管殼式換熱管機器人脹管方法的研究

摘要：管殼式換熱器制造時需要脹管工序，由于機器人和脹管機都是剛性機械，機器人脹管會出現(xiàn)脹管器與管孔中心不同軸碰撞或磨損。本文提供一種技術(shù)方案，通過脹管機在彈性固定器中自由移動，可以實現(xiàn)偏差修整，保證脹管器與管孔同軸，不發(fā)生機械損傷。

關(guān)鍵詞：脹管;機器人;彈性固定器

管殼式換熱器是煉油、化工、電力、冶金等行業(yè)中的重要設(shè)備，設(shè)備占工廠總設(shè)備投資超過40%。管殼式換熱器分管程和殼程，兩程分別注入溫度不同的流體，兩種流體通過換熱管的管壁進行熱交換。為防止兩種流體串通，換熱管與管板連接的地方需要密封，密封方式一般為脹接或脹接加焊接。脹管是管殼式換熱器的重要工序，它直接影響到換熱器的密封好壞和使用壽命。目前管殼式換熱器脹管方法有機械脹管（滾珠脹管、液壓脹管）和爆炸脹管兩種，而爆炸脹管僅用于高壓換熱器，機械脹管占絕大多數(shù)。

一、傳統(tǒng)機械脹管技術(shù)

機械脹管，是使用滾珠脹管器（圖1）或液壓脹管器（圖2），對換熱管管孔內(nèi)壁產(chǎn)生一定的壓力，使管子直徑脹大的加工工藝。脹接后的管子產(chǎn)生了塑性變形， 而管板處于彈性收縮狀態(tài)，管壁和管孔在脹接過程中的不均勻變形而產(chǎn)生的接觸壓力， 使管子和管板達到牢固而緊密的接觸，從而消除管子和管板之間的縫隙，使管口得以密封。

傳統(tǒng)機械脹管的操作方式為手持脹管機或半自動機械持脹管機作業(yè)，其缺點是：脹管機較重，手持勞動強度較大，速度慢，而且由于管子數(shù)量多，外形相同，很容易漏脹或重復(fù)脹，漏脹會影響換熱器的密封，重復(fù)脹會減薄管壁著而降低其強度。

二、機器人脹管技術(shù)的特點

當(dāng)今世界的國際經(jīng)濟競爭越來越成為以智能制造高端技術(shù)為支點的產(chǎn)業(yè)鏈競爭，智能制造的核心是工業(yè)機器人的應(yīng)用。隨著工業(yè)機器人技術(shù)及智能水平的提高，工業(yè)機器人已在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，中國更保持著35%的高增長率，目前中國已成為全球規(guī)模最大、增長最快的工業(yè)機器人市場。針對傳統(tǒng)機械脹管技術(shù)的缺點，我們?nèi)绻梢砸霗C器人技術(shù)來進行脹管作業(yè)，將可以發(fā)大大提升作業(yè)的自動化水平，減少人工工作量，避免漏脹或重復(fù)脹，提高產(chǎn)品質(zhì)量。但是，要實現(xiàn)機器人自動脹管，就必須解決技術(shù)一個重大難題：管板上的管孔是使用鉆床加工出來的，無論普通搖臂鉆床還是數(shù)控鉆床，加工出來的孔中心距都會存在偏差，而且每個孔的偏差值是不規(guī)則的，國家標(biāo)準(zhǔn)GB151《管殼式換熱器》里面詳細(xì)規(guī)定了允許的孔間偏差值，孔徑越大允許的偏差越大。而機器人脹管采用的是標(biāo)準(zhǔn)編程，機器人設(shè)定的中心距是按圖紙尺寸固定的，無法針對每個孔調(diào)整偏差。機器人和脹管機都是剛性機械，當(dāng)脹管器與管孔中心不同軸，就會發(fā)生脹管器與管孔內(nèi)壁機械碰撞或磨損，使管子和脹管器損傷，嚴(yán)重的會造成整臺脹管機損壞或整臺換熱器報廢。

三、技術(shù)方案

當(dāng)前機器人脹管的技術(shù)核心，就是要使脹管器的中心與管孔中心重合，其它方面目前都有了成熟的解決方案。而脹管器的中心與管孔中心重合，理論上可以用機器人視覺識別來完成，但視覺識別在實際中常常會發(fā)生差錯，這個與脹管工作的特性有關(guān)。脹管作業(yè)時，脹管器與管內(nèi)壁會發(fā)生滑動或滾動接觸，為減小摩擦，需要添加潤滑油或其它液體，這些液體飛濺在管口上，會造成機器人產(chǎn)生視覺偏差。而且機器人視覺需要增加大量控制裝置，會加大設(shè)備成本。

為此，我們可以采用特殊的機械裝置來解決上述問題。管板鉆孔加工的中心偏差最大為2-3mm，我們可以通過柔性機械裝置來修補偏差，達到自動調(diào)整的目的。技術(shù)方案如圖3所示：

方案中，我們在六軸機器人上安裝一個彈性固定器，再把脹管機安裝在彈性固定器中，彈性固定器中設(shè)計了彈簧鋼片，調(diào)整彈簧鋼片的力度使脹管機可以適度彈性移動，再把脹管器安裝在脹管機夾頭上。作業(yè)時驅(qū)動六軸機器人，使脹管器與某一根換熱管同軸，編寫一根管的脹管程序，調(diào)試好程度后，再按管孔的加工圖紙，利用機器人平移指令編寫全部脹管程序。啟動六軸機器人，使脹管器的尖端插入換熱管中，啟動脹管機工作，隨著脹管器的軸向移動，脹管機在彈性固定器中自由移動，可以有一定限度的偏差修整，保證脹管器與管孔同軸，不發(fā)生機械損傷。

彈性固定器的具體結(jié)構(gòu)見下圖：

原理說明：機器人法蘭1和彈性固定器外圈5通過法蘭連接并固定，使彈性固定器可以隨著機器人移動。脹管機2和彈性固定器內(nèi)圈通過緊固螺栓7固定。彈性固定器內(nèi)圈和外圈通過彈簧片4連接，彈簧片4一端固定在內(nèi)圈，另一端固定在調(diào)節(jié)螺釘3上，通過松緊調(diào)節(jié)螺釘3來調(diào)節(jié)彈簧片4的拉力，脹管機2重就需要調(diào)節(jié)螺釘3調(diào)整緊。這個結(jié)構(gòu)使機器人1與脹管機2保持彈性連接。

機器人與換熱管對準(zhǔn)的方法分二步，首先是機器人通過示教操作，使脹管器與管板垂直，二是根據(jù)管板上的管孔圖紙尺寸進行定位，可以使機器人對準(zhǔn)換熱管的理論位置。脹管器的尖端很小，可以順利進入管孔，隨著脹管器的深入，脹管機整體因為彈性固定器的修補，也會與管孔同軸，避免了機械碰撞和摩損。

四、結(jié)論

本方案可以很好地解決機器人脹管中心定位的關(guān)鍵技術(shù)問題，其結(jié)構(gòu)簡單可靠，設(shè)備制造和運行成本低。使用工業(yè)機器人脹管，速度快，定位準(zhǔn)確，將大大提高工作效率，降低工人勞動強度，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻：

[1]工業(yè)機器人在制造業(yè)中的應(yīng)用[J].黃曉輝.信息記錄材料.2018（08）

[2]中國工業(yè)機器人數(shù)據(jù)統(tǒng)計[J].梁文莉.機器人技術(shù)與應(yīng)用.2015（02）

[3]中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究及建議[J] 姚垠國.機器人產(chǎn)業(yè)2021（01）

[4]機電一體化技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢探析[J].李惠強.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備.2018（11）

作者簡介：李權(quán)（1972.5- ），男，漢族，廣東茂名市人，本科/學(xué)士（東南大學(xué)），教授級高級工程師，研究方向為節(jié)能環(huán)保技術(shù)、壓力容器和熱交換器研發(fā)、工業(yè)機器人技術(shù)等。工作單位為廣東理工職業(yè)學(xué)院