一種焊接方法和機(jī)器人焊接系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種實(shí)現(xiàn)鋁電解槽陰極鋼棒和爆炸焊鋼片連接的焊接方法和機(jī)器人焊接系統(tǒng)。所述方法包括：以陰極鋼棒為基準(zhǔn)的夾具對(duì)爆炸焊鋼片進(jìn)行定位，在陰極鋼棒和爆炸焊鋼片之間形成一個(gè)待焊接的狹窄間隙，采用熔化極氣體保護(hù)特種焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)陰極鋼棒和爆炸焊鋼片的連接。針對(duì)此方法，本發(fā)明提出的機(jī)器人焊接系統(tǒng)：以控制系統(tǒng)為核心，該系統(tǒng)由移動(dòng)平臺(tái)，機(jī)械臂和焊接裝置組成。鋁電解槽沿板上配套專用導(dǎo)軌，移動(dòng)小車可在導(dǎo)軌上移動(dòng)，用于不同工位的焊接。機(jī)械臂末端裝有專用窄間隙焊槍，實(shí)現(xiàn)陰極鋼棒和爆炸焊鋼片的高效連接。
【專利說明】
一種焊接方法和機(jī)器人焊接系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種實(shí)現(xiàn)鋁電解槽陰極鋼棒與爆炸焊鋼片焊接的焊接方法和機(jī)器人焊接系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]作為傳統(tǒng)重工業(yè)，電解鋁行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境相當(dāng)?shù)膼毫印８邷兀蹓m，強(qiáng)磁，噪聲，機(jī)械以及高壓電氣等嚴(yán)重危害著工人的生命安全與健康。電解鋁工業(yè)作為電能消耗大戶，任何一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)電能的節(jié)省都可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
[0003]陰極鋼棒作為電解槽的消耗部件，需要定期進(jìn)行更換。如圖1(a)所示，每個(gè)車間由數(shù)十個(gè)鋁電解槽首尾串聯(lián)組成。如圖1(b)所示相鄰電解槽之間通過軟鋁帶母線進(jìn)行連接，其中軟鋁帶母線末端通過爆炸焊鋼板連接，然而如圖1(c)所示，每個(gè)待焊接工位的爆炸焊鋼板和陰極鋼棒的連接一直是一個(gè)棘手的問題。最早多采用螺栓連接的方式。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是容易安裝，但會(huì)造成連接處電阻太大，損耗很多的電能，多數(shù)鋁廠早已不再采用。目前我國幾乎所有鋁廠都采用如圖1(d)所示的多層鋼板焊接的方式實(shí)現(xiàn)陰極鋼棒和爆炸焊鋼片的連接。這種連接方式相比于傳統(tǒng)的方式，大大減少了接觸電阻，但是其工作量巨大。以350kA的電解槽為例，一個(gè)車間由如圖所示的20個(gè)鋁電解槽組成，每個(gè)電解槽兩側(cè)分別并聯(lián)30個(gè)焊接工位，每個(gè)焊接工位需要至少60塊鋼片的焊接，一個(gè)優(yōu)秀的焊接工人大概需要半天的時(shí)間，這項(xiàng)工作一直是加快鋁廠大修進(jìn)度的瓶頸。此外由于待焊接工位是埋在地下的，工人進(jìn)行焊接操作時(shí)，非常不方便，而且焊接產(chǎn)生的大量的煙，隨著人力成本不斷地提升，焊接工人需求得不到滿足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提出了一種用于實(shí)現(xiàn)鋁電解槽陰極鋼棒和爆炸焊鋼片焊接的焊接方法和機(jī)器人焊接系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。
[0005]根據(jù)本發(fā)明一方面，提供了一種實(shí)現(xiàn)鋁電解槽陰極鋼棒和爆炸焊鋼片連接的焊接方法，包括:
[0006]以陰極鋼棒為基準(zhǔn)的夾具對(duì)爆炸焊鋼片進(jìn)行定位，在陰極鋼棒和爆炸焊鋼片之間形成一個(gè)待焊接的間隙，該間隙的寬度范圍在20-35_之間；
[0007]采用熔化極氣體保護(hù)特種焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)陰極鋼棒和爆炸焊鋼片的連接。
[0008]根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供了一種實(shí)現(xiàn)鋁電解槽陰極鋼棒和爆炸焊鋼片焊接的機(jī)器人焊接系統(tǒng)，包括:控制系統(tǒng)、機(jī)械臂、焊接裝置和移動(dòng)平臺(tái)；
[0009]所述移動(dòng)平臺(tái)包括導(dǎo)軌和移動(dòng)小車，導(dǎo)軌鋪設(shè)在鋁電解槽沿板上，移動(dòng)小車承載控制系統(tǒng)、機(jī)械臂和焊接裝置在導(dǎo)軌上來回移動(dòng)；
[0010]所述控制系統(tǒng)用于控制所述機(jī)械臂；
[0011]所述機(jī)械臂包括一個(gè)平移關(guān)節(jié)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，平移關(guān)節(jié)通過滾珠絲杠在所述導(dǎo)軌上移動(dòng)，三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與平移關(guān)節(jié)依次連接，最末端旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的末端固定有焊槍；
[0012]所述焊接裝置包括焊接電源和焊接控制電路，所述焊接電源用于提供大功率焊接參數(shù)，所述焊接控制電路用于調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，控制起弧、滅弧，控制焊接保護(hù)氣體的有無。
[0013]本發(fā)明通過重新設(shè)計(jì)陰極鋼棒和爆炸焊鋼片之間的連接結(jié)構(gòu)，采用配套窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊接技術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效焊接，將單個(gè)工位的焊接時(shí)間縮短至10分鐘。這種焊接方式更近一步大大減少了接觸電阻，電解槽在該部位的損耗可以幾乎忽略不計(jì)。值得強(qiáng)調(diào)的是，隨著人力成本的不斷增加以及工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷成熟，該系統(tǒng)有著廣闊的推廣前景，為我國工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用有著重要的意義。
【附圖說明】
[0014]圖1是傳統(tǒng)電解鋁工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，其中(a)為電解鋁車間；(b)為單個(gè)電解槽；(C)為待焊接工位;(d)為已焊接工位。
[0015]圖2是本發(fā)明中電解槽上待焊接工位結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3是本發(fā)明中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能模塊示意圖。
[0017]圖4是本發(fā)明中機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖5是本發(fā)明中機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型示意圖。
[0019]圖6是本發(fā)明中機(jī)械臂多軸聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖7是本發(fā)明中焊槍末端運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。
[0021 ]圖8是本發(fā)明中焊槍末端擺焊運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。
[0022]圖9是本發(fā)明中機(jī)器人總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0024]為了鋁電解槽陰極鋼棒和爆炸焊鋼片高效連接，本發(fā)明重新設(shè)計(jì)了陰極鋼棒和爆炸焊鋼片的連接方式。鋁電解槽每個(gè)待焊接工位有兩根平行的陰極鋼棒，以陰極鋼棒為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)定位夾具。
[0025]本發(fā)明提出的一種實(shí)現(xiàn)鋁電解槽陰極鋼棒和爆炸焊鋼片高效連接的焊接方法包括:
[0026]以陰極鋼棒為基準(zhǔn)的夾具對(duì)爆炸焊鋼片進(jìn)行定位，在陰極鋼棒和爆炸焊鋼片之間形成一個(gè)待焊接的狹窄間隙，采用熔化極氣體保護(hù)特種焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)陰極鋼棒和爆炸焊鋼片的連接。
[0027]如圖2所示是待焊接工位示意圖。在陰極鋼棒和爆炸焊鋼片之間形成一個(gè)待焊接的狹窄間隙，理論上間隙寬度是越窄越好，這樣一方面可以控制焊接變形，另一方面可以節(jié)省焊絲，降低成本，但是由于焊槍尺寸的物理限制，焊槍尺寸越小，不利于散熱，反而影響焊槍的使用壽命。綜上所述，狹窄間隙寬度范圍通常選在20到35mm，進(jìn)而可以采用熔化極氣體保護(hù)特種焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)陰極鋼棒和爆炸焊鋼片的連接。此外，本發(fā)明針對(duì)待焊接工位設(shè)計(jì)了如圖2所示的焊接夾具。首先通過陰極鋼棒定位螺栓和待焊接工位兩個(gè)陰極鋼棒的連接，將夾具固定在待焊接工位上;再通過爆炸焊鋼片定位螺栓實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸焊鋼片的裝卡定位，使其平行于陰極鋼棒，并可以進(jìn)一步調(diào)整待焊接區(qū)域的寬度，滿足焊接要求;防焊墊板可以防止焊接過程中熔池流到外側(cè)，整個(gè)焊接夾具可以防止焊接過程陰極鋼棒和爆炸焊鋼片的變形，方便拆卸和安裝。
[0028]為實(shí)現(xiàn)上述焊接方式，本發(fā)明設(shè)計(jì)了如圖9所述的焊接機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)，機(jī)械臂，焊接裝置和移動(dòng)平臺(tái)。控制系統(tǒng)和焊接裝置位于控制柜中。控制柜采用磁屏蔽設(shè)計(jì)，有效防止周圍磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)其產(chǎn)生干擾。
[0029]如圖3所示，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框架，以工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡作為主控制器用于控制機(jī)械臂，并通過總線方式控制伺服驅(qū)動(dòng)器。平板電腦作為上位機(jī)用于人機(jī)交互:通過RS232接口和示教盒相連，用于機(jī)器人示教;通過USB接口和攝像頭相連，采集待焊接工位圖像，方便工人遠(yuǎn)程操作;通過RS485接口控制焊機(jī)通斷，以及配置焊接參數(shù)。
[0030]所述機(jī)械臂有四個(gè)自由度，包括一個(gè)平移關(guān)節(jié)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。如圖4所示，關(guān)節(jié)I是平移關(guān)節(jié)，由電機(jī)I采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng);關(guān)節(jié)2是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，由電機(jī)2直接驅(qū)動(dòng);關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)4都是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，由電機(jī)3和電機(jī)4通過皮帶傳遞。機(jī)械臂每個(gè)關(guān)節(jié)具有關(guān)節(jié)鎖死裝置，方便機(jī)械臂的搬運(yùn)和安裝。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖5所示，選取平移關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閆軸，電機(jī)碼盤值即為z坐標(biāo)值。取垂直向下為X軸，由右手定則確定y軸。其中關(guān)節(jié)I至關(guān)節(jié)2之間的大臂OA長(zhǎng)為L(zhǎng)1，關(guān)節(jié)2至關(guān)節(jié)3之間的中臂AB長(zhǎng)為L(zhǎng)2，關(guān)節(jié)3至關(guān)節(jié)4之間的小臂BC長(zhǎng)為L(zhǎng)3。三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)位于XOY平面內(nèi)，因此對(duì)機(jī)械臂作運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)不考慮平移關(guān)節(jié)，即典型的平面3R結(jié)構(gòu)。如圖6所示，機(jī)器人末端在笛卡爾空間沿直線或者圓弧的運(yùn)動(dòng)需要協(xié)調(diào)各個(gè)軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，通過cam指令實(shí)現(xiàn)多個(gè)軸的同步運(yùn)動(dòng)。首先由tab I e指令給表進(jìn)行賦值，表中可存放三個(gè)到上萬個(gè)位置數(shù)據(jù)，然后由cam指令執(zhí)行，可控制各軸同步。
[0031]焊接裝置包括:焊接電源和焊接控制電路。焊接電源需要保證可以提供大功率焊接參數(shù)，優(yōu)選500A的焊機(jī)，并且可以在現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)磁場(chǎng)干擾環(huán)境下正常工作，保證焊接參數(shù)穩(wěn)定。焊接控制電路調(diào)節(jié)焊接電壓和電流參數(shù)，控制起弧、滅弧，控制焊接保護(hù)氣體的有無。配套的窄間隙焊槍固定在第3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)末端，結(jié)構(gòu)小巧，可以在狹小空間完成焊接，并且在大電流狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間正常工作。
[0032]以350kA的電解槽為例，待焊接區(qū)域是一個(gè)長(zhǎng)55mm，寬30mm，高180mm的狹窄長(zhǎng)方體，通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域的有效連接。焊接工藝參數(shù):焊接電流為350?450A;焊接電壓為30?38V;焊絲牌號(hào)為T-1系列的藥芯焊絲，其直徑為1.2?2.4mm;保護(hù)氣體采用混合氣體(80%Ar+20%C02)，氣體流量為15?20L/min。焊接過程中焊槍的行走軌跡如圖7所示，該圖是以正視圖方向所看到的焊槍末端運(yùn)動(dòng)情況。機(jī)械臂的關(guān)節(jié)I實(shí)現(xiàn)如圖所示的左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其他3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)同步動(dòng)作實(shí)現(xiàn)焊槍的直線軌跡規(guī)劃，以恒定不變的速度提升焊槍。如果待焊接區(qū)域的寬度增加到35mm，增大焊接電流可能會(huì)造成焊機(jī)暫載率過低，影響工作效率，在不影響焊接質(zhì)量的前提下，為增加兩側(cè)的熔合深度就需要控制焊槍在焊縫寬度方向的擺動(dòng)，增加擺動(dòng)以后的焊槍末端擺焊運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖8所示。
[0033]如圖9所示，移動(dòng)平臺(tái)包括:導(dǎo)軌和移動(dòng)小車。在鋁電解槽模型上方的電解鋁槽沿板上鋪設(shè)導(dǎo)軌，將上述機(jī)器人控制柜固定在移動(dòng)小車上，通過移動(dòng)小車在導(dǎo)軌上移動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在不同工位的焊接，焊接電源和控制系統(tǒng)放置在控制柜中，機(jī)械臂水平移動(dòng)平臺(tái)安裝在移動(dòng)小車下方，機(jī)械臂小臂末端固定的窄間隙焊槍可以伸到待焊接工位。圖中所示是在實(shí)驗(yàn)室搭建的1:1模型，其中只有三個(gè)待焊接工位。此外，由于一個(gè)電解槽有數(shù)十個(gè)工位，可以一個(gè)電解槽可以同時(shí)安裝多臺(tái)機(jī)器人并行工作，大幅度減少焊接周期。
[0034]焊接機(jī)器人按照以下流程操作。
[0035](I)將機(jī)器人系統(tǒng)安裝固定在鋁電解槽沿板上；
[0036](2)打磨陰極鋼棒，安裝焊接夾具；
[0037](3)移動(dòng)機(jī)械臂，將焊絲末端移動(dòng)到焊接起始點(diǎn)；
[0038](4)啟動(dòng)焊接命令，機(jī)械臂向上運(yùn)動(dòng)，完成焊接；
[0039](5)將機(jī)器人移動(dòng)到下一個(gè)工位，重復(fù)上述步驟，直到鋁電解槽單側(cè)的工位焊接完成。
[0040]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種實(shí)現(xiàn)鋁電解槽陰極鋼棒和爆炸焊鋼片連接的焊接方法，其特征在于，包括: 以陰極鋼棒為基準(zhǔn)的夾具對(duì)爆炸焊鋼片進(jìn)行定位，在陰極鋼棒和爆炸焊鋼片之間形成一個(gè)待焊接的間隙，該間隙的寬度范圍在20-35_之間； 采用熔化極氣體保護(hù)特種焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)陰極鋼棒和爆炸焊鋼片的連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述以陰極鋼棒為基準(zhǔn)的夾具對(duì)爆炸焊鋼片進(jìn)行定位，包括: 通過陰極鋼棒定位螺栓和待焊接工位兩個(gè)陰極鋼棒的連接，將夾具固定在待焊接工位上； 通過爆炸焊鋼片定位螺栓實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸焊鋼片的裝卡定位，使其平行于陰極鋼棒。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述熔化極氣體保護(hù)特種焊接技術(shù)由機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。4.一種實(shí)現(xiàn)鋁電解槽陰極鋼棒和爆炸焊鋼片焊接的機(jī)器人焊接系統(tǒng)，其特征在于，包括:控制系統(tǒng)、機(jī)械臂、焊接裝置和移動(dòng)平臺(tái)； 所述移動(dòng)平臺(tái)包括導(dǎo)軌和移動(dòng)小車，導(dǎo)軌鋪設(shè)在鋁電解槽沿板上，移動(dòng)小車承載控制系統(tǒng)、機(jī)械臂和焊接裝置在導(dǎo)軌上來回移動(dòng)； 所述控制系統(tǒng)用于控制所述機(jī)械臂； 所述機(jī)械臂包括一個(gè)平移關(guān)節(jié)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，平移關(guān)節(jié)通過滾珠絲杠在所述導(dǎo)軌上移動(dòng)，三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與平移關(guān)節(jié)依次連接，最末端旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的末端固定有焊槍； 所述焊接裝置包括焊接電源和焊接控制電路，所述焊接電源用于提供大功率焊接參數(shù)，所述焊接控制電路用于調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，控制起弧、滅弧，控制焊接保護(hù)氣體的有無。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，移動(dòng)小車下方安裝有機(jī)械臂水平移動(dòng)平臺(tái)，供機(jī)械臂移動(dòng)。6.如權(quán)利要求4所述的機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括下位機(jī)和上位機(jī)，且下位機(jī)和上位機(jī)通過以太網(wǎng)來通訊;下位機(jī)采用通用運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)時(shí)控制機(jī)械臂的電機(jī);上位機(jī)采用終端設(shè)備用于人機(jī)交互，獲取待焊接工位的圖像數(shù)據(jù)，以及與焊機(jī)和示教盒通訊。
【文檔編號(hào)】B23K9/06GK106001855SQ201610454447
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年6月21日
【發(fā)明人】毛劍, 毛一劍, 梁自澤, 景奉水, 李恩, 方灶軍, 楊國棟, 譚民, 常文凱, 范俊峰, 龍騰, 楊磊
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所