葛鑫虎 許夢薇 謝軍 魏玉蘭 李兵

摘 要：為了打磨出高精度長圓柱管道內壁，本課題組將設計一套全自動長圓柱管道內壁打磨機，對多種口徑的長圓柱管道內的絕熱層進行打磨處理，從而提高長圓柱管道內壁表面質量，確保生產工藝和產品質量的要求。該款內壁打磨機主要由主軸，大托板，小托板，打磨系統(tǒng)與吸塵系統(tǒng)組成，用PLC編寫，適用于多種不同內徑大小管道內壁打磨加工，做到一機多用，適應范圍廣，打磨精度高。

關鍵詞：長圓柱管道;打磨機;打磨系統(tǒng)

長圓柱管道內壁打磨機需要滿足的功能是能夠在一定管徑的范圍內伸縮，同時能保證其在圓柱管道內連續(xù)的行走打磨[1]，為了保證打磨質量，打磨路徑應均勻分布，且以盡可能多的方向通過某一打磨點，以防止局部打磨強度不均衡[2]。目前市面上各種圓柱管道內壁打磨還是以人工打磨為主，無法實現(xiàn)鋼管管端內壁清掃作業(yè)的機械化、自動化[3]，對工作人員的要求較高，工作效率也無法滿足日益增長的市場需求，而且粉塵對工作人員的健康也有很大傷害[4]。為此，我們設計了一款全自動長圓柱管道內壁打磨機，來代替人工打磨，提高效率和質量。

1 結構設計與工作原理

其工作原理為：先將長圓柱管道外殼固定在打磨機的主軸卡盤上，同時調整支撐架的高度和2個滾輪的寬度，從而能保證長圓柱管道的軸線與主軸箱的中心軸線重合，且支撐架能夠有效支撐長圓柱管道，主軸的轉速通過變頻電動機控制速度，大托板系統(tǒng)可以水平移動至80～200mm內徑的長圓柱管道一端開口附近，在大托板移動的過程中，小托板系統(tǒng)已經伸入長圓柱管道殼體內;當大托板停在長圓柱管道一端時，小托板上固定一套打磨系統(tǒng)，通過氣缸帶動旋轉鉸鏈，使打磨刀具接觸到長圓柱管道內壁，打磨刀具由一臺伺服電機通過軟軸進行驅動，通過控制伺服電機可以控制刀具的轉動速度;當磨刀轉動，小托板沿水平方向往長圓柱管道內部緩慢勻速運動，同時數控打磨機的主軸做勻速旋轉運動，當磨刀從一端運動到長圓柱管道另一端時，小托板上的氣缸向反方向運動，磨刀與內壁表面分離，小托板反向水平運動，打磨系統(tǒng)離開殼體;大托板反向水平運動，小托板完全離開長圓柱管道殼體。三維工作原理圖如圖1。

2 實驗裝置硬件模塊設計

2.1 主軸箱系統(tǒng)

主軸箱系統(tǒng)由變頻電動機、變頻器、減速器、主軸、箱體和支撐架組成。具體工作原理是將長圓柱管道放到兩個支撐架上，然后安裝到主軸卡盤上并固定，通過變頻電機輸出轉動，使用減速器降低到指定的速度，調節(jié)變頻器可以調節(jié)電機輸出轉速。支撐架采用環(huán)形支撐架，每個接觸點都使用一個支撐滾輪，從而減少摩擦，必要時增加保護套。主軸箱系統(tǒng)如圖2所示。

x2.2 大托板系統(tǒng)

大托板系統(tǒng)由大托板滑塊、齒輪齒條傳動裝置、導軌構成。具體工作原理是將大托板滑塊安裝在兩條導軌上，齒條安裝在機架上，齒輪安裝在大托板滑塊上，從而使大托板可以沿水平方向左右運動，并將安裝在大托板上的齒輪與固定在機架上的齒條配合，使用步進電機帶動齒輪轉動，通過調節(jié)步進電動機參數可以精確控制大托板的運動距離和速度，從而實現(xiàn)大托板的快速準確定位和運動。大托板系統(tǒng)如圖3所示。

2.3 小托板系統(tǒng)

小托板系統(tǒng)由導軌、電動滑臺傳動裝置和小托板架構成。主要是將打磨系統(tǒng)輸送到指定的位置。具體工作原理是將小托板架固定在機架上，在大托板滑塊上安裝一套電動滑臺，電動滑臺使用步進電機驅動，通過控制步進控制器可以控制步進電動機的轉速和啟停，從而實現(xiàn)滑塊的精確定位和運動。并且通過大托板和小托板系統(tǒng)間的協(xié)作和配合，可實現(xiàn)各種長度的內壁管道打磨。小托板系統(tǒng)如圖4所示。

2.4 打磨系統(tǒng)

打磨系統(tǒng)由打磨頭、打磨高度調節(jié)系統(tǒng)、打磨驅動系統(tǒng)等構成。打磨驅動系統(tǒng)采用氣動或電動裝置，通過氣動馬達或伺服電機驅動打磨頭旋轉進行磨削，將調節(jié)氣缸固定在轉動鉸鏈的另一端（驅動端），當氣缸通氣時，活塞桿收回帶動旋轉鉸鏈旋轉，從而帶動打磨頭轉動一個角度以接觸到長圓柱管道內壁，離開時，通過調整氣壓和通氣方向，可以控制打磨的精度和打磨的啟停。打磨系統(tǒng)如圖5所示。整體打磨系統(tǒng)如圖6所示。

2.5 滑臺吸塵系統(tǒng)

機械化吸塵系統(tǒng)由吸塵口、管道、吸塵器構成。主要是將打磨過程中產生的毛屑吸出，從而保證工作區(qū)的潔凈。具體工作原理是在打磨頭一端安裝一個吹起口，另一端附近安裝一個或多個吸塵口，將打磨產生的毛屑直接吸走?？啥ㄆ谇謇砝占?。滑臺吸塵系統(tǒng)如圖7所示。

2.6 實驗設備

實驗設備數據具體如下表：

設備型號和參數表

3 結語

該設計通過機架、主軸箱傳動系統(tǒng)、大托板運動系統(tǒng)、小托板運動系統(tǒng)、打磨系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)的協(xié)調配合，實現(xiàn)多模塊滑板配合工作，對多型號長圓柱管道絕熱層進行自動化打磨處理，減少人工打磨，能夠提高長圓柱管道內壁打磨的精度和穩(wěn)定性，從而提高表面質量和加工效率;實現(xiàn)一體化、普適性生產，降低生產成本，確保生產業(yè)務的順利進行。

參考文獻：

[1]尹風.管道內壁焊縫打磨機器人結構與特性分析[D].重慶理工大學，2019.

[2]黃玉釧.六自由度打磨機器人張量積曲面軌跡規(guī)劃仿真[J].計算機仿真，2015，32（7）：348-35.

[3]尹志遠，張朋年，候江濤.鋼管內壁自動打磨清掃裝置的應用[J].焊管，2019，42（4）：50-53.

[4]姚立權.打磨機器人機電系統(tǒng)設計與研究[D].遼寧：東北大學，2008.