铝电解槽焊接机器人.pdf

摘 要 中国是世界最大的铝生产国。2017 年我国原铝产量达 3630 万吨，占全球 总产量 60%。但是我国铝电解技术基础理论与关键技术研究薄弱，导致我国铝 电解工业资源消耗高、能源利用率低、三废排放大和电流效率低。最严峻的问 题是我国的铝电解槽寿命一般是 4 到 6 年，比国外平均寿命少 2 年。因此每年 有 20%的电解槽需要停槽大修，其中阴极钢棒和钢铝爆炸焊板的连接质量对于 改善电流均布性、降低生产安全隐患和增加电解槽寿命等方面具有显著影响。 然而，由于电解槽阴极钢棒和钢铝爆炸焊板连接处的操作空间狭小，现有 的自动化焊接设备难以应用，目前完全依靠人工焊接，这种状况亟需改变。一 方面，铝电解现场的作业环境极其恶劣，高温、粉尘、有毒气体、强磁和噪声 等时刻威胁着工人的安全。更重要的一方面，人工焊接质量完全取决于工人的 技术水平，还会受到身体状态和情绪不佳等因素的影响。因此，研制在铝电解 槽狭小作业空间和恶劣高强度的工作环境下代替工人的特种焊接机器人，对于 提高阴极钢棒接头的焊接效率和焊接质量，增加铝电解槽寿命和推动机器人在 我国工业领域的应用，具有重要的理论意义和工程价值。 本文针对铝电解槽阴极钢棒焊接机器人的几个关键问题展开研究，主要工 作和创新点归纳如下： 1. 提出了一种实现阴极钢棒和钢铝爆炸焊板高效焊接的技术方案 目前国内外铝电解槽实现阴极钢棒和钢铝爆炸焊板连接的方式主要有两 种： (1)螺栓铜板压接方式操作方便，初期安装时导电性可以满足要求，但对接 触面精度要求高，而且氧化变形和振动会造成接触电阻增大； (2)通过中等厚度 钢板采用电弧焊连接这种方式的接头导电性能好，但是一个 350kA 铝电解系列 一次大修就有 1,036,800 块钢板需要进行焊接，工作量非常巨大。为此，我们 提出一种新的焊接技术方案：以阴极钢棒为基准的夹具对钢铝爆炸焊板进行定 位，形成一个狭窄焊缝（深度 180-220mm,间隙 18-20mm，板厚 50-80mm），开 发出窄间隙旋弧焊接机器人系统对其进行自动焊接。实验结果表明，该技术方 案能够降低工人劳动强度、提升工作效率、提高焊接质量（比人工焊接接头压 降低 10-30mV）、节能减排（350kA 铝电解系列每年节省电费约 600 万元）、改 善电流均布性、降低生产运行中的安全隐患。 2.建立了旋转电弧窄间隙 GMAW 过程的数学物理模型 基于焊接电弧物理、焊丝送给和熔化、电源回路模型、焊丝干伸长度、熔 滴过渡和焊缝成形等过程的机理，建立旋转电弧窄间隙 GMAW (Gas Metal Arc Welding——熔化极气体保护焊) 过程物理模型的六阶非线性状态空间方程。然 后，建立焊丝干伸长度远大于熔滴半径和熔滴过渡位移的条件，将系统方程解 耦和降阶处理为三阶的四输入单输出系统。在系统静态平衡点邻域附近建立小 信号线性化模型基础上，求取焊丝干伸变化时焊接电流响应特性和熔池形状对 系统响应特性。最后，对窄间隙旋弧焊中的焊道偏斜现象给出了新的定量的解 释：焊丝干伸变化动态响应受到熔池高度影响而造成了焊接熔敷的偏差和不对 称，进而导致焊道偏斜。此外，基于这一原理，规划了最优的焊枪旋转控制策 略。 3.设计了基于状态可测的旋转电弧窄间隙 GMAW 过程的预测控制系统 首先按照可控性和可测性将焊接系统输入变量重新分类，定义熔池或母材 高度为不可测扰动，电网电压为可测扰动，得到包含扰动的系统状态空间模 型。然后，将模型离散化和无量纲化处理。为了消除静态误差，建立了增量化 系统模型。针对旋转电弧窄间隙 GMAW 过程的强耦合、高阶、扰动等特性，按照 预测控制的三大基本原理：“预测模型——滚动优化——反馈校正”，在状态可 测假设下，推导出旋转电弧窄间隙 GMAW 过程的预测方程，然后求得预测控制优 化问题的数学描述和最优控制序列，所设计的预测控制器具有“前馈——反馈” 结构。最后，求得考虑不可测扰动影响时预测控制系统闭环解。通过核实闭环 系统矩阵特征值都位于单位圆内，证明闭环系统的渐近稳定性。然后，在稳定 的条件下，讨论系统的性能：当可测扰动与不可测扰动趋于不变时，预测控制 系统可以实现无静差跟踪。 仿真验证了送丝电枢电压冲激和位置斜坡偏差这两 种扰动下所设计的闭环预测控制系统可以稳定运行，并且静态无差。 4. 设计了基于反馈校正观测器对系统状态进行估计的旋转电弧窄间隙 GMAW 预测控制系统