铝电解槽焊接机器人设计和实现 机械制造专业

1、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、

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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预测控制系统针对旋转电弧窄间隙GMAW过程状态中焊丝干伸长度和送丝速度难以直接测量的问题，引入状态观测器估计系统状态

7、。为了消除状态观测器初值估计偏差，采用反馈校正观测器配置闭环系统矩阵(A-KobC)的极点来改善系统动态性能。在系统满足可观性的条件下，推导出基于状态观测器的闭环预测控制系统的最优控制序列。具体讨论了极点未配置，消除单位圆上的极点，配置极点接近原点几种情况下预测闭环系统动态响应特性。最后，考察基于状态估计的预测控制系统闭环系统性能。通过核实系统系统矩阵特征值分布情况，证明分离定理成立时闭环预测控制系统具有渐近稳定性，并测试了基于送丝电枢电压冲激和位置斜坡偏差这两种扰动下所设计闭环预测控制系统的无静差跟踪特性。5开发出在铝电解槽狭小作业空间和恶劣高强度的工作环境下可代替工人的窄间隙旋转电弧焊接机

8、器人系统控制系统以Motion4N控制器为核心，实现对焊接过程和机器人运动的控制。机器人实时采集弧压信号，通过6个关节的同步运动规划出焊枪末端旋转电弧的三维空间曲线轨迹。焊枪采用扁平状结构（小于12mm），能够伸入窄间隙坡口中，与此同时，需要考虑水、电、机、气、丝等环节，因此结构精巧复杂，是系统的核心部件。机器人完成单个接头焊接的时间约为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，焊接质量的一致性和稳定性方面优于人工焊接。关键词：铝电解槽阴极钢棒，窄间隙旋弧焊接，工业机器人，模型预测控制ABSTRACTChina is the largest countrie

9、s producing aluminum all over the world. In 2017,China produced 36.3 million tons of primary aluminum, making up60% of global production.However,the research on basic theory and key technologies of aluminum electrolysis technology in China is weak,resulting in high resource consumption,low energy ut

10、ilization,copiousemission of three wastes, and low current efficiency.The most serious problemis the case thatthe service life of aluminum electrolytic cells in China is generally 4 to 6 years, which is 2 years less than the average life expectancy in foreign countries.Therefore,20%of electrolyzers

11、need to be overhauled each year.The quality of theconnectionbetween the cathode steel busbars and thesteel-aluminumexplosive welding plates has a significant impact on improving current uniformity, reducing production safety hazards, and increasing electrolytic cell life.However, ready-made automati

12、c welding equipment is difficult to apply because of the narrow operating space of the connection joint between the cathode steel busbars and the steel-aluminum explosive welding plates. Currently this work relys entirely on manual welding, which needs to be changed urgently. On the one hand, the wo

13、rking environment of the aluminum electrolysis factory is terriblely bad, and high temperature, dust, toxic gas, strong magnetism and noise threaten the safety of workers at all times. More importantly, quality of artificial welding joints depends entirely on the technical level of workers and is al

14、so affected by factors such as physical condition and poor mood. Therefore, it has important theoretical meaning and engineering value to develop welding robot replacing human workers in the narrow working space and the high strength working environment of the aluminum reduction cell. It can improve

15、 the welding efficiency and welding quality of the cathode steel busbar joints, increase the life of the aluminum electrolyzer and promote the application of the robot in the industrial field of our country. In this paper, several key problems of the cathode steel busbar welding robot for electrolyt

16、ic aluminium cells are studied. The main work and innovations are summarized as follows：1. A Novel Technical Scheme to Achieve High Efficiency Welding of Cathode Steel Busbars and Steel-Aluminum Explosive Welding PlatesAt present, there are two main ways to connect the cathode steel busbars and the

17、steel aluminum explosive welding plates in China and abroad：(1) the operation of the bolt copper plate riveting mode is convenient, and the electrical conductivity can meet the requirements at the initial installation, but the contact surface precision is accurate, and the oxidation deformation and

18、vibration will cause the contact resistance to increase; (2) The mode is welding connections by arc welding through the medium thickness of the steel plates. The joint has good electrical conductivity, but a total of 1,036,800 steel plates in one overhaul need to be welded for a 350kA aluminum elect

19、rolytic series, and the workload is very large. To this end, we put forward a new technical scheme: the steelaluminum explosive welding plate is positioned by the clamp of the cathode steel busbars, and a narrow weld (depth 180-220mm, gap 18-20mm, plate thickness 50-80mm) is formed. A narrow gap rot

20、ating-arc welding robot system is developed to weld automatically. The experimental results show that the technical scheme can reduce labor intensity, improve work efficiency, improve welding quality (10-30mV lower than artificial welding joint pressure), save energy and reducing emission (about ￥6

21、million per year for 350kA aluminum electrolysis series), improve current distribution and reduce the safety security threat in production operation.2. Mathematical and Physical Model of Narrow Gap Rotating-Arc GMAW ProcessBased on the welding arc physics, welding wire feeding and melting, power cir

22、cuit model, welding wire extension, droplet transfer and weld forming process, a sixth-order nonlinear state space equation of the rotating arc narrow gap GMAW process physical model is established. Then, the condition that the wire extension is much longer than that of the droplet radius and the dr

23、oplet displacement is established, and the system equation is decoupled and reduced to a third-order four-input single-output system. Based on the establishment of a small-signal linearization model near the static equilibrium point of the system, the welding current response characteristics in the

24、influence of the wire extension and the shape of the molten pool are determined. Finally, a new quantitative explanation is given for the phenomenon of bead deflection in narrow gap rotating-arc welding: the dynamic response of the wire extension is affected by the height of the weld pool, causing d

25、eviations and asymmetries in the welding deposition, thus welding road is skewed. In addition, based on this principle, the optimal torch rotation control strategy is planned.3. A Predictive Control System Based on Assumption of States Measured for Narrow Gap Rotating-Arc GMAW ProcessFirstly, the we

26、lding system input variables are reclassified according to controllability and testability, so the weld pool or base metal height is defined as unmeasurable disturbance, the grid voltage is measurable disturbance, and a system state space model containing disturbances is obtained. Then, the model is

27、 discretized and dimensionlessly processed. In order to eliminate static errors, an incremental system model is established. Narrow gap rotating-arc GMAW processcontrol is difficult for its strong coupling, high-order, disturbance and other characteristics. There are three basic principles of model

28、predictive control: Prediction Model Moving Horizon Optimization - Feedback Correction. Fisrt, deduce predictive model of the narrow gap rotating-arc GMAW process based on the assumption of states measured. Then the mathematical description and optimal control law of the predictive control optimizat

29、ion problem are obtained. The designed predictive controller has a feedforward-feedback structure. Finally, the closed-loop solution of the predictive control system is discussed when considering the influence of unmeasured disturbances. By verifying that the eigenvalues of the closed-loop system ma

30、trix lie within the unit circle, the asymptotic stability of the closed-loop system is proved. Then, under this stable conditions, the performance of the system is discussed: when the measurable disturbance and the unmeasurable disturbance tend to be constant, the predictive control system can achie

31、ve no static error tracking. The simulation verified that the closed-loop predictive control system designed under various perturbations of the wire feeding armature voltage impulse and positional slope deviation disturbance can operate stably, and there is no static difference.4. A Narrow Gap Rotat

32、ing-Arc GMAW Predictive Control System Based on a Feedback Correction Observer to Estimate the System StatesIn order to solve the problem that the states of rotating arc narrow gap GMAW process, namely the wire extension and wire feed speed, are difficult to measure directly, the state observer is i

33、ntroduced to estimate the system states. And to eliminate the initial state estimation bias of the state observer, the feedback correction observer is used to configure the pole of the closed-loop system matrix (A-KobC) to improve the dynamic performance of the system. Under the condition that the s

34、ystem is observable, the optimal control law of closed-loop predictive control system based on state observer is deduced. Specifically discuss the closed-loop system dynamic response characteristics of several cases: the pole is not configured, the pole is configured in the unit circle, the pole is

35、configured close to the origin of the situation. Finally, the closed-loop system performance of predictive control system based on state estimation is investigated. By verifying the distribution of the eigenvalues of the system system matrix, it is proved that the closed-loop predictive control syst

36、em has asymptotic stability when the separation theorem is established, and the closed-loop predictive control based on the wire feeding armature voltage impulse and the positional slope deviation perturbation is tested. The system has no static difference tracking feature.5. A Narrow Gap Rotating-A

37、rc Welding Robot System Replacing Workers in the Narrow Working Space of Electrolytic Aluminium Cells and Harsh High-Strength Work EnvironmentThe control system takes the Motion4N controller as the core to realize the control of the welding process and robot motion. According to the arc voltage sign

38、al, the robot in real time plans the three-dimensional curve of the rotating arc at the tip of the welding torch through the synchronous motion of the six joints. The welding gun adopts a flat structure (less than 12mm) and can work in a narrow gap groove. Besides, water, electricity, machinery, gas

39、, and wire are considered at the same time. Therefore, the welding gun structure is delicate and complex, and it is the core component of the system. The time for the robot to complete the welding of a single joint is approximately 15 minutes, which is a significant increase over the previous 1-2 ho

40、urs of manual labor. The robot welding joint pressure is reduced to 7mV, and the welding quality consistency and stability are better than manual welding.Key Words: Steel Cathode Busbars in Electrolytic Aluminium Cells, Narrow Gap Rotating-Arc Welding, Industrial Robot, Model Predictive Control目 录摘

41、要IABSTRACTV目 录XI第1章 绪论11.1 研究背景11.2 选题意义61.2.1 焊接质量均匀一致61.2.2 节能降耗减排61.2.3 改善工人作业环境71.3 国内外研究现状91.3.1 窄间隙焊接技术国内外现状91.3.2 焊接传感技术国内外现状191.3.3 旋转电弧建模国内外现状281.3.4 焊接过程控制算法国内外现状311.4 论文结构40第2章 铝电解槽阴极钢棒焊接机器人方案设计与优化432.1 第一代双臂机器人方案设计432.2 第一代双臂机器人研究难点442.2.1 难点1：钢板厚度偏差452.2.2 难点2：焊接角度可达性452.2.3 难点3：钢板变形控制4

42、62.2.4 难点4：焊缝尺寸信息提取462.3 第二代窄间隙旋弧焊接机器人方案优化472.3.1 阴极钢棒接头改进472.3.2 系统总体结构设计482.3.3 控制系统硬件框架502.3.4 控制系统软件框架522.3.5 机器人运动学模型532.4 第二代窄间隙旋弧焊接机器人研究难点612.4.1 难点1：焊接变形控制612.4.2 难点2：侧壁融合问题632.4.3 难点3：熔融金属溢流问题672.4.4 难点4：可靠性问题682.5 小结68第3章 旋转电弧窄间隙GMAW过程的数学物理模型713.1 引言713.2 旋转电弧窄间隙GMAW过程机理分析733.2.1 焊接电弧物理733

43、.2.2 焊丝送给速度743.2.3 焊丝熔化率773.2.4 焊丝干伸长773.2.5 焊接电源回路模型773.2.6 熔滴过渡特性783.3 旋转电弧窄间隙GMAW焊缝成形及熔池形状793.4 旋转电弧窄间隙GMAW过程焊缝跟踪传感器静态模型823.4.1 焊缝跟踪技术概述823.4.2 电弧传感器基本原理823.4.3 旋弧焊系统控制目标843.4.4 电弧传感器静态模型数学表达式853.5 旋转电弧窄间隙GMAW过程动态模型方程建立873.5.1 旋弧焊接过程状态空间模型873.5.2 小信号线性化近似模型893.5.3 输入输出变量无量纲化处理933.6 焊道偏斜现象及焊枪旋转控制策

44、略943.6.1 焊道偏斜现象943.6.2 焊丝干伸变化时焊接电流响应特性953.6.3 熔池形状对系统响应特性的影响973.6.4 焊丝干伸变化和熔池形状共同作用对焊道偏斜的影响973.6.5 焊枪旋转控制策略983.7 小结101第4章 基于状态可测的旋转电弧窄间隙GMAW预测控制系统1034.1 引言1034.2 基于状态空间模型的预测模型1044.2.1 连续时间状态空间模型1044.2.2 连续时间模型离散化1054.2.3 增量模型1064.2.4 状态与输出变量预测1084.3 求解优化问题1134.3.1 优化问题的数学描述1134.3.2 送丝电枢电压冲激扰动下优化问题求解

45、1164.3.3 位置斜坡偏差扰动下优化问题求解1174.4 滚动时域优化1194.4.1 送丝电枢电压冲激扰动下滚动时域优化1204.4.2 位置斜坡偏差扰动下滚动时域优化1244.5 “前馈反馈”校正结构1284.5.1 闭环预测控制系统稳定性分析1304.5.2 闭环预测控制系统稳态误差1324.5.3 多扰动下基于状态可测的闭环预测控制系统响应1354.6 小结136第5章 基于状态估计的旋转电弧窄间隙GMAW预测控制系统1395.1 引言1395.2 状态观测器形式1395.2.1 开环估计器形式1395.2.2 反馈校正状态观测器形式1405.3 基于估计的闭环预测控制器性能分析1

46、415.4 状态估计初值偏差下系统响应特性1435.4.1 开环估计器系统响应1445.4.2 估计器极点配置后系统响应1455.5 基于估计的闭环预测控制系统响应1485.5.1 闭环系统分离原理1485.5.2 多扰动下基于估计的闭环预测控制系统性能测试1495.6 小结150第6章 铝电解槽阴极钢棒焊接机器人现场实验1536.1 机器人组装测试现场1536.2 实验室焊接机器人测试1546.2.1 焊接机器人性能指标1546.2.2 机器人轨迹规划实验1546.2.3 模型简化与仿真1566.2.4 三维动画仿真1596.2.5 焊缝自动跟踪实验1596.3 铝电解现场焊接机器人测试与实

47、验1626.3.1 遵义铝厂不带电焊接测试1626.3.2 遵义铝厂带电焊接实验1646.4 焊接接头质量评估与测试1676.5 焊接机器人系统优化1706.5.1 机器人结构优化1706.5.2 双焊枪协调焊接系统性能实验1716.5.3 熔池温度场建模1736.5.4 焊接工艺评估优化1736.6 小结174第7章 总结与展望1777.1 全文总结1777.2 下一步工作展望178参考文献181致谢191作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果193第1章 绪论1.1 研究背景2017年我国原铝产量同比增加14.4%，达3630万吨，连续14年世界第一，占全球总产量60%。当前，我国

48、现有124个产业中，有113个行业使用铝制品，产业关联度高达91%。作为当前用途十分广泛的、最经济适用的材料之一，铝及其合金不仅是我国乃至世界各国经济建设的重要基础材料（如建筑，饮食，运输等），而且在国家重大需求息息相关的前沿领域中的应用不断增加（如大型飞机，载人航天，探月工程等）。目前冰晶石-氧化铝熔融电解法仍然是工业生产原铝的唯一方法1。多年来，为了探索新的方法，曾经试验了多种炼铝新方法，如碳热法、氯化铝法等，虽然取得了一定的进展，但在可以预见的未来都不能在经济上和规模上与熔盐电解法相匹敌。铝电解是在铝电解槽中进行，以熔融冰晶石为溶剂，氧化铝为溶质，以炭素体为阳极，铝液为阴极，在大电流直流

49、电作用下，使得作业温度一般是在940960，电解的结果是在阴极得到熔融的金属铝和阳极析出CO2。 图 1.1 铝电解槽剖面图1浓相输送 2汽缸3铝导杆 4阳极横母线 5阳极卡具 6钢爪 7冰晶石电解质 8钢壳 9阴极钢棒 10底板炭块 11热绝缘层 12母线 13铝液 14阳极碳块 15侧部炉帮 16打壳锤头 17顶部结壳 18上部保温料19槽盖板 20立柱母线 21氧化铝仓 22槽气体出口如图 1.1所示为工业炼铝的铝电解槽结构。从整流所供给的直流电流通过槽上的碳阳极，流经熔融电解质，进入铝液层熔池和炭块阴极。铝液层熔池同炭块阴极联合组成了阴极，铝液的表面为阴极表面。阴极碳块内的钢棒汇集了电

50、流，再由地沟母线导向下一台电解槽的阳极母线。由此可见阴极钢棒和铝母线之间连接质量的好坏，对提高铝电解槽生产运行指标、延长槽寿命、降低铝生产成本具有重要意义。然而，由于我国铝电解行业缺乏先进的研发理念和研发手段，造成我国铝电解技术基础理论与关键瓶颈技术研究不鲜明、不透彻。长期以来我国铝电解工业资源消耗高、能源利用率低、三废排放大。与国际先进水平相比，电流效率低3%，槽寿命少2年，电流密度低2.5 A/cm2，吨铝二氧化碳排放高1吨，严重制约我国铝电解工业在国际市场上的竞争力。如图 1.2所示，电解铝厂的作业环境极其恶劣：车间温度最高可达50，高浓度粉尘中含有氧化铝、沥青、石油焦等，磁感应强度高达

51、125Gs2，噪声危害，机械危害，电气危害等都时刻严重威胁着工人的健康和安全。 图 1.2 铝电解现场环境铝带母线和阴极钢棒的连接，一直是铝电解槽大修过程中相当棘手的难题。为了保证连接处接触电阻小，通常需要焊接进行连接。然而即使在焊接领域，铝和钢两种不同金属的连接因其熔点相差很大，也是一个难题。电解槽使用寿命一般是4到6年，每年平均有20%的电解槽将停槽大修。如图 1.3所示，是铝电解槽大修现场。GB 50586-2010铝母线焊接工程施工及验收规范中规定：如图 1.4所示，目前阴极钢棒接头形式主要有两种：一是压接方式，采用螺栓的方式与阴极钢棒压接；二是焊接方式，钢铝爆炸焊板与阴极钢棒是由6-

52、8mm厚的钢板采用电弧焊的方法连接3。在我国电解铝3630万吨产能中，90%电解系列阴极钢棒与铝母线软带之间采用的是焊接结构，5%采用螺栓铜板压接结构。 图 1.3 铝电解大修现场 (a) (b)图 1.4 母线连接方式对比(a)压降方式；(b)焊接方式。压接接头形式如图 1.5(a)所示。该方式操作方便，在电解系列投产初期可以表现较低的压降4。这种方式有以下缺点：一是装配时压接面的处理，如表面粗糙度要求高，连接螺栓紧固的松紧程度需要掌握得当；二是尽管初期安装时导电性可以满足要求，但阴极钢棒端部温度在220左右，不可避免会发生变形与氧化，加之电解过程打壳、下料气动工具产生的振动，使得两个部件的

53、结合不再紧密，电解车间的粉尘粒子进入二者之间，加剧接触电阻阻值。每个压接点压降差异大，对电解槽电流平衡影响较大，这是该方式最大的问题。 (a) (b) 图 1.5 阴极钢棒接头焊接接头形式如图 1.5(b)所示。该方式的焊接接头电阻小，导电性能好，运行稳定性好5。但是其焊接的工作量非常巨大，而且对工人的技术水平要求很高。焊接式压接器就是上述两种接头形式的结合，兼有二者的优点。通过对两个压接部件( 阴极钢棒头部与软带接头) 的加工处理，使两个结合面达到要求的光洁度和平整度，然后用焊接的方式将二者连接在一起6。这种方式在导电性能方面有明显的优势： (1) 阴极钢棒与软带接头连接质量好；(2) 压接

54、器连接处压降比压接式更均匀；（3) 阴极电流分布比压接式更均匀；（4) 在确保压接面处理、焊接质量的前提下，在电解槽运行过程中基本不需要对连接处进行维护检修，极大减小了检修工人的劳动强度。然而，该方式操作方面相对繁琐，投资费用高。特别指出，有一种接头形式早在1991年就被提出：阴极钢棒接头转化为一条狭窄焊缝7。但是在当时的技术条件下，焊接自动化水平整体非常落后，整个工作还是人工来完成。不仅效率没有大的提升，而且这种窄焊缝对焊工的操作技艺和焊接水平要求很高，因而这项研究并未引起广泛的关注。最终，这种接头形式并未得到推广。目前国内外解决方案基本就是以上焊接和压接这两种或者两者的结合与改进。本课题拟

55、采用自动化设备代替人工完成这项工作。因为人工进行这项工作不仅对工人的身体健康带来不利影响，同时也很难保证连续焊接的焊缝质量，对电解槽设备的后期应用带来严重的安全隐患。如果采用压接方式，即使采用机器人完成精确装配，对加工表面的要求还是会很高，长时间使用之后连接点稳定性，均匀性等问题依然会很凸出，因此我们依然采用焊接方式。类似人工焊接板的方式在目前技术条件下，具有很多难以克服的困难，很难实现自动化。因此实验中对阴极钢棒和钢铝爆炸焊板的连接方式提出改进：以阴极钢棒为基准的夹具对钢铝爆炸焊板进行定位，如图 1.6所示，在阴极钢棒和钢铝爆炸焊板之间形成一个待焊接的狭窄间隙。特别强调一点，阴极钢棒材料是碳

56、钢，钢铝爆炸焊板也是焊接钢板一侧，因此焊接母材是碳钢。只是应用场合在铝电解槽，不要因此就误认为是焊接铝。图 1.6 阴极母线接头钢板按厚度分为特厚板、厚板、中板、薄板和极薄五大类8。（将厚度大于60mm的钢板称为特厚板，厚度在2060mm的钢板称为厚板，厚度在4.520mm的钢板称为中板，厚度在0.24mm的钢板称为薄板，厚度小于0.2mm的钢板称为极薄带或箔材。）不同系列铝电解槽的阴极钢棒厚度范围在5080mm之间。中厚板焊接结构广泛应用于造船、大型桥梁、石油化工、锅炉容器、重型机械等工业部门，亦是当前和未来钢结构焊接的主流趋势。为了降低生产成本，提高生产效率和市场竞争力，国内外各主要制造商

57、都开始引入和研发中厚板焊接的机器人焊接系统，并逐渐取代传统的人工焊接9。通过将各个领域的中厚板自动焊接技术作为借鉴，引入铝行业可以有效地解决电解槽阴极钢棒连接处的焊接问题。我国作为世界产钢大国，不仅是铝电解槽大修，甚至各行各业中厚板焊接都是沿用传统的手工焊接作业方式，生产工艺落后，所生产的产品难以与国外同类公司竞争。以铝电解槽为例，我国铝电解槽寿命平均1300天，比国外电解槽少一年半10。随着对产品性能和质量要求的日益提高，焊接机器人具有的提高焊接质量、缩短工作时间、改善工作环境等优点不断凸显出来。实现焊接自动化与智能化正在成为必然趋势。综上所述，本课题以国家863项目“铝电解强磁场环境下特种机器人与焊接工艺关键技术研发（2013AA041002）” 为依托，致力于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，可以实现不同系列铝电解槽的阴极钢棒和钢铝爆炸焊板之间对接窄焊缝的快速自动焊接。该装置不仅能够降低工人劳动强度，提升工作效率，而且可以提高焊