楊懷林

YANG Huai-lin

（江蘇財經職業(yè)技術學院 機械與電子工程系，淮安 223003）

0 引言

我國有豐富的太陽能資源，太陽能熱水器是太陽能利用行業(yè)中使用最為廣泛的經濟、節(jié)能、減排產品，是國家產業(yè)政策優(yōu)先發(fā)展的低碳綠色產業(yè)。全玻璃太陽能真空集熱管是太陽能熱水器的核心部件，真空管的質量直接關系到太陽能熱水器的性能和壽命，而真空管的真空夾層真空度的高低對集熱管的性能、壽命有著十分重要的影響，良好的真空度能夠有效地減少集熱管的熱損。真空集熱管通過使用吸氣劑來提高和維持夾層中的真空度，吸氣劑是由鋇鋁合金加鎳粉壓制而成，經高溫烘烤后，可以在管壁上生成純凈的鋇膜，這就是烤消的過程。烤消后產品要進行打標，用激光打碼機將太陽能集熱管的特征參數印在太陽能管上。

目前，真空集熱管生產企業(yè)在吸氣劑高頻烤消和激光打標工序大都采用單機手工作業(yè)，也有企業(yè)嘗試用輸送線將兩個工序加以連接，由于烤消節(jié)拍與激光打標節(jié)拍不同步，導致生產不連貫，不能自動生產。而且吸氣劑烘烤位置一致性較差，每一支集熱管在烘烤時其吸氣劑在高頻線圈中的相對位置不盡相同，吸氣劑蒸散的起蒸時間與總蒸時間在人工操作時是憑操作人員的經驗去控制的，因此，針對以上分析，為了提高產品質量，減輕工人勞動強度，減少工時，降低能耗，提高生產效率，研制了一條集高頻烤消、激光打標于一體的生產線，能夠實現對太陽能真空集熱管進行柔性烤消和自動打標控制。

1 總體方案設計

1.1 總體結構設計

設計的烤消打標生產線主要由機架體、動力驅動裝置、傳輸裝置、電氣控制裝置、感應加熱裝置、噴碼裝置等組成；其中動力驅動裝置安裝在機架體上，由步進電動機、減速器、同步帶傳動組成；傳輸裝置由主動端組件、從動端組件、鏈條組件、鏈條托架、鏈條張緊裝置等組成；鏈條組件由鏈條、支架、管卡、橫撐組成；感應加熱裝置由氣動滑臺、感應加熱器、控制系統組成；噴碼裝置由打標機、控制系統組成；電氣控制裝置安裝在控制柜內，由三菱FX2N可編程控制器、空氣開關、可控硅移相觸發(fā)器、驅動器、計數器、開關電源、中間繼電器等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

圖1 總體方案設計圖

系統的工作原理是：啟動步進電機（正常工作時由控制系統控制啟停），通過減速器帶動同步帶傳動，使主動端組件轉動，通過鏈條組件傳動，使放置在管卡上的太陽能集熱管在生產線上移動。當集熱管到達烤消工位時，光電開關發(fā)出信號，步進電機停轉，傳輸帶停止移動工件，高頻加熱設備由氣壓滑臺帶動移動到指定位置，高頻感應線圈對集熱管進行烤消，同時后部的激光打標機對相應工位上集熱管進行打標?？鞠戤?，高頻加熱設備在氣壓滑臺帶動下退回到原始位置，傳輸帶繼續(xù)啟動行走，到下一根真空管到達烤消工位再進行烤消，同步進行另一工位上的打標。

在此過程中，太陽能真空管通過傳輸線自動送料到達烤消位置，通過光電傳感器準確定位，啟動氣動裝置，讓高頻加熱線圈與太陽能管準確對接，并進行烤消?？鞠^程由系統自動控制烤消溫度，烤消完畢太陽能管繼續(xù)由傳輸帶傳輸到打標位置，通過光電傳感器準確定位，啟動打標機進行打標。打標的開始時間與烤消開始時間同步，但由于打標時間節(jié)拍比烤消時間節(jié)拍稍短，所以打標結束后真空管要在原地停頓以補充不足時間?？鞠Y束后，傳輸線將真空管送至出料口。

2 傳輸裝置的設計

2.1 鏈條傳輸裝置創(chuàng)新設計

傳輸裝置即傳輸線，是本生產線的基礎，傳輸線既要滿足太陽能管的傳輸移動，還應將其進行固定，太陽能管不是隨意地堆放，而是一根一根的進行烤消和打標。另外，在傳輸過程中要準確定位，烤消和打標的位置是固定的，太陽能管必須在相應的位置準確停放，這要求傳輸線在傳輸過程中誤差很小。為此，設計了具有特殊結構的以鏈條傳動為核心的傳輸線。設計的鏈條組件結構原理圖如圖2所示。

圖2 鏈條組件結構原理圖

鏈條組件由鏈條、鏈條支架、管卡、橫撐組成。對國標鏈條進行改裝，在鏈條上每隔一定距離安裝一個鏈條支架，在支架上安裝管卡，用來準確放置集熱管，左右兩排鏈條用橫撐連接，使鏈條組件形成一個整體，消除左右兩側鏈條傳動誤差。在機架體上裝有鏈條托架，用來支撐鏈條。

2.2 傳動組件結構設計

傳動組件安裝在機架體上，由主動端組件、從動端組件、鏈條組件等組成；主動端組件由安裝在主動軸上的鏈輪同步帶輪和軸承支座組成；從動端組件由安裝在從動軸上鏈輪、鏈輪和鏈條張緊裝置組成，如圖3、圖4所示。

圖3 主動端組件原理圖

圖4 從動端組件原理圖

3 電氣傳動系統設計

3.1 動力驅動系統設計

根據傳輸線的要求，傳輸帶是間歇運動，頻繁啟停，準確定位，所以選擇步進電機作為傳輸線的動力設備。

驅動裝置安裝在機架體的角鐵架上，如圖1所示，包括步進電機、減速器、同步帶和同步帶輪，步進電機連接減速器，減速器的輸出軸上安裝同步帶輪，經同步帶連接輸出動力。步進電機采用86BYG250H大力矩電機，配套使用FX860A驅動器，配以開關電源：S-350-48，S-50W-24。

3.2 氣壓滑臺和烤消裝置的設計

太陽能管必須插進高頻感應圈內進行烤消，插進和撥出做的是橫向運動，而太陽能管在傳輸線的運動是縱向運動，為了提高效率，設計了氣壓滑臺來拖動高頻感應圈作橫向運動。高頻感應圈從高頻感應爐剝離，由導線相連接，感應圈固定在氣壓滑臺上，氣壓滑臺由兩個電磁閥控制做前后方向的橫向運動。

當太陽能管到達烤消位置并且停止，通過光電開關將信號傳給控制系統，控制氣壓滑臺作橫向運動，使高頻感應圈接近并套上太陽能管烤消部位進行烤消?？鞠戤叄刂葡到y發(fā)出指令讓氣壓滑臺作橫向運動，退回到初始位置，使太陽能管繼續(xù)沿傳輸線傳輸，到達打標工位。設計的氣壓滑臺如圖5所示。

圖5 氣壓滑臺示意圖

4 烤消溫度控制

4.1 烤消溫度控制原理

烤消溫度控制模塊由PLC、光電傳感器、可控硅移相觸發(fā)電路、GPL-5KW高頻感應爐等組成，如圖6所示?？鞠麥囟瓤刂频幕具^程是：用光電高溫計讀取高頻感應爐的溫度，輸出一個與溫度對應的電壓信號，此信號經過放大、濾波處理后送到PLC，PLC將此溫度與設定溫度相比較，經過PID運算，產生一個控制電壓，此控制電壓的大小決定可控硅移相觸發(fā)電路的觸發(fā)相位，從而控制高頻感應爐的輸入功率，進而調節(jié)溫度，可以獲得很高的溫度控制精度。

系統采用KC05可控硅移相觸發(fā)器，該觸發(fā)器適用于雙向可控硅或反并聯可控硅線路的交流相位控制。具有鋸齒波線性好、移相范圍寬、控制方式簡單、易于集中控制、有交互保護、輸出電流大等優(yōu)點。系統采用GPL-5KW高頻感應爐，采用互感耦合自激式振蕩器，振蕩功率為5kW，振蕩頻率為500±50KHz，電路簡潔，效率高，調節(jié)方便，價格便宜。

圖6 烤消溫度系統硬件結構框圖

4.2 烤消溫度控制系統硬件設計

根據烤消溫度控制系統原理圖設計的硬件結構框圖如圖7所示。

圖7 烤消溫度系統硬件結構框圖

4.3 烤消溫度控制系統軟件設計

本系統以PLC為核心控制器，主要完成PID運算和系統的邏輯控制。系統啟動時，先作初始化處理，采用特殊輔助繼電器M8002產生初始脈沖，將要使用的內部寄存器清零。

由于溫度調節(jié)具有滯后性，所以必須要進行PID調節(jié)。將FX2N-2AD 溫度反饋電壓信號和給定溫度電壓值進行比較，傳入PID調節(jié)器，經過運算后輸出運算值，驅動調節(jié)模塊，完成溫度的自動控制。烤消溫度控制系統程序設計流程圖如圖8所示。

圖8 溫度控制系統軟件設計流程圖

5 電氣控制系統設計

5.1 設計要求

1）步進電動機的啟動與停止：太陽能管由上料系統進入傳輸線后就可以進行啟動，工作完畢就可停止。

2）步進電動機控制：由PLC作為控制器，根據指令或傳感器信號，通過驅動器對步進電機進行控制，可以準確啟停，可以調速。

3）烤消的啟停：當太陽能管到達烤消工位時，傳輸線立即停止，啟動氣壓滑臺移動，感應線圈彈出，包住太陽能管頂部烤消部位進行加熱烤消。烤消完畢，氣壓滑臺向后滑動，感應線圈復位，同時啟動步進電機使傳輸線繼續(xù)運行。

4）打標機的啟停：當太陽能管到達打標工位時，傳輸帶停止，啟動打標機，用事前設計好的商標和相應參數在太陽能管上進行打標。打標時間一般為3秒，打標完成關閉打標機。在打標的同時，前工位的太陽能管也同時達到烤消工位同步進行烤消，烤消時間是12秒。這時段的烤消和打標完畢，傳輸線繼續(xù)運行。

5）對生產線上經過烤消打標的太陽能管進行計數。

5.2 主電路的設計

根據控制要求設計的系統主電路如圖9所示。

圖9 控制系統主電路圖

由空氣開關引出220V交流電，分別送給開關電源10、開關電源（9）、計數器（6）、PLC7的電源端，經過中間繼電器KA0送給高頻爐12，經過中間繼電器KA1送給打標機13、經過中間繼電器KA2送給電磁閥A、經過中間繼電器KA3送給電磁閥B；開關電源10輸出端P48和N48分別接入步進電機驅動電源（8）的相應端子。

圖中計數器（6）的引腳①、②分別接交流220V電源，引腳③、④并接KA1，當光電開關B檢測到太陽能管時，信號經PLC產生脈沖，KA1閉合計數；PLC開關電源9，其輸入端接交流220V電源，輸出端接PLC7的P24、N24兩端；步進電機驅動器8，由P48、N48供電，輸入端接PLC輸出端，輸出端分別接步進電機的A、B兩相繞組；兩相步進電機11由驅動器提供兩相脈沖電源,根據脈沖信號實現啟停和調速。

5.3 控制電路的設計

系統PLC硬件控制電路設計如圖10所示。

圖10 控制系統硬件控制電路圖

圖中16～22為PLC輸入接線端子，16接交流電零線，17接交流220V相線，18接直流24V正極，19為PLC輸入端X0,接啟動按鈕，20為PLC輸入端X1,接停止按鈕，21為PLC輸入端X2，接光電開關A，22為PLC輸入端X3，接光電開關B。23～30為PLC輸出接線端子，23為PLC輸出端Y0，接中間繼電器KA0至高頻爐，24為PLC輸出端Y1，接中間繼電器KA1至打標機，25為PLC輸出端Y2，接中間繼電器KA2至電磁閥A，26為PLC輸出端Y3，接中間繼電器KA3至電磁閥B，PLC輸出端Y4，接步進電機驅動器8輸入端，27～30接到PLC開關電源（9）上P24端；中間繼電器KA02中間繼電器KA1、中間繼電器KA2、中間繼電器KA3線圈一側接到開關電源9的N24上。

系統的電氣控制原理是：合上空氣開關，按下啟動按鈕，PLC7輸出端Y4產生脈沖信號啟動步進電機，使鏈條傳輸線運動，固定在管卡上的太陽能集熱管在傳輸線上移動；當太陽能集熱管到達烤消工位時，光電開關A檢測到信號，并將信號傳給PLC，PLC輸出端Y4產生停止信號，讓步進電機停轉；同時PLC輸出端Y2輸出信號，中間繼電器KA2閉合，電磁閥A14工作，高頻感應圈隨氣動滑臺移動到相應位置，套上太陽能集熱管進行烤消；與此同時，打標工位上光電開關B也檢測到信號，通過PLC輸出端Y4產生輸出信號讓步進電機停止，雙重信號確保電機停止，通過PLC輸出端Y1產生信號，對集熱管進行打標；烤消完畢后（此時打標工作也已完成），PLC輸出端Y2輸出信號，中間繼電器KA3閉合，電磁閥B15工作，高頻感應圈隨氣動滑臺退回到原來位置，步進電機再次啟動使傳輸線運動，當下一根集熱管到達烤消工位再進行烤消時，同步進行另一工位上的打標。同時通過中間繼電器KA1送至計數器進行計數。

6 結論

對太陽能真空集熱管的烤消打標生產線進行了研究和設計，研制的樣機如圖11所示。實踐證明，研制的太陽能集熱管烤消打標生產線能夠實現烤消打標一體化，可進行流水線作業(yè)，保證了產品質量，降低了生產成本，提高了生產效率。

圖11 太陽能集熱管烤消打標生產線樣機

主要工作的關鍵點如下：

1）烤消作業(yè)節(jié)拍柔性控制。設計了以PLC為核心的控制系統，根據集熱管鋇鏌情況，通過對感應爐溫度的精確控制來提高集熱管烤消的質量，提高了產品合格率；同時根據不同的集熱管烤消時間不同，通過PLC柔性控制烤消時間。

2）對高頻加熱設備中的高頻感應線圈進行了改造。將常規(guī)線圈改成可以移動線圈，線圈可以隨著集熱管的位置來回自由移動，使真空集熱管在輸送線行走時無阻擋，提高了工作效率，同時也保證了真空管在高頻感應線圈中的蒸散效果。

3）將烤消與激光打標兩個工序集成在一條生產線。對國標鏈條進行了結構創(chuàng)新改造，設計了新型實用的鏈傳動機械傳輸線和PLC控制電路，并進行軟件的設計，使烤消時間與打標節(jié)拍相吻合，實現烤消打標的自動控制。

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