五軸聯(lián)動龍門式封頭全自動開孔數控切割裝備的研制

王永勝 霍建紅 尹雪峰 王景文 邊劉陽

(1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011；2.中車長江車輛有限公司冷智裝備分公司 湖北 武漢 430200)

軌道交通LNG罐車、公水鐵多式聯(lián)運LNG罐箱等深冷產品的封頭開孔質量關系到夾層管路的安裝及夾層真空度的保持，如果發(fā)生質量問題，將出現(xiàn)泄漏，影響到軌道上其他車輛的運行。

封頭開孔是軌道交通LNG壓力容器制造過程中的重要環(huán)節(jié)，是焊接工序的重要準備工作，目前主要采用人工放樣—人工劃線—人工切割的工藝過程，容易造成以下問題：在封頭規(guī)格、孔徑、孔位、插入角度等出現(xiàn)變化時，需要重新放樣劃線，效率極低；人工放樣、人工劃線、人工切割無法保證相貫線的準確軌跡和位置。這些問題將直接影響到后續(xù)的焊接及容器的外觀和產品質量。所以研制了五軸聯(lián)動龍門式封頭全自動開孔數控切割裝備(見圖1),配備先進的、非接觸式測量的激光輪廓測量傳感器，可實現(xiàn)封頭在工作臺上的任意擺放，自動確定封頭中心；激光輪廓測量傳感器可掃描封頭表面輪廓，自動補償封頭加工誤差，保證開孔精度。本裝備與傳統(tǒng)封頭開孔數控切割機相比，可實現(xiàn)全自動、一次性連續(xù)完成封頭上所有開孔切割工作，切割表面光滑，切割精度高，大量節(jié)省人工二次修正時間。

圖1 五軸聯(lián)動龍門式封頭全自動開孔數控切割裝備

1 封頭開孔切割功能與特點

1.1 支持封頭類型

該五軸聯(lián)動龍門式封頭全自動開孔數控切割裝備支持的封頭類型包括橢圓形封頭、碟形封頭、半球形封頭，如表1所示。

表1 橢圓形封頭、碟形封頭、半球形封頭參數表

1.2 支持開孔類型

該裝備支持的開孔類型包括中心孔、偏心豎直孔、偏心法向孔、偏心與豎直方向成一定偏轉角度的孔。實際切割樣件如圖2所示。

圖2 切割樣件圖

1.3 支持坡口類型

該裝備支持的坡口類型包括直口、V型、Y型、X型、K型坡口。

2 結構組成

2.1 總體結構

采用數控龍門桁架式結構，X、Y、Z、U、V五軸伺服聯(lián)動，X、Y、Z實現(xiàn)空間任意位置定位，U、V實現(xiàn)割槍任意姿態(tài)控制。龍門導軌方向驅動采用雙邊伺服同步控制。系統(tǒng)結構組成如圖3所示。

1—控制箱；2—X軸總成；3—左端梁；4—X軸驅動總成；5—Z軸總成；6—Z軸驅動總成；7—右端梁；8—U軸總成；9—V軸總成；10—激光視覺傳感器；11—切割工件封頭；12—Y軸總成。圖3 系統(tǒng)結構組成圖

2.2 具體結構

2.2.1坐標軸定義

根據圖3所示，設備坐標系為直角坐標系加U、V偏轉組成。將龍門橫梁上的移動小車定義為X軸，龍門沿導軌移動方向定義為Y軸，立柱升降方向定義為Z軸，機頭沿回轉支撐旋轉定義為U軸，割槍繞水平軸偏擺定義為V軸。

2.2.2各軸結構

X、Y、Z軸采用高精度齒輪、齒條傳動，直線導軌定位。U軸采用行星齒輪傳動，V軸采用多級齒輪傳動。

割槍安裝座上安裝有激光輪廓測量傳感器，與割槍同步旋轉。激光輪廓測量傳感器通過氣動機構控制升降，測量時降落，切割時升起。該傳感器為高精度精密傳感器，用于定位封頭中心、測量封頭尺寸偏差，通過其反饋的尺寸偏差補償切割程序，可保證切割尺寸精度。

2.2.3樣機實物

研制的樣機采用龍門式桁架結構，配備高精度的伺服電機、減速機，X軸、Y軸、Z軸采用斜齒式齒輪齒條、高精度直線導軌傳動，樣機的機械精度相較于傳統(tǒng)等離子切割機有較大提升。樣機實物如圖4所示。

圖4 實際設備照片

2.3 控制系統(tǒng)組成

數控系統(tǒng)為完全自主開發(fā)，具備自主知識產權，操作簡單、易用，具備一鍵式啟動、全自動切割的特點?？商峁┒ㄖ苹_發(fā)服務，滿足差異化需求。

采用全數字式五軸聯(lián)動控制系統(tǒng)，配備松下交流伺服電機，顯示屏人機交互界面，工業(yè)鼠標鍵盤，操作方便。配有激光輪廓測量傳感器，用于封頭定位和形狀誤差反饋，根據反饋自動調整切割程序，以保證切割精度。配備無線遙控器，提高操作便捷性。控制系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)組成

2.4 激光輪廓測量傳感器技術參數

激光輪廓測量傳感器在參考距離為235 mm時，垂直方向測量范圍為±50 mm，水平方向測量范圍為40 mm，功率為100 mW。

3 性能指標

本設備性能指標如表2所示。

表2 設備性能指標

以外徑1 100 mm、厚度8 mm的THA封頭為例，開孔參數如表3所示。空行程速度為6 000 mm/min，切割速度為1 000 mm/min。

表3 開孔參數

4 應用前景

4.1 封頭開孔

該五軸聯(lián)動龍門式封頭全自動開孔數控切割裝備通過編程可實現(xiàn)封頭全自動開孔， 在壓力容器制造， 尤其是深冷壓力容器制造領域有較好的應用前景， 在鐵路LNG罐車、公鐵水多式聯(lián)運LNG罐箱等壓力容器封頭工藝件制備中可批量應用。 以公鐵水多式聯(lián)運LNG罐箱為例， 后端內容器封頭上有7個尺寸、 方向不同的孔， 是安裝內部管路和夾層管路的接口， 為了保證焊接質量， 孔周邊開有坡口， 開孔圖如圖6所示。 人工劃線、 開孔、 打磨坡口， 每件工作時間為90 min， 應用該設備后， 工作效率大幅提升。

圖6 LNG罐箱內容器封頭

4.2 其他應用

利用該設備編程、自動尋位、五軸變換角度等功能，通過更換夾具、工裝，能實現(xiàn)自動裝配、自動焊接等功能。從而實現(xiàn)封頭工藝件開孔、開坡口、配件組裝、配件全自動焊接等自動化操作。

5 結束語

本論文研制的五軸聯(lián)動龍門式封頭全自動開孔數控切割裝備， 通過在機構末端加裝激光輪廓測量傳感器， 采用數控龍門桁架式結構，X、Y、Z、U、V五軸伺服聯(lián)動，X、Y、Z實現(xiàn)空間任意位置定位，U、V實現(xiàn)割槍任意姿態(tài)控制。 可以實現(xiàn)封頭任意擺放， 全自動封頭開孔功能。 隨著人工智能， 大數據技術的不斷發(fā)展和成熟， 在未來，該五軸聯(lián)動龍門式封頭全自動開孔數控切割裝備可以應用到其他三維結構件的切割工藝過程中。 通過設計優(yōu)化， 可實現(xiàn)封頭工藝件全流程工作， 升級為小型智能工作中心，還可以推廣到化工裝備用壓力容器封頭開孔、 生物制藥發(fā)酵罐封頭開孔、 貨車用 LNG罐箱等,應用前景廣泛?！?/p>