等离子坡口切割除尘系统的设计与应用

2022-03-14马玉保马庆国

机械研究与应用 2022年1期

马玉保，马庆国

(三一建筑机器人(西安)研究院有限公司，湖南长沙 410000)

0 引言

目前等离子坡口切割工作站被广泛应用于工程机械、海洋工程、重工行业、煤矿机械等。等离子切割过程中会产出大量浓厚的烟尘，如果直接排放不仅会对环境造成严重污染，更会对设备操作人员的身体造成严重危害，因此市场迫切需要一款能自动完成等离子坡口切割烟尘收集的除尘系统。

目前国内外的坡口切割工作站主要做了坡口切割工艺、坡口切割技术、坡口切割数控系统等的研究，文献[1]、[2]中提到的数控等离子切割机除尘系统，是为了解决下料机床的除尘问题，并为涉及坡口切割除尘系统；文献[3]、[4]中提到的坡口设备，是解决异形工件坡口切割的问题；文献[5]提到的机器人离线编程，是为了减少人工编程；文献[6]中提到的吊耳坡口切割工艺与坡口切割专机，是为了解决坡口切割质量和工作效率的问题；文献[7]中提到的弧压高度控制器可提升坡口切割质量；文献[8]中的视觉伺服坡口机器人控制系统实现了直线坡口切割的误差补偿，以上研究只解决了坡口切割工艺、质量和效率问题，没有深入对坡口工作站除尘系统进行研究。

针对目前坡口切割工作站存在的除尘困难的问题，结合坡口切割工艺，设计了一款中小件(工件长≤2 000 mm，宽≤1 000 mm)等离子坡口切割除尘系统，并对其进行仿真和实验，测试最大烟尘量下的除尘效果。

1 等离子坡口切割除尘系统设计

等离子坡口切割除尘系统主要有工作台、除尘主机两大部分组成。工作台设计是否合理直接关系除尘风量能否最大化利用，是除尘系统中关键的一环。除尘主机是除尘系统中不可缺少的一部分，不同使用场合需要提供不同风量配置，风量选择过小，无法达到除尘效果，风量选择过大，会造成严重的资源浪费。

1.1 工作台设计

等离子坡口工作台(如图1)主要有支撑组件、风道、废料斗组成，其中支撑组件布置在工作台中间区域，用于工件摆放；除尘风道布置在支撑平台两侧，用于烟尘吸取；废料斗用于切割废渣的收集。

图1 等离子坡口工作台

图2为工作台尺寸示意图，为满足所有中小工件的摆放，工作台摆放区域至少需要2 000 mm×1 000 mm。等离子坡口切割时切割温度极高，为避免切割时工作台发生变形损坏，工作台四周预留100 mm安全距离。最终确定工作台正面区域为2 200 mm×1 100 mm。

图2 工作台尺寸示意图

风道(如图3)是工作台设计中的最关键的部分，由箱体和引流板组成。箱体上设置有上风口和下风口，上风口主要用于切割时烟尘的吸收；下风口主要用于料框内残留烟尘的吸收。引流板是调整各个风口风量、风速的装置，通过调整其可控制各个风口风量、风速，确保各风口风量均匀。

1.2 除尘主机风量计算

除尘主机风量(Q)[9]是指除尘主机每小时吸收的空气体积，计算主机风量的关键是确定x和vx，如图4所示。x为控制点至风口的距离。控制点是指有污染源至风口最远的点，vx为控制点风速，即保证烟尘能全部吸入风口内，在控制点上必须具有的吸入速度。根据文献[9]中不同污染物下控制点的控制风速vx见表1所列，等离子坡口切割时产生的烟尘属于较低的速度发散至尚属平静的空气中，因此最小控制风速vx选择0.5～1 m/s。