噴吹管自動化生產系統設計及應用＊

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

噴吹管是環保裝備除塵環節的關鍵部件[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構參數直接關系到除塵氣流的工作效能[2-4]。國內在環保設備生產領域目前大都以人工操作焊機、鉆孔，噴吹管的加工質量依靠工人工作經驗來保證。此外，由于工件較大，產品翻身靠人工搬運或操作起重機來實現，工人勞動強度大、效率低、安全系數小，制造成本居高不下。隨著環保裝備向大型化、高效能的趨勢發展，噴吹管的使用量增多，長度加長，單根噴吹管上的噴嘴數量增多，結構參數精度要求更高[5-7]。傳統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量，可由精密儀器來實現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節加工精度，但從上個工序到下個工序仍需人工搬運及調整，稍有不慎就會產生工件被擠壓變形及磕碰，影響噴吹管的加工精度[8]。因此，針對目前現代化環保裝備中噴吹管生產中所存在的加工精度不高、生產效率低下、勞動強度大等難題，設計了一套噴吹管加工自動化生產系統，并進行了現場應用研究，旨在為實現噴吹管智能化、數字化、標準化生產提供可行的技術途徑。

1 噴吹管自動化生產系統設計

1.1 總體方案設計

噴吹管自動化生產系統基于機、電、氣動一體化的設計思路，各子模塊相互銜接配合，并由PLC集中控制來實現噴吹管的智能化加工。如圖1所示，噴吹管自動化生產系統包括上料模塊、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，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；焊接模塊設有焊機，用于實現噴吹管與噴嘴間的焊接；鉆孔模塊用來實現噴吹管和噴嘴打孔；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 噴吹管自動化生產系統

1.2 各模塊設計及功能實現

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、水平氣缸及相關結構件組成。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、焊機、焊接夾具和傳送機構等組成。其中，夾緊機構在噴吹管進行焊接、鉆孔時起定位作用，夾緊機構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。傳送機構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將噴吹管輸送至下一個環節。

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、豎直頂出機構、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 PLC集控系統可控制焊接及鉆孔模塊、生產系統輸送、氣動元件、上下料機構的運轉等，并設有工作原點、急停開關互鎖、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，按鈕包括預約按鈕、啟動按鈕、重啟動按鈕、急停按鈕等；工作站控制系統具有過熱、超限、超速、斷/缺絲保護等功能。

6）其他輔助裝置 為保證產品的合格率，在生產系統中均設置檢測傳感器，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，一旦生產合格產品的條件不滿足，系統即會檢知、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路采用防飛濺保護措施。

工作區域內的各模塊機器人、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。

工作區域內的四周設有防護欄，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

根據每一批需加工的噴吹管型號規格，先在夾具導軌上調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整夾具位置），選擇預設程序（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整的噴嘴位置進行預演一次，再留存程序）。操作者將噴吹管散件吊裝到上料支架上，自動上料機構將散件運至輸送生產系統。輸送生產系統將噴吹管輸運到指定位置，工件被托起機構頂起至工作位置，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，自動夾緊，操作人員退出并按下啟動/預約按鈕，到第二輸送系統重復動作。

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B工位進行焊接（鉆孔同步執行），如此循環操作。

當機器人結束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上，運輸到下料區域內，由下料機構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，循環作業過程僅需操作者 1 名。

圖7 噴吹管加工工藝流程示意圖

3 應用情況

根據客戶現場應用工況條件，制作了產品并在現場進行了應用。該產品包含自動上料系統、送料提升系統、自動焊接工裝及模具（含行走軌道）、弧焊機器人系統（含焊機、清槍站、控制柜）、自動鉆孔系統、鏈式輸送系統、自動下料系統等整套設備，生產工藝高效可行，投入使用后反映良好。在現場應用中，完成一個循環需要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，焊接工位轉換時間≤60 s。

4 總結

針對現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系統總體方案及工藝流程，可實現自動化模塊集控系統換人來提高噴吹管加工效率，并大大提高了產品加工精度，降低了勞動力成本，實現了制造過程的最優化、智能化和自動化。通過現場應用取得良好效果，驗證了其可行性。該系統的設計及應用為后續其他復雜產品總裝工藝流程設計提供了一種技術思路。