喷吹管自动化生产系统设计及应用＊

党红梅 谢志明 陈本梁 寇保福

1杭州隆湖机电科技有限公司 杭州 311100 2太原科技大学机械工程学院 太原 030024

0 引言

喷吹管是环保装备除尘环节的关键部件[1]，其吹孔间距精度、吹孔大小轮廓、喷嘴与喷杆间垂直度误差及焊接变形量等结构参数直接关系到除尘气流的工作效能[2-4]。国内在环保设备生产领域目前大都以人工操作焊机、钻孔，喷吹管的加工质量依靠工人工作经验来保证。此外，由于工件较大，产品翻身靠人工搬运或操作起重机来实现，工人劳动强度大、效率低、安全系数小，制造成本居高不下。随着环保装备向大型化、高效能的趋势发展，喷吹管的使用量增多，长度加长，单根喷吹管上的喷嘴数量增多，结构参数精度要求更高[5-7]。传统加工方法已无法满足使用要求，为提高喷吹管加工效率和质量，可由精密仪器来实现喷吹管加工过程中的料间定位、钻孔、焊接及成品有序堆垛等各环节加工精度，但从上个工序到下个工序仍需人工搬运及调整，稍有不慎就会产生工件被挤压变形及磕碰，影响喷吹管的加工精度[8]。因此，针对目前现代化环保装备中喷吹管生产中所存在的加工精度不高、生产效率低下、劳动强度大等难题，设计了一套喷吹管加工自动化生产系统，并进行了现场应用研究，旨在为实现喷吹管智能化、数字化、标准化生产提供可行的技术途径。

1 喷吹管自动化生产系统设计

1.1 总体方案设计

喷吹管自动化生产系统基于机、电、气动一体化的设计思路，各子模块相互衔接配合，并由PLC集中控制来实现喷吹管的智能化加工。如图1所示，喷吹管自动化生产系统包括上料模块、焊接模块、钻孔模块、送料模块和下料模块等。喷吹管原材料从起点上料模块开始，依次经过以上各模块最终喷吹管成品件又返回至起点位置。上料模块置于送料模块外侧，送料模块与焊接模块相邻对接，焊接模块再与下料模块相连；焊接模块设有焊机，用于实现喷吹管与喷嘴间的焊接；钻孔模块用来实现喷吹管和喷嘴打孔；上料模块用于将待加工的喷吹管原材料逐根置于送料模块上；送料模块用于将喷吹管输送并定位至加工工位；下料模块可将喷吹管成品放置于成品输送带上。

图1 喷吹管自动化生产系统

1.2 各模块设计及功能实现

1）上料模块 如图2所示，上料装置由送料支架、挂料钩、拨料板、升降气缸、拉伸弹簧、水平气缸及相关结构件组成。送料时，将待加工的喷吹管放置在放料横挡上，由重力作用，喷吹管滑动到送料支架前部，启动升降气缸带动托料板将其顶起，喷吹管沿导料板进入挂料钩上，便于后续加工。

图2 上料模块示意图

2）送料模块 如图3所示，送料装置由送料轨、送料电机、V形辊、送料轨、落料板及其他配件组成。喷吹管落到挂料钩上后，行程接近开关检测到工件，启动送料电机，带动链轮和链条沿送料轨道并以V形辊为支撑进行送料。

图3 送料模块示意图

3）焊接模块和钻孔模块 如图4所示，焊接装置由夹紧机构、焊机、焊接夹具和传送机构等组成。其中，夹紧机构在喷吹管进行焊接、钻孔时起定位作用，夹紧机构包括喷吹管头部定位件、喷吹管尾部定位件及喷吹管夹持组件等。焊机用于焊接喷吹管与喷嘴，焊接夹具用来定位喷嘴，两者位于图4中工轨左侧。传送机构用来向前推送喷吹管，包括工轨组件及V形辊组件等。送料模块将喷吹管送至工轨后，将喷嘴置于焊接夹具上，启动焊机将喷嘴焊接于喷吹管上，焊接完成后由传送机构将喷吹管输送至下一个环节。

图4 焊接模块示意图

如图5所示，钻孔模块由动力头、钻床底板、水平顶出机构、竖直顶出机构、导轨、钻床立架等组成。钻孔操作无需对程序进行选择，即焊接程序与钻孔程序无缝衔接，同步驱动；钻孔速度由程序控制，并保持与焊接速度的完全一致。

图5 钻孔模块示意图

4）下料模块 如图6所示，下料模块由下料轨、行走组件、下料杠杆地脚连接板链条等组成。夹紧气缸通过下料杠杆控制上下夹片打开或闭合，上下夹闭合后将喷吹管夹紧，动作顶出气缸将喷出管放置在下料杠杆上，打开上下夹片后，喷出管沿下料杠杆滚动至成品输送带上，输送带将喷吹管成品件输送至初始指定位置。

图6 下料模块示意图

5）控制系统 PLC集控系统可控制焊接及钻孔模块、生产系统输送、气动元件、上下料机构的运转等，并设有工作原点、急停开关互锁、安全信号的交互等。操作按钮（2套）分别安装在焊接工装的两边，按钮包括预约按钮、启动按钮、重启动按钮、急停按钮等；工作站控制系统具有过热、超限、超速、断/缺丝保护等功能。

6）其他辅助装置 为保证产品的合格率，在生产系统中均设置检测传感器，包括压缩空气压力检测、焊接保护气体压力检测、焊枪防碰撞检测，一旦生产合格产品的条件不满足，系统即会检知、停机、报警。电气接头采用军用航空插头，输入气管采用快插接头，工作站气动管路与电器系统路采用防飞溅保护措施。

工作区域内的各模块机器人、钻床行走导轨、夹具移动导轨均安装有防飞溅防护罩，以防止操作过程中的飞溅物和其他杂物对导轨表面的影响。

工作区域内的四周设有防护栏，防护栏正面为敞开式，为保护操作者的安全，防护栏上还配有维护人员进出的安全门，安全门上安装有安全锁。当安全门打开时安全锁发出报警信号，机器人不能启动，保证操作者的安全。

2 喷吹管加工工艺实现

根据每一批需加工的喷吹管型号规格，先在夹具导轨上调整好喷嘴夹具的位置（常用间距为220 mm、230 mm、240 mm和250 mm的喷吹管，采用柱销定位来固定夹具，其他非标间距尺寸的喷吹管采用标尺定位的方式来调整夹具位置），选择预设程序（常用间距的喷吹管操作程序直接选择，非标喷吹管由机器人按所调整的喷嘴位置进行预演一次，再留存程序）。操作者将喷吹管散件吊装到上料支架上，自动上料机构将散件运至输送生产系统。输送生产系统将喷吹管输运到指定位置，工件被托起机构顶起至工作位置，人工将角铁及短管安装并点动夹紧，顶/夹紧机构将工件（角铁和短管）顶紧固定，然后手动将喷嘴散件逐一放入焊接夹具内，自动夹紧，操作人员退出并按下启动/预约按钮，到第二输送系统重复动作。

机器人按程序到位后先焊接角铁或短管，焊接完成后再逐个焊接各喷嘴。在焊接过程中，移动钻床同步（相隔1～2个喷嘴）自动到位进行钻孔，焊接机器人在完成A工位操作后自动切换到对向输送系统B工位进行焊接（钻孔同步执行），如此循环操作。

当机器人结束A 工位焊接，钻床还在钻孔期间，为保证精度焊接工装不得松开，保持到钻孔完成，完成后松开所有工装夹具，自动将成品工件下降到输送系统上，运输到下料区域内，由下料机构将工件输送到下料位置，整齐摆放支架上。机器人焊接到一定数量后，自动到清枪器位置进行枪头清理。加工工艺过程如图7所示，循环作业过程仅需操作者 1 名。

图7 喷吹管加工工艺流程示意图

3 应用情况

根据客户现场应用工况条件，制作了产品并在现场进行了应用。该产品包含自动上料系统、送料提升系统、自动焊接工装及模具（含行走轨道）、弧焊机器人系统（含焊机、清枪站、控制柜）、自动钻孔系统、链式输送系统、自动下料系统等整套设备，生产工艺高效可行，投入使用后反映良好。在现场应用中，完成一个循环需要380 s，较之前效率提高了100%，加工合格率100%，自动上/卸料时间（单件）≤60 s，焊接工位转换时间≤60 s。

4 总结

针对现有喷吹管加工过程中存在的问题，本文提出的一种喷吹管自动化生产系统总体方案及工艺流程，可实现自动化模块集控系统换人来提高喷吹管加工效率，并大大提高了产品加工精度，降低了劳动力成本，实现了制造过程的最优化、智能化和自动化。通过现场应用取得良好效果，验证了其可行性。该系统的设计及应用为后续其他复杂产品总装工艺流程设计提供了一种技术思路。