張亞瓊，侯志偉，劉得懷，楊大偉，張亞男

（淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

合成氨是化工原料之一，近年來應(yīng)用在生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，合成氨的生產(chǎn)需要通過工藝管道進(jìn)行輸送反應(yīng)。長時間的生產(chǎn)下，工藝管道被腐蝕，需要對管道與管道之間的相貫線進(jìn)行切割。根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求，研發(fā)了一種高效的全自動的合成氨工藝管道相貫線切割機(jī)器人，基于數(shù)字控制技術(shù)，采用“NC嵌入PC”的雙CPU的運(yùn)動控制，以實(shí)現(xiàn)管道加工需求的各種相貫線切割，自動化程度更高，可以切割不同管徑不同相貫角度的合成氨工藝管道，切割能力明顯提高。

1 切割機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的切割機(jī)器人需要滿足切割管材直徑為200～400 mm，切割長度為5～30 m，切割厚度為5～20 mm，切割精度為±0.5 mm的要求。其機(jī)械結(jié)構(gòu)由切割裝置和管件上下料機(jī)構(gòu)兩部分組成。

1.1切割裝置

切割裝置（如圖1所示）由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、上下移動機(jī)構(gòu)、前后移動機(jī)構(gòu)和割槍結(jié)構(gòu)組成。套筒上連接著電機(jī)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；主滑塊在龍門架兩側(cè)的導(dǎo)軌上運(yùn)動實(shí)現(xiàn)上下移動機(jī)構(gòu)；底部滑塊在龍門架底部導(dǎo)軌上運(yùn)動完成前后移動機(jī)構(gòu)；割槍通過軟管連接在套筒上實(shí)現(xiàn)割槍運(yùn)動[1]。

切割裝置主要包括三個運(yùn)動：切割前，割槍能夠上下移動，使割槍轉(zhuǎn)動一圈的中心與待加工管子的中心在同一條直線上，利用切割裝置在龍門架上上下移動來實(shí)現(xiàn)割槍的上下移動；切割過程中，割槍能夠繞著待加工的管子做圓周運(yùn)動；同時還能夠沿著管子的軸線方向做平移運(yùn)動，利用蝸輪蝸桿傳動[2]使固定在套筒上的噴頭轉(zhuǎn)動的同時利用齒輪齒條傳動使整個龍門架在導(dǎo)軌上做軸向移動。

圖1 切割裝置

1.2管件上下料機(jī)構(gòu)

管件上下料機(jī)構(gòu)主要是將管材運(yùn)送到切割位置，其結(jié)構(gòu)由送料工作臺、切割工作臺和小車裝置組成（如圖2所示）。當(dāng)送料工作臺檢測到工件時，開始工作，夾緊工件將其運(yùn)送到切割工作臺，完成后送料工作臺返回。送料工作臺兩側(cè)設(shè)有V形導(dǎo)軌，V形導(dǎo)軌上設(shè)有與其配合的V形滑塊，一側(cè)的V形導(dǎo)軌下方裝有齒條和電機(jī)架；送料臺上還設(shè)有夾緊工件的螺旋定心夾緊機(jī)構(gòu)（如圖3所示）、管件檢測器和缺料檢測器；右側(cè)設(shè)有小車裝置，小車裝置有兩個v形塊，底板和四個滾輪；切割工作臺上設(shè)有電磁鐵夾緊塊、物料到位檢測器。

圖2 上下料機(jī)構(gòu)

圖3 螺旋定心夾緊機(jī)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以多軸運(yùn)動控制器為核心，采用“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)形成開放式的運(yùn)動控制。NC采用美國Delta Tau公司的可編程多軸運(yùn)動控制器PMAC[3]，PC選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制機(jī)，從而對兩軸聯(lián)動實(shí)現(xiàn)控制。從系統(tǒng)功能、開放性和開發(fā)成本進(jìn)行綜合考慮，本次選用PMAC2 PCI-LITE運(yùn)動控制卡，附件ACC-8S作為轉(zhuǎn)接板。PMAC2 PCI-LITE是PMAC產(chǎn)品中結(jié)構(gòu)緊湊并且價格適中的一款，適合用于簡單嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，它可以控制四個通道。在本系統(tǒng)中，由于PMAC與IPC之間的實(shí)時通訊要求并不高，因而采用總線通訊方式。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（如圖4所示），由PMAC多軸運(yùn)動控制卡構(gòu)成，PMAC上的CPU與IPC卡上的CPU構(gòu)成了主從式雙微處理器結(jié)構(gòu)，兩個CPU各自實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。其中PC機(jī)為上位機(jī)，完成實(shí)時性要求不高的任務(wù)，如系統(tǒng)的管理、故障診斷與人機(jī)交互等[4]，PMAC完成實(shí)時性要求較高的插補(bǔ)加工等任務(wù)。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制軟件由前臺程序和后臺程序組成。前臺程序?yàn)镻MAC實(shí)時控制軟件，它的工作包括速度控制、位置控制、插補(bǔ)、伺服驅(qū)動等。后臺程序就是上位機(jī)應(yīng)用程序，主要用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的非實(shí)時控制功能，包括系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、參數(shù)輸入、通訊接口和提供良好的人機(jī)界面等，是控制軟件開發(fā)過程中的任務(wù)所在和重要部分。PMAC和上位機(jī)之間的通訊由后臺程序調(diào)用Delta Tau公司提供的通訊驅(qū)動函數(shù)庫Pcomm32PRO中的函數(shù)完成。

控制系統(tǒng)軟件由兩個獨(dú)立又相互通信的部分組成：運(yùn)動程序（PROG程序）和上位機(jī)軟件（VB程序），結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的人機(jī)界面是人機(jī)交互的重要聯(lián)系紐帶。通過人機(jī)界面向控制機(jī)更改或者輸入?yún)?shù)，發(fā)出控制命令；控制主機(jī)通過人機(jī)界面能夠向操作人員顯示系統(tǒng)的運(yùn)行情況或給出操作信息提示等[5]。人機(jī)界面主要包括參數(shù)輸入、程序編制、空間軌跡、誤差曲線和三維圖形實(shí)時顯示[6]。界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)人機(jī)界面

為了驗(yàn)證整個設(shè)計(jì)，利用開發(fā)的軟件進(jìn)行了切割仿真。設(shè)切割主管半徑是60 mm，壁厚是5 mm；支管半徑是40 mm，壁厚是3 mm，傾角，偏心距是3 mm，加工主管上邊相貫線，仿真加工界面如圖7所示。

圖7 仿真界面

3 結(jié)束語

根據(jù)企業(yè)的需求，完成了合成氨工藝管道相貫線切割機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，研制出一款可以快速準(zhǔn)確地對不同材質(zhì)、不同管徑、不同位置相交的相貫線接口進(jìn)行切割的切割機(jī)，降低了工人勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，同時增強(qiáng)了企業(yè)的競爭力。本設(shè)計(jì)的相貫線切割機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，成本低。

參考文獻(xiàn)：

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