一種相貫線曲線通用切割機的研制

張格睿，張忠厚

(1.山東魯能建設集團，山東 濟南 250001；2.山東大學 材料學院，山東 濟南 250061)

一種相貫線曲線通用切割機的研制

張格睿1，張忠厚2

(1.山東魯能建設集團，山東 濟南 250001；2.山東大學 材料學院，山東 濟南 250061)

大直徑筒體的相貫線曲線焊接，為了得到高精度的切割尺寸，保證焊接質量，提高切割效率，降低成本。利用正弦曲線機構將簡單的機械運動變為割矩端部復雜的曲線運動，實現了相貫線曲線運動軌跡的自動切割，只需改變正弦曲線運動機構的偏心機構回轉半徑e就可實現不同直徑的筒體與接管相交所形成的相貫線曲線的自動切割。該割炬繞工件的轉動與上下的同步移動采用直接傳動，動作協調、傳動平穩，避免了傳動積累誤差，可在多種位置點火切割，結構簡單，操作方便，工作可靠。通過應用，取得了明顯的經濟效益，降低了成本，提高了效率3～5倍，切割質量穩定可靠。是一種低成本自動化相貫線曲線的自動切割通用設備。經過改進，用焊槍代替割矩，還可對相貫線曲線實現自動焊接。

相貫線曲線；自動切割機；大直徑筒體

0 前言

在石油、紡織、輕工、化工、核能和機械制造等行業的各種鍋爐汽包、罐體以及大直徑筒體的生產中，經常遇到大型筒體與接管的焊接。焊接前必須先將筒體下料切割成相貫線曲線，然后再與接管組裝焊接。為了保證焊接質量，對相貫線曲線要求下料切割成規則的形狀，雖然用機械加工的方法像搪孔、鉆孔等能獲得精度較高的切割下料尺寸，但生產率低，成本高，生產周期長。廠家受財力、設備規格、輔助工具的限制也不能大量采用。對于大尺寸的相貫線曲線，有些廠家先用手工切割再進行機械加工，這又增加了生產工序和制造成本。還有的廠家從國外引進數控切割機，由于數控切割機價格昂貴，使用者又沒有能力編制復雜的程序，所以大部分廠家不愿從國外購買。由于以上原因，目前大多數廠家都使用手工切割。由于其形狀不規則，切割質量達不到要求，圓度超差，或者間隙太大，不但效率低，質量差，而且勞動強度大，嚴重影響了焊接質量和生產效率，特別是當使用弧焊機器人或者專用自動焊機焊接這種接縫時更達不到質量要求，使引進的弧焊機器人也不能很好的用于生產[1]。在此研究設計了通用型相貫線曲線自動切割機。

1 切割機的結構、組成和工作原理

一般的大直徑筒體與其接管焊接大多都是正交形呈相貫線曲線，這種曲線大多為軸對稱，其展開形狀為一正弦曲線形狀，所以可利用正弦曲線機構實現其運動軌跡。

該自動切割機的結構、組成和工作原理示意如圖1所示。整個切割機主要由電動機、變速機構、傳動主軸、大小圓錐齒輪(大齒輪和小齒輪的齒數比為2∶1)、偏心機構、導向機構等幾部分組成。

圖1 大直徑筒體相貫線曲線自動切割機的結構、組成和工作原理示意

1.1 工件的安裝與調整

筒體1由焊接滾輪架(外購件)支撐，通過調整滾輪架的正反轉使工件被切割部位處于滾輪架的最上方，并在被切割部位打中心孔。

1.2 割炬初始位置的確定

整個自動切割系統固定在操作機8上，操作機固定在行走小車15上，通過調整行走小車和操作機，使傳動主軸5的下端靠近被切割的工件1，再通過上微調機構6的三個坐標使傳動主軸的下端對準工件的中心孔。根據筒體和接管的半徑所確定的相貫線曲線形狀，調整偏心機構9的偏心量e，使滑塊體11的中心與小齒輪7中心軸線的中心距e等于回轉半徑ri。再借助于下微調機構13使割炬14的割嘴與工件的距離滿足切割要求，并使割嘴的回轉半徑等于接管外徑 (或者等于相貫線孔的設計尺寸)。操作機可在導軌上前后大范圍移動使工件裝卸方便。

1.3 割炬運動軌跡的控制

傳動主軸的下方固定有大圓錐齒輪2，當主電機3轉動時，它就和減速機構4、小錐齒輪7、偏心機構9、割炬14等一起圍繞著大錐齒輪2公轉，此時的小齒輪7又和偏心機構9、滑快12一起繞AA軸自轉，與偏心機構連在一起的滑塊12在自轉的同時就在滑塊體11中間做相對滑動，并推動滑塊體沿著導向機構10上下運動，與滑塊體連在一起的割炬14也同步按正弦曲線規律上下運動。當大齒輪轉動一周時，小齒輪就帶動割炬做上下兩次往復運動。正好符合相貫線曲線形狀的要求。如果切割過程由于某種原因使割炬的回轉半徑發生變化時，還可通過下微調機構13進行修正。對于不同的相貫線曲線只要改變偏心機構的回轉半徑r即可進行相貫線曲線的正常切割。

1.4 動作程序

被切割的工件安裝調整好以后，確定好割炬的初始位置，接通電源，點火，主電機3、割炬14等通過變速機構4繞著傳動主軸按預定的切割速度轉動，并通過大小齒輪的嚙合以及偏心機構的回轉，使割炬按正弦曲線規律做上下運動，按調好的切割規范參數切割工件，當割炬繞著傳動主軸回轉一周后，割炬便上下往復運動二次，完成一條相貫線曲線的自動切割。

2 切割機的運動軌跡分析

為了使所設計的切割機具有通用性，能切割不同的筒體和接管相交所形成的相貫線曲線，必須使正弦曲線機構的實際運動軌跡與相貫線曲線的理論軌跡重合，下面對兩者的運動軌跡進行分析。

2.1 相貫線曲線的理論軌跡

對于不同直徑的筒體與不同直徑的接管相交所形成的相貫線曲線的理論軌跡，可表示為[2]

式中 Z1為相貫線曲線理論軌跡的縱坐標；R為大筒體半徑；r為接管半徑；α為接管與筒體的交角；φ為決定相貫線曲線縱坐標的參數即為公轉的轉角(0°≤φ≤360°)。

當接管與筒體的交角α＝90°時，為正交相貫線曲線，式(1)變為

2.2 正弦曲線機構的實際相貫線曲線軌跡

兩管相交示意如圖2所示。切割機實際的相貫線曲線軌跡是由偏心機構的回轉半徑ri決定，ri＝[R-(R2-r2)1／2]／2；由偏心機構的工作原理得知，切割機實際的相貫線曲線軌跡Z2表示為

式中 Z2為相貫線實際曲線軌跡的實際縱坐標；ri為偏心機構的回轉半徑。

圖2 筒體與接管相交示意

現以三組筒體和接管為例，由式(2)和式(3)分別求出相貫線曲線軌跡的理論值和正弦曲線機構運動軌跡的實際值列于表1中。

由表1可見，對于不同直徑的筒體與接管，其相貫線曲線的理論值和該切割機的實際相貫線曲線相差極少，最大誤差也只有0.227 2 mm，筒體直徑越大其誤差越少，對于切割過程，焊炬與工件的距離變化這點數值是微不足道的。

表1 三組筒體相貫線曲線的理論值和實際值比較

3 切割機的主要設計特點

該自動切割機利用簡單的正弦曲線運動機構控制割炬的復雜運動，只要改變偏心機構的回轉半徑e就可實現不同直徑的筒體與接管相交所形成的相貫線曲線的自動切割。給出了偏心機構的回轉半徑的計算公式，為該機調試提供了方便。

所設計的自動切割機，割炬的轉動與上下的同步運動采用直接傳動，動作協調、傳動平穩，避免了傳動積累誤差，提高了割炬運動重現性的精度，可在多種位置點火切割。該切割機切割的相貫線曲線展開示意如圖3所示。

圖3 相貫線曲線展開長度示意

該切割機使用的操作機、行走小車、滾輪架等都可直接向專業生產廠商購買對應型號的產品，簡化了設計過程，縮短了生產周期，降低了生產成本。

該切割機利用正弦曲線機構將簡單的機械運動變為割炬端部復雜的曲線運動，實現了相貫線曲線運動軌跡的自動切割，簡化了電器控制線路，使切割機的結構簡單，操作方便。

該機設計成手動和全自動兩套控制系統，對于單件、少批生產或新產品試制，通過硬件程控電路，控制割炬切割，操作調整方便，降低了生產成本。對于大批量生產，通過單板機控制，實現了切割過程自動控制，保證了質量，提高了生產效率。

4 應用效果

該機研制成功之后，通過對筒體切割的實際應用，取得了明顯的經濟效益，降低了切割成本，提高了切割質量，比手工切割的效率高3～5倍，切割質量穩定可靠。用該切割機切割的相貫線曲線，經焊接工藝試驗焊縫表面光滑，成形良好，焊接質量完全滿足要求。

5 結論

(1)所研制的大直徑筒體相貫線曲線切割機，結構簡單，傳動平穩，運行可靠，特別適合大直徑筒體相貫線曲線的自動切割。

(2)割炬的轉動與上下移動，兩者同步、協調，可在工件的任意位置點火、切割，不存在傳動積累誤差，結構簡單，操作調整方便，工作可靠。

(3)實際應用證明該機可大大提高生產效率，切割質量穩定可靠。

(4)經進一步改進，用焊槍代替割矩，還可對相貫線曲線自動焊接。

[1]林尚揚.關于弧焊機器人的應用[R].合肥：在全國機械行業焊接自動化研討會上的工作報告，1995.

[2]張忠厚，孫俊生.管連接自動焊接機凸輪設計主要參數的計算[J].山東工業大學學報，1992，22(4)：77-81.

Development of an automatic cutting machine for intersection curve-

ZHANG Ge-rui1，ZHANG Zhong-hou2
(1.Department of Engineer，Shandong Luneng Construction Group，Ji'nan 250001，China；2.School of Material Institute，Shandong University，Ji'nan 250061，China)

For the automatic cutting machine for intersection curve of large-diameter cylinders，to achieve the high accuracy of cutting dimension，to guarantee the welding quality and to lower the cost，automatic cutting of motion locus of intersection curve can be realized by means of sinusoidal mechanism.The cutting machine can control the complicated moving locus with simple sinusoidal curve moving mechanism.By adjusting the gyration radii of the eccentricity mechanisme，automatic cutting for intersection curves of pipes and cylinders with different diameters can be realized easily.Direct transition is applied for cutting torch rotation and simultaneous to and from motion with the harmonious action and smooth transition and avoiding accumulating errors，improving the precision of cutting torch moving repeatability and cutting can be made at different positions.The machine with simple structure and easy to operate.Profound economic effect is gained in practice after the cutting machine is used in production.Cutting efficiency is 3～5 times than that when the manual cutting was adopted and the cutting quality is stable and reliable.The cutting machine is of automatic，universal and low cost type for intersection curve cutting.If modified，with welding torch instead of cutting torch，the machine can also be used for automatic welding of intersection curve.

intersection curve；automatic cutting machine；large-diameter cylinder

TG48

A

1001-2303(2010)02-0091-04

2009-08-06

張格睿(1973—)，女，山東蓬萊人，工程師，學士，主要從事不規則焊縫焊接自動化的研究工作。