張格睿，張忠厚

(1.山東魯能建設(shè)集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250001；2.山東大學(xué) 材料學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

一種相貫線曲線通用切割機(jī)的研制

張格睿1，張忠厚2

(1.山東魯能建設(shè)集團(tuán)，山東 濟(jì)南 250001；2.山東大學(xué) 材料學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

大直徑筒體的相貫線曲線焊接，為了得到高精度的切割尺寸，保證焊接質(zhì)量，提高切割效率，降低成本。利用正弦曲線機(jī)構(gòu)將簡單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)變?yōu)楦罹囟瞬繌?fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了相貫線曲線運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)切割，只需改變正弦曲線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的偏心機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)半徑e就可實(shí)現(xiàn)不同直徑的筒體與接管相交所形成的相貫線曲線的自動(dòng)切割。該割炬繞工件的轉(zhuǎn)動(dòng)與上下的同步移動(dòng)采用直接傳動(dòng)，動(dòng)作協(xié)調(diào)、傳動(dòng)平穩(wěn)，避免了傳動(dòng)積累誤差，可在多種位置點(diǎn)火切割，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，工作可靠。通過應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，降低了成本，提高了效率3～5倍，切割質(zhì)量穩(wěn)定可靠。是一種低成本自動(dòng)化相貫線曲線的自動(dòng)切割通用設(shè)備。經(jīng)過改進(jìn)，用焊槍代替割矩，還可對相貫線曲線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。

相貫線曲線；自動(dòng)切割機(jī)；大直徑筒體

0 前言

在石油、紡織、輕工、化工、核能和機(jī)械制造等行業(yè)的各種鍋爐汽包、罐體以及大直徑筒體的生產(chǎn)中，經(jīng)常遇到大型筒體與接管的焊接。焊接前必須先將筒體下料切割成相貫線曲線，然后再與接管組裝焊接。為了保證焊接質(zhì)量，對相貫線曲線要求下料切割成規(guī)則的形狀，雖然用機(jī)械加工的方法像搪孔、鉆孔等能獲得精度較高的切割下料尺寸，但生產(chǎn)率低，成本高，生產(chǎn)周期長。廠家受財(cái)力、設(shè)備規(guī)格、輔助工具的限制也不能大量采用。對于大尺寸的相貫線曲線，有些廠家先用手工切割再進(jìn)行機(jī)械加工，這又增加了生產(chǎn)工序和制造成本。還有的廠家從國外引進(jìn)數(shù)控切割機(jī)，由于數(shù)控切割機(jī)價(jià)格昂貴，使用者又沒有能力編制復(fù)雜的程序，所以大部分廠家不愿從國外購買。由于以上原因，目前大多數(shù)廠家都使用手工切割。由于其形狀不規(guī)則，切割質(zhì)量達(dá)不到要求，圓度超差，或者間隙太大，不但效率低，質(zhì)量差，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，嚴(yán)重影響了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，特別是當(dāng)使用弧焊機(jī)器人或者專用自動(dòng)焊機(jī)焊接這種接縫時(shí)更達(dá)不到質(zhì)量要求，使引進(jìn)的弧焊機(jī)器人也不能很好的用于生產(chǎn)[1]。在此研究設(shè)計(jì)了通用型相貫線曲線自動(dòng)切割機(jī)。

1 切割機(jī)的結(jié)構(gòu)、組成和工作原理

一般的大直徑筒體與其接管焊接大多都是正交形呈相貫線曲線，這種曲線大多為軸對稱，其展開形狀為一正弦曲線形狀，所以可利用正弦曲線機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)軌跡。

該自動(dòng)切割機(jī)的結(jié)構(gòu)、組成和工作原理示意如圖1所示。整個(gè)切割機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)主軸、大小圓錐齒輪(大齒輪和小齒輪的齒數(shù)比為2∶1)、偏心機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等幾部分組成。

圖1 大直徑筒體相貫線曲線自動(dòng)切割機(jī)的結(jié)構(gòu)、組成和工作原理示意

1.1 工件的安裝與調(diào)整

筒體1由焊接滾輪架(外購件)支撐，通過調(diào)整滾輪架的正反轉(zhuǎn)使工件被切割部位處于滾輪架的最上方，并在被切割部位打中心孔。

1.2 割炬初始位置的確定

整個(gè)自動(dòng)切割系統(tǒng)固定在操作機(jī)8上，操作機(jī)固定在行走小車15上，通過調(diào)整行走小車和操作機(jī)，使傳動(dòng)主軸5的下端靠近被切割的工件1，再通過上微調(diào)機(jī)構(gòu)6的三個(gè)坐標(biāo)使傳動(dòng)主軸的下端對準(zhǔn)工件的中心孔。根據(jù)筒體和接管的半徑所確定的相貫線曲線形狀，調(diào)整偏心機(jī)構(gòu)9的偏心量e，使滑塊體11的中心與小齒輪7中心軸線的中心距e等于回轉(zhuǎn)半徑ri。再借助于下微調(diào)機(jī)構(gòu)13使割炬14的割嘴與工件的距離滿足切割要求，并使割嘴的回轉(zhuǎn)半徑等于接管外徑 (或者等于相貫線孔的設(shè)計(jì)尺寸)。操作機(jī)可在導(dǎo)軌上前后大范圍移動(dòng)使工件裝卸方便。

1.3 割炬運(yùn)動(dòng)軌跡的控制

傳動(dòng)主軸的下方固定有大圓錐齒輪2，當(dāng)主電機(jī)3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它就和減速機(jī)構(gòu)4、小錐齒輪7、偏心機(jī)構(gòu)9、割炬14等一起圍繞著大錐齒輪2公轉(zhuǎn)，此時(shí)的小齒輪7又和偏心機(jī)構(gòu)9、滑快12一起繞AA軸自轉(zhuǎn)，與偏心機(jī)構(gòu)連在一起的滑塊12在自轉(zhuǎn)的同時(shí)就在滑塊體11中間做相對滑動(dòng)，并推動(dòng)滑塊體沿著導(dǎo)向機(jī)構(gòu)10上下運(yùn)動(dòng)，與滑塊體連在一起的割炬14也同步按正弦曲線規(guī)律上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，小齒輪就帶動(dòng)割炬做上下兩次往復(fù)運(yùn)動(dòng)。正好符合相貫線曲線形狀的要求。如果切割過程由于某種原因使割炬的回轉(zhuǎn)半徑發(fā)生變化時(shí)，還可通過下微調(diào)機(jī)構(gòu)13進(jìn)行修正。對于不同的相貫線曲線只要改變偏心機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)半徑r即可進(jìn)行相貫線曲線的正常切割。

1.4 動(dòng)作程序

被切割的工件安裝調(diào)整好以后，確定好割炬的初始位置，接通電源，點(diǎn)火，主電機(jī)3、割炬14等通過變速機(jī)構(gòu)4繞著傳動(dòng)主軸按預(yù)定的切割速度轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過大小齒輪的嚙合以及偏心機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)，使割炬按正弦曲線規(guī)律做上下運(yùn)動(dòng)，按調(diào)好的切割規(guī)范參數(shù)切割工件，當(dāng)割炬繞著傳動(dòng)主軸回轉(zhuǎn)一周后，割炬便上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)二次，完成一條相貫線曲線的自動(dòng)切割。

2 切割機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡分析

為了使所設(shè)計(jì)的切割機(jī)具有通用性，能切割不同的筒體和接管相交所形成的相貫線曲線，必須使正弦曲線機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與相貫線曲線的理論軌跡重合，下面對兩者的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析。

2.1 相貫線曲線的理論軌跡

對于不同直徑的筒體與不同直徑的接管相交所形成的相貫線曲線的理論軌跡，可表示為[2]

式中 Z1為相貫線曲線理論軌跡的縱坐標(biāo)；R為大筒體半徑；r為接管半徑；α為接管與筒體的交角；φ為決定相貫線曲線縱坐標(biāo)的參數(shù)即為公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角(0°≤φ≤360°)。

當(dāng)接管與筒體的交角α＝90°時(shí)，為正交相貫線曲線，式(1)變?yōu)?/p>

2.2 正弦曲線機(jī)構(gòu)的實(shí)際相貫線曲線軌跡

兩管相交示意如圖2所示。切割機(jī)實(shí)際的相貫線曲線軌跡是由偏心機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)半徑ri決定，ri＝[R-(R2-r2)1／2]／2；由偏心機(jī)構(gòu)的工作原理得知，切割機(jī)實(shí)際的相貫線曲線軌跡Z2表示為

式中 Z2為相貫線實(shí)際曲線軌跡的實(shí)際縱坐標(biāo)；ri為偏心機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)半徑。

圖2 筒體與接管相交示意

現(xiàn)以三組筒體和接管為例，由式(2)和式(3)分別求出相貫線曲線軌跡的理論值和正弦曲線機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)際值列于表1中。

由表1可見，對于不同直徑的筒體與接管，其相貫線曲線的理論值和該切割機(jī)的實(shí)際相貫線曲線相差極少，最大誤差也只有0.227 2 mm，筒體直徑越大其誤差越少，對于切割過程，焊炬與工件的距離變化這點(diǎn)數(shù)值是微不足道的。

表1 三組筒體相貫線曲線的理論值和實(shí)際值比較

3 切割機(jī)的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

該自動(dòng)切割機(jī)利用簡單的正弦曲線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制割炬的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，只要改變偏心機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)半徑e就可實(shí)現(xiàn)不同直徑的筒體與接管相交所形成的相貫線曲線的自動(dòng)切割。給出了偏心機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)半徑的計(jì)算公式，為該機(jī)調(diào)試提供了方便。

所設(shè)計(jì)的自動(dòng)切割機(jī)，割炬的轉(zhuǎn)動(dòng)與上下的同步運(yùn)動(dòng)采用直接傳動(dòng)，動(dòng)作協(xié)調(diào)、傳動(dòng)平穩(wěn)，避免了傳動(dòng)積累誤差，提高了割炬運(yùn)動(dòng)重現(xiàn)性的精度，可在多種位置點(diǎn)火切割。該切割機(jī)切割的相貫線曲線展開示意如圖3所示。

圖3 相貫線曲線展開長度示意

該切割機(jī)使用的操作機(jī)、行走小車、滾輪架等都可直接向?qū)I(yè)生產(chǎn)廠商購買對應(yīng)型號的產(chǎn)品，簡化了設(shè)計(jì)過程，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本。

該切割機(jī)利用正弦曲線機(jī)構(gòu)將簡單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)變?yōu)楦罹娑瞬繌?fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了相貫線曲線運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)切割，簡化了電器控制線路，使切割機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

該機(jī)設(shè)計(jì)成手動(dòng)和全自動(dòng)兩套控制系統(tǒng)，對于單件、少批生產(chǎn)或新產(chǎn)品試制，通過硬件程控電路，控制割炬切割，操作調(diào)整方便，降低了生產(chǎn)成本。對于大批量生產(chǎn)，通過單板機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了切割過程自動(dòng)控制，保證了質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。

4 應(yīng)用效果

該機(jī)研制成功之后，通過對筒體切割的實(shí)際應(yīng)用，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，降低了切割成本，提高了切割質(zhì)量，比手工切割的效率高3～5倍，切割質(zhì)量穩(wěn)定可靠。用該切割機(jī)切割的相貫線曲線，經(jīng)焊接工藝試驗(yàn)焊縫表面光滑，成形良好，焊接質(zhì)量完全滿足要求。

5 結(jié)論

(1)所研制的大直徑筒體相貫線曲線切割機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)平穩(wěn)，運(yùn)行可靠，特別適合大直徑筒體相貫線曲線的自動(dòng)切割。

(2)割炬的轉(zhuǎn)動(dòng)與上下移動(dòng)，兩者同步、協(xié)調(diào)，可在工件的任意位置點(diǎn)火、切割，不存在傳動(dòng)積累誤差，結(jié)構(gòu)簡單，操作調(diào)整方便，工作可靠。

(3)實(shí)際應(yīng)用證明該機(jī)可大大提高生產(chǎn)效率，切割質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

(4)經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn)，用焊槍代替割矩，還可對相貫線曲線自動(dòng)焊接。

[1]林尚揚(yáng).關(guān)于弧焊機(jī)器人的應(yīng)用[R].合肥：在全國機(jī)械行業(yè)焊接自動(dòng)化研討會上的工作報(bào)告，1995.

[2]張忠厚，孫俊生.管連接自動(dòng)焊接機(jī)凸輪設(shè)計(jì)主要參數(shù)的計(jì)算[J].山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992，22(4)：77-81.

Development of an automatic cutting machine for intersection curve-

ZHANG Ge-rui1，ZHANG Zhong-hou2
(1.Department of Engineer，Shandong Luneng Construction Group，Ji'nan 250001，China；2.School of Material Institute，Shandong University，Ji'nan 250061，China)

For the automatic cutting machine for intersection curve of large-diameter cylinders，to achieve the high accuracy of cutting dimension，to guarantee the welding quality and to lower the cost，automatic cutting of motion locus of intersection curve can be realized by means of sinusoidal mechanism.The cutting machine can control the complicated moving locus with simple sinusoidal curve moving mechanism.By adjusting the gyration radii of the eccentricity mechanisme，automatic cutting for intersection curves of pipes and cylinders with different diameters can be realized easily.Direct transition is applied for cutting torch rotation and simultaneous to and from motion with the harmonious action and smooth transition and avoiding accumulating errors，improving the precision of cutting torch moving repeatability and cutting can be made at different positions.The machine with simple structure and easy to operate.Profound economic effect is gained in practice after the cutting machine is used in production.Cutting efficiency is 3～5 times than that when the manual cutting was adopted and the cutting quality is stable and reliable.The cutting machine is of automatic，universal and low cost type for intersection curve cutting.If modified，with welding torch instead of cutting torch，the machine can also be used for automatic welding of intersection curve.

intersection curve；automatic cutting machine；large-diameter cylinder

TG48

A

1001-2303(2010)02-0091-04

2009-08-06

張格睿(1973—)，女，山東蓬萊人，工程師，學(xué)士，主要從事不規(guī)則焊縫焊接自動(dòng)化的研究工作。