機器人焊接與除塵系統(tǒng)聯(lián)控的節(jié)能改造

黃軼春，趙丕武，覃建想，譚 斌

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西柳州 545007）

0 引言

機器人焊接，特別是中厚板機器人焊接，在工程機械制造企業(yè)普遍應(yīng)用。機器人焊接在帶來效率和質(zhì)量提升的同時，處理其工作中產(chǎn)生的大量焊接煙塵是一個難點。目前大部分企業(yè)會為每一臺焊接機器人加裝獨立式單機焊接煙塵處理系統(tǒng)（以下簡稱為“除塵系統(tǒng)”），以解決該難點問題。但單獨加裝的除塵系統(tǒng)一旦開啟，不論焊接機器人是否處于工作狀態(tài)，若不手動關(guān)閉就會一直運行，導(dǎo)致用電浪費。為此，需要通過改造將除塵系統(tǒng)的啟停與焊接作業(yè)的執(zhí)行進行關(guān)聯(lián)，從而達到節(jié)約用電的效果。

1 現(xiàn)狀及存在問題

某工廠共有32 臺焊接機器人自帶除塵系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)總功率228.1 kW（表1）。其中，PLC 控制方式的有10臺，非PLC 控制方式的有22 臺。按每年工作300 d、每天工作時間20 h 計算（自動化設(shè)備三班運轉(zhuǎn)），除塵系統(tǒng)每日用電4560 kW·h，年用電量達136.86 萬千瓦時。

表1 焊接機器人除塵系統(tǒng)功率統(tǒng)計

經(jīng)觀察，每臺機器人在焊接過程中，存在機器人清槍、長焊縫焊接完畢后的冷卻、異常問題處理（碰槍、出絲不順暢）等停止焊接情況。

（1）A 型部件每件產(chǎn)品平均焊接時間410 min，停止焊接次數(shù)29 次，停止焊接時間140 min。其中，上下料時間平均20 min/件；異常停機次數(shù)4 次，異常停機總時間54 min/件（表2）。

表2 A 型部件焊接停機時間

（2）B 型部件每件產(chǎn)品平均焊接時間400 min，平均停止焊接時間98 min。其中，上下料時間平均13.3 min/件，異常停機次數(shù)平均7 次，異常停機總時間77 min/件（表3）。

表3 B 型部件焊接停機時間

機器人在停止焊接時間內(nèi)，除塵系統(tǒng)仍在滿負荷運行（除塵系統(tǒng)一直在50 Hz 工頻運轉(zhuǎn)）。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知，由此造成的用電損耗理論上達每年42.8 萬千瓦時（表4）。

表4 除塵系統(tǒng)用電量損耗數(shù)據(jù)

根據(jù)上述部件焊接停止時間數(shù)據(jù)進行分類（圖1）：

圖1 機器人焊接停止時間和次數(shù)

（1）T≤2 min 以及2 min＜T≤3 min 的停機有28 次，均為清槍尋位等正常停止焊接，占比51%；停機時間53 min，占比12%。

（2）3 min＜T≤4 min 的停機有2 次，均為異常停機，占比4%；停機時間4.05 min，占比1%。

（3）T＞4 min 的停機有25 次，均為上下料和異常停機，占比45%；停機時間374 min，占比87%。

從上述分類來看，如果在所有停焊時間內(nèi)都停止除塵系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，勢必會造成電機頻繁啟停，從而加速電機老化。因此，綜合考慮計劃剔除清槍尋位等正常停止焊接時間，以及T＜4 min 的異常停機處理時間，重點解決T>4 min 的焊接停止時間內(nèi)，除塵系統(tǒng)造成的用電損耗。

2 改造實施

2.1 除塵系統(tǒng)啟停與焊接作業(yè)聯(lián)控

（1）設(shè)置停止除塵系統(tǒng)運行的時間點為停止焊接后4 min，使除塵系統(tǒng)可以充分吸收殘余焊接煙塵，同時可以過濾T＜4 min 的停焊時間，從而避免因除塵系統(tǒng)電機頻繁啟停造成的損壞。

（2）設(shè)置自動啟動除塵系統(tǒng)的時間點為開始焊接4 s 后，可以避免因焊接異常造成的短暫停止，從而導(dǎo)致除塵系統(tǒng)電機空運轉(zhuǎn)。

2.2 PLC 控制的除塵系統(tǒng)聯(lián)控方式

通過增加1 個中間繼電器取得焊機送絲機的電流信號，并增加2 個時間繼電器用于控制除塵系統(tǒng)風(fēng)機啟停時間（圖2）。

圖2 PLC 控制的除塵系統(tǒng)聯(lián)控方式原理

圖3 非PLC 控制的除塵系統(tǒng)聯(lián)控方式原理

（1）在除塵器主接觸器安裝一個輔助觸頭，在觸頭上并接出一根24 V 電源線，該24 V 電源線連接到機器人電焊機負極主接觸器控制線圈連接點上。新增加KA5 中間繼電器，使用機器人焊機送絲電機的電源供電。

（2）送絲機得電送絲，KA5 中間繼電器線圈得電，常開觸點吸合、常閉觸點斷開。反吹系統(tǒng)KA3/KA4 中間繼電器線圈得電，反吹電磁閥工作。

（3）新增KT1 通電延時繼電器線圈得電，延時4 s 后KT1 常開觸點吸合，除塵器啟動輸入信號X1 得電，PLC 系統(tǒng)控制接觸器KM 線圈得電，除塵風(fēng)機啟動。

（4）KM 常閉觸點斷開，啟動輸入信號X1斷開（PLC 控制風(fēng)機啟動，為電動信號），防止啟動輸入信號X1 一直得電，無法正常停止風(fēng)機。KM 常開觸點吸合，KA5 中間繼電器線圈得電，KA5 常閉觸點斷開，新增的KT2通電延時繼電器不工作。

（5）機器人送絲機停止工作時，KA5 線圈失電，常閉觸點吸合，新增的KT2 通電延時繼電器線圈得電，延時4 min 后，KT2 常閉觸點斷開，除塵器停止輸入信號X2 失電，除塵器停機。KM 常開觸點斷開，KT2 通電延時繼電器線圈失電，常閉觸點吸合，除塵器停止輸入信號X2 得電，除塵器啟動。

2.3 非PLC 控制的除塵系統(tǒng)聯(lián)控方式

通過增加1 個中間繼電器取得焊接保護氣體的流量信號，并增加2 個時間繼電器用于控制除塵系統(tǒng)風(fēng)機啟停時間。

（1）當(dāng)機器人開始焊接時，氣體開關(guān)信號給到中間繼電器KA，線圈得電吸合，KT1 通電延遲時間繼電器線圈得電，4 min后KT1 導(dǎo)通。

（2）S3 開關(guān)打到遠控狀態(tài)時（11、14連通），KT1 導(dǎo)通后觸發(fā)KM 線圈得電，電機主電路得電，電機開始工作。此時KM常開點吸合（13、14），除塵風(fēng)機供電持續(xù)保持。

（3）當(dāng)焊接停止時，氣體開關(guān)無信號，KA 繼電器失電，KT1 立即斷開，KT2 斷電延時繼電器延遲4 s 后斷開，KM 線圈失電，除塵風(fēng)機停止工作。

3 節(jié)能效果

經(jīng)現(xiàn)場驗證，所有機器人已實現(xiàn)停止焊接超過4 min 后，除塵系統(tǒng)停止運行；開始焊接4 s 后除塵系統(tǒng)自動運行，實現(xiàn)了聯(lián)控功能。節(jié)能效果測算數(shù)據(jù)見表5。

表5 除塵系統(tǒng)節(jié)能效果測算

根據(jù)GB/T 28750—2012《節(jié)能量測量和驗證技術(shù)通則》[1]，節(jié)能量的計算公式為：

式中 Es——節(jié)能量，kW·h

Er——統(tǒng)計報告期能耗，kW·h

Ea——校準(zhǔn)能耗，kW·h

根據(jù)上述節(jié)能量測算數(shù)據(jù)，得出統(tǒng)計報告期能耗Er、校準(zhǔn)能耗Ea分別為：

按電費0.82 元/千瓦時計算，32 臺焊接機器人預(yù)計可節(jié)約用電213 299.25 kW·h，節(jié)約電費17.49 萬元。

4 結(jié)束語

獨立式單機除塵系統(tǒng)電機功率并不大，因此焊接機器人集成商往往忽略了除塵系統(tǒng)的耗電問題。但隨著焊接機器人投入數(shù)量的增多，除塵系統(tǒng)電機空運轉(zhuǎn)的耗電量積少成多，成為企業(yè)節(jié)能管理中不可忽視的環(huán)節(jié)。本文闡述了一種簡單的自動化控制方式，對大于4 min 的停焊時間內(nèi)實現(xiàn)除塵系統(tǒng)的聯(lián)控，以達到節(jié)能的效果。但實際上，小于4 min 的停止焊接時間仍有節(jié)能空間可以挖掘，可以通過加裝變頻器實現(xiàn)降頻運行等方式實現(xiàn)。另外，這種聯(lián)控方法還可供機器人集成商參考，在新設(shè)備的設(shè)計調(diào)試中就加入此項功能。