機(jī)器人焊接與除塵系統(tǒng)聯(lián)控的節(jié)能改造

黃軼春，趙丕武，覃建想，譚 斌

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西柳州 545007）

0 引言

機(jī)器人焊接，特別是中厚板機(jī)器人焊接，在工程機(jī)械制造企業(yè)普遍應(yīng)用。機(jī)器人焊接在帶來(lái)效率和質(zhì)量提升的同時(shí)，處理其工作中產(chǎn)生的大量焊接煙塵是一個(gè)難點(diǎn)。目前大部分企業(yè)會(huì)為每一臺(tái)焊接機(jī)器人加裝獨(dú)立式單機(jī)焊接煙塵處理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱為“除塵系統(tǒng)”），以解決該難點(diǎn)問(wèn)題。但單獨(dú)加裝的除塵系統(tǒng)一旦開(kāi)啟，不論焊接機(jī)器人是否處于工作狀態(tài)，若不手動(dòng)關(guān)閉就會(huì)一直運(yùn)行，導(dǎo)致用電浪費(fèi)。為此，需要通過(guò)改造將除塵系統(tǒng)的啟停與焊接作業(yè)的執(zhí)行進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而達(dá)到節(jié)約用電的效果。

1 現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

某工廠共有32 臺(tái)焊接機(jī)器人自帶除塵系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)總功率228.1 kW（表1）。其中，PLC 控制方式的有10臺(tái)，非PLC 控制方式的有22 臺(tái)。按每年工作300 d、每天工作時(shí)間20 h 計(jì)算（自動(dòng)化設(shè)備三班運(yùn)轉(zhuǎn)），除塵系統(tǒng)每日用電4560 kW·h，年用電量達(dá)136.86 萬(wàn)千瓦時(shí)。

表1 焊接機(jī)器人除塵系統(tǒng)功率統(tǒng)計(jì)

經(jīng)觀察，每臺(tái)機(jī)器人在焊接過(guò)程中，存在機(jī)器人清槍、長(zhǎng)焊縫焊接完畢后的冷卻、異常問(wèn)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(chǎn)品平均焊接時(shí)間410 min，停止焊接次數(shù)29 次，停止焊接時(shí)間140 min。其中，上下料時(shí)間平均20 min/件；異常停機(jī)次數(shù)4 次，異常停機(jī)總時(shí)間54 min/件（表2）。

表2 A 型部件焊接停機(jī)時(shí)間

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

表3 B 型部件焊接停機(jī)時(shí)間

機(jī)器人在停止焊接時(shí)間內(nèi)，除塵系統(tǒng)仍在滿負(fù)荷運(yùn)行（除塵系統(tǒng)一直在50 Hz 工頻運(yùn)轉(zhuǎn)）。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知，由此造成的用電損耗理論上達(dá)每年42.8 萬(wàn)千瓦時(shí)（表4）。

表4 除塵系統(tǒng)用電量損耗數(shù)據(jù)

根據(jù)上述部件焊接停止時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)（圖1）：

圖1 機(jī)器人焊接停止時(shí)間和次數(shù)

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

（2）3 min＜T≤4 min 的停機(jī)有2 次，均為異常停機(jī)，占比4%；停機(jī)時(shí)間4.05 min，占比1%。

（3）T＞4 min 的停機(jī)有25 次，均為上下料和異常停機(jī)，占比45%；停機(jī)時(shí)間374 min，占比87%。

從上述分類(lèi)來(lái)看，如果在所有停焊時(shí)間內(nèi)都停止除塵系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，勢(shì)必會(huì)造成電機(jī)頻繁啟停，從而加速電機(jī)老化。因此，綜合考慮計(jì)劃剔除清槍尋位等正常停止焊接時(shí)間，以及T＜4 min 的異常停機(jī)處理時(shí)間，重點(diǎn)解決T>4 min 的焊接停止時(shí)間內(nèi)，除塵系統(tǒng)造成的用電損耗。

2 改造實(shí)施

2.1 除塵系統(tǒng)啟停與焊接作業(yè)聯(lián)控

（1）設(shè)置停止除塵系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間點(diǎn)為停止焊接后4 min，使除塵系統(tǒng)可以充分吸收殘余焊接煙塵，同時(shí)可以過(guò)濾T＜4 min 的停焊時(shí)間，從而避免因除塵系統(tǒng)電機(jī)頻繁啟停造成的損壞。

（2）設(shè)置自動(dòng)啟動(dòng)除塵系統(tǒng)的時(shí)間點(diǎn)為開(kāi)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(dǎo)致除塵系統(tǒng)電機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 PLC 控制的除塵系統(tǒng)聯(lián)控方式

通過(guò)增加1 個(gè)中間繼電器取得焊機(jī)送絲機(jī)的電流信號(hào)，并增加2 個(gè)時(shí)間繼電器用于控制除塵系統(tǒng)風(fēng)機(jī)啟停時(shí)間（圖2）。

圖2 PLC 控制的除塵系統(tǒng)聯(lián)控方式原理

圖3 非PLC 控制的除塵系統(tǒng)聯(lián)控方式原理

（1）在除塵器主接觸器安裝一個(gè)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(jī)器人電焊機(jī)負(fù)極主接觸器控制線圈連接點(diǎn)上。新增加KA5 中間繼電器，使用機(jī)器人焊機(jī)送絲電機(jī)的電源供電。

（2）送絲機(jī)得電送絲，KA5 中間繼電器線圈得電，常開(kāi)觸點(diǎn)吸合、常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)。反吹系統(tǒng)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(shí)繼電器線圈得電，延時(shí)4 s 后KT1 常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，除塵器啟動(dòng)輸入信號(hào)X1 得電，PLC 系統(tǒng)控制接觸器KM 線圈得電，除塵風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。

（4）KM 常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，啟動(dòng)輸入信號(hào)X1斷開(kāi)（PLC 控制風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，為電動(dòng)信號(hào)），防止啟動(dòng)輸入信號(hào)X1 一直得電，無(wú)法正常停止風(fēng)機(jī)。KM 常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，KA5 中間繼電器線圈得電，KA5 常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，新增的KT2通電延時(shí)繼電器不工作。

（5）機(jī)器人送絲機(jī)停止工作時(shí)，KA5 線圈失電，常閉觸點(diǎn)吸合，新增的KT2 通電延時(shí)繼電器線圈得電，延時(shí)4 min 后，KT2 常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，除塵器停止輸入信號(hào)X2 失電，除塵器停機(jī)。KM 常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，KT2 通電延時(shí)繼電器線圈失電，常閉觸點(diǎn)吸合，除塵器停止輸入信號(hào)X2 得電，除塵器啟動(dòng)。

2.3 非PLC 控制的除塵系統(tǒng)聯(lián)控方式

通過(guò)增加1 個(gè)中間繼電器取得焊接保護(hù)氣體的流量信號(hào)，并增加2 個(gè)時(shí)間繼電器用于控制除塵系統(tǒng)風(fēng)機(jī)啟停時(shí)間。

（1）當(dāng)機(jī)器人開(kāi)始焊接時(shí)，氣體開(kāi)關(guān)信號(hào)給到中間繼電器KA，線圈得電吸合，KT1 通電延遲時(shí)間繼電器線圈得電，4 min后KT1 導(dǎo)通。

（2）S3 開(kāi)關(guān)打到遠(yuǎn)控狀態(tài)時(shí)（11、14連通），KT1 導(dǎo)通后觸發(fā)KM 線圈得電，電機(jī)主電路得電，電機(jī)開(kāi)始工作。此時(shí)KM常開(kāi)點(diǎn)吸合（13、14），除塵風(fēng)機(jī)供電持續(xù)保持。

（3）當(dāng)焊接停止時(shí)，氣體開(kāi)關(guān)無(wú)信號(hào)，KA 繼電器失電，KT1 立即斷開(kāi)，KT2 斷電延時(shí)繼電器延遲4 s 后斷開(kāi)，KM 線圈失電，除塵風(fēng)機(jī)停止工作。

3 節(jié)能效果

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，所有機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)停止焊接超過(guò)4 min 后，除塵系統(tǒng)停止運(yùn)行；開(kāi)始焊接4 s 后除塵系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)控功能。節(jié)能效果測(cè)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 除塵系統(tǒng)節(jié)能效果測(cè)算

根據(jù)GB/T 28750—2012《節(jié)能量測(cè)量和驗(yàn)證技術(shù)通則》[1]，節(jié)能量的計(jì)算公式為：

式中 Es——節(jié)能量，kW·h

Er——統(tǒng)計(jì)報(bào)告期能耗，kW·h

Ea——校準(zhǔn)能耗，kW·h

根據(jù)上述節(jié)能量測(cè)算數(shù)據(jù)，得出統(tǒng)計(jì)報(bào)告期能耗Er、校準(zhǔn)能耗Ea分別為：

按電費(fèi)0.82 元/千瓦時(shí)計(jì)算，32 臺(tái)焊接機(jī)器人預(yù)計(jì)可節(jié)約用電213 299.25 kW·h，節(jié)約電費(fèi)17.49 萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

獨(dú)立式單機(jī)除塵系統(tǒng)電機(jī)功率并不大，因此焊接機(jī)器人集成商往往忽略了除塵系統(tǒng)的耗電問(wèn)題。但隨著焊接機(jī)器人投入數(shù)量的增多，除塵系統(tǒng)電機(jī)空運(yùn)轉(zhuǎn)的耗電量積少成多，成為企業(yè)節(jié)能管理中不可忽視的環(huán)節(jié)。本文闡述了一種簡(jiǎn)單的自動(dòng)化控制方式，對(duì)大于4 min 的停焊時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)除塵系統(tǒng)的聯(lián)控，以達(dá)到節(jié)能的效果。但實(shí)際上，小于4 min 的停止焊接時(shí)間仍有節(jié)能空間可以挖掘，可以通過(guò)加裝變頻器實(shí)現(xiàn)降頻運(yùn)行等方式實(shí)現(xiàn)。另外，這種聯(lián)控方法還可供機(jī)器人集成商參考，在新設(shè)備的設(shè)計(jì)調(diào)試中就加入此項(xiàng)功能。