黨紅梅 謝志明 陳本梁 寇保福

1杭州隆湖機電科技有限公司 杭州 311100 2太原科技大學機械工程學院 太原 030024

0 引言

噴吹管是環(huán)保裝備除塵環(huán)節(jié)的關(guān)鍵部件[1]，其吹孔間距精度、吹孔大小輪廓、噴嘴與噴桿間垂直度誤差及焊接變形量等結(jié)構(gòu)參數(shù)直接關(guān)系到除塵氣流的工作效能[2-4]。國內(nèi)在環(huán)保設(shè)備生產(chǎn)領(lǐng)域目前大都以人工操作焊機、鉆孔，噴吹管的加工質(zhì)量依靠工人工作經(jīng)驗來保證。此外，由于工件較大，產(chǎn)品翻身靠人工搬運或操作起重機來實現(xiàn)，工人勞動強度大、效率低、安全系數(shù)小，制造成本居高不下。隨著環(huán)保裝備向大型化、高效能的趨勢發(fā)展，噴吹管的使用量增多，長度加長，單根噴吹管上的噴嘴數(shù)量增多，結(jié)構(gòu)參數(shù)精度要求更高[5-7]。傳統(tǒng)加工方法已無法滿足使用要求，為提高噴吹管加工效率和質(zhì)量，可由精密儀器來實現(xiàn)噴吹管加工過程中的料間定位、鉆孔、焊接及成品有序堆垛等各環(huán)節(jié)加工精度，但從上個工序到下個工序仍需人工搬運及調(diào)整，稍有不慎就會產(chǎn)生工件被擠壓變形及磕碰，影響噴吹管的加工精度[8]。因此，針對目前現(xiàn)代化環(huán)保裝備中噴吹管生產(chǎn)中所存在的加工精度不高、生產(chǎn)效率低下、勞動強度大等難題，設(shè)計了一套噴吹管加工自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，并進行了現(xiàn)場應(yīng)用研究，旨在為實現(xiàn)噴吹管智能化、數(shù)字化、標準化生產(chǎn)提供可行的技術(shù)途徑。

1 噴吹管自動化生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體方案設(shè)計

噴吹管自動化生產(chǎn)系統(tǒng)基于機、電、氣動一體化的設(shè)計思路，各子模塊相互銜接配合，并由PLC集中控制來實現(xiàn)噴吹管的智能化加工。如圖1所示，噴吹管自動化生產(chǎn)系統(tǒng)包括上料模塊、焊接模塊、鉆孔模塊、送料模塊和下料模塊等。噴吹管原材料從起點上料模塊開始，依次經(jīng)過以上各模塊最終噴吹管成品件又返回至起點位置。上料模塊置于送料模塊外側(cè)，送料模塊與焊接模塊相鄰對接，焊接模塊再與下料模塊相連；焊接模塊設(shè)有焊機，用于實現(xiàn)噴吹管與噴嘴間的焊接；鉆孔模塊用來實現(xiàn)噴吹管和噴嘴打孔；上料模塊用于將待加工的噴吹管原材料逐根置于送料模塊上；送料模塊用于將噴吹管輸送并定位至加工工位；下料模塊可將噴吹管成品放置于成品輸送帶上。

圖1 噴吹管自動化生產(chǎn)系統(tǒng)

1.2 各模塊設(shè)計及功能實現(xiàn)

1）上料模塊 如圖2所示，上料裝置由送料支架、掛料鉤、撥料板、升降氣缸、拉伸彈簧、水平氣缸及相關(guān)結(jié)構(gòu)件組成。送料時，將待加工的噴吹管放置在放料橫擋上，由重力作用，噴吹管滑動到送料支架前部，啟動升降氣缸帶動托料板將其頂起，噴吹管沿導料板進入掛料鉤上，便于后續(xù)加工。

圖2 上料模塊示意圖

2）送料模塊 如圖3所示，送料裝置由送料軌、送料電機、V形輥、送料軌、落料板及其他配件組成。噴吹管落到掛料鉤上后，行程接近開關(guān)檢測到工件，啟動送料電機，帶動鏈輪和鏈條沿送料軌道并以V形輥為支撐進行送料。

圖3 送料模塊示意圖

3）焊接模塊和鉆孔模塊 如圖4所示，焊接裝置由夾緊機構(gòu)、焊機、焊接夾具和傳送機構(gòu)等組成。其中，夾緊機構(gòu)在噴吹管進行焊接、鉆孔時起定位作用，夾緊機構(gòu)包括噴吹管頭部定位件、噴吹管尾部定位件及噴吹管夾持組件等。焊機用于焊接噴吹管與噴嘴，焊接夾具用來定位噴嘴，兩者位于圖4中工軌左側(cè)。傳送機構(gòu)用來向前推送噴吹管，包括工軌組件及V形輥組件等。送料模塊將噴吹管送至工軌后，將噴嘴置于焊接夾具上，啟動焊機將噴嘴焊接于噴吹管上，焊接完成后由傳送機構(gòu)將噴吹管輸送至下一個環(huán)節(jié)。

圖4 焊接模塊示意圖

如圖5所示，鉆孔模塊由動力頭、鉆床底板、水平頂出機構(gòu)、豎直頂出機構(gòu)、導軌、鉆床立架等組成。鉆孔操作無需對程序進行選擇，即焊接程序與鉆孔程序無縫銜接，同步驅(qū)動；鉆孔速度由程序控制，并保持與焊接速度的完全一致。

圖5 鉆孔模塊示意圖

4）下料模塊 如圖6所示，下料模塊由下料軌、行走組件、下料杠桿地腳連接板鏈條等組成。夾緊氣缸通過下料杠桿控制上下夾片打開或閉合，上下夾閉合后將噴吹管夾緊，動作頂出氣缸將噴出管放置在下料杠桿上，打開上下夾片后，噴出管沿下料杠桿滾動至成品輸送帶上，輸送帶將噴吹管成品件輸送至初始指定位置。

圖6 下料模塊示意圖

5）控制系統(tǒng) PLC集控系統(tǒng)可控制焊接及鉆孔模塊、生產(chǎn)系統(tǒng)輸送、氣動元件、上下料機構(gòu)的運轉(zhuǎn)等，并設(shè)有工作原點、急停開關(guān)互鎖、安全信號的交互等。操作按鈕（2套）分別安裝在焊接工裝的兩邊，按鈕包括預(yù)約按鈕、啟動按鈕、重啟動按鈕、急停按鈕等；工作站控制系統(tǒng)具有過熱、超限、超速、斷/缺絲保護等功能。

6）其他輔助裝置 為保證產(chǎn)品的合格率，在生產(chǎn)系統(tǒng)中均設(shè)置檢測傳感器，包括壓縮空氣壓力檢測、焊接保護氣體壓力檢測、焊槍防碰撞檢測，一旦生產(chǎn)合格產(chǎn)品的條件不滿足，系統(tǒng)即會檢知、停機、報警。電氣接頭采用軍用航空插頭，輸入氣管采用快插接頭，工作站氣動管路與電器系統(tǒng)路采用防飛濺保護措施。

工作區(qū)域內(nèi)的各模塊機器人、鉆床行走導軌、夾具移動導軌均安裝有防飛濺防護罩，以防止操作過程中的飛濺物和其他雜物對導軌表面的影響。

工作區(qū)域內(nèi)的四周設(shè)有防護欄，防護欄正面為敞開式，為保護操作者的安全，防護欄上還配有維護人員進出的安全門，安全門上安裝有安全鎖。當安全門打開時安全鎖發(fā)出報警信號，機器人不能啟動，保證操作者的安全。

2 噴吹管加工工藝實現(xiàn)

根據(jù)每一批需加工的噴吹管型號規(guī)格，先在夾具導軌上調(diào)整好噴嘴夾具的位置（常用間距為220 mm、230 mm、240 mm和250 mm的噴吹管，采用柱銷定位來固定夾具，其他非標間距尺寸的噴吹管采用標尺定位的方式來調(diào)整夾具位置），選擇預(yù)設(shè)程序（常用間距的噴吹管操作程序直接選擇，非標噴吹管由機器人按所調(diào)整的噴嘴位置進行預(yù)演一次，再留存程序）。操作者將噴吹管散件吊裝到上料支架上，自動上料機構(gòu)將散件運至輸送生產(chǎn)系統(tǒng)。輸送生產(chǎn)系統(tǒng)將噴吹管輸運到指定位置，工件被托起機構(gòu)頂起至工作位置，人工將角鐵及短管安裝并點動夾緊，頂/夾緊機構(gòu)將工件（角鐵和短管）頂緊固定，然后手動將噴嘴散件逐一放入焊接夾具內(nèi)，自動夾緊，操作人員退出并按下啟動/預(yù)約按鈕，到第二輸送系統(tǒng)重復(fù)動作。

機器人按程序到位后先焊接角鐵或短管，焊接完成后再逐個焊接各噴嘴。在焊接過程中，移動鉆床同步（相隔1～2個噴嘴）自動到位進行鉆孔，焊接機器人在完成A工位操作后自動切換到對向輸送系統(tǒng)B工位進行焊接（鉆孔同步執(zhí)行），如此循環(huán)操作。

當機器人結(jié)束A 工位焊接，鉆床還在鉆孔期間，為保證精度焊接工裝不得松開，保持到鉆孔完成，完成后松開所有工裝夾具，自動將成品工件下降到輸送系統(tǒng)上，運輸?shù)较铝蠀^(qū)域內(nèi)，由下料機構(gòu)將工件輸送到下料位置，整齊擺放支架上。機器人焊接到一定數(shù)量后，自動到清槍器位置進行槍頭清理。加工工藝過程如圖7所示，循環(huán)作業(yè)過程僅需操作者 1 名。

圖7 噴吹管加工工藝流程示意圖

3 應(yīng)用情況

根據(jù)客戶現(xiàn)場應(yīng)用工況條件，制作了產(chǎn)品并在現(xiàn)場進行了應(yīng)用。該產(chǎn)品包含自動上料系統(tǒng)、送料提升系統(tǒng)、自動焊接工裝及模具（含行走軌道）、弧焊機器人系統(tǒng)（含焊機、清槍站、控制柜）、自動鉆孔系統(tǒng)、鏈式輸送系統(tǒng)、自動下料系統(tǒng)等整套設(shè)備，生產(chǎn)工藝高效可行，投入使用后反映良好。在現(xiàn)場應(yīng)用中，完成一個循環(huán)需要380 s，較之前效率提高了100%，加工合格率100%，自動上/卸料時間（單件）≤60 s，焊接工位轉(zhuǎn)換時間≤60 s。

4 總結(jié)

針對現(xiàn)有噴吹管加工過程中存在的問題，本文提出的一種噴吹管自動化生產(chǎn)系統(tǒng)總體方案及工藝流程，可實現(xiàn)自動化模塊集控系統(tǒng)換人來提高噴吹管加工效率，并大大提高了產(chǎn)品加工精度，降低了勞動力成本，實現(xiàn)了制造過程的最優(yōu)化、智能化和自動化。通過現(xiàn)場應(yīng)用取得良好效果，驗證了其可行性。該系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用為后續(xù)其他復(fù)雜產(chǎn)品總裝工藝流程設(shè)計提供了一種技術(shù)思路。