船用型材切割智能生產(chǎn)線噴碼機(jī)運(yùn)動控制研究

姚佳雨 楊潤黨 唐興華 李 偉 王 紳 夏義江

(1、北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院，廣西 欽州 535011 2、上海船舶工藝研究所，上海 200032)

近十年來，我國造船訂單量占世界總量的比重已增加到48.8%左右[1]。我國新船訂單越來越多，拉動了型材市場的需求量，在現(xiàn)代船舶制造業(yè)中，大部分船體都會大量使用型材[2]。傳統(tǒng)的型材加工質(zhì)量差、效率低，在如此強(qiáng)大的市場需求下，已遠(yuǎn)滿足不了型材加工需求。型材切割是船體型材加工不可缺少的一部分，每一種型材根據(jù)所需要求進(jìn)行切割，為接下來的工序提供合適的零部件。要實(shí)現(xiàn)型材加工的生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好，因此對型材的切割設(shè)備提出了更高的要求。

船用型材切割智能生產(chǎn)線采用機(jī)器人進(jìn)行切割，能夠提高切割效率，改善工人的勞動強(qiáng)度，保證了高效的切割質(zhì)量。常見的船用型材切割生產(chǎn)線如圖1 所示，生產(chǎn)線主要由上料、進(jìn)料、切割、出料等系統(tǒng)組成?？蛇M(jìn)行角鋼和球扁鋼等不同規(guī)格型材的切割[3]。

圖1 船用型材切割生產(chǎn)線

1 生產(chǎn)線工藝流程

生產(chǎn)線流程為型材被上料系統(tǒng)推送至進(jìn)料平臺，夾持裝置夾緊，進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)行型材測長，噴碼裝置進(jìn)行噴碼劃線，然后送入切割房進(jìn)行切割，型材切割完成后，出料系統(tǒng)運(yùn)行，將型材送入下料系統(tǒng)。

在等離子切割前需要對型材腹板進(jìn)行畫線、噴碼，傳統(tǒng)的噴碼工作是采用手工噴碼，但效率低，噴碼質(zhì)量差。現(xiàn)采用高效的噴碼打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)，噴碼打印裝置如圖2 所示，噴碼工作如圖3 所示。噴頭表面與壓輪表面平行，當(dāng)噴頭與腹板表面垂直并小于10mm 時(shí)，此時(shí)噴碼效果最好。當(dāng)前所使用的打印設(shè)備主要是通過氣缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)噴碼機(jī)的運(yùn)動，同時(shí)在噴碼機(jī)根部裝有彈簧進(jìn)行受力調(diào)節(jié)。但是不同規(guī)格的型材所對應(yīng)的噴碼機(jī)運(yùn)動的位置也不相同，而氣缸無法有效的控制噴碼機(jī)的運(yùn)動,會發(fā)生噴碼機(jī)上的壓輪無法與腹板表面重合，產(chǎn)生夾角導(dǎo)致噴碼的效果不佳。因此，提出了改善噴碼機(jī)運(yùn)動控制的思路和具體措施。分析了噴碼機(jī)運(yùn)動與型材各尺寸的關(guān)系，創(chuàng)建了各種規(guī)格尺寸的型材噴碼機(jī)運(yùn)動適應(yīng)模型。

圖2 噴碼打印裝置

圖3 噴碼打印裝置工作

2 噴碼機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)和運(yùn)動控制方法

為了改變噴碼機(jī)的氣缸無法有效的控制噴碼機(jī)的運(yùn)動距離,使噴碼機(jī)上的壓輪無法與腹板表面重合，產(chǎn)生夾角導(dǎo)致噴碼的效果不佳?，F(xiàn)將上旋轉(zhuǎn)氣缸以及底部水平運(yùn)動拉伸氣缸改變成電動缸，由電動缸進(jìn)行運(yùn)動距離的控制。電動缸是將伺服電機(jī)與絲杠一體化設(shè)計(jì)的模塊化產(chǎn)品[4]，可以有效控制噴碼的運(yùn)行距離。

由于各種型材尺寸規(guī)格差異，噴碼機(jī)所需旋轉(zhuǎn)的角度以及移動的距離是變化的，為了使噴碼效果最好，噴碼機(jī)應(yīng)能旋轉(zhuǎn)一定角度并且能水平移動一定的距離，使壓輪與腹板表面重合不產(chǎn)生夾角，因此建立噴碼機(jī)運(yùn)動模型，通過計(jì)算可以得到不同型材所對應(yīng)的噴碼機(jī)所需要運(yùn)動的距離，電動缸拉伸相應(yīng)的長度，就可以使壓輪與腹板表面重合不產(chǎn)生夾角。

3 運(yùn)動模型

3.1 型材固定及噴碼姿態(tài)

夾持裝置將型材輸送到噴碼區(qū)域，型材的面板靠近輸送面的垂直立輥，垂直立輥可旋轉(zhuǎn)。型材的腹板與輸送面呈一定角度α，噴碼機(jī)在噴碼前需要旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度β，噴頭與腹板表面始終垂直。

船用角鋼主要分為等邊角鋼和不等邊角鋼，不等邊角鋼又可以分為不等邊不等厚角鋼和不等邊等厚角鋼[5]。球扁鋼、不等邊不等厚角鋼和不等邊等厚角鋼的噴碼姿態(tài)以及各尺寸參數(shù)模型如圖4 所示。

圖4 各類型材參數(shù)及噴碼姿態(tài)

3.2 運(yùn)動控制模型

分析噴碼機(jī)旋轉(zhuǎn)角度β 與型材腹板夾角α 之間的關(guān)系，以及噴碼機(jī)運(yùn)動距離與型材各個(gè)規(guī)格尺寸參數(shù)之間的關(guān)系，推算出型材噴碼機(jī)在不同規(guī)格的型材下的旋轉(zhuǎn)角度β 以及運(yùn)動距離模型，使壓輪與腹板重合不產(chǎn)生夾角，噴頭工作時(shí)始終與型材腹板面垂直并且高度小于等于10mm，確保噴碼達(dá)到最好的效果。

3.2.1 球扁鋼噴碼運(yùn)動模型

如圖5 所示，噴碼機(jī)壓輪起始位置到輸送面垂直立輥之間的距離為Y,Y 由平行運(yùn)動距離X 和停止位置到垂直立輥之間的距離DE 組成，因此Y=X+DE。型材模型參數(shù)見圖4 所示，距離DE 計(jì)算公式如式(1)所示：

圖5 球扁鋼噴碼機(jī)運(yùn)動路徑

因此可以得到噴碼機(jī)的運(yùn)動方程如式(2)所示：

在設(shè)計(jì)安裝過程中噴碼機(jī)根部與輸送面可能不在同一高度，考慮到這種情況，因此我們假設(shè)噴碼設(shè)備底部與輸送面之間的高度為H，由圖6 可知當(dāng)噴碼設(shè)備高于輸送面時(shí)，所需運(yùn)動的距離更長。此時(shí)我們所得到噴碼機(jī)的運(yùn)動方程為：

圖6 球扁鋼噴碼機(jī)高H 運(yùn)動路徑

如圖6 所示噴碼機(jī)轉(zhuǎn)動的角度在90°內(nèi)，每一種規(guī)格的型材都應(yīng)該有自己的旋轉(zhuǎn)角度，為保證噴頭與腹板是相互垂直，噴碼機(jī)由最大高度旋轉(zhuǎn)壓向球扁鋼，旋轉(zhuǎn)β 角度后達(dá)到噴碼的最好效果，此時(shí)噴頭與腹板垂直，并且高度小于等于10mm，旋轉(zhuǎn)角度β 與腹板夾角α 形成一個(gè)直角，因此旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算簡化公式如下：

3.2.2 不等邊角鋼噴碼運(yùn)動模型

根據(jù)球扁鋼對應(yīng)的噴碼機(jī)運(yùn)動模型的建立，同理可以繼續(xù)畫出不等邊不等厚角鋼以及不等邊等厚角鋼運(yùn)動路徑模型，不等邊不等厚角鋼對應(yīng)噴碼機(jī)運(yùn)動路徑如圖7、圖8 所示。不等邊等厚角鋼對應(yīng)噴碼機(jī)運(yùn)動路徑如圖9、圖10 所示。各模型參數(shù)如圖4 所示。

圖7 不等邊不等厚角鋼對應(yīng)運(yùn)動路徑

圖8 不等厚高H 對應(yīng)運(yùn)動路徑

圖9 不等邊等厚角鋼對應(yīng)運(yùn)動路徑

圖10 等厚高H 對應(yīng)運(yùn)動路徑

(1)不等邊不等厚角鋼所對應(yīng)噴碼機(jī)運(yùn)動方程：

當(dāng)噴碼機(jī)底部與輸送面水平時(shí)的運(yùn)動方程：

(2)不等邊等厚角鋼所對應(yīng)噴碼機(jī)運(yùn)動方程：

當(dāng)噴碼機(jī)底部與輸送面水平時(shí)運(yùn)動方程如下

當(dāng)噴碼機(jī)底部與輸送面之間高度為H 時(shí)運(yùn)動方程：

根據(jù)不同型材對應(yīng)的噴碼機(jī)運(yùn)動模型，可以計(jì)算出不同型材對應(yīng)的噴碼機(jī)所需運(yùn)動的距離以及旋轉(zhuǎn)角度，當(dāng)噴碼機(jī)運(yùn)動一定的距離后，壓輪與腹板重合無夾角，噴碼機(jī)噴頭就可以與不同型材的腹板表面垂直并小于等于10mm，使噴碼達(dá)到最佳效果。

4 舉例計(jì)算說明

鑒于篇幅所限，以球扁鋼為例，舉例說明噴碼機(jī)運(yùn)動控制的實(shí)施過程。根據(jù)熱軋球扁鋼(GB/T 9945-2012)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格參數(shù)和噴碼運(yùn)動公式，得出噴碼旋轉(zhuǎn)角度α 的數(shù)值，采用已有的型材切割線所用噴碼機(jī)到垂直立棍距離Y 為650mm 時(shí)，得出平行運(yùn)動的距離，見表1 所示。

表1 噴碼機(jī)運(yùn)動計(jì)算

通過上述表格所計(jì)算的數(shù)據(jù)總結(jié)出球扁鋼所對應(yīng)的噴碼運(yùn)動特點(diǎn)如下：(1)同一種球扁鋼型號所對應(yīng)的噴碼旋轉(zhuǎn)角度β 基本一致。(2)不同型號的球扁鋼所對應(yīng)的噴碼旋轉(zhuǎn)角度β差別基本上在1.2°以內(nèi)。(3)不同型號的球扁鋼所對應(yīng)的噴碼機(jī)水平運(yùn)動距離隨著球扁鋼各尺寸的增大而越來越小。

5 結(jié)論

對于船用型材切割生產(chǎn)線，分析了噴碼機(jī)與各種型材腹板的運(yùn)動狀態(tài)，創(chuàng)建了各種規(guī)格和尺寸的型材所對應(yīng)的噴碼機(jī)運(yùn)動適應(yīng)模型，通過對模型的求解。

總結(jié)出噴碼機(jī)運(yùn)動的規(guī)律性。為了達(dá)到最佳噴碼效果，提出一種噴碼機(jī)運(yùn)動控制的設(shè)計(jì)思路，使型材切割智能生產(chǎn)線噴碼效果更加高效和穩(wěn)定。