一種用于焊縫打磨的多功能小型磨挫機頭設(shè)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(shù)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(zhì)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(chǎn)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(cè)焊縫完成焊接后，需要對鋼管內(nèi)側(cè)進行清根，并在鋼管內(nèi)側(cè)焊縫焊接完成后對焊縫表面進行打磨工作，由于對焊縫質(zhì)量要求比較高，鍋爐產(chǎn)品的焊縫質(zhì)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(yè)均投入了大量的人力物力，不斷開發(fā)并更新自動化焊接設(shè)備，不斷改進并優(yōu)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(chǎn)設(shè)備及技術(shù)，我國鍋爐行業(yè)整體焊接水平得到大大提升［3］，已由傳統(tǒng)的人工作業(yè)模式提升為半自動化作業(yè)模式，其中部分工作量繁重的工序已實現(xiàn)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(chǔ)上再增加1 臺聯(lián)動的焊接滾輪架，即可實現(xiàn)筒體的環(huán)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(chǔ)上再增加一臺聯(lián)動的焊接滾輪架，即可完成筒體的環(huán)向焊縫的清根及打磨工作；焊接自動化設(shè)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(zhì)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(shè)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(chǎn)設(shè)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(chǎn)了多個型號的磨挫機，實現(xiàn)了焊縫清根及打磨的自動化作業(yè)［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(xiàn)有磨挫機頭結(jié)構(gòu)尺寸較大［7］，仍無法進入筒體內(nèi)進行清根及打磨作業(yè)，如圖4 所示。目前小直徑鋼管內(nèi)側(cè)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(nèi)進行打磨作業(yè)過程中產(chǎn)生的煙霧和粉塵較多且難以擴散，對作業(yè)人員的身心健康產(chǎn)生了極大危害，同時作業(yè)過程中產(chǎn)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(zhì)量，隨著國內(nèi)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(huán)境的渴望，未來幾年，我國大中型鍋爐企業(yè)的小直徑鋼管內(nèi)焊縫打磨將也將全部實現(xiàn)全自動化作業(yè)。

圖4 中大型磨挫機頭

本項目的客戶為國內(nèi)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(nèi)作業(yè)，客戶雖有多套已投入生產(chǎn)使用的磨挫機，除了焊接操作架能夠進入該直徑鋼管內(nèi)外，全部磨挫機頭均無法進入，故需要重新開發(fā)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(nèi)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(yè)過程中自動識別焊縫并糾偏，無需人工干預(yù)。本文從磨挫機頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計入手［8］，通過機械設(shè)計與計算［9］，攻克了結(jié)構(gòu)尺寸受限、砂輪砂帶如何切換實現(xiàn)多功能作業(yè)的諸多難題，在設(shè)計過程中采用仿真運動分析計算［10］，從理論上驗證了設(shè)計的可行性，產(chǎn)品制造完成后進行了打磨作業(yè)試驗，達到了預(yù)期的設(shè)計效果，產(chǎn)品交付后使用良好。

1 磨挫機頭主要機構(gòu)的設(shè)計

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

圖5 磨挫機頭主要組成機構(gòu)

1.1 動力機構(gòu)

動力機構(gòu)由電機驅(qū)動，通過同步皮帶、同步輪來實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速及扭矩，同時為了確保設(shè)備的安全，當(dāng)砂輪／砂帶打磨過程中出現(xiàn)較大阻力時，皮帶過載將會以斷裂的形式體現(xiàn)，防止由于操作失誤或設(shè)備老化等因素產(chǎn)生相應(yīng)的安全性問題。

圖6 動力機構(gòu)

1.2 上下浮動機構(gòu)

上下浮動機構(gòu)由氣缸、直線軸承、導(dǎo)軌及相關(guān)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(gòu)的氣缸進行緩沖，以免損壞砂輪，同時可以設(shè)定氣缸的氣壓值，通過一定的氣壓值實現(xiàn)磨削機構(gòu)自動下壓，實現(xiàn)打磨深度的連續(xù)性及自動化，有利于磨削的均衡平穩(wěn)進行。

圖7 上下浮動機構(gòu)

1.3 左右浮動機構(gòu)

左右浮動機構(gòu)由可調(diào)氣缸和相應(yīng)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(cè)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(xiàn)危險；需要固定磨削時，則鎖緊機構(gòu)鎖緊，讓磨頭磨削軌跡不發(fā)生偏移，確保磨削掉多余的焊渣。

圖8 左右浮動機構(gòu)

1.4 傳動機構(gòu)

磨挫機在作業(yè)過程中，由于有上下浮動機構(gòu)，因此要求傳動軸必須具備長度可調(diào)節(jié)的功能，磨挫頭在上下浮動時傳動軸可隨動，原有常規(guī)的傳動軸采用內(nèi)花鍵插入式十字軸的結(jié)構(gòu)形式，如圖9 所示，但由于傳統(tǒng)十字軸長度尺寸較大，而現(xiàn)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(lián)軸器采用平行軸聯(lián)軸器替代，如圖10 所示，替代后的聯(lián)軸器不僅使傳動機構(gòu)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(nèi)花鍵插入式十字軸

圖10 平行軸聯(lián)軸器

1.5 砂輪機構(gòu)

砂輪機構(gòu)主要由砂輪、砂輪保護罩組成，如圖11 所示，砂輪高速旋轉(zhuǎn)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(yè)過程中砂輪呈粉末狀消耗，不會產(chǎn)生大塊碎裂飛濺造成安全事故。

圖11 砂輪機構(gòu)

1.6 砂帶機構(gòu)

砂帶機構(gòu)主要由砂帶、砂帶保護罩、張緊輪、偏擺機構(gòu)組成，如圖12 所示，砂帶機構(gòu)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(zhuǎn)動過程中，砂帶會偶有偏移，故需要通過偏擺機構(gòu)進行調(diào)整，當(dāng)砂帶往外側(cè)跑偏，則逆時針旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺絲，反之同理，確保砂帶處于中心位置。

圖12 砂帶機構(gòu)

2 磨挫機頭多功能的設(shè)計

2.1 砂輪縱向／橫向切換功能

本設(shè)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(huán)封打磨及清根時，磨挫頭與連接板的連接處選擇旋轉(zhuǎn)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(shè)備具有砂輪、砂帶作業(yè)的功能，可根據(jù)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(jié)構(gòu)兩側(cè)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(jié)構(gòu)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(tǒng)功能

工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)用于遠距離觀察打磨狀況，對工件打磨過程進行可視化監(jiān)控，操作人員不用靠近打磨工作區(qū)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(jiān)控系統(tǒng)由1 只彩色CCD 攝像機、可調(diào)焦變焦鏡頭、輔助照明裝置、視頻電纜和1 臺彩色監(jiān)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(diào)，視覺數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸至處理器，并通過顯示系統(tǒng)實時顯示視覺界面。

圖18 視覺系統(tǒng)

3 結(jié)束語

該磨挫機頭的研制實現(xiàn)了小管徑鋼管內(nèi)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(zhì)量；視覺系統(tǒng)的應(yīng)用，讓操作員不再近距離接觸作業(yè)過程中的粉塵和煙霧，在遠端通過視覺系統(tǒng)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(jù)需要進行砂輪／砂帶切換的多功能，實現(xiàn)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(shè)備成本；該設(shè)備現(xiàn)場已實際使用半年多，暫未出現(xiàn)任何故障，作業(yè)效率滿足了其生產(chǎn)要求，作業(yè)質(zhì)量亦高于預(yù)期，得到客戶的好評，達到了預(yù)定的設(shè)計效果，具有良好的經(jīng)濟效益。