铝电解槽阴极钢棒窄间隙旋弧焊接机器人的关键技术研究

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题名	铝电解槽阴极钢棒窄间隙旋弧焊接机器人的关键技术研究
作者	毛一剑
答辩日期	2018-05-24
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	梁自泽 ; 景奉水
关键词	铝电解阴极钢棒窄间隙旋弧焊接工业机器人模型预测控制
英文摘要	我国原铝产量位居世界第一，但是铝电解关键技术和基础理论研究薄弱，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。我国的铝电解槽寿命只有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。大修质量的好坏，对延长槽寿命、降低铝生产成本具有重要意义。尤其是铝电解槽阴极钢棒和钢铝爆炸焊板连接质量的好坏直接影响到铝电解槽的电流分布、电能消耗、电流效率等经济技术指标。然而铝电解槽阴极钢棒和钢铝爆炸焊板连接处的作业空间狭窄，现有的自动化焊接机器人无法适应现场作业条件，目前完全依靠人工焊接。在高温、强磁场、高粉尘、大电流、有毒气体和高噪声等恶劣环境下，焊接作业人员劳动强度大、作业风险高、工作效率低。因此，研制强磁环境下替代人工作业的、自动化程度高的特种焊接机器人，对于提高生产稳定性、提升节能减排水平、促进铝电解行业的技术进步，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，主要工作如下： 1.针对现有阴极钢棒和钢铝爆炸焊板连接方式存在的诸多问题，提出了一种新的技术方案：以阴极钢棒为基准的夹具对钢铝爆炸焊板进行定位，形成一个狭窄焊缝用于自动焊接。该技术方案具有节省焊接材料、提高焊接质量、改善电流均布性、降低生产运行中的安全隐患等优点。 2.针对铝电解槽阴极钢棒和钢铝爆炸焊板之间狭窄焊缝的作业特点，提出了窄间隙旋弧焊接机器人系统的设计方案，建立了控制系统硬件框架、软件框架和机器人运动学模型，然后着重解决了几个关键技术难点：设计刚性固定夹具有效防止焊接变形；控制末端电弧旋转解决侧壁熔合问题；采用水冷滑块防止熔融金属溢流；焊接系统中机、电、水、气、磁、热等各个过程的综合考虑保证系统可靠运行；旋转电弧传感方式解决狭小作业空间窄间隙焊接的自动跟踪问题。 3.针对旋弧焊接过程静态模型难以应用各类先进控制算法实现高精度高灵敏度焊缝跟踪的问题，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、熔滴过渡及焊缝成形等过程的机理分析方法，建立了旋转电弧窄间隙焊接过程的动态模型。首先推导出系统模型的六阶非线性状态空间方程。然后在焊丝干伸长度远大于熔滴半径和熔滴过渡位移的条件下，系统方程解耦和降阶为三阶的四输入单输出系统。采用小信号线性化模型求得熔池形状和焊丝干伸变化时焊接电流响应特性。最后，对窄间隙旋弧焊中的焊道偏斜现象给出了新的定量解释。基于这一原理，提出最优的焊枪旋转控制策略。 4.针对旋转电弧窄间隙GMAW过程的强耦合、高阶、扰动等问题，提出一种对开环电压和焊枪高度进行滚动时域优化的策略，设计了在状态可测假设下的预测控制系统。首先建立包含扰动的系统状态空间模型，并将其离散化、无量纲化和增量化。在状态空间模型的框架下，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，并证明其具有渐近稳定性和无静差跟踪特性。仿真验证了送丝机电枢电压冲击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。 5.针对旋转电弧窄间隙GMAW过程系统状态不可测的问题，提出一种反馈校正估计焊接系统状态的策略，设计了基于状态估计的预测控制系统。首先，建立了系统状态可观性判据，并推导出基于状态估计器的闭环预测控制系统的最优控制序列，通过配置闭环系统矩阵的极点改善系统动态性能。然后，针对极点未配置、消除单位圆上的极点、配置极点接近原点几种情况，得到闭环预测控制系统动态响应特性。最后，仿真验证了基于送丝机电枢电压冲击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消除状态估计初值偏差。 6.针对铝电解工业现场的作业环境，开发出一套窄间隙旋弧焊接机器人系统，对提出的控制策略和机器人系统进行了实验验证。焊接机器人完成单个接头焊接需要15分钟，比过去人工1—2个小时的效率大幅提升。机器人焊接接头压降低于7mV，比过去人工的10—30mV的压降大幅降低。机器人焊接质量的一致性和稳定性远远优于人工焊接。
语种	中文
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/21166]
专题	毕业生_博士学位论文
作者单位	中国科学院自动化研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	毛一剑. 铝电解槽阴极钢棒窄间隙旋弧焊接机器人的关键技术研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2018.