費(fèi)明利，湯子堯

（1.衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001；2.上海電機(jī)學(xué)院，上海 201306）

1 設(shè)備現(xiàn)狀

某企業(yè)技術(shù)中心的試樣制備室目前擁有4 臺帶鋸機(jī)，承擔(dān)著全廠鋼管生產(chǎn)的檢測取樣任務(wù)。鋼管取樣分橫切取樣（環(huán)切）和縱切取樣（條切），因檢測項(xiàng)目的原因，其縱切取樣數(shù)量遠(yuǎn)多于橫切取樣。目前試樣制備室4 臺帶鋸機(jī)的工件夾持工作臺均為常規(guī)結(jié)構(gòu)，適合于橫切取樣（環(huán)切），但并不適合于縱切取樣(條切)，主要問題表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面（見圖1）。

（1）條切鋸割時(shí)，鋼管試樣仍是兩端對向夾持。夾持力小，鋼管夾持不住打滑；夾持力大，薄壁鋼管在大的對向夾持力下極易彎曲失圓，導(dǎo)致無法切割。

（2）條切鋸割小直徑鋼管時(shí)，大的對向夾持力使小直徑鋼管發(fā)生扭曲，導(dǎo)致試樣切割變形。

（3）按取樣要求，在同一段鋼管的同一位置，需條切取樣多塊試樣，在鋼管對向夾持狀態(tài)下，當(dāng)取下第一條縱切試樣后，鋼管已沿單邊縱向切斷，在后的第二條縱切取樣時(shí)，鋼管被鋸切部分只是單側(cè)夾持，鋸切時(shí)嚴(yán)重失穩(wěn)，對于薄壁鋼管更無法切割。

圖1 現(xiàn)有帶鋸機(jī)

（4）帶鋸機(jī)只能使用工具鋼鋸帶，硬度低，有些高硬度高強(qiáng)度厚壁鋼管無法切割；剛性差，鋸切過程容易失穩(wěn)打壞鋸片；同時(shí)，鋸切效率低。但帶鋸機(jī)也有結(jié)構(gòu)簡單、維修容易、設(shè)備購置費(fèi)用低廉等特點(diǎn)。

（5）目前的4 臺帶鋸機(jī)無任何自動(dòng)化功能，操作煩瑣，效率低下。鋸割尺寸得不到保證。

2 改造目的

今年以來，隨著該技術(shù)中心承擔(dān)的鋼管檢測工作量大幅增加，現(xiàn)有的鋼管試樣鋸割能力和試樣取樣尺寸精度已不能滿足生產(chǎn)要求，亟待改造帶鋸機(jī)夾持工作臺，以適應(yīng)鋼管縱切取樣(條切)工作。同時(shí)，考慮到長遠(yuǎn)發(fā)展，擬對現(xiàn)有帶鋸機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造，提升鋸切效率，提高鋸切精度。

還可以視情況增添適用于鋼管縱切的高效新設(shè)備并安裝專用夾具。

3 近期改造方案A：自動(dòng)化帶鋸取樣機(jī)改造

對現(xiàn)有4 臺帶鋸機(jī)進(jìn)行改造，改造工作包括：設(shè)計(jì)安裝新結(jié)構(gòu)的夾持工作臺，在鋼管的鋸切部位增加液壓夾頭，增加鋼管旋轉(zhuǎn)裝置，增加以上新功能的控制單元，配套增加鋼管試樣裝卸加工輔助機(jī)器人。

3.1 設(shè)計(jì)安裝新結(jié)構(gòu)的夾持工作臺

原工作臺為平臺結(jié)構(gòu)，新工作臺頂部放置鋼管部位改為V型結(jié)構(gòu)，可保證鋼管裝夾時(shí)對中。工作臺底部與底座用絲杠和導(dǎo)軌相連，鋼管試樣可平移定位（見圖2）。

圖2 帶鋸機(jī)新結(jié)構(gòu)工作臺

3.2 在鋼管的鋸切部位增加兩對液壓夾頭

圖3 夾緊桿上的液壓夾頭

在工作臺兩端的縱向夾緊桿上增加兩對上下位置可調(diào)的液壓夾頭，直接夾持鋼管的鋸切部位，且可適用于各種不同直徑壁厚的鋼管。因?yàn)樾录拥膬蓪σ簤簥A頭是分兩側(cè)夾持鋼管的壁厚并對鋼管產(chǎn)生一個(gè)縱向拉力，在帶鋸切割時(shí)，鋼管試樣不會產(chǎn)生彎曲、扭曲、切割失穩(wěn)等問題（見圖3）。

（1）鋼管夾持液壓夾頭的力學(xué)分析

以下分析在假設(shè)鋼管無彎曲變形的理想狀態(tài)下進(jìn)行。

若鋼管無變形，鋼管與夾頭的接觸長度就是夾頭長度。

取夾頭長度為50mm，最大鋼管規(guī)格為∮355×10mm，鋼管牌號45 鋼，

合力出現(xiàn)在鋼管內(nèi)側(cè)，其大小等于鋼管截面所受的拉應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的和。

（2）液壓夾緊力計(jì)算

取液壓夾緊油缸的工作壓力為P=10MPa，油缸內(nèi)徑選50mm，活塞桿直徑28mm，油缸工作效率η=0.92，油缸背壓P背壓=0.5MPa

據(jù)以上數(shù)據(jù)，所選擇的油缸和設(shè)計(jì)的液壓夾頭滿足鋼管夾緊要求。

3.3 增加鋼管旋轉(zhuǎn)裝置

在V 型工作臺底部加裝兩對帶動(dòng)力裝置的小升降托輥；液壓夾頭夾住鋼管進(jìn)行鋸切時(shí)，托輥完全降至V 型工作面以下，液壓夾頭松開鋼管后，托輥上升支撐鋼管并轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，將鋼管試樣調(diào)整至第二個(gè)鋸切位置（圖4）。

圖4 帶鋸機(jī)新結(jié)構(gòu)工作臺

3.4 增加新功能的控制單元

增加以上新功能的電器與液壓控制單元，并將新控制單元和帶鋸機(jī)的原有控制裝置整合，實(shí)現(xiàn)程控化和自動(dòng)化，提升鋸切效率和鋸切尺寸準(zhǔn)確性。

3.5 加裝輔助機(jī)器人

配套增加鋼管試樣裝卸加工輔助機(jī)器人，將機(jī)器人與程控化的帶鋸機(jī)控制裝置整合，實(shí)現(xiàn)鋼管試樣從裝卸料到鋸切的全過程智能化生產(chǎn)，基本擺脫人工操作（見圖5）。

3.6 方案A 改造后帶鋸機(jī)智能化工作步驟：

圖5 改造后的自動(dòng)化帶鋸取樣機(jī)

（1）輔助機(jī)器人進(jìn)行鋼管試樣裝料。（2）工作臺兩端的縱向夾緊桿動(dòng)作，夾緊鋼管試樣。（3）夾緊桿上的兩對液壓夾頭上下調(diào)整，夾持鋼管鋸切部位兩側(cè)的壁厚，并對鋼管產(chǎn)生一個(gè)縱向拉力，在帶鋸切割時(shí)，鋼管試樣不會產(chǎn)生彎曲、扭曲、切割失穩(wěn)。（4）第一條縱切取樣完成后，液壓夾頭松開鋼管，位于V 型工作面下方的動(dòng)力托輥上升支撐鋼管并轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，將鋼管試樣調(diào)整至第二個(gè)鋸切位置，等待第二次鋸切。（5）鋼管試樣鋸切取樣結(jié)束，工作臺兩端的縱向夾緊桿回退放松，輔助機(jī)器人卸料，并進(jìn)行已切試樣的收集，完成工作全過程。（6）以上工作步驟可實(shí)現(xiàn)全過程智能化控制。

4 遠(yuǎn)期改造方案B：增添自動(dòng)化圓盤鋸取樣機(jī)

金屬圓盤鋸床+新工作臺+輔助機(jī)器人。圓盤鋸床是金屬鋸切的常用機(jī)床，設(shè)備功率大、切削速度快、切削金屬厚度大、圓盤鋸片剛性大不易彎折、有工具鋼圓盤鋸片和鑲嵌硬質(zhì)合金圓盤鋸片等可選、可鋸切高強(qiáng)度高硬度的各種合金鋼鋼管，其鋸切效率是帶鋸機(jī)的數(shù)倍。結(jié)合該技術(shù)中心現(xiàn)有檢測任務(wù)和發(fā)展趨勢，增購一臺金屬圓盤鋸床可大大提升鋸切效率。方案B 組合為：金屬圓盤鋸床+方案A設(shè)計(jì)的新鋼管夾持工作臺+輔助機(jī)器人。該方案可實(shí)現(xiàn)鋼管試樣鋸切的高效組合（見圖6）。

圖6 自動(dòng)化圓盤鋸取樣機(jī)

5 改造方案比較分析

改造方案A 所增加的機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)簡單，新增液壓機(jī)構(gòu)的動(dòng)力可由帶鋸機(jī)現(xiàn)有液壓系統(tǒng)提供。鋼管裝卸輔助機(jī)器人屬于低精度智能機(jī)器人，價(jià)格低廉工作可靠，已實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化，國產(chǎn)輔助機(jī)器人具有強(qiáng)大的用戶二次開發(fā)平臺，很容易實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人與鋸機(jī)的動(dòng)作組合。方案A 依托現(xiàn)有帶鋸機(jī)，改造成本低，改造周期短，可行性高。

改造方案B 與方案A 比較，需另外增添金屬圓盤鋸床，改造周期相對較長，改造成本相對較大，但圓盤鋸床的鋸切效率比現(xiàn)有帶鋸機(jī)高數(shù)倍，圓盤鋸床也是金屬切割的成熟設(shè)備，工作可靠，而且還可以鋸切現(xiàn)有帶鋸機(jī)不能切割的高強(qiáng)度高硬度的各種合金鋼。從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，改造方案B 更具優(yōu)勢。

以上兩套方案均可以很好地完成鋼管縱切取樣工作，并極大地提高工作效率。