太陽能真空集熱銅管自動焊接設(shè)備的研制

莊曙東 安魯陵 李 棟 范棟梁

(①南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016;②河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022;③江蘇如高高壓電器有限公司，江蘇如皋226572;④海頓直線電機(jī)(常州)有限公司，江蘇常州213022)

太陽能高效、清潔、豐富，從有記載的人類歷史開始，就作為一種能源和動力加以利用。在20世紀(jì)，太陽能利用的研究有低谷，也有高潮，但是近年來，全球工業(yè)發(fā)展迅猛，能源危機(jī)突出，污染日益嚴(yán)重，對人類的生存和發(fā)展構(gòu)成了威脅。在這樣的背景下，1992年聯(lián)合國在巴西召開“世界環(huán)境與發(fā)展大會”，會議通過了《里約熱內(nèi)盧環(huán)境與發(fā)展宣言》、《21世紀(jì)議程》和《聯(lián)合國氣候變化框架公約》等一系列重要文件，把環(huán)境與發(fā)展納入統(tǒng)一的框架，確立了可持續(xù)發(fā)展的模式。這次會議之后，世界各國加強(qiáng)了清潔能源技術(shù)的開發(fā)，將利用太陽能與環(huán)境保護(hù)結(jié)合在一起，使太陽能利用的研究將突飛猛進(jìn)。

我國在目前國際大環(huán)境的支持下，也頒布和實(shí)施了《可再生能源法》等法規(guī)，為太陽能利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了政策保障，使太陽能、風(fēng)能、生物能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽苡辛碎L足的發(fā)展。特別是極大的人口總量給消耗資源帶來了很大的挑戰(zhàn)，因此我國自行研制和開發(fā)的太陽能熱水器等民用方面的太陽能利用一直是我國太陽能利用的研發(fā)重點(diǎn)。

太陽能熱水器把太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產(chǎn)中的熱水使用。太陽能熱水器是由全玻璃真空集熱管、儲水箱、支架及相關(guān)附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠玻璃真空集熱管。集熱管受陽光照射面溫度高，背陽面溫度低，而管內(nèi)水便產(chǎn)生溫差反應(yīng)，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達(dá)到所需熱水。太陽能熱水器工作原理如圖1所示。

1 真空集熱銅管加工工藝

由圖1可以看出在太陽能熱水器的工作過程中玻璃真空集熱管起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的玻璃集熱管中心沒有任何介質(zhì)，從傳熱效率上不能起到理想的效果。后來經(jīng)過技術(shù)革新，通過在雙層真空玻璃管內(nèi)管中間加入兩端封堵的真空銅管介質(zhì)從而改善集熱銅管的傳熱效率。目前普遍使用的是φ8 mm的真空集熱銅管。集熱銅管如圖2所示。

現(xiàn)有的真空集熱銅管加工工藝通常是先對銅管的一端進(jìn)行焊接密封，再對另一端進(jìn)行縮口，灌入介質(zhì)，加熱銅管，蒸發(fā)介質(zhì)達(dá)到銅管真空的目的，同時(shí)進(jìn)行兩端密封(擠壓加熔焊接)，這一過程的實(shí)現(xiàn)，通常由熟練工人手工操作完成。整個(gè)工藝過程的實(shí)現(xiàn)并不是很復(fù)雜，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，存在3個(gè)需要解決的問題:

(1)灌入介質(zhì)，加熱銅管，蒸發(fā)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)真空等工藝，由于是人工操作，灌入介質(zhì)量，加熱銅管的時(shí)間，蒸發(fā)介質(zhì)的時(shí)間均由工人憑感覺掌握，所以長期以來，通過檢測，真空集熱銅管質(zhì)量始終難以保證。

(2)由于現(xiàn)有灌入的介質(zhì)對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的抑制、麻醉作用，高濃度接觸對個(gè)別人可能出現(xiàn)肝、腎和胰腺的損害，因此手工操作實(shí)現(xiàn)這一工藝過程是不適合的。

(3)手工操作使真空集熱銅管的產(chǎn)量也是低效、高成本和不可控的，也無法實(shí)現(xiàn)批量化。

以上真空集熱銅管的加工成為蒸蒸日上的太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展中掉鏈子的過程。為此我們展開了太陽能真空集熱管自動焊接設(shè)備的研制，以實(shí)現(xiàn)真空集熱銅管標(biāo)準(zhǔn)化、自動化、高效率生產(chǎn)。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)手工操作加工真空集熱銅管的工藝過程，設(shè)計(jì)的集熱管自動焊接設(shè)備應(yīng)完成如下動作:

銅管安裝→銅管快移→銅管介質(zhì)注入→熱水槽上升，加熱→液壓壓緊和剪切→液壓松開，熱水槽下降→銅管快移至安裝位置→銅管上升定位至焊接部位→焊接定位液壓壓緊→焊槍行走，等離子焊接→液壓松開→銅管下移至安裝位置→銅管拆卸。

同時(shí)根據(jù)真空集熱管的技術(shù)要求，自動焊接設(shè)備還必須滿足以下工藝要求:第一，易于拆卸銅管;第二，可控真空集熱管長度;第三，焊槍必須易于拆卸調(diào)節(jié)和更換焊槍頭;第四，控制水溫，要求被加熱銅管保證在3 s內(nèi)將灌入介質(zhì)完全噴出;第五，工件中心與焊槍口中心處于同一直線誤差≤2 mm;第六，夾緊與焊接部位分離，以避免夾緊時(shí)噴出的介質(zhì)在焊接時(shí)燃燒。

由此過程，集熱銅管自動焊接設(shè)備應(yīng)包含以下6個(gè)功能部件:整體支架、銅管安裝工作面及移動機(jī)構(gòu)、介質(zhì)注入機(jī)構(gòu)、銅管加熱及溫度控制機(jī)構(gòu)、銅管液壓壓緊和剪切機(jī)構(gòu)、銅管等離子焊接部件及焊槍行走機(jī)構(gòu)。集熱銅管自動焊接設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3。

實(shí)際上集熱銅管自動焊接設(shè)備除圖3所含的機(jī)構(gòu)外，還包括等離子焊機(jī)一臺，液壓油缸三套及乙炔氣、氧氣、供水系統(tǒng)一套等設(shè)備。

3 重要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 整體支架

整體支架是整個(gè)設(shè)備的基礎(chǔ)，承載著機(jī)構(gòu)所有的載荷，特別是銅管液壓壓緊和剪切機(jī)構(gòu)及銅管焊接時(shí)定位夾緊機(jī)構(gòu)，為防止變形，整體質(zhì)量較大。由結(jié)構(gòu)簡圖可知，由于功能需要，這兩部分都架在支架頂部，同時(shí)由于集熱管較長，使得支架整體高度達(dá)到2 500 mm，這樣的結(jié)構(gòu)極易變形。另外銅管液壓壓緊和剪切機(jī)構(gòu)及銅管焊接時(shí)定位夾緊機(jī)構(gòu)受力時(shí)的變形，部分壓力也可能使整體支架受力變形，而且這種變形是單方向的。在經(jīng)過強(qiáng)度校核計(jì)算，最終選用了60 mm×60 mm方管焊接成型，并在部分易變形處加入加強(qiáng)筋，以提高整體支架的強(qiáng)度。

3.2 銅管安裝工作面及移動機(jī)構(gòu)

銅管安裝工作面設(shè)計(jì)時(shí)首先要注意安裝定位位置也要正確可靠，否則介質(zhì)注入就會受到影響。因此安裝工作面要有一定的強(qiáng)度。但是銅管壓緊和焊接在兩個(gè)工作位置，因此需要左右和上下移動，而且移動的速度直接影響工效，所以安裝工作面在保證強(qiáng)度的情況下，應(yīng)盡量減重。其次考慮為保證集熱管長度一致，下部應(yīng)有定位裝置。定位裝置三維視圖如圖4所示。再次為提高工效，肯定有多根銅管同時(shí)安裝，在銅管液壓壓緊和剪切機(jī)構(gòu)工作時(shí)，為保證壓緊和剪切的效率，多根銅管的安裝要根據(jù)壓緊和剪切的受力圖計(jì)算進(jìn)行合理安排，一般狀況時(shí)兩端放置多，中間放置少。最后要考慮工人安裝簡便，提高工效。實(shí)際的裝夾裝置參照家用夾子的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。

銅管壓緊和焊接在兩個(gè)工作位置，因此移動機(jī)構(gòu)主要帶動安裝工作面實(shí)現(xiàn)左右和上下移動。經(jīng)過分析，左右和上下移動主要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的控制，而無須實(shí)現(xiàn)過程速度的精確控制。在綜合成本和快速控制的效果上，本移動機(jī)構(gòu)不采用絲杠螺母副控制，而采用液壓油缸和直線導(dǎo)軌副控制。

3.3 介質(zhì)注入機(jī)構(gòu)

根據(jù)手工操作注入介質(zhì)一般為5 mL，同時(shí)為保證集熱銅管的真空度、傳熱效果及后續(xù)的壓緊焊接工序，一般銅管頭部直徑先由8 mm收縮為4 mm，此時(shí)介質(zhì)注入孔徑僅為1～1.5 mm，這樣注入介質(zhì)只能由壓力針管注入。其次由于設(shè)備是自動化程度較高的設(shè)備，假如再用手工注入，就會達(dá)不到設(shè)計(jì)目的。為此，也采用液壓油缸或液壓氣缸來實(shí)現(xiàn)控制。

3.4 銅管加熱及溫度控制機(jī)構(gòu)

3.4.1 加熱水箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于加熱水箱長期處于熱水的浸泡中，為了保溫所以中間必須加入一層保溫材料，起到保溫又確保水箱表面溫度不至于太高影響工人的工作環(huán)境的作用。設(shè)計(jì)采用雙層結(jié)構(gòu)，外層為530 mm×230 mm×420 mm的箱體，中間選用專業(yè)隔熱材料，內(nèi)層為510 mm×210 mm×400 mm的箱體，內(nèi)置一根2 000 W和3根1 200 W的U型加熱電阻，4根電阻穿過箱體與外接電源連接。頂蓋為530 mm×230 mm中間切割50 mm×450 mm的槽，頂蓋作用是在保證銅管安裝定位裝置能順利進(jìn)入水槽的情況下，能減少熱量和水分的蒸發(fā)。水箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖5。

加熱水箱放置在框中，放置框在液壓油缸的帶動下，沿鋁合金軌道上下運(yùn)動。實(shí)際上在設(shè)計(jì)中集熱銅管與定位裝置是可以進(jìn)行上下移動的，這樣加熱水箱完全可以固定，同樣可以實(shí)現(xiàn)銅管加熱，把介質(zhì)噴出，然后銅管上升，實(shí)現(xiàn)壓緊和剪切，但經(jīng)試驗(yàn)，這種方法由于從介質(zhì)噴出到實(shí)現(xiàn)壓緊和剪切有一過程，這段時(shí)間可能使空氣又進(jìn)入銅管，從而使銅管內(nèi)真空度大大降低。經(jīng)檢測這樣的集熱銅管傳遞熱效率達(dá)不到品質(zhì)要求。所以，為使介質(zhì)噴出和壓緊剪切同時(shí)實(shí)現(xiàn)，采用熱水箱在液壓油缸的帶動下上下運(yùn)動的結(jié)構(gòu)。

3.4.2 加熱水箱加熱和水溫控制設(shè)計(jì)

為了快速完成水箱的加熱，經(jīng)計(jì)算，使用一根2 000 W和3根1 200 W的U型電阻對水箱進(jìn)行加熱。其中一根2 000 W的電阻加熱管常開，在整個(gè)過程中起到了加熱和保溫的作用;3根1 200 W加熱電阻輔助加熱，當(dāng)水溫高于設(shè)定溫度時(shí)將斷開。因此對水箱加熱的控制實(shí)際上是對3根1 200 W加熱電阻的控制，這一過程由PLC控制交流接觸器實(shí)現(xiàn)。

水箱中水溫的控制可由PT100溫度傳感器實(shí)現(xiàn)。這是一種傳感精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，常用中低溫區(qū)(-200～400℃)控制的一種溫度檢測器。溫控儀表使用常州諾海公司生產(chǎn)的XMTA-3000A智能溫控儀表。

3.5 銅管液壓壓緊和剪切機(jī)構(gòu)

液壓壓緊和剪切機(jī)構(gòu)是完成銅管密封的重要部件，在整個(gè)工作過程起到了預(yù)密封和控制銅管長度的作用，實(shí)際上銅管長度的精確控制也是下道自動焊接工序必要的預(yù)處理工序。

液壓壓緊和剪切機(jī)構(gòu)采用鍘刀型機(jī)構(gòu)，這是一種杠桿機(jī)構(gòu)，施力源的施力通過杠桿作用能成倍放大。設(shè)計(jì)的銅管液壓壓緊和剪切機(jī)構(gòu)如圖6，底板安裝在整體支架上，底板左端為鉸接固定支座，右端為施力源支座，兩支座間通過底板和定刀片固定，動刀片一端在鉸接固定支座處與定刀片鉸接聯(lián)結(jié)，另一端用彈簧聯(lián)結(jié)在施力源支座上，使動刀片始終與定刀片分離，直到固定在四方座的液壓缸推動，實(shí)現(xiàn)壓緊和剪切。

為了達(dá)到壓緊和剪切的效果，經(jīng)初步計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，施力源選用了15 mm×15 mm的液壓缸。由于兩個(gè)支座承擔(dān)了最主要的壓緊和剪切力，底板僅起固定和定位作用，故采用45鋼經(jīng)磨削完成。同時(shí)在動、定刀片下方，底板上應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的產(chǎn)量要求和通過動、定刀片受力圖計(jì)算，設(shè)計(jì)并精密加工銅管穿越的一組孔系。支座采用模具鋼，先進(jìn)行預(yù)加工，然后熱處理，線切割完成。動、定刀片要完成壓緊動作，基體均采用優(yōu)質(zhì)模具鋼加工完成。刀片是易損件，設(shè)計(jì)成可更換式，采用1Cr18Ni9Ti等優(yōu)質(zhì)材料的市場成熟產(chǎn)品或標(biāo)準(zhǔn)件，以保證設(shè)備壽命，降低成本。

3.6 銅管等離子焊接部件及焊槍行走機(jī)構(gòu)

集熱銅管的焊接可以采用多種方式，其作用是對密封壓緊的銅管頭部再進(jìn)行焊接融合，以確保集熱銅管的真空度和太陽能熱水器關(guān)鍵部件長期使用的可靠性?？紤]到設(shè)備的自動化程度高及可控性，設(shè)計(jì)采用等離子焊接方式。為降低成本和解決穩(wěn)定的自動起弧問題，參照市場上成熟的等離子焊接設(shè)備原理，結(jié)合本成套設(shè)備，自行研制了能自動穩(wěn)定起弧的等離子焊接設(shè)備，如圖7。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)調(diào)試，選擇的焊接參數(shù)為:起維弧電壓為25～30 V，電流為5 A，工作時(shí)焊接電壓20～28 V，焊接電流70 A，焊接時(shí)間3～7 s，焊接保護(hù)氣流量6～10 L/min，離子氣流量0.5～5 L/min，焊接自熔量為3～5 mm。

為了達(dá)到自動化焊接效果，設(shè)備采用基體為模具鋼，工作面為紫銅的焊接夾具定位夾緊，使用PLC控制步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)焊槍行走。焊槍行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8。這種行走機(jī)構(gòu)可以在PLC的控制下，在焊接銅管時(shí)實(shí)現(xiàn)工進(jìn)，在兩個(gè)銅管之間實(shí)現(xiàn)快進(jìn)，這將大大提高焊接工效。同時(shí)兩根直線導(dǎo)軌與滾珠絲杠組成的運(yùn)動副，靈活可靠，定位精確，軸向剛度大，從而在優(yōu)選的參數(shù)控制下，焊接效果十分理想。

4 控制電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述工作過程和機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，太陽能真空集熱銅管自動焊接設(shè)備要實(shí)現(xiàn)自動化操作，需要進(jìn)行多方面的控制，設(shè)計(jì)選用三菱FX1N-60MT型PLC來實(shí)現(xiàn)。

4．1 液壓系統(tǒng)的PLC控制

設(shè)計(jì)中共使用6個(gè)液壓缸分別完成介質(zhì)注入、銅管左右移動、銅管上下移動、熱水箱上下移動、銅管的壓緊與剪切、焊接的定位與夾緊等6個(gè)動作。由于每個(gè)動作所需的工作壓力是不同的，如介質(zhì)注入的工作壓力遠(yuǎn)小于銅管的壓緊與剪切的工作壓力，這樣兩個(gè)動作可以由兩個(gè)液壓泵站來實(shí)現(xiàn)，銅管左右移動、銅管上下移動、熱水箱上下移動所需的工作壓力雖有差別，但可以用同一液壓泵站通過減壓閥來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)備選用兩個(gè)液壓泵站，6組減壓閥來實(shí)現(xiàn)。

PLC對液壓系統(tǒng)的控制主要通過對2個(gè)電磁閥的控制來實(shí)現(xiàn)液壓缸的運(yùn)動。而PLC的內(nèi)部通過梯形圖來控制液壓缸的動作。圖9為水箱液壓缸上升控制梯形圖，圖10為銅管壓緊與剪切液壓缸復(fù)位控制梯形圖。

4．2 PLC對焊接行走機(jī)構(gòu)控制

PLC對焊接行走機(jī)構(gòu)控制就是PLC對步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器來控制實(shí)現(xiàn)。行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動用的步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器采用2HB605MAE型步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器。

在本設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵是焊槍能準(zhǔn)確定位、銅管焊接時(shí)的焊槍工進(jìn)，兩銅管間焊槍快進(jìn)，設(shè)計(jì)的步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)動梯形圖如圖11所示。

74到83步為電動機(jī)運(yùn)動到第一焊接點(diǎn)，K1050為從零點(diǎn)到第一焊接點(diǎn)總步數(shù)，D200為掉電保存。

92到109步為第一焊接點(diǎn)焊接，K70為焊接時(shí)間7 s。118到127步為從第一焊接點(diǎn)到第二焊接點(diǎn)，因?yàn)椴捎肈RVA所以第二焊接點(diǎn)總步數(shù)為K2650。

136到140步為第三焊接點(diǎn)。第三焊接點(diǎn)絕對步數(shù)為K4200。

4．3 面板控制設(shè)計(jì)與控制柜設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選擇的是MD204L型控制面板。控制柜面板見圖12，控制箱線路圖如圖13所示。

5 結(jié)語

本設(shè)備經(jīng)調(diào)試，現(xiàn)已投入到某太陽能有限公司使用之后，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，該公司從原有手工生產(chǎn)銅管產(chǎn)量每天僅為200根左右，現(xiàn)在生產(chǎn)銅管產(chǎn)量每天達(dá)1 600根左右，而且改善了工人的勞動強(qiáng)度和工作環(huán)境。當(dāng)然設(shè)備是試制產(chǎn)品，其穩(wěn)定性、工藝參數(shù)和操作的安全性尚需生產(chǎn)的進(jìn)一步考驗(yàn)，特別是介質(zhì)噴出后的回收、銅管剪切下來的料頭的回收也值得進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。

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