陶 力

(貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

電解鋁行業(yè)中使用了大量的電解槽，電解槽在運(yùn)行過(guò)程中需要在陽(yáng)極和鋁液的上面覆蓋厚厚的電解質(zhì)、氟化鹽等粉末材料，目的是對(duì)電解槽起到保溫作用。然而這些粉末材料在高溫、電解等的作用下會(huì)不斷的緊密連接，最后形成1層厚度100～150 mm的致密殼層，就是我們通常所說(shuō)的電解質(zhì)殼面。電解質(zhì)殼面的存在本身對(duì)電解槽的運(yùn)行并無(wú)太大的影響，但是對(duì)于一些特殊的工作環(huán)節(jié)來(lái)說(shuō)，電解質(zhì)殼面的存在卻給這些工作帶來(lái)了不小的麻煩。由于電解質(zhì)殼面連接緊密，時(shí)常與陽(yáng)極炭塊粘粘在一起，這是當(dāng)陽(yáng)極需要更換的時(shí)候如果不把這層電解質(zhì)殼面與陽(yáng)極炭塊分離，則無(wú)法拔出陽(yáng)極炭塊，如果這種粘粘過(guò)于牢固，拔極的過(guò)程還會(huì)出現(xiàn)陽(yáng)極炭塊與陽(yáng)極鋁導(dǎo)桿脫落的事故。另外當(dāng)電解槽需要添加氧化鋁的時(shí)候也需要在這層致密的電解質(zhì)殼面上敲開(kāi)一個(gè)洞，才能順利的將氧化鋁粉添加進(jìn)電解槽進(jìn)行電解作用。還有就是當(dāng)陽(yáng)極炭塊出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，會(huì)有大量的炭塊脫落掉進(jìn)電解槽內(nèi)，這部分掉下來(lái)的炭渣會(huì)影響正常的鋁電解工作，需要定時(shí)將其打撈出來(lái)，這時(shí)同樣需要在電解質(zhì)殼面上打出一個(gè)孔洞來(lái)完成炭渣的撈取任務(wù)。

可是這層電解質(zhì)殼面既堅(jiān)韌又厚實(shí)，如果采用人工打殼的話對(duì)于工人來(lái)說(shuō)不但任務(wù)繁重，而且高溫鋁液也會(huì)帶來(lái)較大的安全隱患。電解多功能天車(chē)上帶有電解質(zhì)殼面打殼機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要用途是在更換陽(yáng)極時(shí)，將覆蓋在殘極頂部的覆蓋料結(jié)成的硬殼沿殘極四周進(jìn)行振動(dòng)破碎，以便殘極順利的取出，但是打殼機(jī)構(gòu)安裝于天車(chē)之上，對(duì)于平時(shí)地面所需的打殼作業(yè)來(lái)說(shuō)，調(diào)用具有較高負(fù)荷率的電解天車(chē)并不現(xiàn)實(shí)，因此開(kāi)發(fā)一種靈活方便的地面電解質(zhì)殼面打殼機(jī)顯得十分必要和迫切。

1 鋁電解槽地面打殼機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地面打殼機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1、圖2。圖1為地面打殼機(jī)工作時(shí)的示意圖；圖2為地面打殼機(jī)完成打殼任務(wù)后連桿收回停機(jī)待命的示意圖。

從圖中可見(jiàn)，地面打殼機(jī)由行走機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、伺服氣缸、打殼氣缸等零部件組成。由于每臺(tái)電解槽內(nèi)都需要使用壓縮空氣而且出鋁抬包也需要使用壓縮空氣，因而壓縮空氣管網(wǎng)在電解車(chē)間內(nèi)縱橫交錯(cuò)，處處可見(jiàn)，所以對(duì)于地面打殼機(jī)的動(dòng)力源來(lái)說(shuō)，選用壓縮空氣作為動(dòng)力來(lái)源將成為我們的首選。而且使用壓縮空氣作為動(dòng)力源，還可以避免在車(chē)間內(nèi)由于電解槽強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)電力等其他動(dòng)力源所帶來(lái)的干擾影響。地面打殼機(jī)的行走機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)裝置、底座鋼架、行走車(chē)輪和適當(dāng)?shù)呐渲亟M成。行走機(jī)構(gòu)可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置提供動(dòng)力，將地面打殼機(jī)移動(dòng)到需要打殼的工作位置上去，而驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力源可以采用現(xiàn)場(chǎng)供電，也可以通過(guò)自帶電池組進(jìn)行供電，還可以通過(guò)車(chē)間氣源提供動(dòng)力。

伺服氣缸和連桿機(jī)構(gòu)等部件安裝在行走機(jī)構(gòu)之上，跟隨行走機(jī)構(gòu)一起移動(dòng)。伺服氣缸和打殼氣缸的氣源由每臺(tái)電解槽兩端的車(chē)間壓縮空氣管道提供，通過(guò)快速接頭進(jìn)行連接，也可以由天車(chē)空壓機(jī)臨時(shí)提供壓縮空氣。工作時(shí)，當(dāng)行走機(jī)構(gòu)到達(dá)預(yù)定的工作位置后，伺服氣缸伸出，帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)將打殼氣缸送至電解槽內(nèi)需要破碎的電解質(zhì)殼面上方，然后打殼氣缸以及伺服氣缸同時(shí)動(dòng)作，合力完成打殼任務(wù)。當(dāng)打殼氣缸將電解質(zhì)殼面打穿后，伺服氣缸縮回帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)將打殼氣缸收回到待機(jī)位，整個(gè)打殼工作便宣告完成。此時(shí)在電解質(zhì)殼面上將會(huì)留下一個(gè)碗口大小的孔洞，用來(lái)完成陽(yáng)極炭渣撈取或氧化鋁粉末添加等工作。也可讓地面打殼機(jī)在兩個(gè)陽(yáng)極炭塊之間連續(xù)作業(yè)，將兩個(gè)陽(yáng)極炭塊之間緊密連接的電解質(zhì)震打破碎，為后續(xù)陽(yáng)極炭塊的更換提前做好準(zhǔn)備。

2 氣壓伺服定位技術(shù)的應(yīng)用

地面打殼機(jī)連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)作由氣缸提供驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)氣缸伸出到位時(shí)打殼機(jī)抵達(dá)打殼工位開(kāi)始打殼，打殼動(dòng)作完成后氣缸縮回，打殼機(jī)退回到預(yù)定位置為后續(xù)動(dòng)作做準(zhǔn)備。在整個(gè)打殼過(guò)程中，氣缸的伸出是否完成預(yù)定的行程將決定打殼動(dòng)作是否能夠順利進(jìn)行。傳統(tǒng)的氣缸只能靠增設(shè)接近開(kāi)關(guān)來(lái)控制氣缸伸出和縮回兩個(gè)極限位置，很難精準(zhǔn)控制在過(guò)程中任一點(diǎn)的停留位置，而且整個(gè)過(guò)程中氣缸的速度時(shí)快時(shí)慢，難以做到勻速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性欠缺。為此，我們?cè)诘孛娲驓C(jī)上選用了一種具有氣壓伺服技術(shù)的氣壓缸替代傳統(tǒng)氣缸。

氣壓伺服技術(shù)也稱為受控氣動(dòng)定位技術(shù)，氣壓伺服控制是以氣壓控制與換能元件為主要控制元件構(gòu)建的伺服控制系統(tǒng)，通過(guò)伺服閥、傳感器、閉環(huán)反饋、自動(dòng)控制、傳遞函數(shù)、算法理論、頻響等一系列復(fù)雜的流程來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與精密控制。氣壓伺服具有精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，但是氣壓伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工及裝配精度高，因而成本也相對(duì)較高。在此值得一提的是，由于空氣是一種可壓縮驅(qū)動(dòng)媒介，氣壓伺服實(shí)際上是“軟”定位技術(shù)。

該文中介紹的地面打殼機(jī)采用的氣壓伺服系統(tǒng)由一個(gè)帶線性電位計(jì)的氣缸、一個(gè)比例方向控制閥和一個(gè)定位控制器組成。通過(guò)氣壓伺服系統(tǒng)，氣缸能夠以位置控制方式移動(dòng)至預(yù)設(shè)目標(biāo)位置或以力控制的方式生成預(yù)設(shè)目標(biāo)力。這樣我們就可以用兩種不同的控制方式直接控制伺服氣缸來(lái)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)完成打殼氣缸的伸出、下壓和縮回等動(dòng)作。對(duì)于伺服氣缸和打殼氣缸的兩種控制方式分別為：

第一種控制方式(位置控制方式)：我們可以提前模擬并采集連桿帶動(dòng)打殼氣缸在電解質(zhì)殼面上方、下方以及連桿縮回等不同位置時(shí)伺服氣缸的伸出位置，然后對(duì)各個(gè)位置進(jìn)行記錄和標(biāo)定。在實(shí)際工作的時(shí)候，根據(jù)既定的先后順序使伺服氣缸伸出到設(shè)定的位置，在不同的工作位置上氣缸短暫停留，等待確認(rèn)后即可進(jìn)入下一階段。開(kāi)始打殼的時(shí)候伺服氣缸與打殼氣缸同時(shí)啟動(dòng)，打殼動(dòng)作與連桿臂下壓動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，最終完成打殼任務(wù)。

第二種控制方式(預(yù)設(shè)目標(biāo)力控制方式)：就是以力控制的方式生成預(yù)設(shè)目標(biāo)力來(lái)控制伺服氣缸的伸縮。當(dāng)行走機(jī)構(gòu)移動(dòng)到位后，伺服氣缸開(kāi)始伸出，連桿向外移動(dòng)將打殼氣缸送到電解質(zhì)殼面上方，當(dāng)打殼氣缸與電解質(zhì)殼面接觸時(shí)，打殼氣缸受到電解質(zhì)殼面的阻擋后無(wú)法繼續(xù)移動(dòng)，此時(shí)伺服氣缸壓力升高，當(dāng)這個(gè)力達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)值后，伺服氣缸開(kāi)始增壓同時(shí)啟動(dòng)打殼氣缸開(kāi)始震打破碎；當(dāng)電解質(zhì)殼面被打殼氣缸擊穿時(shí)，伺服氣缸壓力值瞬間下降，壓力值達(dá)到預(yù)設(shè)值后伺服氣缸開(kāi)始縮回，完成整個(gè)打殼任務(wù)。

3 地面打殼機(jī)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

地面打殼機(jī)的行走機(jī)構(gòu)可以選用目前行業(yè)中較為成熟的成套產(chǎn)品，見(jiàn)圖4。產(chǎn)品類型可以根據(jù)各鋁廠現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。目前可供選擇的類型包括：AGV自動(dòng)化小車(chē)、電纜卷筒供電無(wú)軌電動(dòng)平板車(chē)、自帶蓄電池?zé)o軌平板車(chē)、安全滑觸線供電平板車(chē)等。但是考慮到車(chē)間內(nèi)的地面障礙物較多的實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)最終選擇采用自帶蓄電池?zé)o軌平板車(chē)作為行走機(jī)構(gòu)的方案。

由于地面打殼機(jī)的使用場(chǎng)所是在鋁電解車(chē)間，車(chē)間內(nèi)的環(huán)境具有強(qiáng)磁場(chǎng)、氟化氫氣體腐蝕、多粉塵以及高溫等不利因素，并且地面平整度差，因而行走機(jī)構(gòu)還必須具備特殊的能力以克服上述不利因素的影響。

行走機(jī)構(gòu)需要具備的能力包括：

1)車(chē)輪需要采用彈簧懸掛，提高小車(chē)行駛速度并增強(qiáng)小車(chē)越障能力，同時(shí)在打殼氣缸動(dòng)作時(shí)可以有效的減輕震動(dòng)對(duì)整機(jī)的影響。另外小車(chē)應(yīng)能越過(guò)高度20 mm的地面障礙。

2)小車(chē)行走速度不宜過(guò)低，否則會(huì)影響工作效率，該速度宜為1.0 m/s。

3)車(chē)輪包覆材料采用橡膠可有效減輕行走過(guò)程中的震動(dòng)，同時(shí)車(chē)輪軸承應(yīng)加強(qiáng)防水和防塵的等級(jí)。

4)行走機(jī)構(gòu)需具備X、Y兩個(gè)方向的行走能力，同時(shí)應(yīng)具備原地掉頭的功能，其行走誤差宜為5 mm/m。

5)考慮到車(chē)間內(nèi)各種障礙物較多，而且存在人員穿梭的情況，小車(chē)還將具備自動(dòng)避障的功能(行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行前方2 m內(nèi)出現(xiàn)障礙時(shí)能自動(dòng)緩?fù)＃系K物消失后，繼續(xù)按之前的軌跡行走)。

6)小車(chē)電量降低到20 %以下時(shí)，可以自動(dòng)提醒充電。

7)行走機(jī)構(gòu)需要在相應(yīng)的部位考慮增設(shè)配重裝置，用來(lái)平衡連桿機(jī)構(gòu)伸出后連桿、打殼氣缸等產(chǎn)生的重心偏移，避免地面打殼機(jī)傾覆；同時(shí)配重的增設(shè)對(duì)于打殼機(jī)在打殼過(guò)程中也會(huì)提供很好的支持作用，避免打殼機(jī)因反作用力導(dǎo)致整體移動(dòng)。

4 地面打殼機(jī)的控制設(shè)計(jì)

現(xiàn)代鋁電解行業(yè)不斷的在向自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，地面打殼機(jī)在設(shè)計(jì)之初首先應(yīng)該自身具備智能化裝備的特點(diǎn)，這樣才能適應(yīng)不斷升級(jí)的電解車(chē)間，同時(shí)也為工藝智能化改造提供設(shè)備和技術(shù)支持。

地面打殼機(jī)在控制設(shè)計(jì)上需要具備的功能和特點(diǎn)有：

1)手動(dòng)控制

地面打殼機(jī)具備無(wú)線遙控或有線遙控控制的功能，手動(dòng)控制可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要將打殼機(jī)運(yùn)行到特定的位置進(jìn)行打殼作業(yè)，同時(shí)手動(dòng)控制可以完成非計(jì)劃內(nèi)的零星工作以及自動(dòng)控制故障狀態(tài)下的臨時(shí)作業(yè)。

2)自動(dòng)控制

地面打殼機(jī)可以通過(guò)采用預(yù)設(shè)軌跡和加貼二維碼標(biāo)識(shí)塊的方式實(shí)現(xiàn)行走和打殼功能自動(dòng)化控制。電解車(chē)間內(nèi)的電解槽是按一定的間距一字排開(kāi)的，因此車(chē)間里可以很方便的建立平面二維坐標(biāo)系，并且在坐標(biāo)系中設(shè)置相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)標(biāo)識(shí)塊。有了車(chē)間平面二維坐標(biāo)系標(biāo)定位后打殼機(jī)就能輕松的識(shí)別路線，也可以在通行的道路上設(shè)置二維碼帶，這樣打殼機(jī)行走機(jī)構(gòu)就可以按照預(yù)先設(shè)定好的行走路線而移動(dòng)了。地面打殼機(jī)到達(dá)預(yù)定位置后，可以通過(guò)增設(shè)的視覺(jué)輔助設(shè)備確定前方無(wú)任何障礙物以后執(zhí)行下一步的打殼作業(yè)。自動(dòng)控制可以大幅降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高打殼作業(yè)的工作效率，但是自動(dòng)控制對(duì)工藝整體自動(dòng)化管理水平和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作環(huán)境的要求較為嚴(yán)格，而且成本也較高。

3)激光測(cè)距

地面打殼機(jī)將設(shè)置激光測(cè)距裝置。激光測(cè)距裝置安裝于行走機(jī)構(gòu)上，它可以測(cè)量周?chē)矬w與打殼機(jī)之間的距離，幫助打殼機(jī)實(shí)現(xiàn)以下智能控制：①用以測(cè)量打殼機(jī)自身與電解槽、母線、陽(yáng)極等物體之間的距離，實(shí)現(xiàn)地面打殼機(jī)的工作位置定位功能；②通過(guò)激光測(cè)距在線測(cè)量地面打殼機(jī)與各種設(shè)備之間的距離，可以對(duì)打殼機(jī)的移動(dòng)路線進(jìn)行實(shí)時(shí)糾偏，確保打殼機(jī)按照規(guī)定的線路行進(jìn)。

4)智能避障

地面打殼機(jī)借助安裝在行走機(jī)構(gòu)上的超聲波傳感器對(duì)打殼機(jī)行進(jìn)路線上的臨時(shí)障礙物和突然進(jìn)入的工作人員進(jìn)行探測(cè)和感知，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常情況出現(xiàn)時(shí)作出停止運(yùn)行、規(guī)劃臨時(shí)線路、報(bào)警器聲光報(bào)警等動(dòng)作。

5 結(jié) 語(yǔ)

鋁電解槽地面打殼機(jī)的出現(xiàn)，使得電解槽打殼工作變得更加靈活方便，還可以減輕電解多功能天車(chē)的勞動(dòng)負(fù)荷?；跉鈮核欧?、自動(dòng)控制、激光測(cè)距等先進(jìn)智能控制技術(shù)設(shè)計(jì)的電解槽地面打殼機(jī)將更加契合電解車(chē)間智能化生產(chǎn)的時(shí)代背景，為車(chē)間智能化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)提供有力的裝備支撐。