馬玉保，馬慶國

(三一建筑機(jī)器人(西安)研究院有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

目前等離子坡口切割工作站被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、海洋工程、重工行業(yè)、煤礦機(jī)械等。等離子切割過程中會(huì)產(chǎn)出大量濃厚的煙塵，如果直接排放不僅會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，更會(huì)對設(shè)備操作人員的身體造成嚴(yán)重危害，因此市場迫切需要一款能自動(dòng)完成等離子坡口切割煙塵收集的除塵系統(tǒng)。

目前國內(nèi)外的坡口切割工作站主要做了坡口切割工藝、坡口切割技術(shù)、坡口切割數(shù)控系統(tǒng)等的研究，文獻(xiàn)[1]、[2]中提到的數(shù)控等離子切割機(jī)除塵系統(tǒng)，是為了解決下料機(jī)床的除塵問題，并為涉及坡口切割除塵系統(tǒng)；文獻(xiàn)[3]、[4]中提到的坡口設(shè)備，是解決異形工件坡口切割的問題；文獻(xiàn)[5]提到的機(jī)器人離線編程，是為了減少人工編程；文獻(xiàn)[6]中提到的吊耳坡口切割工藝與坡口切割專機(jī)，是為了解決坡口切割質(zhì)量和工作效率的問題；文獻(xiàn)[7]中提到的弧壓高度控制器可提升坡口切割質(zhì)量；文獻(xiàn)[8]中的視覺伺服坡口機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直線坡口切割的誤差補(bǔ)償，以上研究只解決了坡口切割工藝、質(zhì)量和效率問題，沒有深入對坡口工作站除塵系統(tǒng)進(jìn)行研究。

針對目前坡口切割工作站存在的除塵困難的問題，結(jié)合坡口切割工藝，設(shè)計(jì)了一款中小件(工件長≤2 000 mm，寬≤1 000 mm)等離子坡口切割除塵系統(tǒng)，并對其進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，測試最大煙塵量下的除塵效果。

1 等離子坡口切割除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

等離子坡口切割除塵系統(tǒng)主要有工作臺(tái)、除塵主機(jī)兩大部分組成。工作臺(tái)設(shè)計(jì)是否合理直接關(guān)系除塵風(fēng)量能否最大化利用，是除塵系統(tǒng)中關(guān)鍵的一環(huán)。除塵主機(jī)是除塵系統(tǒng)中不可缺少的一部分，不同使用場合需要提供不同風(fēng)量配置，風(fēng)量選擇過小，無法達(dá)到除塵效果，風(fēng)量選擇過大，會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。

1.1 工作臺(tái)設(shè)計(jì)

等離子坡口工作臺(tái)(如圖1)主要有支撐組件、風(fēng)道、廢料斗組成，其中支撐組件布置在工作臺(tái)中間區(qū)域，用于工件擺放；除塵風(fēng)道布置在支撐平臺(tái)兩側(cè)，用于煙塵吸??；廢料斗用于切割廢渣的收集。

圖1 等離子坡口工作臺(tái)

圖2為工作臺(tái)尺寸示意圖，為滿足所有中小工件的擺放，工作臺(tái)擺放區(qū)域至少需要2 000 mm×1 000 mm。等離子坡口切割時(shí)切割溫度極高，為避免切割時(shí)工作臺(tái)發(fā)生變形損壞，工作臺(tái)四周預(yù)留100 mm安全距離。最終確定工作臺(tái)正面區(qū)域?yàn)? 200 mm×1 100 mm。

圖2 工作臺(tái)尺寸示意圖

風(fēng)道(如圖3)是工作臺(tái)設(shè)計(jì)中的最關(guān)鍵的部分，由箱體和引流板組成。箱體上設(shè)置有上風(fēng)口和下風(fēng)口，上風(fēng)口主要用于切割時(shí)煙塵的吸收；下風(fēng)口主要用于料框內(nèi)殘留煙塵的吸收。引流板是調(diào)整各個(gè)風(fēng)口風(fēng)量、風(fēng)速的裝置，通過調(diào)整其可控制各個(gè)風(fēng)口風(fēng)量、風(fēng)速，確保各風(fēng)口風(fēng)量均勻。

1.2 除塵主機(jī)風(fēng)量計(jì)算

除塵主機(jī)風(fēng)量(Q)[9]是指除塵主機(jī)每小時(shí)吸收的空氣體積，計(jì)算主機(jī)風(fēng)量的關(guān)鍵是確定x和vx，如圖4所示。x為控制點(diǎn)至風(fēng)口的距離。控制點(diǎn)是指有污染源至風(fēng)口最遠(yuǎn)的點(diǎn)，vx為控制點(diǎn)風(fēng)速，即保證煙塵能全部吸入風(fēng)口內(nèi)，在控制點(diǎn)上必須具有的吸入速度。根據(jù)文獻(xiàn)[9]中不同污染物下控制點(diǎn)的控制風(fēng)速vx見表1所列，等離子坡口切割時(shí)產(chǎn)生的煙塵屬于較低的速度發(fā)散至尚屬平靜的空氣中，因此最小控制風(fēng)速vx選擇0.5～1 m/s。

圖3 工作臺(tái)風(fēng)道示意圖

圖4 控制點(diǎn)與控制風(fēng)速

表1 控制點(diǎn)的控制風(fēng)速vx /(m/s)

工作臺(tái)擺放物料的區(qū)域面積S=2.64 m2,根據(jù)風(fēng)量計(jì)算公式(1)，可知，除塵主機(jī)風(fēng)量Q選擇在4 752～9 504 CMH之間。

Q=vx×S×3 600

(1)

2 等離子坡口切割除塵系統(tǒng)仿真

如圖1，運(yùn)用Cero Parametric進(jìn)行三維建模，并利用Flow Analysis模塊進(jìn)行流體仿真[10]，計(jì)算出不同風(fēng)量下工件擺放區(qū)域的風(fēng)速分布圖(見圖5所示) 。

圖5 不同風(fēng)量下的風(fēng)速分布圖

通過風(fēng)速分布圖可知，工作臺(tái)內(nèi)部風(fēng)速和風(fēng)量分布均勻，工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理；工件擺放區(qū)域的中心位置風(fēng)量相對較弱。經(jīng)計(jì)算得出不同風(fēng)量下工件擺放區(qū)域的中心位置的風(fēng)速圖(見圖6所示)，通過中心點(diǎn)風(fēng)速圖可知，8 000CMH及以上風(fēng)量可滿足最小控制風(fēng)速在0.5～1 m/s之間。

圖6 不同風(fēng)量下的風(fēng)速分布圖

3 等離子坡口切割除塵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上理論計(jì)算分別對8 000CMH、9 000CMH、10 000CMH風(fēng)量下進(jìn)行除塵效果測試(見圖7所示)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知: 9 000CMH及以上風(fēng)量可滿足等離子坡口切割除塵系統(tǒng)要求，切割時(shí)煙塵基本不會(huì)發(fā)生外泄現(xiàn)象; 除塵主機(jī)選用9 000CMH風(fēng)量時(shí)，最小控制風(fēng)速0.67 m/s。

圖7 不同風(fēng)量下的風(fēng)速分布圖

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)出一種等離子坡口切割除塵系統(tǒng)，并利用Cero Parametric軟件中的Flow Analysis模塊對除塵系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了除塵系統(tǒng)的除塵效果，實(shí)現(xiàn)了等離子坡口切割的煙塵收集。得到以下主要結(jié)論：

(1) 使用引流板對風(fēng)道內(nèi)風(fēng)量合理分布，可以提升了風(fēng)量利用率。

(2) 等離子切割煙塵的最小控制風(fēng)速為0.67 m/s。

(3) 9 000CMH風(fēng)量的除塵主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)等離子坡口切割的收集。