parallelle aluminumsplatene i utførelseseksempelet i figur 2b var 88 cm<2>og 1,5 cm tykke. Andre individuelt tilpassede vibrasjonsdempere er også tenkelig.

Eksperimenter har blitt utført med og uten vibrasjonsdempere. Vibrasjoner fra luftverktøyene gjorde at roboten stanset som følge av overbelastning. Disse feilene ble ikke lenger observert etter at vibrasjonsdemperene var lagt til.

Bevegelsesplanlegger

Den tredimensjonale informasjonen om stumpens overflate blir innmatet til bevegelsesplanleggeren for planlegging av bevegelsesbanen til robotarmen som verktøyet er festet til. Bevegelsesplanleggeren dannes av en baneplanlegger for bevegelse av verktøyet langs stumpenes overflater. Konsepter spenner fra manuell til automatisk baneplanlegging med unngåelse av hindringer. Den manuelle baneplanleggingen vil bli utført i fall systemet ikke er i stand til å detektere urene områder. Det vil finne sted en kontinuerlig oppdatering av bevegelsesbanen som skal følges av verktøyet under rengjøringsprosessen basert på sanntidsinformasjon fra synssystemet. Synssystemet identifiserer rengjøringsprosessens fremdrift.

Baneplanleggingen som betraktes vil foregå i to deler:

- en første del for generering av bevegelsesbaner for rengjøring av urene områder, og - en andre del for optimal baneplanlegging av robotbevegelse mellom de urene områdene.

Generering av bevegelsesbaner for rengjøring av urene områder

Den tredimensjonale informasjonen om stumpens overflate tilveiebragt av synssystemet identifiserer de urene områdene av stumpene. Baneplanlegging kan da utføres gjennom analyse av den tredimensjonale informasjonen og generering av punkt-til-punkt-baner. Rengjøringsprosessen vil således være en punkt-til- punkt-bevegelse basert på kontinuerlig oppdatering fra synssystemet, FT-sensoren og verktøysystemmodulen. Dette vil bli forklart nærmere nedenfor.

Optimal baneplanlegging for bevegelse mellom de urene områdene:

Bevegelsen av robotarmen med verktøyet mellom de urene områdene kan betraktes som en punkt-til-punkt-baneplanleggingsoppgave i et miljø med eller uten hindringer.

For å etterrengjøre stumpen blir verktøyet bragt frem til de urene områdene av stumpen. Baneoptimalisering med hensyn til tid besørges av baneplanleggeren for å oppnå en effektiv og pålitelig etterrengjøringsprosess. Punkt-til-punkt-baneplanleggingsmetoden kan være basert på RRT (Rapidly-exploring Random Trees). Metoden bygger opp en kollisjonsfri bevegelsesbane ved å anvende tilfeldig samplede punkter fra robotkonfigurasjonsrommet, hvor hvert punkt og banesegment testes mot kollisjonsrommet. Åpen kildekode fra Lavalle kan bli anvendt for testing av bevegelsesbanekonsepter. Forskjellige baner kan bli simulert av bevegelsesplanleggersystemet før den faktiske etterrengjøringsprosessen innledes for robotmanipulatoren. Den faktiske bevegelsesbanen som velges for hver etterrengjøringsprosess blir bestemt basert på rengjøringseffektivitet med henblikk på tid.

Robotkonfigurasjonsrommet er gitt ved robotoppbygningen og kinematikken til den faktiske roboten som anvendes. Kollisjonsrommet defineres og detekteres av synssystemet.

Robotstyringsenhet

Nøyaktig styring av robotmanipulatoren sikrer god kvalitet i etterrengjøringen av stumpene. Den forhåndsdefinerte bevegelsesbanen planlagt av bevegelsesplanleggeren må følges tett for å muliggjøre en rask og pålitelig fjerning av elektrolytten. De identifiserte urene områdene kan dessuten være små. Industrielle roboter har veldig høy nøyaktighet (typisk 0,1 mm), og siden denne fremgangsmåten er basert på bruk av slike roboter vil denne nøyaktigheten oppnås i denne prosessen. Nøyaktigheten er således høyere enn en operatørperson kan oppnå.

Under etterrengjøringsprosessen styres robotmanipulatoren slik at det sikres at robotmanipulatoren følger den forhåndsdefinerte banen. Banefølgingen oppnås gjennom bruk av bevegelseskontroll basert på tilbakemelding fra posisjons- og hastighetsmålinger av bevegelsen til hvert robotledd. Denne funksjonaliteten tilveiebringes av leverandøren av robotstyringsenheten.

Manipuleringsdelen av operasjonen vil være basert på kraftvekselvirkning mellom verktøyet og karbonanoden og/eller en kombinasjon av kraft- og bevegelseskontroll. Kraftvekselvirkningen detekteres av FT-sensoren og styremetodene vil avhenge av verktøyvalget. Et meiselverktøy vil anvende posisjonsstyring av roboten og på/av-kraftstyring. Et slipeverktøy vil anvende kontinuerlig posisjons- og kraftstyring i kaskade.

Læringsstrategier som letter læring vil bli anvendt i krafttilbakemeldingssløyfen og i genereringen av beslutningstreet for valg av verktøy.

Deteksjon av gjennombrudd

Flere metoder kan bli anvendt for å detektere gjennombrudd av elektrolytt, for eksempel når tuppen av verktøyet har nådd karbonet. Eksempler på metoder inkluderer bruk av en FT-sensor, lyd eller impedansmålinger. Disse metodene vil bli forklart nærmere nedenfor.

FT- sensor

FT-sensormålinger blir anvendt for å detektere variasjonene i motsatt rettede krefter som vil opptre avhengig av kontakt med karbon eller elektrolytt. Dette er på grunn av forskjellen i densitet mellom de to materialene. Analyse av disse kraftmålingene vil bli anvendt for å detektere når rengjøringsverktøyet har et gjennombrudd gjennom elektrolytten. Informasjonen fra kraftmålingen blir innmatet til robotstyringsenheten. Kraftmålingsprosedyren er vist skjematisk i figur 3. Dersom analysene av kraftmålingen fastslår tilstedeværelse av elektrolytt, fortsetter robotstyringsenheten meislingsoperasjonen. Dersom analysene av kraftmålingen fastslår tilstedeværelse av karbon, stanser robotstyringsenheten meislingsoperasjonen. Når meislingsoperasjonen stanses, blir det området av stumpen som har blitt meislet inspisert av synssystemet. Dersom synssystemet identifiserer stumpen som ren i dette området, blir denne informasjonen innmatet til robotstyringsenheten, som velger et passende verktøy og beveger verktøyendeeffektoren til neste posisjon i den forhåndsdefinerte banen og begynner meislingsoperasjonen i dette området.

Et eksempel på deteksjon av elektrolyttgjennombrudd med bruk av en kraft/dreiemomentsensor er vist i figur 7. Kurven i figur 7 ble produsert ved å anvende robotmanipulatoren med lufthammer som vist i figur 4. Figur 7 viser en graf av kraft (N) som funksjon av tid (s) som detektert av kraftsensoren. Deteksjon av gjennombrudd til karbonstumpene vises med et fall i kurven ved omtrent 20 sekunder, 39 sekunder og 57 sekunder når kraften går til null og blir negativ. Fallene i kurven viser således tilstedeværelse av karbon.

Lyd

Et ulikt lydmønster detekteres når tuppen av verktøyet bryter gjennom elektrolytten og treffer karbonet. Lyden blir detektert av en mikrofon og innmatet til robotstyringsenheten.

Impedans

Impedansmålinger kan bli anvendt ved å måle avvik i elektrisk motstand mellom tuppen av verktøyet og elektrolytten/karbonmaterialene i stumpen. Elektrolytten og karbonmaterialene har forskjellige elektriske egenskaper. Resultatet av impedansmålingen blir innmatet til robotstyringsenheten.

Kombinasjon av metoder

Metodene beskrevet over kan kombineres i forskjellige omgivelser ved anvendelse av et Kalman-filter eller andre estimeringsmetoder for å bedre deteksjonen av gjennombrudd. Alternativt kan gjennombruddsdeteksjonsmetodene bli anvendt i et kaskadet, parallelt eller serielt sett av reguleringssløyfer. Valget av metoder avhenger av verktøyet. For eksempel anvendes lyd bare når meiselverktøy blir anvendt. FT-sensor anvendes i alle løsninger. Kaskadede reguleringssløyfer anvendes i tilfeller hvor det er nødvendig å følge en kontur. En fordel med bruk av kaskadede reguleringssløyfer er realisering av flere reguleringssløyfer basert på forskjellige målinger, for eksempel hastighet og kraft. Parallelle reguleringssløyfer muliggjør bruk av forskjellige målinger i parallell som begge er i stand til å endre systemets tilstand. For eksempel vil lyd og kraftdeteksjon hvor den første sløyfen detekterer gjennombrudd endre systemets tilstand. Seriell styring er når én reguleringssløyfe gir referansen til den neste sløyfen; f.eks. hastighetsstyring og gjennombruddsdeteksjon.

Også i utførelsesformene som anvender lyd, impedansmålinger samt ved kombinasjon av metoder inspiserer synssystemet området når karbon er detektert for å sikre at området rent før verktøyet blir beveget til det neste punktet i den forhåndsdefinerte bevegelsesbanen, som forklart for FT-sensoren.

Oppfinnelsen er naturligvis ikke på noen som helst måte begrenset til utførelsesformene beskrevet over. Tvert imot vil mange muligheter for modifikasjoner av disse være åpenbare for fagmannen uten å fjerne seg fra den grunnleggende idéen i oppfinnelsen, som definert i de vedføyde kravene.

Claims (19)

1. System for etterrengjøring av elektrolytt fra en brukt karbonanode i aluminiumsproduksjon, systemet omfattende: - en robot med manipulatorarm utstyrt med et verktøy for fjerning av elektrolytten; - et synssystem, omfattende: minst én 3D-sensor for deteksjon av en tredimensjonal form til en overflate av nevnte karbonanode, og et analysesystem for å identifisere elektrolytten på nevnte karbonanode fra overflatens tredimensjonale form; - en sensor for deteksjon av verktøygjennombrudd gjennom elektrolytten på nevnte karbonanode; og - et styresystem for styring av robotmanipulatorarmen og verktøyet basert på informasjon fra synssystemet og sensoranordningen for deteksjon av verktøygjennombrudd.

2. System ifølge krav 1, hvor sensoren for deteksjon av verktøygjennombrudd omfatter en kraft/dreiemoment-(FT)-sensor.

3. System ifølge krav 1 eller 2, hvor sensoren for deteksjon av verktøygjennombrudd omfatter bruk av minst én av en lydsensor og en impedansmåleranordning.

4. System ifølge minst ett av kravene 1-3, hvor styresystemet omfatter en kraft/dreiemoment-(FT)-sensor for krafttilbakekoblingskontroll, hvor kraft/dreiemoment-(FT)-sensoren detekterer kraftvekselvirkning mellom verktøyet og karbonanoden.

5. System ifølge minst ett av kravene 1-4, hvor styresystemet videre omfatter en bevegelsesplanlegger for baneoptimalisering av bevegelsesbanen til robotmanipulatorarmen og verktøyet i forhold til overflaten av karbonanoden som skal etterrengjøres.

6. System ifølge minst ett av kravene 1-5, hvor den minst ene 3D-sensoren omfatter minst én av strukturelt lys-kameraer, stereokameraer, ToF-(Time-of-Flight)-kameraer og 3D laserskannere.

7. System ifølge minst ett av kravene 1-6, hvor analysesystemet tilveiebringer fargedifferensiering og posisjonering av elektrolytten i et koordinatsystem relatert til den tredimensjonale formen til overflaten av karbonanoden som skal rengjøres.

8. System ifølge minst ett av kravene 1-7, hvor verktøyet er et mekanisk verktøy valgt fra minst én av et meiselverktøy, et slipeverktøy og en sandblåsingsverktøy.

9. System ifølge minst ett av kravene 1-8, hvor verktøyholderen omfatter minst én vibrasjonsdemper.

10. Fremgangsmåte for etterrengjøring av elektrolytt fra en brukt karbonanode i aluminiumsproduksjon, systemet omfattende en robot med en manipulatorarm utstyrt med et verktøy for fjerning av elektrolytten, fremgangsmåten omfattende å: - detektere en tredimensjonal form til en overflate av nevnte karbonanode; - analysere den tredimensjonale formen og identifisere posisjoner til elektrolytten på nevnte karbonanode, - styre robotmanipulatorarmen med verktøy basert på den tredimensjonale formen og de identifiserte posisjonene til elektrolytten, og - detektere verktøygjennombrudd gjennom elektrolytten på nevnte karbonanode for videre styring av robotmanipulatorarm med verktøy.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, videre omfattende å detektere verktøygjennombrudd gjennom elektrolytten på nevnte karbonanode ved å anvende en kraft/dreiemoment-(FT)-sensor anordnet på en endeeffektor på robotmanipulatorarmen.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 10 eller 11, videre omfattende å detektere verktøygjennombrudd gjennom elektrolytten på nevnte karbonanode ved å anvende en lydsensor eller ved å anvende impedansmålinger mellom verktøyet og den rengjorte karbonanoden.

13. Fremgangsmåte ifølge minst ett av kravene 10-12, videre omfattende å identifisere posisjonene til elektrolytten på nevnte karbonanode ved hjelp av fargedifferensiering.

14. Fremgangsmåte ifølge minst ett av kravene 10-13, videre omfattende å velge minst ett verktøy som skal anvendes i etterrengjøringen av karbonanoden basert på de identifiserte posisjonene til elektrolytten.

15. Fremgangsmåte ifølge minst ett av kravene 10-14, videre omfattende å generere en punkt-til-punkt-bane for rengjøring av karbonanoden optimalisert med hensyn til tid.

16. Fremgangsmåte ifølge minst ett av kravene 10-15, videre omfattende å generere punkt-til-punkt-banen basert på metoden Rapidly-exploring Random Trees.

17. Fremgangsmåte ifølge minst ett av kravene 10-16, videre omfattende å generere en kollisjonsfri bane for verktøyet med hensyn til overflaten av karbonanoden som skal rengjøres.

18. Fremgangsmåte ifølge minst ett av kravene 10-17, videre omfattende å simulere et antall baner før innledning av etterrengjøringsprosessen og bestemmelse av en faktisk bane basert på rengjøringseffektivitet med hensyn til tid.

19. Fremgangsmåte ifølge minst ett av kravene 10-18, videre omfattende å oppdatere bevegelsesbanen som skal følges av verktøyet under rengjøringsprosessen basert på sanntidsdeteksjon av den tredimensjonale formen til overflaten av karbonanoden.