謝紹冬，馮清秀，曾淑華

（1.華中科技大學(xué) 機械科學(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]。在鍋爐運行過程中，總會因為燃煤而在受熱面產(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)濟性很難實現(xiàn)[2,3]。鍋爐吹灰器是用于清掃鍋爐內(nèi)的積灰，吹灰器噴嘴對于吹灰效率及質(zhì)量具有重要作用。目前，國內(nèi)對吹灰器噴嘴焊接方式主要還是人工或半自動方式，這種方式生產(chǎn)效率低，人工勞動強度大。針對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化生產(chǎn)線。

1 鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動化生產(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)進入鋼管并通過鋼管表面的噴嘴射向鍋爐受熱面，從而達到清洗的目的。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)、輸送定位機構(gòu)以及上下料支架組成。鉆孔系統(tǒng)是由伺服電機、三相異步電動機組成的可以實現(xiàn)鉆孔快進、工進以及鉆速可調(diào)的系統(tǒng)。噴嘴上料系統(tǒng)是由振料盤和上料機械手組成，實現(xiàn)噴嘴自動上料。噴嘴環(huán)形焊接系統(tǒng)是由松下電焊機、伺服電機、行星齒輪系以及定位機構(gòu)組成。輸送定位機構(gòu)是由兩組撥叉完成平面內(nèi)兩軸往復(fù)移動而實現(xiàn)鋼管向前移動的，為保證工作協(xié)調(diào)性，同一時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，已經(jīng)校直的鋼管放在上料支架上，在夾具夾緊時手動鉆第一個孔，為后續(xù)自動運行做準備。第一個孔鉆完后，進入自動模式，撥叉1機構(gòu)后退、下降、前進、上升完成鋼管移動一個噴嘴間距，當(dāng)移動到位時，鉆孔系統(tǒng)動作，完成快進、工進、鉆孔以及回原位動作，當(dāng)回原位完成時進入下一循環(huán)動作。鋼管在撥叉1作用下前進，當(dāng)噴嘴上料處檢測到鋼管到達，上料機械手完成下降、抓料、上升、前進、下降、裝料、上升以及后退動作，完成噴嘴裝料工序。當(dāng)焊接處檢測到有料，撥叉2機構(gòu)移動鋼管，撥叉1機構(gòu)則停止工作，移動到位后，焊槍下降，同時對噴嘴定位夾緊，此時行星齒輪系正轉(zhuǎn)（假設(shè)焊接數(shù)為奇數(shù)，下一次則為反轉(zhuǎn)）同時焊槍開始焊接，正轉(zhuǎn)焊接一圈后焊槍回原位，完成一個循環(huán)。整根鋼管焊接完成后進入下料支架進行下料。

圖2 鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動化生產(chǎn)線總體設(shè)計方案

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

2.1 鉆孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

鉆孔系統(tǒng)要完成鋼管的自動鉆孔，系統(tǒng)的進給運動由松下A5伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠副完成，電機功率為750W。絲杠由一對面對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變頻器對三相電機實現(xiàn)變頻調(diào)速，三相電機和平板安裝在直線導(dǎo)軌上。整個系統(tǒng)豎直放置，為三相電機匹配一個配重塊，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

鋼管的輸送定位是靠兩個頂尖插入鋼管孔或者噴嘴內(nèi)孔實現(xiàn)的，頂尖相對位置可以調(diào)整，以適應(yīng)不同的噴嘴間距。兩個頂尖在水平氣缸和豎直氣缸作用下實現(xiàn)平面內(nèi)往復(fù)運動，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

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，小齒輪與伺服電機相連。伺服電機固定于行星架上，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)伺服電機轉(zhuǎn)動時，焊槍可以在行星架帶動下做圓周運動。軸的下端固定錐形定位頂尖，焊接時，頂尖限制噴嘴5個自由度，在夾具夾緊時可以對噴嘴進行焊接。軸安裝于支架上并鎖緊，整個支架安裝于機座上并在豎直氣缸作用下可以實現(xiàn)頂尖的上下移動。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化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

采用觸摸屏和PLC結(jié)合控制方式實現(xiàn)鍋爐吹灰器噴嘴焊接生產(chǎn)線的自動化控制[4]。觸摸屏采用KINCO品牌的型號為MT6400T的產(chǎn)品，PLC則選用歐姆龍CP1H-X40DT和I/O擴展模塊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發(fā)送脈沖信號[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

觸摸屏結(jié)構(gòu)如圖7所示，由開機界面自動進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，可以滿足對生產(chǎn)線的安裝、調(diào)試以及運行的操作需求。

圖7 觸摸屏結(jié)構(gòu)圖

鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動化生產(chǎn)線主要工作方式分為手動模式和自動模式。在手動模式下能夠完成各個控制部分的單獨動作，控制邏輯簡單。在自動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)等實現(xiàn)精確的順序邏輯控制。自動模式下的程序流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語

圖8 自動化生產(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)計了鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動化生產(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。用觸摸屏和PLC實現(xiàn)對噴嘴焊接生產(chǎn)線的自動化控制。本生產(chǎn)線經(jīng)調(diào)試后已經(jīng)在工廠運行，生產(chǎn)線工作穩(wěn)定，維護簡單。鍋爐吹灰器噴嘴焊接自動化生產(chǎn)線不僅降低了工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，同時也保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]楊勇平,楊志平,徐鋼,王寧玲.中國火力發(fā)電能耗狀況及展望[J].中國電機工程學(xué)報,2013,23：1-11,15.

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[3]信晶,孫保民,肖海平,張振星,祝欣慰,段二朋,曾菊瑛.應(yīng)用支持向量機監(jiān)測電站鍋爐受熱面積灰研究[J].中國電機工程學(xué)報,2013,05：21-27,5.

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[6]廖常初主編.PLC編程及應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社,2002.

[7]李偉光,蒙啟泳,等.基于PLC的不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊自動化生產(chǎn)線設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2012(12)：97-100.