太陽能集熱管烤消打標(biāo)生產(chǎn)線的研究與應(yīng)用

楊懷林

YANG Huai-lin

（江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與電子工程系，淮安 223003）

0 引言

我國有豐富的太陽能資源，太陽能熱水器是太陽能利用行業(yè)中使用最為廣泛的經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、減排產(chǎn)品，是國家產(chǎn)業(yè)政策優(yōu)先發(fā)展的低碳綠色產(chǎn)業(yè)。全玻璃太陽能真空集熱管是太陽能熱水器的核心部件，真空管的質(zhì)量直接關(guān)系到太陽能熱水器的性能和壽命，而真空管的真空夾層真空度的高低對集熱管的性能、壽命有著十分重要的影響，良好的真空度能夠有效地減少集熱管的熱損。真空集熱管通過使用吸氣劑來提高和維持夾層中的真空度，吸氣劑是由鋇鋁合金加鎳粉壓制而成，經(jīng)高溫烘烤后，可以在管壁上生成純凈的鋇膜，這就是烤消的過程?？鞠螽a(chǎn)品要進(jìn)行打標(biāo)，用激光打碼機(jī)將太陽能集熱管的特征參數(shù)印在太陽能管上。

目前，真空集熱管生產(chǎn)企業(yè)在吸氣劑高頻烤消和激光打標(biāo)工序大都采用單機(jī)手工作業(yè)，也有企業(yè)嘗試用輸送線將兩個(gè)工序加以連接，由于烤消節(jié)拍與激光打標(biāo)節(jié)拍不同步，導(dǎo)致生產(chǎn)不連貫，不能自動生產(chǎn)。而且吸氣劑烘烤位置一致性較差，每一支集熱管在烘烤時(shí)其吸氣劑在高頻線圈中的相對位置不盡相同，吸氣劑蒸散的起蒸時(shí)間與總蒸時(shí)間在人工操作時(shí)是憑操作人員的經(jīng)驗(yàn)去控制的，因此，針對以上分析，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，減輕工人勞動強(qiáng)度，減少工時(shí)，降低能耗，提高生產(chǎn)效率，研制了一條集高頻烤消、激光打標(biāo)于一體的生產(chǎn)線，能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽能真空集熱管進(jìn)行柔性烤消和自動打標(biāo)控制。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的烤消打標(biāo)生產(chǎn)線主要由機(jī)架體、動力驅(qū)動裝置、傳輸裝置、電氣控制裝置、感應(yīng)加熱裝置、噴碼裝置等組成；其中動力驅(qū)動裝置安裝在機(jī)架體上，由步進(jìn)電動機(jī)、減速器、同步帶傳動組成；傳輸裝置由主動端組件、從動端組件、鏈條組件、鏈條托架、鏈條張緊裝置等組成；鏈條組件由鏈條、支架、管卡、橫撐組成；感應(yīng)加熱裝置由氣動滑臺、感應(yīng)加熱器、控制系統(tǒng)組成；噴碼裝置由打標(biāo)機(jī)、控制系統(tǒng)組成；電氣控制裝置安裝在控制柜內(nèi)，由三菱FX2N可編程控制器、空氣開關(guān)、可控硅移相觸發(fā)器、驅(qū)動器、計(jì)數(shù)器、開關(guān)電源、中間繼電器等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

圖1 總體方案設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)的工作原理是：啟動步進(jìn)電機(jī)（正常工作時(shí)由控制系統(tǒng)控制啟停），通過減速器帶動同步帶傳動，使主動端組件轉(zhuǎn)動，通過鏈條組件傳動，使放置在管卡上的太陽能集熱管在生產(chǎn)線上移動。當(dāng)集熱管到達(dá)烤消工位時(shí)，光電開關(guān)發(fā)出信號，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，傳輸帶停止移動工件，高頻加熱設(shè)備由氣壓滑臺帶動移動到指定位置，高頻感應(yīng)線圈對集熱管進(jìn)行烤消，同時(shí)后部的激光打標(biāo)機(jī)對相應(yīng)工位上集熱管進(jìn)行打標(biāo)?？鞠戤?，高頻加熱設(shè)備在氣壓滑臺帶動下退回到原始位置，傳輸帶繼續(xù)啟動行走，到下一根真空管到達(dá)烤消工位再進(jìn)行烤消，同步進(jìn)行另一工位上的打標(biāo)。

在此過程中，太陽能真空管通過傳輸線自動送料到達(dá)烤消位置，通過光電傳感器準(zhǔn)確定位，啟動氣動裝置，讓高頻加熱線圈與太陽能管準(zhǔn)確對接，并進(jìn)行烤消?？鞠^程由系統(tǒng)自動控制烤消溫度，烤消完畢太陽能管繼續(xù)由傳輸帶傳輸?shù)酱驑?biāo)位置，通過光電傳感器準(zhǔn)確定位，啟動打標(biāo)機(jī)進(jìn)行打標(biāo)。打標(biāo)的開始時(shí)間與烤消開始時(shí)間同步，但由于打標(biāo)時(shí)間節(jié)拍比烤消時(shí)間節(jié)拍稍短，所以打標(biāo)結(jié)束后真空管要在原地停頓以補(bǔ)充不足時(shí)間?？鞠Y(jié)束后，傳輸線將真空管送至出料口。

2 傳輸裝置的設(shè)計(jì)

2.1 鏈條傳輸裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)

傳輸裝置即傳輸線，是本生產(chǎn)線的基礎(chǔ)，傳輸線既要滿足太陽能管的傳輸移動，還應(yīng)將其進(jìn)行固定，太陽能管不是隨意地堆放，而是一根一根的進(jìn)行烤消和打標(biāo)。另外，在傳輸過程中要準(zhǔn)確定位，烤消和打標(biāo)的位置是固定的，太陽能管必須在相應(yīng)的位置準(zhǔn)確停放，這要求傳輸線在傳輸過程中誤差很小。為此，設(shè)計(jì)了具有特殊結(jié)構(gòu)的以鏈條傳動為核心的傳輸線。設(shè)計(jì)的鏈條組件結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 鏈條組件結(jié)構(gòu)原理圖

鏈條組件由鏈條、鏈條支架、管卡、橫撐組成。對國標(biāo)鏈條進(jìn)行改裝，在鏈條上每隔一定距離安裝一個(gè)鏈條支架，在支架上安裝管卡，用來準(zhǔn)確放置集熱管，左右兩排鏈條用橫撐連接，使鏈條組件形成一個(gè)整體，消除左右兩側(cè)鏈條傳動誤差。在機(jī)架體上裝有鏈條托架，用來支撐鏈條。

2.2 傳動組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動組件安裝在機(jī)架體上，由主動端組件、從動端組件、鏈條組件等組成；主動端組件由安裝在主動軸上的鏈輪同步帶輪和軸承支座組成；從動端組件由安裝在從動軸上鏈輪、鏈輪和鏈條張緊裝置組成，如圖3、圖4所示。

圖3 主動端組件原理圖

圖4 從動端組件原理圖

3 電氣傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 動力驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)傳輸線的要求，傳輸帶是間歇運(yùn)動，頻繁啟停，準(zhǔn)確定位，所以選擇步進(jìn)電機(jī)作為傳輸線的動力設(shè)備。

驅(qū)動裝置安裝在機(jī)架體的角鐵架上，如圖1所示，包括步進(jìn)電機(jī)、減速器、同步帶和同步帶輪，步進(jìn)電機(jī)連接減速器，減速器的輸出軸上安裝同步帶輪，經(jīng)同步帶連接輸出動力。步進(jìn)電機(jī)采用86BYG250H大力矩電機(jī)，配套使用FX860A驅(qū)動器，配以開關(guān)電源：S-350-48，S-50W-24。

3.2 氣壓滑臺和烤消裝置的設(shè)計(jì)

太陽能管必須插進(jìn)高頻感應(yīng)圈內(nèi)進(jìn)行烤消，插進(jìn)和撥出做的是橫向運(yùn)動，而太陽能管在傳輸線的運(yùn)動是縱向運(yùn)動，為了提高效率，設(shè)計(jì)了氣壓滑臺來拖動高頻感應(yīng)圈作橫向運(yùn)動。高頻感應(yīng)圈從高頻感應(yīng)爐剝離，由導(dǎo)線相連接，感應(yīng)圈固定在氣壓滑臺上，氣壓滑臺由兩個(gè)電磁閥控制做前后方向的橫向運(yùn)動。

當(dāng)太陽能管到達(dá)烤消位置并且停止，通過光電開關(guān)將信號傳給控制系統(tǒng)，控制氣壓滑臺作橫向運(yùn)動，使高頻感應(yīng)圈接近并套上太陽能管烤消部位進(jìn)行烤消?？鞠戤?，控制系統(tǒng)發(fā)出指令讓氣壓滑臺作橫向運(yùn)動，退回到初始位置，使太陽能管繼續(xù)沿傳輸線傳輸，到達(dá)打標(biāo)工位。設(shè)計(jì)的氣壓滑臺如圖5所示。

圖5 氣壓滑臺示意圖

4 烤消溫度控制

4.1 烤消溫度控制原理

烤消溫度控制模塊由PLC、光電傳感器、可控硅移相觸發(fā)電路、GPL-5KW高頻感應(yīng)爐等組成，如圖6所示?？鞠麥囟瓤刂频幕具^程是：用光電高溫計(jì)讀取高頻感應(yīng)爐的溫度，輸出一個(gè)與溫度對應(yīng)的電壓信號，此信號經(jīng)過放大、濾波處理后送到PLC，PLC將此溫度與設(shè)定溫度相比較，經(jīng)過PID運(yùn)算，產(chǎn)生一個(gè)控制電壓，此控制電壓的大小決定可控硅移相觸發(fā)電路的觸發(fā)相位，從而控制高頻感應(yīng)爐的輸入功率，進(jìn)而調(diào)節(jié)溫度，可以獲得很高的溫度控制精度。

系統(tǒng)采用KC05可控硅移相觸發(fā)器，該觸發(fā)器適用于雙向可控硅或反并聯(lián)可控硅線路的交流相位控制。具有鋸齒波線性好、移相范圍寬、控制方式簡單、易于集中控制、有交互保護(hù)、輸出電流大等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用GPL-5KW高頻感應(yīng)爐，采用互感耦合自激式振蕩器，振蕩功率為5kW，振蕩頻率為500±50KHz，電路簡潔，效率高，調(diào)節(jié)方便，價(jià)格便宜。

圖6 烤消溫度系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

4.2 烤消溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)烤消溫度控制系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 烤消溫度系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

4.3 烤消溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以PLC為核心控制器，主要完成PID運(yùn)算和系統(tǒng)的邏輯控制。系統(tǒng)啟動時(shí)，先作初始化處理，采用特殊輔助繼電器M8002產(chǎn)生初始脈沖，將要使用的內(nèi)部寄存器清零。

由于溫度調(diào)節(jié)具有滯后性，所以必須要進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。將FX2N-2AD 溫度反饋電壓信號和給定溫度電壓值進(jìn)行比較，傳入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)過運(yùn)算后輸出運(yùn)算值，驅(qū)動調(diào)節(jié)模塊，完成溫度的自動控制?？鞠麥囟瓤刂葡到y(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

圖8 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

5 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)計(jì)要求

1）步進(jìn)電動機(jī)的啟動與停止：太陽能管由上料系統(tǒng)進(jìn)入傳輸線后就可以進(jìn)行啟動，工作完畢就可停止。

2）步進(jìn)電動機(jī)控制：由PLC作為控制器，根據(jù)指令或傳感器信號，通過驅(qū)動器對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，可以準(zhǔn)確啟停，可以調(diào)速。

3）烤消的啟停：當(dāng)太陽能管到達(dá)烤消工位時(shí)，傳輸線立即停止，啟動氣壓滑臺移動，感應(yīng)線圈彈出，包住太陽能管頂部烤消部位進(jìn)行加熱烤消?？鞠戤?，氣壓滑臺向后滑動，感應(yīng)線圈復(fù)位，同時(shí)啟動步進(jìn)電機(jī)使傳輸線繼續(xù)運(yùn)行。

4）打標(biāo)機(jī)的啟停：當(dāng)太陽能管到達(dá)打標(biāo)工位時(shí)，傳輸帶停止，啟動打標(biāo)機(jī)，用事前設(shè)計(jì)好的商標(biāo)和相應(yīng)參數(shù)在太陽能管上進(jìn)行打標(biāo)。打標(biāo)時(shí)間一般為3秒，打標(biāo)完成關(guān)閉打標(biāo)機(jī)。在打標(biāo)的同時(shí)，前工位的太陽能管也同時(shí)達(dá)到烤消工位同步進(jìn)行烤消，烤消時(shí)間是12秒。這時(shí)段的烤消和打標(biāo)完畢，傳輸線繼續(xù)運(yùn)行。

5）對生產(chǎn)線上經(jīng)過烤消打標(biāo)的太陽能管進(jìn)行計(jì)數(shù)。

5.2 主電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主電路如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)主電路圖

由空氣開關(guān)引出220V交流電，分別送給開關(guān)電源10、開關(guān)電源（9）、計(jì)數(shù)器（6）、PLC7的電源端，經(jīng)過中間繼電器KA0送給高頻爐12，經(jīng)過中間繼電器KA1送給打標(biāo)機(jī)13、經(jīng)過中間繼電器KA2送給電磁閥A、經(jīng)過中間繼電器KA3送給電磁閥B；開關(guān)電源10輸出端P48和N48分別接入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源（8）的相應(yīng)端子。

圖中計(jì)數(shù)器（6）的引腳①、②分別接交流220V電源，引腳③、④并接KA1，當(dāng)光電開關(guān)B檢測到太陽能管時(shí)，信號經(jīng)PLC產(chǎn)生脈沖，KA1閉合計(jì)數(shù)；PLC開關(guān)電源9，其輸入端接交流220V電源，輸出端接PLC7的P24、N24兩端；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器8，由P48、N48供電，輸入端接PLC輸出端，輸出端分別接步進(jìn)電機(jī)的A、B兩相繞組；兩相步進(jìn)電機(jī)11由驅(qū)動器提供兩相脈沖電源,根據(jù)脈沖信號實(shí)現(xiàn)啟停和調(diào)速。

5.3 控制電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)PLC硬件控制電路設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 控制系統(tǒng)硬件控制電路圖

圖中16～22為PLC輸入接線端子，16接交流電零線，17接交流220V相線，18接直流24V正極，19為PLC輸入端X0,接啟動按鈕，20為PLC輸入端X1,接停止按鈕，21為PLC輸入端X2，接光電開關(guān)A，22為PLC輸入端X3，接光電開關(guān)B。23～30為PLC輸出接線端子，23為PLC輸出端Y0，接中間繼電器KA0至高頻爐，24為PLC輸出端Y1，接中間繼電器KA1至打標(biāo)機(jī)，25為PLC輸出端Y2，接中間繼電器KA2至電磁閥A，26為PLC輸出端Y3，接中間繼電器KA3至電磁閥B，PLC輸出端Y4，接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器8輸入端，27～30接到PLC開關(guān)電源（9）上P24端；中間繼電器KA02中間繼電器KA1、中間繼電器KA2、中間繼電器KA3線圈一側(cè)接到開關(guān)電源9的N24上。

系統(tǒng)的電氣控制原理是：合上空氣開關(guān)，按下啟動按鈕，PLC7輸出端Y4產(chǎn)生脈沖信號啟動步進(jìn)電機(jī)，使鏈條傳輸線運(yùn)動，固定在管卡上的太陽能集熱管在傳輸線上移動；當(dāng)太陽能集熱管到達(dá)烤消工位時(shí)，光電開關(guān)A檢測到信號，并將信號傳給PLC，PLC輸出端Y4產(chǎn)生停止信號，讓步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)；同時(shí)PLC輸出端Y2輸出信號，中間繼電器KA2閉合，電磁閥A14工作，高頻感應(yīng)圈隨氣動滑臺移動到相應(yīng)位置，套上太陽能集熱管進(jìn)行烤消；與此同時(shí)，打標(biāo)工位上光電開關(guān)B也檢測到信號，通過PLC輸出端Y4產(chǎn)生輸出信號讓步進(jìn)電機(jī)停止，雙重信號確保電機(jī)停止，通過PLC輸出端Y1產(chǎn)生信號，對集熱管進(jìn)行打標(biāo)；烤消完畢后（此時(shí)打標(biāo)工作也已完成），PLC輸出端Y2輸出信號，中間繼電器KA3閉合，電磁閥B15工作，高頻感應(yīng)圈隨氣動滑臺退回到原來位置，步進(jìn)電機(jī)再次啟動使傳輸線運(yùn)動，當(dāng)下一根集熱管到達(dá)烤消工位再進(jìn)行烤消時(shí)，同步進(jìn)行另一工位上的打標(biāo)。同時(shí)通過中間繼電器KA1送至計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。

6 結(jié)論

對太陽能真空集熱管的烤消打標(biāo)生產(chǎn)線進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，研制的樣機(jī)如圖11所示。實(shí)踐證明，研制的太陽能集熱管烤消打標(biāo)生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)烤消打標(biāo)一體化，可進(jìn)行流水線作業(yè)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

圖11 太陽能集熱管烤消打標(biāo)生產(chǎn)線樣機(jī)

主要工作的關(guān)鍵點(diǎn)如下：

1）烤消作業(yè)節(jié)拍柔性控制。設(shè)計(jì)了以PLC為核心的控制系統(tǒng)，根據(jù)集熱管鋇鏌情況，通過對感應(yīng)爐溫度的精確控制來提高集熱管烤消的質(zhì)量，提高了產(chǎn)品合格率；同時(shí)根據(jù)不同的集熱管烤消時(shí)間不同，通過PLC柔性控制烤消時(shí)間。

2）對高頻加熱設(shè)備中的高頻感應(yīng)線圈進(jìn)行了改造。將常規(guī)線圈改成可以移動線圈，線圈可以隨著集熱管的位置來回自由移動，使真空集熱管在輸送線行走時(shí)無阻擋，提高了工作效率，同時(shí)也保證了真空管在高頻感應(yīng)線圈中的蒸散效果。

3）將烤消與激光打標(biāo)兩個(gè)工序集成在一條生產(chǎn)線。對國標(biāo)鏈條進(jìn)行了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新改造，設(shè)計(jì)了新型實(shí)用的鏈傳動機(jī)械傳輸線和PLC控制電路，并進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)，使烤消時(shí)間與打標(biāo)節(jié)拍相吻合，實(shí)現(xiàn)烤消打標(biāo)的自動控制。

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