电解铝阳极钢爪高效自动焊接系统及实现方法与流程

本发明涉及电解铝阳极钢爪的焊接技术，特别涉及电解铝阳极钢爪高效自动焊接系统及实现方法，属于电解铝焊接技术领域。

背景技术：

电解铝阳极钢爪工作环境恶劣，在使用中容易受到侵蚀导致破坏，破坏到一定程度其导电性能会显著变坏，导致耗电量猛增，这时就必须换下钢爪进行修复或者更换新的钢爪，而很多钢爪损坏后其修复成本要明显低于更换新钢爪的成本，所以修复钢爪是电解铝企业中的一项日常工作，目前修复钢爪的主要手段是焊接，钢爪损坏分为其中的一根部分损坏和整个一根完全损坏，如果其中的一根部分损坏，需要将损坏的部分切除，然后加工一根与切除的长度相等的圆钢，将圆钢焊接在钢爪残留的端面上即可，这种情况下的焊接是圆钢与残留的圆钢之间的焊接，如果是整个一根损坏，因为横梁一般不易损坏，这时需要将该钢爪从与横梁连接的根部切除，然后将圆钢与横梁焊接在一起，这种情况下是圆钢与方钢之间的焊接。

目前的钢爪焊接有围焊法、熔铸焊等方法，这些方法在中国专利申请号2013102955205的背景技术中都进行了详细的介绍，这些方法显然不适合大规模电解铝低成本生产的要求，中国专利申请号2015108675866公开了一种用于阳极钢爪头的自动焊接方法，其属于窄间隙横焊，首先窄间隙焊接要求坡口两端面的平整度很高，人工气割的坡口肯定是不能用的，这方面是有实践证明的，其次，横焊质量本身就是较难保证的，再则具体到其具体操作中，钢爪头要烧损段气割切除，目前基本几乎没有粗圆棒自动切割设备，而人工切割表面即不平整、也不规则，很难保证要求的、余长，就算要后续焊接前将端面打磨光亮也是费时费力的，再者，钢爪有直线度要求，一般在±2mm，这就要求钢爪头烧损段气割切除后，修整到此端面与钢爪要求的垂直线的垂直度在±2mm，对此端面的加工要求就很高了，不是人工轻易能完成的，因为钢爪的结构很难上机加工机床来加工和保证其端面的尺寸，所以该方法大规模的应用性很差。

目前的钢爪修复焊接作业基本通过人工来完成，因为在目前的钢爪修复中，采用自动焊接系统效率太低，在过去的钢爪焊接修复中，一条有效的能够保证焊接后的电导率的焊接方式如图3所述，这种方式中，在圆钢要焊接的端部加工对称的两个坡面，残留在横梁上的钢爪或者横梁直接切割为平面，坡面与水平方向的夹角一般为25度到40度，坡面太陡(坡口角张口越小)的话，影响焊枪进入，坡面太小(坡口角张口越大)的话，需要堆焊的空间太大，耗材多、时间长，然后将需要焊接的两段顶在一起，通过人工在一侧的v形口焊接点固，此时，焊件因为焊接应力而会向上翘，然后翻过来进行在另一侧的v形口内焊填充满后，再翻过来把最初点固焊的那一侧的v形口内焊填充满。这种焊接场景下无法采用自动焊接系统，因为目前的自动焊接系统在执行自动焊接前需要首先示教，示教也称导引，即由用户导引焊接机器人（自动焊接系统），一步步按实际任务操作一遍，焊接机器人在导引过程中自动记忆示教的每个动作的位置、姿态、运动参数和工艺参数等，并自动生成一个连续执行全部操作的程序。完成示教后，给焊接机器人一个启动命令，焊接机器人将精确地按示教动作，一步步完成全部操作，这就是示教与再现，或者称之为对焊接机器人的编程。示教再现是机器人在焊接简单工件时的一种常用形式。以下是普通的焊接机器人示教工作过程：①新建一个文件，保存示教数据；②示教操作，控制焊接机器人一步步按实际任务操作一遍，在这个过程中记录示教时焊接机器人每个动作的位置、姿态、运动参数和工艺参数等；③使用跟踪操作，在示教过程中或完成后，检查或更正示教数据；④使用文件编辑操作，通过跟踪操作过程中或完成后，编辑细节完成程序；⑤示教完成后，在自动模式下进行焊接机器人空走来检验示教程序。具体到焊接作业中，自动化焊接设备在焊接工件时，需要定位工装将其固定，专业化的操作人员通过示教器进行示教工作，规划焊接路径和设计焊接参数。工件需要依靠定位工装将其与示教过的工件的形状和空间位置完全一致，以便机器人不在重复示教，能够进行重复性的焊接作业，这样对于规格统一且批量较大的工件来说，经济效益高，工作效率高。因为v形口内是逐层焊接的，所以若采用焊接机器人，则需要每焊接完成一层启动一次示教过程，这样示教时间太长，造成焊接效率太低，所以目前电解铝钢爪修复中没有大规模采用自动焊接系统的案例，而人工焊接又存在质量参差不齐、人工成本高、焊接环境恶劣等问题，而且由于电解铝生产企业一般规模都很大，所以阳极钢爪的焊接修复任务非常繁重，在目前的企业中，一般都专门设有专门的阳极钢爪焊接车间、分厂或子公司，但焊接工人就可能达到数十人甚至上百人，需要的焊接场地、工位也很多，每个工位上都要配置相应的抽风除尘系统、吊装工具，这种低效率、高成本而且基本没有标准的焊接方式实际上间接提高了电解铝行业的生产成本。所以若能够在保证焊接效率的情况下将自动焊接系统使用到电解铝刚爪的焊接修复中，不仅能够释放出大量的产业工人，而且还有利于保证质量，能够为电解铝行业高效精益的生产创造有利的条件。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服目前的阳极钢爪焊接修复中存在的上述问题，提供一种电解铝阳极钢爪高效自动焊接系统及实现方法。

为实现本发明的目的，采用了下述的技术方案：电解铝阳极钢爪高效自动焊接系统，包括阳极钢爪固定架，所述的自动焊接系统还包括焊接机器人和机械臂测量装置，所述的焊接机器人包括控制系统，所述的机械臂测量装置包括机械臂和计算机系统，所述的计算机与焊接机器人的控制系统相通讯，所述的机械臂包括立柱，在所述的立柱上通过水平旋转关节一转动连接有第一测量臂，水平旋转关节一上连接有角度传感器一，第二测量臂通过水平旋转关节二转动在第一测量臂的末端，水平旋转关节二上连接有角度传感器二；在第二测量臂末端上下方向滑动设置有z轴测量头，与z轴测量头配合设置有位移传感器，所述的角度传感器一、角度传感器二、位移传感器均连接至计算机系统。

进一步的；所述的角度传感器一、角度传感器二分别为旋转编码器一、旋转编码器二，两个旋转编码器分别连接在两个关节的旋转件上。

进一步的；所述的位移传感器为：所述的z轴测量头固定连接在滑块上或者与滑块一体设置，滑块配合设置在导轨上，导轨固定连接在第二测量臂上，滑块位于导轨外部的面为齿条结构，与齿条配合设置有齿轮，齿轮转动连接在第二测量臂上，在齿轮的转动轴上连接有旋转编码器三。

进一步的；在第二测量臂末端通过螺孔旋接有滑块顶紧螺栓，拧紧头顶紧螺栓后，顶紧螺栓顶紧滑块不能自由滑动。

进一步的；z轴测量头下端的直径小于0.5mm。

进一步的；所述的阳极钢爪固定架固定安装在小车上，小车设置在道轨上，小车通过链条驱动，在焊接机器人上部设置有抽风除尘罩。

电解铝阳极钢爪高效自动焊接实现方法，采用上述的电解铝阳极钢爪高效自动焊接系统，包括以下步骤：

第一步：将钢爪损坏的部分沿竖直方向切掉，形成竖直方向的焊接端面；加工需要长度的新圆钢，新圆钢与钢爪的直径相等，在新圆钢的焊接端或者阳极的焊接端面任一个上开设上下两个斜面，两个斜面之间的夹角为50度至80度，将新圆钢焊接端对接在钢爪切割掉的部位，新圆钢与原钢爪同心，对接后新圆钢的焊接端与钢爪之间形成v形坡口；

第二步：采用人工在一侧的v形坡口底部通过点焊将新圆钢与钢爪之间相固定；

第三步：将需要焊接的钢爪置放到阳极钢爪固定架上，移动到焊接机器人和机械臂测量装置的作业范围内，钢爪置放到阳极钢爪固定架上后，v形坡口底角的等分线为竖直方向的线；朝上的v形坡口为第二步中未进行底部点焊的；

第四步：手持z轴测量头测量用于表征v形坡口形状的关键点，所述的测量用于表征v形坡口形状的关键点至少包括v形底两端的两个端点，测量过程中计算机记录测量用于表征v形坡口形状的关键点的空间坐标；

第五步：如斜面在钢爪上开设，视觉观察斜面上是否有缺陷，如斜面在新圆钢上开设，视觉观察焊接端面上是否有缺陷，缺陷包括凹坑、凸起；如果有缺陷，测量能够表征缺陷形状的缺陷关键点，如果没有缺陷，则直接进行第六步；

第六步：计算机根据测得的关键点的信息得到v形坡口的形状和空间位置，得到v形坡口的形状的过程中，若第四步中的关键点只测量了v形底两端的两个端点的两个端点，在新圆钢与钢爪上残留的圆钢之间的焊接时，计算机结合新圆钢的直径、两个斜面与水平方向之间的夹角得到v形坡口的形状，在新圆钢与横梁之间焊接时，计算机结合新圆钢的直径、两个斜面与水平方向之间的夹角及横梁的形状尺寸得到v形坡口的形状，在若关键点还包含了斜面上的最高点或者斜面边缘的其它任意两个点、以及v形坡口斜面相对面边缘上的任意点，则直接通过关键点的空间坐标位置得到v形坡口的形状；若第五步进行了缺陷关键点测量，则计算机根据缺陷关键点的位置数据得到缺陷的形状和位置；

第七步：计算机根据v形坡口的形状以及缺陷的形状和位置规划出整体焊接路径；

第八步：计算机将规划好的整体焊接路径和v形坡口的空间位置信息传输至焊接机器人；

第九步：焊接机器人根据整体焊接路径和v形坡口的空间位置信息从v形坡口底部开始逐层焊接，直至将整个v形坡口堆焊满；

第十步：将钢爪翻转180度，另一侧的坡口朝上；执行第三步至第九步。

进一步的；第一步中所述的两个斜面上下对称，当修复是新圆钢与钢爪上残留的圆钢之间的焊接时，两个斜面开设在新圆钢上，当修复是新圆钢与横梁之间焊接时，两个斜面开设在横梁上。

进一步的；所述的两个斜面之间的夹角为70±4度。

进一步的；第五步所述的能够表征缺陷形状的缺陷关键点包括以下：若缺陷是凹坑或凸起，缺陷关键点包括底部边缘上的至少两个、最上部边缘上的至少两个点，如缺陷是斜面，则缺陷关键点包括至少斜面在斜率变化位置的点以及斜率变化位置的点两侧的点。

本发明的积极有益效果在于：本发明通过机械测量臂能够准确的测定出v形坡口的形状，若v形坡口内缺陷，完成用于表征v形坡口形状的关键点测量后，还可以测量出缺陷的关键点来确定缺陷的形状和位置，经过计算机处理后得到整体的焊接路径（包含了缺陷部位的焊接规划），然后发送给焊接机器人即可对点焊后的圆钢焊接到阳极上，基本实现了整个焊接过程的自动化，本方法中只需要一次测量（测量时间大为1分钟）即可完成整个焊接缺口和部位的表征和识别，不需要在每层焊接完成后下一层焊接前对焊接机器人进行示教，省去了大量的示教时间，从效率方面实现了钢爪阳极自动焊接，而且本方法中由于具有缺陷识别测量，能够对形成v坡口的钢爪端的面上的各种缺陷进行形状和位置识别，所以本申请中v坡口的钢爪端的面的加工要求变得不那么苛刻，即使有高低不平的凹坑、凸起、垂直度不佳、部分倾斜、台阶都可以通过机械测量臂测量其空间位置准确的表征出来，融入焊接路径设计规划中，保证焊接时不会出现空洞从而保证阳极修复后的电电导率，对v坡口的钢爪端的面处理要求降低后有重大意义，因为目前的阳极修复中钢爪端的面切割不可能齐整，也不能引入机加工工艺对钢爪端的面进行处理（因为阳极钢爪整体无法机加工，新圆钢可以机加工），这种情况下如果对钢爪端的面的垂直度、平整度要求高的话将不得不采用人工打磨，而人工打磨效率是非常低的，所以建立在质量要求较高的钢爪端的面基础上的自动焊接方法将毫无意义，本申请中，正是因为机械测量臂能够对钢爪端的面上的各种缺陷进行快速的表征，而规划焊接路径时可以将各种缺陷融入，在自动焊接环节实现对缺陷的全面覆盖，所以使本发明中的钢爪端的面切割处理变的非常简单，为阳极钢爪实现自动焊接提供了效率和质量的双重保证。

附图说明

图1是本自动焊接系统的示意图。

图2是机械测量臂的示意图。

图3是图2中的部分放大图。

图4是新圆钢与钢爪上残留的圆钢之间焊接部位的示意图。

图5是修复是新圆钢与横梁之间焊接部位的示意图。

具体实施方式

为了更充分的解释本发明的实施，提供本发明的实施实例，这些实施实例仅仅是对本发明的阐述，不限制本发明的范围。

结合附图对本发明进行进一步详细的说明，附图中各标记为：1机架；2：机械测量臂；3：焊接机器人；4：道轨；5：小车；6：阳极钢爪固定架；7：抽风除尘罩；8：新原钢；9：钢爪上残留的圆钢；10：斜面；11：v形坡口；12：横梁；201：立柱；202：水平旋转关节一；203：第一测量臂；204：水平旋转关节二；205：第二测量臂；206：z轴测量头；207：滑块；208：导轨；209：齿轮；210：顶紧螺栓。

电解铝阳极钢爪高效自动焊接系统，包括阳极钢爪固定架6，图1中示意出了两种高低不同的固定架，其中一个用于新圆钢与钢爪上残留的圆钢之间的焊接，另一个用于新圆钢与横梁之间焊接，所述的阳极钢爪固定架固定安装在小车上5，小车设置在道轨4上，小车通过链条驱动，电机驱动链条，小车带有刹车，在焊接机器人上部设置有抽风除尘罩7。

所述的自动焊接系统还包括焊接机器人3和机械臂测量装置2，所述的焊接机器人包括控制系统，所述的机械臂测量装置包括机械臂和计算机系统，所述的计算机与焊接机器人的控制系统相通讯，所述的机械臂包括立柱201，在所述的立柱上通过水平旋转关节一202转动连接有第一测量臂203，水平旋转关节一上连接有角度传感器一，第二测量臂205通过水平旋转关节二204转动在第一测量臂的末端，水平旋转关节二上连接有角度传感器二；所述的角度传感器一、角度传感器二分别为旋转编码器一、旋转编码器二，两个旋转编码器分别连接在两个关节的旋转件上，在第二测量臂末端上下方向滑动设置有z轴测量头206，与z轴测量头配合设置有位移传感器，所述的角度传感器一、角度传感器二、位移传感器均连接至计算机系统。水平旋转关节可采用轴承，轴承中可以为内圈转动，也可以为外圈转动，旋转编码器连接在转动架上，这是目前的常用技术，所述的位移传感器为：所述的z轴测量头固定连接在滑块207上或者与滑块一体设置，滑块配合设置在导轨208上，导轨固定连接在第二测量臂上，滑块位于导轨外部的面为齿条结构，与齿条配合设置有齿轮209，齿轮转动连接在第二测量臂上，在齿轮的转动轴上连接有旋转编码器三。可以与齿轮固定连接有齿轮轴，旋转编码器三连接在齿轮轴上。在第二测量臂末端通过螺孔旋接有滑块顶紧螺栓210，拧紧顶紧螺栓后，顶紧螺栓顶紧滑块不能自由滑动。松开顶紧螺栓后，z轴可自由滑动，z轴测量头下端的直径小于0.5mm，这样可以保证示教误差在0.5mm之内，满足焊接精度要求。本申请中，机械臂中的编码器型号可采用penon旋转增量式编码器m50l5000zg0c，旋转关节中的可采用回转支撑平面轴承，型号可采用xru3515ru66轴承。

本机械测量臂的的结构为成熟的scara机器人结构，申请人的创新之处在于采用scara机器人结构作为测量臂作为焊接机器人测量设备，降低了测量难度，代替了每次示教，提高了效率电解铝阳极钢爪高效自动焊接实现方法，采用上述的电解铝阳极钢爪高效自动焊接系统，包括以下步骤：

第一步：将钢爪损坏的部分沿竖直方向切掉，形成竖直方向的焊接端面；加工需要长度的新圆钢，新圆钢与钢爪的直径相等，在新圆钢的焊接端或者阳极的焊接端面任一个上开设上下两个斜面，两个斜面之间的夹角为50度至80度，将新圆钢焊接端对接在钢爪切割掉的部位，新圆钢与原钢爪同心，对接后新圆钢的焊接端与钢爪之间形成v形坡口；

第二步：采用人工在一侧的v形坡口底部通过点焊将新圆钢与钢爪之间相固定；

第三步：将需要焊接的钢爪置放到阳极钢爪固定架上，移动到焊接机器人和机械臂测量装置的作业范围内，钢爪置放到阳极钢爪固定架上后，v形坡口底角的等分线为竖直方向的线；朝上的v形坡口为第二步中未进行底部点焊的；

第四步：手持z轴测量头测量用于表征v形坡口形状的关键点，所述的测量用于表征v形坡口形状的关键点至少包括v形底两端的两个端点，测量过程中计算机记录测量用于表征v形坡口形状的关键点的空间坐标；

第五步：如斜面在钢爪上开设，视觉观察斜面上是否有缺陷，如斜面在新圆钢上开设，视觉观察焊接端面上是否有缺陷，缺陷包括凹坑、凸起；如果有缺陷，测量能够表征缺陷形状的缺陷关键点，如果没有缺陷，则直接进行第六步；

第六步：计算机根据测得的关键点的信息得到v形坡口的形状和空间位置，得到v形坡口的形状的过程中，若第四步中的关键点只测量了v形底两端的两个端点的两个端点，在新圆钢与钢爪上残留的圆钢之间的焊接时，计算机结合新圆钢的直径、两个斜面与水平方向之间的夹角得到v形坡口的形状，在新圆钢与横梁之间焊接时，计算机结合新圆钢的直径、两个斜面与水平方向之间的夹角及横梁的形状尺寸得到v形坡口的形状，在若关键点还包含了斜面上的最高点或者斜面边缘的其它任意两个点、以及v形坡口斜面相对面边缘上的任意点，则直接通过关键点的空间坐标位置得到v形坡口的形状；若第五步进行了缺陷关键点测量，则计算机根据缺陷关键点的位置数据得到缺陷的形状和位置；

第七步：计算机根据v形坡口的形状以及缺陷的形状和位置规划出整体焊接路径；目前根据v形坡口的形状以及缺陷的形状和位置规划出整体焊接路径是现有技术，根据坡口形貌规划焊接路径已有多层多道焊离线编程软件，例如可以采用octave，目前技术人员可以采用多层多道焊离线编程软件规划出整体焊接路径；

第八步：计算机将规划好的整体焊接路径和v形坡口的空间位置信息传输至焊接机器人；

第九步：焊接机器人根据整体焊接路径和v形坡口的空间位置信息从v形坡口底部开始逐层焊接，直至将整个v形坡口堆焊满；

第十步：将钢爪翻转180度，另一侧的坡口朝上；执行第三步至第九步。

进一步的；第一步中所述的两个斜面上下对称，当修复是新圆钢与钢爪上残留的圆钢之间的焊接时，两个斜面开设在新圆钢上，当修复是新圆钢与横梁之间焊接时，两个斜面开设在横梁上。

进一步的；所述的两个斜面之间的夹角为70±4度。

进一步的；第五步所述的能够表征缺陷形状的缺陷关键点包括以下：若缺陷是凹坑或凸起，缺陷关键点包括底部边缘上的至少两个、最上部边缘上的至少两个点，如缺陷是斜面，则缺陷关键点包括至少斜面在斜率变化位置的点以及斜率变化位置的点两侧的点。

需要说明的是，有时候缺陷很不规整，这时可以多取一些关键点，并不会影响本发明的效率，因为机械测量臂的测量非常方便、速度快，根据对目前的钢爪焊接作业试用，每个钢爪焊接的测量时间一般在1分钟之内。