劉長(zhǎng)宇,傅春浩，黃愛(ài)芹，楊沅曉

(1.山東濱化安通設(shè)備制造有限公司，山東 濱州 256600；2.濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濱州 256603)

不銹鋼管因具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、耐熱、耐磨、安全可靠和焊接性良好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，被廣泛應(yīng)用于建筑、石油、化工、醫(yī)療、軍工等行業(yè)，近年來(lái)我國(guó)不銹鋼管的用量以每年10%的速度增長(zhǎng)[3]。在使用中，需要對(duì)不銹鋼管進(jìn)行切割。目前，國(guó)外不銹鋼管的切割技術(shù)較為成熟，具有加工精度和生產(chǎn)效率高、使用范圍大等特點(diǎn)。如美國(guó)一家公司研制了一種冷切割裝置[4]，主要適用于切割易燃易爆等危險(xiǎn)品的不銹鋼容器，但是對(duì)于比較薄的零件，在切割時(shí)很容易在高壓水的沖擊下產(chǎn)生彎曲變形；意大利某公司研發(fā)了數(shù)控激光切割機(jī)，切割速度快、加工質(zhì)量好[5]，但機(jī)床本身費(fèi)用較高，且切割直徑較小的薄壁鋼管時(shí)，受到切割速度的影響，切縫周邊在高溫的作用下有明顯的顏色變化，縫隙寬度也隨之增加。我國(guó)鋼管切割近年來(lái)也取得了巨大的進(jìn)步，武漢大學(xué)研制的高溫火焰切割機(jī)主要應(yīng)用于海洋石油工業(yè)，因?yàn)榍锌谑軣嶙冃伪容^嚴(yán)重，不適合薄壁鋼管的切削加工[6]；濟(jì)南某機(jī)械公司研制的新型等離子切割機(jī)，切割速度快、工件熱變形少，但它在切割過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣、毒害氣體和火星，設(shè)備價(jià)格相對(duì)較貴，電機(jī)噴嘴消耗較大，且維修費(fèi)用高。雖然各類自動(dòng)鋼管切割裝置產(chǎn)品較多，但是對(duì)于一些中小企業(yè)，仍然存在價(jià)格昂貴、適用性差等問(wèn)題，所以諸多中小企業(yè)大部分采用金屬圓盤鋸切割、手工操作的方法[7-9]。針對(duì)此問(wèn)題，本文參照某廠生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)定長(zhǎng)切割打磨一體化設(shè)備，采用模塊化設(shè)計(jì)，企業(yè)可以根據(jù)需求選擇裝配相關(guān)模塊，實(shí)現(xiàn)所需功能，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、總體成本較低，適用于小批量生產(chǎn)的中小企業(yè)。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

鋼管自動(dòng)切割打磨設(shè)備由機(jī)械系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成，主要包括切割和打磨兩個(gè)工序，切割部分有上料、取料、送料、切割4步，打磨部分有轉(zhuǎn)運(yùn)料、磨管和下料3步，其中轉(zhuǎn)運(yùn)料是指把切割好的鋼管從切割平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)至打磨平臺(tái)，本工序和切割中的取料同步完成。

根據(jù)功能要求，系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖中，1為上料支架、2為托輥、3為鋼管氣動(dòng)夾具、4為鋼管、5為推桿、6為轉(zhuǎn)運(yùn)料支架、7為磨管砂輪、8為下料支架、9為成品容器、10為下料斜板(3個(gè))、11為下料氣缸(3個(gè))、12為取料及運(yùn)轉(zhuǎn)料氣缸(3個(gè))、13為取料及運(yùn)轉(zhuǎn)料斜板(3個(gè))、14為立柱、15為方鋼、16為齒輪、17為齒條、18為導(dǎo)軌滑塊、19為連接板、20為減速器、21為伺服電機(jī)。

圖1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

切管部分主要由取料機(jī)構(gòu)、送料機(jī)構(gòu)和切割機(jī)構(gòu)組成，取料和轉(zhuǎn)運(yùn)料由同一氣缸及斜板機(jī)構(gòu)完成(工件12、13)，在氣缸12的一個(gè)上升和下降循環(huán)中，左側(cè)斜板完成取料、右側(cè)斜板完成轉(zhuǎn)運(yùn)料；送料機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)、減速器、連接板、推桿、齒輪齒條副、導(dǎo)軌滑塊副、方鋼和支柱組成，齒條固定于方鋼帶上，齒輪在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下沿著齒條移動(dòng)，帶動(dòng)連接板和推板移動(dòng)，推板推著鋼管沿著托輥移動(dòng)，通過(guò)伺服電機(jī)精確控制鋼管移動(dòng)的距離；切割由一臺(tái)自動(dòng)切割機(jī)完成，切割完成后進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)料和下一根鋼管的取料工序。磨管部分由轉(zhuǎn)運(yùn)料、磨削和下料機(jī)構(gòu)組成，磨削機(jī)構(gòu)由兩組砂輪組成，下料機(jī)構(gòu)由氣缸和斜板組成(工件10、11)。

1.2 送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

切管機(jī)的送料裝置含有伺服電機(jī)、減速器以及驅(qū)動(dòng)齒輪、齒條等，伺服電機(jī)通過(guò)電機(jī)座固定在連接板上，通過(guò)電機(jī)與行星輪減速器相連，行星輪減速器和驅(qū)動(dòng)齒輪相連，通過(guò)自驅(qū)動(dòng)式的齒輪齒條傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)在水平方向上的精確運(yùn)動(dòng)。

1.2.1 伺服電機(jī)選型

根據(jù)工況需求，設(shè)置電機(jī)勻速運(yùn)行的速度v=1 m/s、加速度a=5 m/s2，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算和選型[10]。

圖2 鋼管受力圖

以圖1中鋼管、鋼管氣動(dòng)夾具、推桿、伺服電機(jī)、減速器、連接板、滑塊和齒輪為一個(gè)總體，稱之為移動(dòng)單元，對(duì)其進(jìn)行受力分析，主動(dòng)力為齒輪圓周力Ft,從動(dòng)力有鋼管與托輥之間的摩擦力Ff1、滑塊與導(dǎo)軌之間的摩擦力Ff2和慣性力Fa。

摩擦力Ff1：鋼管在托輥上的受力如圖2所示，以切割長(zhǎng)度6 m的鋼管為例計(jì)算電機(jī)工作扭矩和啟動(dòng)扭矩。設(shè)鋼管原長(zhǎng)為L(zhǎng)=6.04 m、外徑D=25 mm、壁厚δ=2.5 mm，則鋼管重力為

鋼管在鋼管滑道上的摩擦因數(shù)為μ=0.15(鋼-鋼)，托輥與平面之間的夾角設(shè)為θ=60°，所以可得摩擦力Ff1為

摩擦力Ff2：直線導(dǎo)軌摩擦系數(shù)理論上在0.01至0.02之間，但實(shí)際應(yīng)用中由于安裝平行度、為消除間隙采取的預(yù)緊、回珠器曲線失真(在高速時(shí)體現(xiàn))、內(nèi)外滾道一致性等因素不可控性太強(qiáng)，常常大于理論值很多，按照μ1=0.15核算。設(shè)移動(dòng)部件質(zhì)量為m=20 kg，則摩擦力Ff2=μ1mg=29.4 N。

慣性力Fa：根據(jù)牛頓第二定律，可得慣性力Fa=ma=100 N。

綜上，齒輪圓周力Ft=Ff1+Ff2+Fa=155.27 N。所以，伺服電機(jī)功率可估算為

式中：vmax為鋼管的最大移動(dòng)速度，取1 m/s；η1為電機(jī)功率因數(shù)，取0.84；η2為減速器效率，取0.9。

伺服電機(jī)選用西門子V90型，查選型手冊(cè)，考慮到一定的功率裕度，選擇0.75 kW，額定轉(zhuǎn)速2000 r/min。

1.2.2 其他零部件選型

根據(jù)工況需求，減速器選擇行星精密減速機(jī)，減速比i=4；齒輪齒條選擇模數(shù)m=2、齒數(shù)z=20的斜齒輪；滑塊導(dǎo)軌選擇臺(tái)灣上銀HGH20系列。

1.3 鋼管支撐及加緊裝置設(shè)計(jì)

鋼管移動(dòng)過(guò)程中，沿著長(zhǎng)度方向由五組托輥副(圖1中2號(hào)零件)完成支撐，托輥選用軸承支撐，可減小與鋼管之間的摩擦力。在推桿頂端設(shè)有一鋼管的氣動(dòng)夾具，如圖3所示，由氣缸、上壓板和固定板組成，固定板固定于推板上，上壓板通過(guò)氣缸活塞桿帶動(dòng)上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的加緊和放松，氣缸選用亞德客筆型氣缸。

圖3 鋼管夾具結(jié)構(gòu)示意圖

2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)裝置工作要求，氣動(dòng)系統(tǒng)需要完成鋼管夾緊、取料及轉(zhuǎn)運(yùn)料裝置的升降控制和下料裝置的升降控制，主要由氣源、二位五通電磁閥、氣缸等組成，原理如圖4所示。

圖4 氣動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

6個(gè)舉升氣缸均為直線氣缸，由二位五通電磁閥控制缸桿的伸縮，由節(jié)流閥調(diào)節(jié)氣缸的運(yùn)行速度和平穩(wěn)性。車間提供0.8 MPa 的氣源，經(jīng)過(guò)氣動(dòng)三聯(lián)件[11]、二位五通電磁閥、節(jié)流閥后進(jìn)入氣缸。鋼管夾具氣缸工作壓力為0.5 MPa，所以在進(jìn)入氣缸之前，先經(jīng)減壓閥將氣源降至0.5 MPa。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)

根據(jù)工作流程，控制系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)控制，所選型號(hào)為西門子SMART ST40，為精確控制鋼管長(zhǎng)度，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿，使用驅(qū)動(dòng)器的位置模式，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)接收來(lái)自PLC的位置命令(特定脈沖數(shù))控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[12]，由驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)設(shè)定位置控制比例增益的值，來(lái)縮小位置控制誤差量。通過(guò)觸摸屏設(shè)置鋼管長(zhǎng)度、數(shù)量以及運(yùn)動(dòng)的速度，同時(shí)顯示已完成切割和磨削的數(shù)量。采用光電開(kāi)關(guān)作為輸入傳感器，作為伺服電機(jī)的零點(diǎn)和軟限位位置信號(hào)。根據(jù)工序，通過(guò)PLC控制電磁閥，驅(qū)動(dòng)氣缸的升降完成鋼管的上料、轉(zhuǎn)運(yùn)和下料，同時(shí)，適時(shí)啟動(dòng)切割機(jī)和磨管電機(jī)進(jìn)行切割和磨削。

3.2 程序設(shè)計(jì)

PLC程序采用順序控制的形式，按預(yù)設(shè)順序逐步執(zhí)行。順序功能圖編程屬于一種新的圖形化編程方法，用流程圖來(lái)表示一個(gè)順序控制過(guò)程，包括步、轉(zhuǎn)化條件及有向連線[12]。為了便于PLC控制程序的編寫，將設(shè)備的運(yùn)動(dòng)流程分為切管和磨管兩部分。

切管工作流程如下：首先輸入切割參數(shù)，包括鋼管成品長(zhǎng)度和原長(zhǎng)、切割數(shù)量、運(yùn)行速度等；啟動(dòng)系統(tǒng)，伺服電機(jī)回零→舉升氣缸上升→上個(gè)工序完成的工件被運(yùn)送至磨管工序、待加工鋼管運(yùn)送至托輥上→鋼管到位信號(hào)啟動(dòng)→伺服電機(jī)啟動(dòng)、送料機(jī)構(gòu)運(yùn)行→鋼管夾具氣缸啟動(dòng)、鋼管被夾緊→私服驅(qū)動(dòng)器計(jì)算是否運(yùn)行到位→V型夾具氣缸啟動(dòng)夾緊備切鋼管→切割機(jī)氣缸啟動(dòng)完成切割→運(yùn)料機(jī)構(gòu)回程、鋼管夾具氣缸歸位、鋼管被松開(kāi)→判斷上根鋼管磨管完成→判斷加工數(shù)量是否完成，完成則結(jié)束，否則啟動(dòng)舉升氣缸，開(kāi)啟下一輪切割工序。

磨管操作與切割加工同時(shí)進(jìn)行，主要流程如下：判斷備磨鋼管是否到位→到位后啟動(dòng)磨管電機(jī)、定時(shí)→定時(shí)時(shí)間到、下料氣缸啟動(dòng)→判斷加工數(shù)量是否完成，完成則結(jié)束，否則啟動(dòng)舉升氣缸，開(kāi)啟下一輪切割工序。

4 功能測(cè)試

根據(jù)廠家生產(chǎn)需求，研制自動(dòng)切割機(jī)樣機(jī)，測(cè)試系統(tǒng)的切割精度。選用外徑為25 mm、壁厚為2.5 mm的碳素鋼管樣本，設(shè)定工進(jìn)速度為1 m/s、空載速度為5 m/s。經(jīng)過(guò)調(diào)試和改進(jìn)，設(shè)備可完美實(shí)現(xiàn)設(shè)定功能。分別加工了100 mm、200 mm、1000 mm、2500 mm、4500 mm、6000 mm規(guī)格的鋼管，測(cè)試20根鋼管，其誤差最大為2 mm。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了薄壁鋼管定長(zhǎng)切割和自動(dòng)磨管一體化設(shè)備，設(shè)計(jì)了機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)。本設(shè)備可以高效地完成薄壁鋼管的自動(dòng)切割、打磨，精度和自動(dòng)化程度均較高，達(dá)到了工廠的加工要求。