數(shù)控鋼管管端相貫線火焰切割機(jī)的研制

黃志榮，毛建秋，丁仕燕

(常州工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213002)

隨著我國海洋石油、環(huán)保、水電、管道輸油、輸氣等重點(diǎn)工程的建設(shè)，對(duì)管—管、管—板相交各種型式的焊接接頭需求越來越大;同時(shí)，為保證良好的配合精度及焊接質(zhì)量，對(duì)管件加工精度提出了很高要求。而先進(jìn)的熱切割設(shè)備是保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵之一［1］。目前社會(huì)上加工此類產(chǎn)品的主流設(shè)備是數(shù)控切割機(jī)，有著廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)管端相貫線切割原理得到切割管端管—管正交狀態(tài)下所產(chǎn)生的相貫線及定角度的坡口，一個(gè)三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)，主要運(yùn)動(dòng)方式為軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、鋼管回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及割炬的擺角運(yùn)動(dòng)［2］。在充分比較和研究了普通車床的機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式，對(duì)某院閑置設(shè)備普通車床C616A進(jìn)行了機(jī)械裝置和數(shù)控系統(tǒng)的改造工作，成功研制了教學(xué)型數(shù)控鋼管管端相貫線火焰切割機(jī)。下面將對(duì)其機(jī)械裝置及數(shù)控系統(tǒng)部分進(jìn)行詳述。

1 機(jī)械裝置設(shè)計(jì)

由普通車床改造成的數(shù)控鋼管管端相貫線火焰切割機(jī)主要由五大部分組成:鋼管回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置1，軸向進(jìn)給系統(tǒng)裝置2，割炬運(yùn)動(dòng)裝置3，床身導(dǎo)軌4(帶兩個(gè)限位開關(guān))，配電柜及控制操作裝置5，如圖1所示。

圖1 機(jī)床總圖

(1)鋼管回轉(zhuǎn)裝置

該鋼管回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置是在車床的主軸箱上進(jìn)行改造，其運(yùn)動(dòng)方式是通過步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)主軸2旋轉(zhuǎn)，從而使主軸2上的三爪卡盤3和管件4進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。

圖2 鋼管回轉(zhuǎn)裝置

(2)軸向系統(tǒng)進(jìn)給裝置

該軸向進(jìn)給系統(tǒng)裝置主要是在車床原有的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)裝置上改造完成，其運(yùn)動(dòng)方式主要是通過步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)傳動(dòng)絲杠2旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使原車床上的溜板作直線運(yùn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)固定在溜板上的割炬裝置整體作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 軸向系統(tǒng)進(jìn)給裝置

(3)割炬運(yùn)動(dòng)裝置

割炬運(yùn)動(dòng)裝置圖見圖4，線性模組8固定在角支撐板9上，同時(shí)都固定在軸向進(jìn)給系統(tǒng)裝置中的溜板上，可進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。線性模組8(外購)主要由旋鈕、電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲杠、絲杠螺母、工作臺(tái)、圓導(dǎo)軌、限位開關(guān)(兩個(gè))、本體組成。割炬1通過割炬夾具2與前豎桿3連接起來，前豎桿3、短連桿4、中豎桿5、長連桿6以及后豎桿7由轉(zhuǎn)動(dòng)銷和螺栓緊固連接。以上這些零件和剖視圖中的零件一起固定在線性模組8的工作臺(tái)上，可跟隨工作臺(tái)整體作上下直線運(yùn)動(dòng)，主要是針對(duì)切割不同直徑的鋼管，調(diào)整割炬的初始位置。該裝置可以自動(dòng)調(diào)整也可以通過旋轉(zhuǎn)線性模組8中的旋鈕手動(dòng)調(diào)整，在此次改造中，為了設(shè)計(jì)操作方便，降低成本，在此處設(shè)計(jì)為手動(dòng)調(diào)整。

通過圖4可知，在進(jìn)行相貫線切割時(shí)，通過電動(dòng)機(jī)10帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸11旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)后豎桿7旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，后豎桿7的兩側(cè)各有1個(gè)限位開關(guān)，控制轉(zhuǎn)動(dòng)的極限位置。后豎桿7運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)長連桿6運(yùn)動(dòng)，長連桿6運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)中豎桿5和前豎桿3運(yùn)動(dòng)，中豎桿5運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)短連桿4運(yùn)動(dòng)，短連桿4運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)前豎桿3運(yùn)動(dòng)，這些連桿形成一個(gè)平行四邊形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。前豎桿3運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)割炬夾具2運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)控制切割時(shí)割炬1的運(yùn)動(dòng)。

圖4 割炬運(yùn)動(dòng)裝置

通過以上論述和相關(guān)圖例可見，在普通車床C616A上改造所研制出的數(shù)控鋼管管端相貫線火焰切割機(jī)，采用了最優(yōu)化的方案，盡可能地保留了原有普通車床的基本結(jié)構(gòu)，如床身、導(dǎo)軌、主軸箱和進(jìn)給裝置部分，僅拆卸了刀架和尾架部分，并把原有的帶輪部分去除，改造成由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)與相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)控鋼管管端相貫線火焰切割所需要的鋼管回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和割炬進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。此次機(jī)械部分的改造工作主要是設(shè)計(jì)了割炬運(yùn)動(dòng)裝置部分，該機(jī)構(gòu)對(duì)于實(shí)現(xiàn)相貫線切割至關(guān)重要。此次改造成本低廉，操作簡單方便，而且易于還原，對(duì)閑置設(shè)備的再利用有著重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。

2 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

近年來，隨著工業(yè)PC機(jī)性價(jià)比的大幅度提高，以工業(yè)PC機(jī)為核心，在Windows操作系統(tǒng)下發(fā)展通用的數(shù)控系統(tǒng)，已成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新潮流［3］。由于該數(shù)控鋼管管端相貫線火焰切割機(jī)控制精確度、工作速度及載荷要求都不是很高，所以數(shù)控控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制方式。該數(shù)控裝置由步進(jìn)電機(jī)、配電箱、運(yùn)動(dòng)控制器和PC機(jī)組成，是一個(gè)經(jīng)濟(jì)型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)硬件框圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件框圖

該數(shù)控系統(tǒng)中共有3個(gè)步進(jìn)電機(jī)，分別為鋼管回轉(zhuǎn)軸θ軸電機(jī)、割炬擺角ω軸電機(jī)以及軸向Z軸電機(jī)，電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均選用了奧托尼克斯電子有限公司的A200K-G599(W)-G7.2型的齒輪型五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)動(dòng)控制器選用固高公司生產(chǎn)的GT系列運(yùn)動(dòng)控制器GT-400-SV-ISA-G，該運(yùn)動(dòng)控制器可實(shí)現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

電氣原理如圖6所示，帶鎖開關(guān)SA是打開電源的總開關(guān)，按鈕SB2、SB1控制θ軸(鋼管回轉(zhuǎn)軸)驅(qū)動(dòng)電源接通和斷開，按鈕SB4、SB3控制Z軸驅(qū)動(dòng)電源接通和斷開，按鈕SB6、SB5控制ω軸(割炬擺動(dòng)軸)電源接通和斷開。HL0、HL1～HL3分別為總電源及驅(qū)動(dòng)器的接通狀態(tài)指示燈。帶指示燈按鈕SB7、SB8控制電氣柜冷卻風(fēng)扇的啟、停。為了防止Z、ω軸在移動(dòng)過程中超出行程范圍，兩軸各安裝正向、負(fù)向兩個(gè)行程開關(guān)(圖中為SQ1、SQ2、SQ3、SQ4)。

圖6 電氣原理圖

3 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該數(shù)控系統(tǒng)軟件以Windows為平臺(tái)，以VB6.0為開發(fā)工具。軟件系統(tǒng)采用模塊化思想設(shè)計(jì)，主要包括2大模塊，如圖7所示。系統(tǒng)設(shè)置模塊負(fù)責(zé)完成相貫線參數(shù)設(shè)置、切割速度設(shè)置;加工模塊中軌跡插補(bǔ)計(jì)算模塊負(fù)責(zé)計(jì)算相貫線的軌跡，運(yùn)動(dòng)控制模塊利用插補(bǔ)計(jì)算結(jié)果，調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)完成割炬位姿的實(shí)時(shí)控制，運(yùn)動(dòng)軌跡顯示模塊在切割過程中顯示當(dāng)前割炬的位姿參數(shù)具體組成。

軟件界面主要包含了顯示部分、參數(shù)輸入框、功能控制按鈕。顯示部分分為兩種顯示方式:(1)圖形顯示方式。圖形顯示中包含了管—管垂直相交狀態(tài)下的相貫線圖和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖顯示了切割過程中切割點(diǎn)的幾何位置;(2)坐標(biāo)顯示方式。顯示了切割點(diǎn)的坐標(biāo)值，坐標(biāo)值精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。參數(shù)輸入框完成了相貫線切割的幾何參數(shù)和切割速度的設(shè)定。功能控制按鈕主要是完成切割時(shí)的有關(guān)運(yùn)動(dòng)控制，此處不再一一敘述。如圖8所示，該界面為程序運(yùn)行結(jié)束時(shí)界面，圖中完整顯示出了相貫線的切割軌跡。

圖7 控制系統(tǒng)軟件框圖

圖8 軟件運(yùn)行結(jié)束界面

4 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室閑置設(shè)備普通CA616車床的基礎(chǔ)上開發(fā)的教學(xué)型數(shù)控鋼管管端相貫線火焰切割機(jī)填補(bǔ)了某院在此方面設(shè)備的空白，對(duì)該院相關(guān)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)及加工等具有重要意義，同時(shí)對(duì)數(shù)控火焰其他類型切割方式的研究有重要的指導(dǎo)意義，而且對(duì)閑置設(shè)備的數(shù)控改造再利用也具有重大的指導(dǎo)意義。另外，通過后續(xù)相關(guān)工作的完善和工業(yè)化用途的轉(zhuǎn)化，該數(shù)控鋼管管端相貫線火焰切割機(jī)完全可以用于實(shí)際生產(chǎn)，且成本低廉，操作簡單，具有較強(qiáng)的市場競爭力，且在此基礎(chǔ)上可以開發(fā)完成相關(guān)需求的工業(yè)用途的系列化生產(chǎn)型設(shè)備。

此次研制的數(shù)控鋼管管端相貫線火焰切割機(jī)存在以下三點(diǎn)不足:(1)此次所研究的相貫線類型僅僅是針對(duì)管—管垂直相交狀態(tài)下的管端相貫線，對(duì)于其他類型的相貫線如管—管相貫傾斜相交、偏心垂直交叉和主管開孔等未做深入研究;(2)根據(jù)相貫線切割理論，應(yīng)有更為新穎和簡單的割炬位姿裝置，此次研究中僅有初步設(shè)想，并未深入分析、設(shè)計(jì)和試驗(yàn);(3)此次所開發(fā)的數(shù)控鋼管管端相貫線火焰切割機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)采用的是三軸聯(lián)動(dòng)開環(huán)式控制方式，目前市場上有些高檔產(chǎn)品已經(jīng)是四軸乃至是五軸聯(lián)動(dòng)半閉環(huán)式控制方式，能夠?qū)崿F(xiàn)更多復(fù)雜類型的相貫線切割工作，在此方面有較多的空間值得去探討和研究。

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