马鞍孔数控切割机设计
摘要：设计了一种移动式马鞍孔切割机。分析了马鞍孔的空间轨迹特点, 给出了切割机的机械装置示意图, 控制系统框图。还讨论了恒速切割问题及需要采取的方法和措施。
关键词：切割机; 设计; 马鞍孔管管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机道切割机，相贯线切割机
在化工机械制造 、 管道铺设等行业中经常要在圆柱形筒身上开出马鞍孔,接出侧管形成支路。不同的制造工艺对马鞍孔的质量要求是不同的 。例如 ,对高温高压容器进行侧管焊接时其焊接工艺要求非常严格 ,首先考虑的就是马鞍孔质量问题。现在常用孔也方法有两种: 一是人工划线、手工火焰切割; 二是采用简易的辅助机械设备进行开孔 。前一种方法开出孔的质量不易得到保证 ,如形状精度、表面质量 。而且对操作者技术等级要求较高 ,劳动强度大。后一种方法所使用的简易机械设备由于其尺寸规格的限制 ,开出的马鞍孔往往是近似的, 有时会出现很大误差,给焊接工作带来许多困难, 影响最终的焊接质量。
针对上述情况, 笔者在参考类似设备的基础上 ,针对现场开马鞍孔的特点提出了一种新的切割机设计方案 。采用这种切割机开出的马鞍孔质量能得到保证, 同时又使开孔工作实现了自动化 ,减轻了劳动强度 。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机管道切割机，相贯线切割机
1 切割机的运动分析与速度分析
1. 1 运动分析
马鞍孔的轨迹是一条封闭的空间曲线, 它往往由两个圆柱体相交而成 。若要精确地描述该轨迹则需要 3 个直角坐标, 再考虑到加工工艺要求, 如沿圆筒表面法线方向切割 ,则至少需要 4 个坐标的联合运动才能满足开孔的工艺要求 。因此 ,普通的机械装置很难满足要求 ,这也就决定了开出的马鞍孔与焊接工艺要求的马鞍孔之间有一定的误差 ,所以要开出焊接工艺要求的马鞍孔必须采用数控机械 。考虑到化工机械制造及管道铺设过程中的特点 ,这种切割机又不能固定地安装在某一固定位置, 它必须是随时可以移动的 。所以切割机应以被开孔的筒节作为其安装固定的基础,以满足现场加工的需要。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
1. 2 速度分析
无论是采用火焰切割 ,还是采用机械切削方式开孔都要求切割( 切削) 工具沿马鞍曲线运动时速度尽量不变, 以保证加工的工艺稳定性 ,获得较高质量的马鞍孔 。在工程中大量常见的是两个筒节( 圆柱体) 轴线成 90° 相交而形成的马鞍孔,非 90° 相交两圆柱体形成的马鞍孔则很少见,所以本切割机设计是针对前一种情况而进行的。两个圆柱节轴线成90° 相交形成的马鞍曲线如图 1 所示。杆件 1 围绕 Z 轴旋转 ,杆件 2 平行于 Z 轴运动 ,杆件3 与 Z 轴成一定夹角 ,其上固定安装切割工具, 杆件 1 和 2 的联合运动形成马鞍孔曲线,杆件3 端点 A 运动方程如下： 管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
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式中 : r — — —接( 侧) 管半径 ;
R — — —筒节半径 ;
θ — — —杆件 1 回转角度;
ω — — —回转角速度。
由( 2) 、 ( 3) 、 ( 4) 三式得 Z 与θ 关系为 :
当 ω 为常数 , λ =r/ R 为不同值时Z 坐标值计算结果如附表所示。
| 附表 Z 值计算结果 | |
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根据附表中数据作得 Z 与 θ关系曲线如图 2 所示 。从图中可见λ 值越小 , Z 值变化越小。当θ 匀速变化时其合成速度变化也就越小。不同的λ值其对应的Z 值在小范围内线性较好, 其合成速度线性也较好。当将 θ 角在 90 ° 范围内分成 N 等份, 在每一微小角度内使切割工具在 θ和 Z 两个坐标方向上均以恒速运动 ,即其合成速度是恒定的 ,则这一微小角度内加工质量是稳定的。在其它微小角度内适当改变转速 ω或 Z 坐标直线运动速度使其合成速度仍为所要求的的恒定值 ,则可以在整个 90° ～ 360° 范围内照上述方法同样处理, 最终达到在整个 360° 范围内均以恒定速度切割的目的。根据公式( 5) 可知将 θ角从0～90° 均匀N 等分,则 Δ θ =90° / N 。
(8)
对应于 Δθ 角顶点 A 转过的弧长为 :
ΔL =Δθ πγ /180 (9)
合成距离为 :
(10)
则在 Δθ 转角内A 点运动 Δ长度所用时间为:
Δt =Δ / V
其中 : V — — —根据切割工艺确定的速度 。
设 Z 轴坐标脉冲当量为 δ =0. 05 mm/step, θ 轴坐标脉冲当量为 δ = 0 . 01/° step,则对于每个坐标轴驱动脉冲频率为:
由于 ΔZ 、ΔL 不是恒定值 ,故 f Z 、f θ 在每一微小段内都是变化的, 也保证了切割速度V 是一定值 。
由于在化工机械制造中所要开出马鞍孔的直径与其母体筒身直径相比都较小 , 一般都 λ <1 2=""> 1/2 情况可能会多一些, 但按照上面讨论的方法进行计算, 控制各轴的驱动脉冲频率 f Z 、f θ ,最终仍能以恒定速度完成马鞍孔的切割。当然对较小的 λ 值,如 λ <0. 3, 可以使各坐标运动关系简化, 如 θ 坐标匀速转动, Z 坐标变速运动,其合成速度 V 波动不大 。
2 总体设计
本台切割机主要由机械装置和数控系统两部分组成。
2. 1 机械装置设计
如前所述, 本台切割机是移动式的, 能很方便地装夹到工件上 ,机械装置示意结构如图 3 所示 。切割机的机械装置部分适用于 R ≥ 750 mm ,r ≤ 300 mm 情况 。若将机械部分尺寸相应地变化或变小, 则可以开出更大或更小的马鞍孔。切割机主要技术参数如下:管道
割枪运动速度: V =0～ 5 m/min
割枪摆动角度: θ = 0 ～ 60 ( ° )
割枪回转脉冲当量: δ=0. 01 ° /step
割枪上下运动脉冲当量: δ =0. 05 mm/step
整个切割机通过框架下面的 4 个磁性吸盘固定安装在圆筒上( 工件) ,当割枪的角度和其顶点距心轴的距离调整好时即可使电机 2 带动涡杆 、 涡轮旋转, 使割枪在回转运动 ,其顶点A 的回转半径即为开孔半径 。电机 8 带动一对丝杠螺母副运动 ,使割枪在回转的同时能作平行于心轴轴线的直线运动, 这样割枪按一定关系所作的两个关联运动就能保证其顶点 A 形成的轨迹是马鞍曲线 。
电机 2 和 8 选用步进电机, 优点是控制电路和驱动功放电路都比较简单 ,故障概率小,维护容易。另外 ,在割枪作回转和直线运动时可以很方便地调整电机旋转速度, 最终使割枪顶点A 的合成速度恒定 , 实现恒速切割。根据焊接工艺采用火焰切割方法开孔 , 其运动轨迹精度不要求很高,选用步进电机作为驱动元件构成开环控制系统也是一个原因。
2. 2 控制系统设计
根据焊接工艺要求马鞍孔精度不高的特点,本控制系统采用开环控制方式 , 省略了反馈检测元件 , 线路比较简单 ,易于调试和维护。考虑到工业现场的实际环境, 选用了抗干扰能力强的 MCS -51 系列单片机作为核心控制部件。由于这类控制系统没有实时性的要求, 并且数字计算量不大,无须用系统机或高档的单片机 ,在满足控制要求的前提下,尽量降低控制系统价格,使机器达到较高的性能价格比 。电机的驱动功放电机和环形分配器之间采取了光电隔离措施, 以提高控制系统的抗干扰能力 。根据系统程序及中间变量 、 最终计算结果的多少来确定 ROM 和 RAM 存储容量 。火焰切割所需要的氧气 、 乙炔气体及点火等都要自动进行 ,采用一片 8255 芯片作为这些开关量控制的接芯片。整个控制系统框如图 4 所示。管道切割机，相贯线切割机
采用热切割方式开孔时需要向控制系统输入的参数有: 工件( 筒体) 半径 R -51, 开孔半径 r , 切割速度 V ,这些参数均通过键盘送入控制系统 , 然后调用ROM 中的程序完成相应的计算 ,并将结果存入 RAM 中 。当半径 r 调整、割枪角度调整 、 气体流量调整等准备工作完毕后 ,给控制系统一命令, 切割机自动完成点火 。轨迹运动等控制功能 ,最终完成整个马鞍孔的切割工作。
3 结束语管道切割机，相贯线切割机
以上是对马鞍孔切割机设计的总本描述 ,有些问题没有提到, 例如, 割枪角度在切割过程中的自动调整、 伸缩臂自动控制等问题 。对本台切割机来说这二者均需切割前手工调整好,在切割过程中就不变化了 ,由此带来的问题是马鞍孔各点的坡口角度不一样 ,如需切割出角度相同的坡口 ,则割枪角度必须能随时调整 ,在机械装置上要有相应的驱动机构,控制系统也要配有相应的接口电路。本文是对切割机设计的总体性论述, 计算程序 、控制程序设计、硬件线路图等许多细节问题没有进行详细介绍。
本文作者：石成江 韩常绵
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