機器人焊接與除塵系統聯控的節能改造

黃軼春，趙丕武，覃建想，譚 斌

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西柳州 545007）

0 引言

機器人焊接，特別是中厚板機器人焊接，在工程機械制造企業普遍應用。機器人焊接在帶來效率和質量提升的同時，處理其工作中產生的大量焊接煙塵是一個難點。目前大部分企業會為每一臺焊接機器人加裝獨立式單機焊接煙塵處理系統（以下簡稱為“除塵系統”），以解決該難點問題。但單獨加裝的除塵系統一旦開啟，不論焊接機器人是否處于工作狀態，若不手動關閉就會一直運行，導致用電浪費。為此，需要通過改造將除塵系統的啟停與焊接作業的執行進行關聯，從而達到節約用電的效果。

1 現狀及存在問題

某工廠共有32 臺焊接機器人自帶除塵系統，除塵系統總功率228.1 kW（表1）。其中，PLC 控制方式的有10臺，非PLC 控制方式的有22 臺。按每年工作300 d、每天工作時間20 h 計算（自動化設備三班運轉），除塵系統每日用電4560 kW·h，年用電量達136.86 萬千瓦時。

表1 焊接機器人除塵系統功率統計

經觀察，每臺機器人在焊接過程中，存在機器人清槍、長焊縫焊接完畢后的冷卻、異常問題處理（碰槍、出絲不順暢）等停止焊接情況。

（1）A 型部件每件產品平均焊接時間410 min，停止焊接次數29 次，停止焊接時間140 min。其中，上下料時間平均20 min/件；異常停機次數4 次，異常停機總時間54 min/件（表2）。

表2 A 型部件焊接停機時間

（2）B 型部件每件產品平均焊接時間400 min，平均停止焊接時間98 min。其中，上下料時間平均13.3 min/件，異常停機次數平均7 次，異常停機總時間77 min/件（表3）。

表3 B 型部件焊接停機時間

機器人在停止焊接時間內，除塵系統仍在滿負荷運行（除塵系統一直在50 Hz 工頻運轉）。根據上述數據可知，由此造成的用電損耗理論上達每年42.8 萬千瓦時（表4）。

表4 除塵系統用電量損耗數據

根據上述部件焊接停止時間數據進行分類（圖1）：

圖1 機器人焊接停止時間和次數

（1）T≤2 min 以及2 min＜T≤3 min 的停機有28 次，均為清槍尋位等正常停止焊接，占比51%；停機時間53 min，占比12%。

（2）3 min＜T≤4 min 的停機有2 次，均為異常停機，占比4%；停機時間4.05 min，占比1%。

（3）T＞4 min 的停機有25 次，均為上下料和異常停機，占比45%；停機時間374 min，占比87%。

從上述分類來看，如果在所有停焊時間內都停止除塵系統運轉，勢必會造成電機頻繁啟停，從而加速電機老化。因此，綜合考慮計劃剔除清槍尋位等正常停止焊接時間，以及T＜4 min 的異常停機處理時間，重點解決T>4 min 的焊接停止時間內，除塵系統造成的用電損耗。

2 改造實施

2.1 除塵系統啟停與焊接作業聯控

（1）設置停止除塵系統運行的時間點為停止焊接后4 min，使除塵系統可以充分吸收殘余焊接煙塵，同時可以過濾T＜4 min 的停焊時間，從而避免因除塵系統電機頻繁啟停造成的損壞。

（2）設置自動啟動除塵系統的時間點為開始焊接4 s 后，可以避免因焊接異常造成的短暫停止，從而導致除塵系統電機空運轉。

2.2 PLC 控制的除塵系統聯控方式

通過增加1 個中間繼電器取得焊機送絲機的電流信號，并增加2 個時間繼電器用于控制除塵系統風機啟停時間（圖2）。

圖2 PLC 控制的除塵系統聯控方式原理

圖3 非PLC 控制的除塵系統聯控方式原理

（1）在除塵器主接觸器安裝一個輔助觸頭，在觸頭上并接出一根24 V 電源線，該24 V 電源線連接到機器人電焊機負極主接觸器控制線圈連接點上。新增加KA5 中間繼電器，使用機器人焊機送絲電機的電源供電。

（2）送絲機得電送絲，KA5 中間繼電器線圈得電，常開觸點吸合、常閉觸點斷開。反吹系統KA3/KA4 中間繼電器線圈得電，反吹電磁閥工作。

（3）新增KT1 通電延時繼電器線圈得電，延時4 s 后KT1 常開觸點吸合，除塵器啟動輸入信號X1 得電，PLC 系統控制接觸器KM 線圈得電，除塵風機啟動。

（4）KM 常閉觸點斷開，啟動輸入信號X1斷開（PLC 控制風機啟動，為電動信號），防止啟動輸入信號X1 一直得電，無法正常停止風機。KM 常開觸點吸合，KA5 中間繼電器線圈得電，KA5 常閉觸點斷開，新增的KT2通電延時繼電器不工作。

（5）機器人送絲機停止工作時，KA5 線圈失電，常閉觸點吸合，新增的KT2 通電延時繼電器線圈得電，延時4 min 后，KT2 常閉觸點斷開，除塵器停止輸入信號X2 失電，除塵器停機。KM 常開觸點斷開，KT2 通電延時繼電器線圈失電，常閉觸點吸合，除塵器停止輸入信號X2 得電，除塵器啟動。

2.3 非PLC 控制的除塵系統聯控方式

通過增加1 個中間繼電器取得焊接保護氣體的流量信號，并增加2 個時間繼電器用于控制除塵系統風機啟停時間。

（1）當機器人開始焊接時，氣體開關信號給到中間繼電器KA，線圈得電吸合，KT1 通電延遲時間繼電器線圈得電，4 min后KT1 導通。

（2）S3 開關打到遠控狀態時（11、14連通），KT1 導通后觸發KM 線圈得電，電機主電路得電，電機開始工作。此時KM常開點吸合（13、14），除塵風機供電持續保持。

（3）當焊接停止時，氣體開關無信號，KA 繼電器失電，KT1 立即斷開，KT2 斷電延時繼電器延遲4 s 后斷開，KM 線圈失電，除塵風機停止工作。

3 節能效果

經現場驗證，所有機器人已實現停止焊接超過4 min 后，除塵系統停止運行；開始焊接4 s 后除塵系統自動運行，實現了聯控功能。節能效果測算數據見表5。

表5 除塵系統節能效果測算

根據GB/T 28750—2012《節能量測量和驗證技術通則》[1]，節能量的計算公式為：

式中 Es——節能量，kW·h

Er——統計報告期能耗，kW·h

Ea——校準能耗，kW·h

根據上述節能量測算數據，得出統計報告期能耗Er、校準能耗Ea分別為：

按電費0.82 元/千瓦時計算，32 臺焊接機器人預計可節約用電213 299.25 kW·h，節約電費17.49 萬元。

4 結束語

獨立式單機除塵系統電機功率并不大，因此焊接機器人集成商往往忽略了除塵系統的耗電問題。但隨著焊接機器人投入數量的增多，除塵系統電機空運轉的耗電量積少成多，成為企業節能管理中不可忽視的環節。本文闡述了一種簡單的自動化控制方式，對大于4 min 的停焊時間內實現除塵系統的聯控，以達到節能的效果。但實際上，小于4 min 的停止焊接時間仍有節能空間可以挖掘，可以通過加裝變頻器實現降頻運行等方式實現。另外，這種聯控方法還可供機器人集成商參考，在新設備的設計調試中就加入此項功能。