一種用于焊縫打磨的多功能小型磨挫機頭設計

吳洪武，鄺欲光，楊 溢，李志強，黃沛杰，魏文浩

（1.德爾瑪（珠海）焊接自動化技術有限公司，廣東珠海 519000；2.東方電氣（廣州）重型機器有限公司，廣州 511455）

0 引言

鍋爐作為一種壓力容器，具有焊接工作量大、焊縫質量要求高、焊接鋼板厚、焊縫表面需要平整等特點［1］，用于鍋爐產品的鋼管因其厚度較厚，一般通過鋼板卷圓后對接并焊接而成，鍋爐屬于壓力類容器，焊接后的鋼管需要能夠承受一定的壓力，為了保證對接焊縫的焊接效果，需要對接口處進行雙面開坡口焊接的方式，如圖1 所示，在鋼管外側焊縫完成焊接后，需要對鋼管內側進行清根，并在鋼管內側焊縫焊接完成后對焊縫表面進行打磨工作，由于對焊縫質量要求比較高，鍋爐產品的焊縫質量直接反映出一個國家焊接水平的高低，因此，世界各國在鍋爐行業均投入了大量的人力物力，不斷開發并更新自動化焊接設備，不斷改進并優化工藝方法等［2］。

圖1 鋼管雙面剖口

近年來，隨著我國從國外引進大量先進焊接自動化生產設備及技術，我國鍋爐行業整體焊接水平得到大大提升［3］，已由傳統的人工作業模式提升為半自動化作業模式，其中部分工作量繁重的工序已實現全自動化，如圖2所示的焊接操作架［4］匹配焊接機器人，即可完成縱向焊縫的焊接工作，在此基礎上再增加1 臺聯動的焊接滾輪架，即可實現筒體的環向焊縫的焊接工作；焊接操作架匹配磨挫機頭（圖3），即可完成縱向焊縫的清根及打磨工作，在此基礎上再增加一臺聯動的焊接滾輪架，即可完成筒體的環向焊縫的清根及打磨工作；焊接自動化設備的使用，不僅降低了操作工人的勞動強度，也提高了焊縫的焊接質量，我國幾個大型鍋爐廠均已不同程度地投入焊接自動化設備。

圖2 焊接操作架匹配焊接機器人

圖3 焊接操作架匹配磨挫機頭

磨挫機作為主要的焊接自動化生產設備，主要由焊接操作架和磨挫機頭組成，近年來我國雖然引進或自主生產了多個型號的磨挫機，實現了焊縫清根及打磨的自動化作業［5］，但其主要工作對象為直徑2 m以上的筒體［6］；對于直徑小于2 m 的筒體，雖然操作架可以進入，但由于現有磨挫機頭結構尺寸較大［7］，仍無法進入筒體內進行清根及打磨作業，如圖4 所示。目前小直徑鋼管內側只能通過人工手持打磨機進行清根及打磨工作，狹小的鋼管內進行打磨作業過程中產生的煙霧和粉塵較多且難以擴散，對作業人員的身心健康產生了極大危害，同時作業過程中產生的粉塵和煙霧造成工人的可視度低，嚴重影響了操作人員的效率及打磨質量，隨著國內人工成本的增加以及操作人員對降低勞動強度和改善工作環境的渴望，未來幾年，我國大中型鍋爐企業的小直徑鋼管內焊縫打磨將也將全部實現全自動化作業。

圖4 中大型磨挫機頭

本項目的客戶為國內某大型鍋爐廠，該項目的鋼管直徑為850 mm，鋼管厚度為80 mm（圖1），要求磨挫機頭能進入該直徑鋼管內作業，客戶雖有多套已投入生產使用的磨挫機，除了焊接操作架能夠進入該直徑鋼管內外，全部磨挫機頭均無法進入，故需要重新開發一款全新的多功能磨挫機頭，可以通過砂輪完成該直徑管內外的焊縫清根及打磨工作，也可通過砂帶完成管外的焊縫打磨工作，兼具一機多功能；同時要求作業過程中自動識別焊縫并糾偏，無需人工干預。本文從磨挫機頭的結構設計入手［8］，通過機械設計與計算［9］，攻克了結構尺寸受限、砂輪砂帶如何切換實現多功能作業的諸多難題，在設計過程中采用仿真運動分析計算［10］，從理論上驗證了設計的可行性，產品制造完成后進行了打磨作業試驗，達到了預期的設計效果，產品交付后使用良好。

1 磨挫機頭主要機構的設計

磨挫機頭主要機構由動力機構、傳動機構、上下浮動機構、左右浮動機構、砂輪機構、砂帶機構等組成，如圖5 所示。

圖5 磨挫機頭主要組成機構

1.1 動力機構

動力機構由電機驅動，通過同步皮帶、同步輪來實現轉速及扭矩的傳遞，如圖6 所示，達到焊縫打磨及清根所需要的轉速及扭矩，同時為了確保設備的安全，當砂輪／砂帶打磨過程中出現較大阻力時，皮帶過載將會以斷裂的形式體現，防止由于操作失誤或設備老化等因素產生相應的安全性問題。

圖6 動力機構

1.2 上下浮動機構

上下浮動機構由氣缸、直線軸承、導軌及相關機械部分等組成，如圖7 所示，其主要作用是在磨銼機工作時，如遇焊疙瘩或者其他不平整凸點，可通過該上下浮動機構的氣缸進行緩沖，以免損壞砂輪，同時可以設定氣缸的氣壓值，通過一定的氣壓值實現磨削機構自動下壓，實現打磨深度的連續性及自動化，有利于磨削的均衡平穩進行。

圖7 上下浮動機構

1.3 左右浮動機構

左右浮動機構由可調氣缸和相應鎖緊裝置組成，如圖8 所示，其目的在于進行焊縫清根時，如遇到側向位置不正（尤其是在沒有使用配合防串滾輪架的情況下），砂輪受軸向力時可以自動隨焊縫偏移方向行走，避免砂輪卡死或出現危險；需要固定磨削時，則鎖緊機構鎖緊，讓磨頭磨削軌跡不發生偏移，確保磨削掉多余的焊渣。

圖8 左右浮動機構

1.4 傳動機構

磨挫機在作業過程中，由于有上下浮動機構，因此要求傳動軸必須具備長度可調節的功能，磨挫頭在上下浮動時傳動軸可隨動，原有常規的傳動軸采用內花鍵插入式十字軸的結構形式，如圖9 所示，但由于傳統十字軸長度尺寸較大，而現有850 mm直徑鋼管的尺寸過小，無法滿足尺寸要求，因此該十字軸聯軸器采用平行軸聯軸器替代，如圖10 所示，替代后的聯軸器不僅使傳動機構更加緊湊，同時也滿足磨挫機頭上下緩沖時照常傳遞動力。

圖9 內花鍵插入式十字軸

圖10 平行軸聯軸器

1.5 砂輪機構

砂輪機構主要由砂輪、砂輪保護罩組成，如圖11 所示，砂輪高速旋轉過程中與鋼材／焊縫表面接觸，進而進行切割磨削，砂輪采用防裂碎砂輪，打磨作業過程中砂輪呈粉末狀消耗，不會產生大塊碎裂飛濺造成安全事故。

圖11 砂輪機構

1.6 砂帶機構

砂帶機構主要由砂帶、砂帶保護罩、張緊輪、偏擺機構組成，如圖12 所示，砂帶機構主要用于表面焊縫的打磨及金屬表面的拋光，由于砂帶具有柔性，因此安裝后需要通過張緊輪進行張緊，同時在高速轉動過程中，砂帶會偶有偏移，故需要通過偏擺機構進行調整，當砂帶往外側跑偏，則逆時針旋轉調節螺絲，反之同理，確保砂帶處于中心位置。

圖12 砂帶機構

2 磨挫機頭多功能的設計

2.1 砂輪縱向／橫向切換功能

本設備具有縱向、橫向切換的功能，默認安裝模式為縱向安裝，即砂輪可進行縱縫的打磨及清根，如需要進行筒體的環封打磨及清根時，磨挫頭與連接板的連接處選擇旋轉90°連接，具體步驟如圖13 所示。

圖13 砂輪橫向／縱向切換步驟

2.2 砂輪／砂帶切換功能

該設備具有砂輪、砂帶作業的功能，可根據不同部位的需要，進行砂輪及砂帶的切換，一機多用途，主要步驟如下：

（1）拆卸砂輪及砂輪保護罩，如圖14 所示；

圖14 拆卸砂輪及砂輪保護罩

（2）安裝砂帶軸套及砂帶接觸輪，如圖15 所示；

圖15 安裝砂帶軸套及砂帶接觸輪

（3）安裝砂帶結構兩側支撐板，用螺絲固定暫不擰緊，如圖16 所示；

圖16 安裝砂帶支撐板

（4）安裝砂帶，砂帶結構與砂帶匹配后，連接支撐板并擰緊所有螺絲，完成安裝，如圖17 所示。

圖17 安裝砂帶

2.3 視覺系統功能

工業電視監控系統用于遠距離觀察打磨狀況，對工件打磨過程進行可視化監控，操作人員不用靠近打磨工作區域進行操作，有效地防止在打磨過程中粉塵煙霧對人眼睛的影響。監控系統由1 只彩色CCD 攝像機、可調焦變焦鏡頭、輔助照明裝置、視頻電纜和1 臺彩色監視器組成，如圖18 所示，1 只攝像機安裝在操作機位置位置，方便從不同角度觀察，且位置可調，視覺數據通過數據線傳輸至處理器，并通過顯示系統實時顯示視覺界面。

圖18 視覺系統

3 結束語

該磨挫機頭的研制實現了小管徑鋼管內焊縫打磨及清根的全自動化，將操作人員徹底從繁重的勞動中解放出來，大大提高了工作效率和工作質量；視覺系統的應用，讓操作員不再近距離接觸作業過程中的粉塵和煙霧，在遠端通過視覺系統觀察即可清晰了解實時工作情況，確保了操作人員的身心健康；可根據需要進行砂輪／砂帶切換的多功能，實現了一機多用途，不再需要分別配置砂輪磨挫機頭和砂帶磨挫機頭，降低了設備成本；該設備現場已實際使用半年多，暫未出現任何故障，作業效率滿足了其生產要求，作業質量亦高于預期，得到客戶的好評，達到了預定的設計效果，具有良好的經濟效益。