鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

謝紹冬，馮清秀，曾淑華

（1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；2.江鈴汽車股份有限公司，南昌 330001）

0 引言

火力發(fā)電仍然是我國(guó)主要發(fā)電方式，電站鍋爐是火力發(fā)電廠的重要組件之一[1]。在鍋爐運(yùn)行過程中，總會(huì)因?yàn)槿济憾谑軣崦娈a(chǎn)生積灰污染。積灰污染使得受熱面?zhèn)鳠釤嶙韬蜔煹劳L(fēng)阻力增加，熱效率和單位利用率下降，設(shè)備運(yùn)行和維修成本提高，最終導(dǎo)致電站鍋爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性很難實(shí)現(xiàn)[2,3]。鍋爐吹灰器是用于清掃鍋爐內(nèi)的積灰，吹灰器噴嘴對(duì)于吹灰效率及質(zhì)量具有重要作用。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)吹灰器噴嘴焊接方式主要還是人工或半自動(dòng)方式，這種方式生產(chǎn)效率低，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大。針對(duì)于某工廠吹灰器噴嘴焊接現(xiàn)狀，研發(fā)一套鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線。

1 鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線總體方案

1.1 鍋爐吹灰器噴嘴焊接生產(chǎn)流程

國(guó)內(nèi)鍋爐吹灰器主要以壓縮空氣或蒸汽為介質(zhì)。吹灰器將鋼管深入到鍋爐內(nèi)，介質(zhì)進(jìn)入鋼管并通過鋼管表面的噴嘴射向鍋爐受熱面，從而達(dá)到清洗的目的。噴嘴是通過保持一定的間距焊接在鋼管上的，首先在已經(jīng)校直的鋼管上鉆一定大小一定間距孔，然后將噴嘴裝入孔內(nèi)，最后經(jīng)過環(huán)形焊接而形成產(chǎn)品，生產(chǎn)流程如圖1所示。

1.2 鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線總體方案介紹

圖1 噴嘴焊接生產(chǎn)流程圖

噴嘴焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線總體方案如圖2所示。它主要由鉆孔系統(tǒng)、噴嘴上料系統(tǒng)、噴嘴環(huán)形焊接系統(tǒng)、輸送定位機(jī)構(gòu)以及上下料支架組成。鉆孔系統(tǒng)是由伺服電機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)組成的可以實(shí)現(xiàn)鉆孔快進(jìn)、工進(jìn)以及鉆速可調(diào)的系統(tǒng)。噴嘴上料系統(tǒng)是由振料盤和上料機(jī)械手組成，實(shí)現(xiàn)噴嘴自動(dòng)上料。噴嘴環(huán)形焊接系統(tǒng)是由松下電焊機(jī)、伺服電機(jī)、行星齒輪系以及定位機(jī)構(gòu)組成。輸送定位機(jī)構(gòu)是由兩組撥叉完成平面內(nèi)兩軸往復(fù)移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)鋼管向前移動(dòng)的，為保證工作協(xié)調(diào)性，同一時(shí)刻只有一組撥叉工作。上下料支架由支架和導(dǎo)輥組成。

工作時(shí)，已經(jīng)校直的鋼管放在上料支架上，在夾具夾緊時(shí)手動(dòng)鉆第一個(gè)孔，為后續(xù)自動(dòng)運(yùn)行做準(zhǔn)備。第一個(gè)孔鉆完后，進(jìn)入自動(dòng)模式，撥叉1機(jī)構(gòu)后退、下降、前進(jìn)、上升完成鋼管移動(dòng)一個(gè)噴嘴間距，當(dāng)移動(dòng)到位時(shí)，鉆孔系統(tǒng)動(dòng)作，完成快進(jìn)、工進(jìn)、鉆孔以及回原位動(dòng)作，當(dāng)回原位完成時(shí)進(jìn)入下一循環(huán)動(dòng)作。鋼管在撥叉1作用下前進(jìn)，當(dāng)噴嘴上料處檢測(cè)到鋼管到達(dá)，上料機(jī)械手完成下降、抓料、上升、前進(jìn)、下降、裝料、上升以及后退動(dòng)作，完成噴嘴裝料工序。當(dāng)焊接處檢測(cè)到有料，撥叉2機(jī)構(gòu)移動(dòng)鋼管，撥叉1機(jī)構(gòu)則停止工作，移動(dòng)到位后，焊槍下降，同時(shí)對(duì)噴嘴定位夾緊，此時(shí)行星齒輪系正轉(zhuǎn)（假設(shè)焊接數(shù)為奇數(shù)，下一次則為反轉(zhuǎn)）同時(shí)焊槍開始焊接，正轉(zhuǎn)焊接一圈后焊槍回原位，完成一個(gè)循環(huán)。整根鋼管焊接完成后進(jìn)入下料支架進(jìn)行下料。

圖2 鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì)方案

2 鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆孔系統(tǒng)要完成鋼管的自動(dòng)鉆孔，系統(tǒng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由松下A5伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副完成，電機(jī)功率為750W。絲杠由一對(duì)面對(duì)面安裝的角接觸球軸承支撐，采用雙螺母鎖緊方式。采用松下VF100變頻器對(duì)三相電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，三相電機(jī)和平板安裝在直線導(dǎo)軌上。整個(gè)系統(tǒng)豎直放置，為三相電機(jī)匹配一個(gè)配重塊，通過導(dǎo)輪放置于支持板后。鉆孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鉆孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 輸送定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼管的輸送定位是靠?jī)蓚€(gè)頂尖插入鋼管孔或者噴嘴內(nèi)孔實(shí)現(xiàn)的，頂尖相對(duì)位置可以調(diào)整，以適應(yīng)不同的噴嘴間距。兩個(gè)頂尖在水平氣缸和豎直氣缸作用下實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，氣缸選擇亞德客氣缸。輸送定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 輸送定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 噴嘴環(huán)形焊接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

行星齒輪系由大齒輪、小齒輪和行星架組成，大小齒輪齒數(shù)比為6：1。大齒輪用鍵固定于軸上，小齒輪與伺服電機(jī)相連。伺服電機(jī)固定于行星架上，行星架與套筒安裝在軸承外圈上。行星架另一側(cè)安裝松下焊槍，當(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，焊槍可以在行星架帶動(dòng)下做圓周運(yùn)動(dòng)。軸的下端固定錐形定位頂尖，焊接時(shí)，頂尖限制噴嘴5個(gè)自由度，在夾具夾緊時(shí)可以對(duì)噴嘴進(jìn)行焊接。軸安裝于支架上并鎖緊，整個(gè)支架安裝于機(jī)座上并在豎直氣缸作用下可以實(shí)現(xiàn)頂尖的上下移動(dòng)。噴嘴環(huán)形焊接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 噴嘴環(huán)形焊接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用觸摸屏和PLC結(jié)合控制方式實(shí)現(xiàn)鍋爐吹灰器噴嘴焊接生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制[4]。觸摸屏采用KINCO品牌的型號(hào)為MT6400T的產(chǎn)品，PLC則選用歐姆龍CP1H-X40DT和I/O擴(kuò)展模塊CP1W-20EDT。觸摸屏通過RS232與PLC通信，PLC則通過專用脈沖端口向伺服電機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)[5,6]。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示[7]。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏結(jié)構(gòu)如圖7所示，由開機(jī)界面自動(dòng)進(jìn)入工作方式選擇界面，共有五種工作方式選擇。在各種工作方式界面下，可以滿足對(duì)生產(chǎn)線的安裝、調(diào)試以及運(yùn)行的操作需求。

圖7 觸摸屏結(jié)構(gòu)圖

鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線主要工作方式分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。在手動(dòng)模式下能夠完成各個(gè)控制部分的單獨(dú)動(dòng)作，控制邏輯簡(jiǎn)單。在自動(dòng)模式下需要使鉆孔系統(tǒng)、噴嘴上料系統(tǒng)和環(huán)形焊接系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)精確的順序邏輯控制。自動(dòng)模式下的程序流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖8 自動(dòng)化生產(chǎn)線程序流程圖

根據(jù)某工廠的鍋爐吹灰器噴嘴焊接生產(chǎn)流程，設(shè)計(jì)了鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線，主要包括鉆孔系統(tǒng)、噴嘴上料系統(tǒng)、環(huán)形焊接系統(tǒng)以及輸送定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。用觸摸屏和PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)噴嘴焊接生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制。本生產(chǎn)線經(jīng)調(diào)試后已經(jīng)在工廠運(yùn)行，生產(chǎn)線工作穩(wěn)定，維護(hù)簡(jiǎn)單。鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動(dòng)化生產(chǎn)線不僅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

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