薄壁鋼管定長切割打磨一體化設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

劉長宇,傅春浩，黃愛芹，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.濱州學院 機電工程學院，山東 濱州 256603)

不銹鋼管因具有耐腐蝕、強度高、耐熱、耐磨、安全可靠和焊接性良好等優(yōu)點[1-2]，被廣泛應(yīng)用于建筑、石油、化工、醫(yī)療、軍工等行業(yè)，近年來我國不銹鋼管的用量以每年10%的速度增長[3]。在使用中，需要對不銹鋼管進行切割。目前，國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。如美國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品的不銹鋼容器，但是對于比較薄的零件，在切割時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，切割速度快、加工質(zhì)量好[5]，但機床本身費用較高，且切割直徑較小的薄壁鋼管時，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。我國鋼管切割近年來也取得了巨大的進步，武漢大學研制的高溫火焰切割機主要應(yīng)用于海洋石油工業(yè)，因為切口受熱變形比較嚴重，不適合薄壁鋼管的切削加工[6]；濟南某機械公司研制的新型等離子切割機，切割速度快、工件熱變形少，但它在切割過程中會產(chǎn)生大量的煙氣、毒害氣體和火星，設(shè)備價格相對較貴，電機噴嘴消耗較大，且維修費用高。雖然各類自動鋼管切割裝置產(chǎn)品較多，但是對于一些中小企業(yè)，仍然存在價格昂貴、適用性差等問題，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]。針對此問題，本文參照某廠生產(chǎn)需求，設(shè)計了一款自動定長切割打磨一體化設(shè)備，采用模塊化設(shè)計，企業(yè)可以根據(jù)需求選擇裝配相關(guān)模塊，實現(xiàn)所需功能，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、總體成本較低，適用于小批量生產(chǎn)的中小企業(yè)。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計方案

鋼管自動切割打磨設(shè)備由機械系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成，主要包括切割和打磨兩個工序，切割部分有上料、取料、送料、切割4步，打磨部分有轉(zhuǎn)運料、磨管和下料3步，其中轉(zhuǎn)運料是指把切割好的鋼管從切割平臺轉(zhuǎn)運至打磨平臺，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為鋼管氣動夾具、4為鋼管、5為推桿、6為轉(zhuǎn)運料支架、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)、11為下料氣缸(3個)、12為取料及運轉(zhuǎn)料氣缸(3個)、13為取料及運轉(zhuǎn)料斜板(3個)、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。

圖1 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)示意圖

切管部分主要由取料機構(gòu)、送料機構(gòu)和切割機構(gòu)組成，取料和轉(zhuǎn)運料由同一氣缸及斜板機構(gòu)完成(工件12、13)，在氣缸12的一個上升和下降循環(huán)中，左側(cè)斜板完成取料、右側(cè)斜板完成轉(zhuǎn)運料；送料機構(gòu)由伺服電機、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，齒輪在伺服電機的帶動下沿著齒條移動，帶動連接板和推板移動，推板推著鋼管沿著托輥移動，通過伺服電機精確控制鋼管移動的距離；切割由一臺自動切割機完成，切割完成后進入轉(zhuǎn)運料和下一根鋼管的取料工序。磨管部分由轉(zhuǎn)運料、磨削和下料機構(gòu)組成，磨削機構(gòu)由兩組砂輪組成，下料機構(gòu)由氣缸和斜板組成(工件10、11)。

1.2 送料機構(gòu)設(shè)計

切管機的送料裝置含有伺服電機、減速器以及驅(qū)動齒輪、齒條等，伺服電機通過電機座固定在連接板上，通過電機與行星輪減速器相連，行星輪減速器和驅(qū)動齒輪相連，通過自驅(qū)動式的齒輪齒條傳動，實現(xiàn)電機在水平方向上的精確運動。

1.2.1 伺服電機選型

根據(jù)工況需求，設(shè)置電機勻速運行的速度v=1 m/s、加速度a=5 m/s2，對系統(tǒng)進行參數(shù)的計算和選型[10]。

圖2 鋼管受力圖

以圖1中鋼管、鋼管氣動夾具、推桿、伺服電機、減速器、連接板、滑塊和齒輪為一個總體，稱之為移動單元，對其進行受力分析，主動力為齒輪圓周力Ft,從動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，以切割長度6 m的鋼管為例計算電機工作扭矩和啟動扭矩。設(shè)鋼管原長為L=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(在高速時體現(xiàn))、內(nèi)外滾道一致性等因素不可控性太強，常常大于理論值很多，按照μ1=0.15核算。設(shè)移動部件質(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，伺服電機功率可估算為

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

伺服電機選用西門子V90型，查選型手冊，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，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)軌選擇臺灣上銀HGH20系列。

1.3 鋼管支撐及加緊裝置設(shè)計

鋼管移動過程中，沿著長度方向由五組托輥副(圖1中2號零件)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，上壓板通過氣缸活塞桿帶動上下移動，實現(xiàn)對鋼管的加緊和放松，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 氣動系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)裝置工作要求，氣動系統(tǒng)需要完成鋼管夾緊、取料及轉(zhuǎn)運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 氣動控制系統(tǒng)原理圖

6個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)氣缸的運行速度和平穩(wěn)性。車間提供0.8 MPa 的氣源，經(jīng)過氣動三聯(lián)件[11]、二位五通電磁閥、節(jié)流閥后進入氣缸。鋼管夾具氣缸工作壓力為0.5 MPa，所以在進入氣缸之前，先經(jīng)減壓閥將氣源降至0.5 MPa。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

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，所選型號為西門子SMART ST40，為精確控制鋼管長度，采用伺服電機驅(qū)動推桿，使用驅(qū)動器的位置模式，驅(qū)動器通過接收來自PLC的位置命令(特定脈沖數(shù))控制電機運轉(zhuǎn)[12]，由驅(qū)動器自動設(shè)定位置控制比例增益的值，來縮小位置控制誤差量。通過觸摸屏設(shè)置鋼管長度、數(shù)量以及運動的速度，同時顯示已完成切割和磨削的數(shù)量。采用光電開關(guān)作為輸入傳感器，作為伺服電機的零點和軟限位位置信號。根據(jù)工序，通過PLC控制電磁閥，驅(qū)動氣缸的升降完成鋼管的上料、轉(zhuǎn)運和下料，同時，適時啟動切割機和磨管電機進行切割和磨削。

3.2 程序設(shè)計

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，用流程圖來表示一個順序控制過程，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)備的運動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)，包括鋼管成品長度和原長、切割數(shù)量、運行速度等；啟動系統(tǒng)，伺服電機回零→舉升氣缸上升→上個工序完成的工件被運送至磨管工序、待加工鋼管運送至托輥上→鋼管到位信號啟動→伺服電機啟動、送料機構(gòu)運行→鋼管夾具氣缸啟動、鋼管被夾緊→私服驅(qū)動器計算是否運行到位→V型夾具氣缸啟動夾緊備切鋼管→切割機氣缸啟動完成切割→運料機構(gòu)回程、鋼管夾具氣缸歸位、鋼管被松開→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，否則啟動舉升氣缸，開啟下一輪切割工序。

磨管操作與切割加工同時進行，主要流程如下：判斷備磨鋼管是否到位→到位后啟動磨管電機、定時→定時時間到、下料氣缸啟動→判斷加工數(shù)量是否完成，完成則結(jié)束，否則啟動舉升氣缸，開啟下一輪切割工序。

4 功能測試

根據(jù)廠家生產(chǎn)需求，研制自動切割機樣機，測試系統(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)定工進速度為1 m/s、空載速度為5 m/s。經(jīng)過調(diào)試和改進，設(shè)備可完美實現(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，測試20根鋼管，其誤差最大為2 mm。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計了薄壁鋼管定長切割和自動磨管一體化設(shè)備，設(shè)計了機械結(jié)構(gòu)、氣動系統(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切割、打磨，精度和自動化程度均較高，達到了工廠的加工要求。