油套管用步進(jìn)移鋼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及分析

畢群泗

（1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518）

隨著油套管加工質(zhì)量的提高，在油套管生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要將油套管從一個(gè)操作工位移送到另一個(gè)操作工位來完成油套管的生產(chǎn)加工工藝。步進(jìn)機(jī)移鋼機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)油套管不同工位間歇式的前進(jìn)或后退，提高加工工藝的自動(dòng)化。例如，為提升油套管智能化加工工藝需對(duì)油套管長(zhǎng)度、重量等進(jìn)行標(biāo)識(shí)[1]，油套管需在對(duì)齊、測(cè)長(zhǎng)、稱重、噴標(biāo)、打標(biāo)、色環(huán)等工位間移動(dòng)直至完成加工，工位間來回移動(dòng)，完成各工位的自動(dòng)化。

由于各個(gè)工位的設(shè)備空間較大，就要求步進(jìn)移鋼機(jī)構(gòu)平移的步距較大，特別是大管徑，步距要求更大。在噴標(biāo)工位和打標(biāo)工位時(shí)，由于該工位上配有精密儀器噴標(biāo)機(jī)與打標(biāo)機(jī)，所以要求步進(jìn)機(jī)構(gòu)在運(yùn)移過程中升降高度不能大，否則會(huì)與噴標(biāo)機(jī)、打標(biāo)機(jī)發(fā)生干涉。目前，普遍采用圓軌跡[2]、矩形軌跡步進(jìn)機(jī)構(gòu)。圓軌跡步進(jìn)機(jī)構(gòu)主要是運(yùn)用平行四邊形機(jī)構(gòu)的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或者鏈輪鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，都存在機(jī)構(gòu)相對(duì)龐大、成本較高、升降高度較大、能耗高的問題。而矩形軌跡可以在相同的步進(jìn)距離上大大減小升降高度，但由于需采用液壓驅(qū)動(dòng)，加速、減速控制需要采用比例控制，復(fù)雜且不可靠，而且其本身的機(jī)構(gòu)也是比較龐大的，成本也較高。該步進(jìn)移鋼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓形，是國內(nèi)首次將復(fù)雜多連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)用到該系統(tǒng)中，非常適合現(xiàn)在油套管生產(chǎn)線的工藝流程。

1 步進(jìn)移鋼機(jī)構(gòu)的組成及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

該機(jī)構(gòu)包括由兩組曲柄搖臂機(jī)構(gòu)、連桿和橫梁構(gòu)成運(yùn)動(dòng)軌跡可復(fù)制的平行四邊形平移機(jī)構(gòu)，如圖1所示。其中一組曲柄搖臂機(jī)構(gòu)主要包括曲軸、主動(dòng)擺臂、主動(dòng)搖臂和大支座；另一組曲柄搖臂機(jī)構(gòu)主要包括小支座、被動(dòng)擺臂、被動(dòng)搖臂，其平面布置圖如圖2所示。該機(jī)構(gòu)的工作方式為電機(jī)通過減速器、傳動(dòng)軸帶動(dòng)步進(jìn)梁傳送臺(tái)正向旋轉(zhuǎn)，通過曲軸的支撐梁將油套管水平移動(dòng)一定的距離。

圖1 曲軸連桿步進(jìn)機(jī)構(gòu)單機(jī)

圖2 步進(jìn)機(jī)構(gòu)平面布置圖

本機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是通過組合兩種平面機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)一種近似橢圓的步進(jìn)運(yùn)行軌跡，用近似橢圓軌跡實(shí)現(xiàn)輕拿輕放、快速運(yùn)移的特性。通過曲軸、主被動(dòng)搖臂、連桿等組成曲柄搖臂機(jī)構(gòu)；通過連桿、橫梁等組成平行四邊形機(jī)構(gòu)，兩部分運(yùn)動(dòng)疊加達(dá)到橢圓形的運(yùn)動(dòng)軌跡。

該步進(jìn)移鋼機(jī)構(gòu)裝置由多組多連桿撥料架組成，之間用萬向聯(lián)軸器連接，整個(gè)裝置由一臺(tái)減速電機(jī)帶動(dòng)。單個(gè)多連桿撥料架是通過偏心布置的支撐梁將油套管水平移動(dòng)一定的距離。整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡不會(huì)因?yàn)槠涓咚龠\(yùn)動(dòng)而使小直徑的管子從橫梁飛出，很好地克服了運(yùn)動(dòng)方向與受力的關(guān)系，更適合多工位系統(tǒng)的流水線操作。

該步進(jìn)機(jī)構(gòu)能夠在產(chǎn)生較大的步進(jìn)距離的同時(shí)，產(chǎn)生較小的升降高度，有效地解決了油套管加工生產(chǎn)線上的測(cè)長(zhǎng)、稱重、噴標(biāo)、打標(biāo)等設(shè)備對(duì)油套管移動(dòng)的要求。同時(shí)，調(diào)整曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)，可以達(dá)到任意步進(jìn)距離和升降高度軌跡，從而有利于該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用[3]。

2 運(yùn)動(dòng)分析計(jì)算

根據(jù)實(shí)際情況，該結(jié)構(gòu)負(fù)載為8.4 t，自重為10 t，其移動(dòng)油套管長(zhǎng)度為13 m，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為11 r/min，按最常用的步進(jìn)長(zhǎng)度為600 mm，步進(jìn)機(jī)構(gòu)單機(jī)為6組，結(jié)構(gòu)形式為以工位進(jìn)行分析。根據(jù)條件建立簡(jiǎn)易模型進(jìn)行仿真分析，模型如圖3所示。

圖3 曲軸連桿步進(jìn)機(jī)構(gòu)模型

3 數(shù)據(jù)分析

通過建模仿真得出橫梁位移、瞬時(shí)速度與驅(qū)動(dòng)扭矩時(shí)間變化表（見表1）。

表1 橫梁位移、瞬時(shí)速度與驅(qū)動(dòng)扭矩隨時(shí)間變化表（截取部分?jǐn)?shù)據(jù)）

圖4為橫梁移動(dòng)曲線，其運(yùn)動(dòng)軌跡為低點(diǎn)近水平移動(dòng)的類橢圓軌跡，該軌跡可順利從一個(gè)工位步進(jìn)到下一個(gè)工位，是可復(fù)制的多工位位移。其水平位移長(zhǎng)度為600 mm，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)長(zhǎng)度的要求。

圖4 橫梁移動(dòng)軌跡

圖5為橫梁運(yùn)動(dòng)位置與所需扭矩隨時(shí)間變化的關(guān)系。圖6為所需扭矩與橫梁運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化的關(guān)系。圖7為曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)位置與扭矩隨時(shí)間變化的關(guān)系。

圖5 橫梁運(yùn)動(dòng)位置與所需扭矩隨時(shí)間變化的關(guān)系

圖6 扭矩與橫梁運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化的關(guān)系

圖7 曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)位置與扭矩隨時(shí)間變化的關(guān)系

由以上分析得知，該機(jī)構(gòu)為五連桿機(jī)構(gòu)，采用低副組合運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)機(jī)構(gòu)在取料時(shí)橫梁僅在Y方向有速度，X方向速度接近0，油套管在V型槽內(nèi)僅沿Y方向運(yùn)動(dòng)，油套管不會(huì)擺動(dòng)，做到了輕拿輕放。

根據(jù)以上曲線數(shù)據(jù)分析可以得出該結(jié)構(gòu)理論所需最大功率為P=15 kW。當(dāng)橫梁從低點(diǎn)接料后，其負(fù)載增加，電機(jī)輸出扭矩開始增大，當(dāng)Y方向位移達(dá)到最大時(shí)，此時(shí)X方向速度達(dá)到最大值，所需扭矩為0，此時(shí)該結(jié)構(gòu)的重力勢(shì)能最大，X軸方向的動(dòng)能最大，為保持恒定的轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)扭矩有開始改變方向的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)竭_(dá)平衡點(diǎn)時(shí)，即再次達(dá)到最大扭矩時(shí)，此時(shí)若所選電機(jī)功率P≤15 kW時(shí)，在慣性的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)生額外的切割電機(jī)磁力線的力，產(chǎn)生反向電流，將電動(dòng)機(jī)燒毀。所以選取功率應(yīng)大于15 kW，過該平衡點(diǎn)后電機(jī)功率需有余量繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)最低點(diǎn)。考慮到機(jī)構(gòu)的能量效率問題，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮20%的效率損耗。此結(jié)構(gòu)消耗功率小，從運(yùn)動(dòng)軌跡可看出，油套管在移動(dòng)過程中無多余的空間運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

步進(jìn)移鋼機(jī)構(gòu)是自動(dòng)化油套管生產(chǎn)加工過程中使用最頻繁的設(shè)備，能夠滿足冶金行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及油套管的外徑、長(zhǎng)度、重量、現(xiàn)場(chǎng)空間的大小、生產(chǎn)效率等因素。

該機(jī)構(gòu)是生產(chǎn)過程中噪音產(chǎn)生的最主要來源。不僅要保證高速的生產(chǎn)節(jié)奏，而且要避免噪聲帶來的環(huán)境污染，該步進(jìn)移鋼機(jī)構(gòu)獨(dú)特的橢圓形運(yùn)動(dòng)軌跡在運(yùn)動(dòng)過程中做到了輕拿輕放的效果，與油套管接觸部分采用聚氨酯V型塊來減少和降低鋼對(duì)鋼的碰撞，已達(dá)到減少噪音的目的。

該機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中通過低運(yùn)動(dòng)副或高運(yùn)動(dòng)副加低運(yùn)動(dòng)副的組合，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)移鋼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線，優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)軌跡，更節(jié)省運(yùn)動(dòng)空間，運(yùn)動(dòng)過程中能耗也達(dá)到了最低。

此裝置已在多套測(cè)量標(biāo)識(shí)系統(tǒng)中長(zhǎng)期使用，未出現(xiàn)缺點(diǎn)。該機(jī)構(gòu)可根據(jù)不同的要求設(shè)計(jì)工位的數(shù)量及步進(jìn)的長(zhǎng)度。通過建模分析該設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡，更能直觀地設(shè)計(jì)出所需要的各項(xiàng)參數(shù)及變換連桿長(zhǎng)度來滿足設(shè)計(jì)需求。