金屬管材相貫線切割裝置研制

摘 要：研究不同管徑、不同角度相交的圓管相貫線的形成機理，根據運動軌跡推導建立以圓柱坐標為基礎的相貫線方程數學模型；根據數學模型設計管材相貫線的數控切割裝置，并設計控制軟件，控制割槍的轉動速度和移動速度自動切割管材的相貫線。

關鍵詞：管材 相貫線 切割裝置

在橋梁、管道等有關鋼結構的工程中，經常會遇到管與管或者管與其它物體相貫連接的情況。為了保證連接結構的穩定與美觀，常需要先沿著管子相貫線的軌跡進行切割。當為焊接接頭使用的時候，如果在相貫線切割的同時要留出焊接坡口，管端切口就是一個復雜的曲面，其加工的難度很大。

傳統的切割方法是先人工畫出相貫線，然后按照相貫線軌跡進行手工切割。這種切割方式自動化程度低，工作強度大，對工人的操作技術水平及熟練程度要求更加嚴格，加工質量、加工精度難以得到保證，很容易造成工件報廢。機械式切管機只能用來切割簡單情況下的管接頭，或者對主管開孔，不能根據要求留出焊接坡口，而且切割過程過于繁瑣，切割精度也得不到保證，沒有得到大范圍的應用和推廣。因此非常需要開發一種操作方便靈活、能滿足加工要求的數控切管機。

一、金屬管材相貫線切割機的要求

通過金屬管材相貫線切割裝置的研制開發，可以快速、準確地對不同材質、不同管徑、不同位置相交的管材的接口相貫線進行切割，同時能夠提高兩管材相交時的焊接質量，相對手工操作，可以大大提高工作效率，提高接口質量。

本設計的相貫線切割機需要滿足的技術參數：

（1）切割管材直徑：200mm-280mm；

（2）切割管材厚度：5mm-20mm；

（3）切割管材材料：鑄鐵、碳素鋼、不銹鋼。

該裝置可以對各種管徑的圓管相貫線實現精確的接口形狀加工和表面質量控制，這可確保產品焊接強度，滿足產品各項性能指標提供前提條件。

二、相貫線數學模型

1.建立相貫線的數學模型

兩圓柱形管件相交與兩平面立體相交不同，由于兩圓柱形管件都是立體曲面，兩曲面相交或相貫，其表面的交線是空間閉合曲線，稱之為相貫線（見圖1）。

由于切割時，割炬要沿著圓管相貫線軌跡進行運動，所以切割之前必須要知道相貫線的軌跡。

機床實際由三個運動軸組成，沿著金屬管中心軸線方向左右運動稱X軸，沿金屬管軸向旋轉的A 軸（繞X軸旋轉）以及割炬上升/下降稱Z軸。由于控制割炬的上下運動的Z軸不參與插補運算， 所以只有X、A軸共同完成插補運動。

[TP10E-16.TIF，BP][JZ]圖1 兩管偏心相交

[LL][TP10E-17.TIF，BP][JZ]圖2 相貫線軌跡

圖1是兩圓柱形管偏心相交時的示意圖。r和R分別是支管和主管的半徑，α是相貫角，δ是偏心距。主、支管分別采用x，y，z和x′，y′，z′直角坐標系，O和O′點分別是這兩個坐標系的原點，O′點在x，y，z坐標系中的坐標是（0，δ，0）。

2.相貫線的求解

求解兩管偏心相交相貫線方程的目的，主要是為得到支管上相貫點的坐標z′隨其圓周角（從0～360）變化的函數關系。

三、切割工作裝置結構設計

如下圖3為該切割工作裝置的裝配圖。該切割裝置共有3個軸控制：割炬平移、割炬上下移動、割炬旋轉。由于該結構在調節好割炬與被切管之間的距離之后，割炬的旋轉就不會造成割炬與被切管之間距離的改變，因此在切割過程中該軸不必參與運動，即為一個兩軸聯動的裝置。

1.垂直運動機構設計

垂直運動機構由主滑塊兩側螺釘連接燕尾槽滑塊，燕尾槽滑塊中的燕尾槽安裝在龍門架兩側的導軌上，針對不同的管徑調整切割裝置的垂直距離，保證切割裝置的中心線和管材的軸線重合。由于被加工管的半徑不一致，在切割開始之前，調節切割裝置中心線和被加工管子的中心線在同一高度，為了保證運動的平穩和精確，所以在本設計中，我采用滾珠絲桿帶動主滑塊上下運動，并且主滑塊兩側分別裝有兩個燕尾槽滑塊，同時要求燕尾槽滑塊和龍門架內側的導軌配合，這樣可以使切割裝置的上下運動更加平穩和精確，使定位更容易準確。

回轉運動機構由蝸桿電機通過套筒聯軸器連接蝸桿，帶動蝸輪做圓周運動，蝸輪和套筒的后部通過鍵連接，套筒的中部裝有軸承，軸承和套筒采用過盈配合，軸承裝在主滑塊中。在本設計中通過蝸輪蝸桿的傳動機構來實現割炬繞著被加工管子中心線的相貫線軌跡的運動。

3.噴嘴調節機構設計

[LL]割炬主要由噴嘴，夾持裝置，管接頭，管道組成。由于切割圓管的半徑不同時，噴嘴與被加工管子之間的距離是不確定的，所以在切割之前要先手動調節噴嘴與被加工管子之間的距離。套筒正面的夾持裝置，是用來固定和調節噴嘴相對于被加工管的距離，夾持裝置上部的擰動螺栓，可以調整噴嘴在夾持裝置中的位置。在切割開始時，等離子氣體從套筒的后部通過管接頭和套筒中的管道到達套筒的前端，再通過管接頭和軟管輸送到噴嘴，實現對管件進行切割。

4.水平運動機構

水平運動機構的兩側是底架，底架的下部有V形滑塊和V形軌道連接，底架是通過槽鋼焊接而成，底架的上部由螺柱連接龍門架，在底架的內側上焊接帶三角形加強筋的橫板，橫板上開孔安裝電機，電機軸上安裝齒輪，水平運動機構下部是兩根V形軌道，V形軌道通過連接板連接，其中一側的V形軌道的內側安裝齒條，和底架上的齒輪相嚙合實現齒輪齒條傳動，實現了回轉運動和直線運動的轉變，同時通過控制回轉運動和水平運動電機轉速，使噴嘴勻速走出相貫線空間軌跡。

該裝置可以快速準確地對不同材質、不同管徑、不同位置相交的管材的接口相貫線進行切割，提高了兩管材相交時的接口質量及工作效率，該裝置已經在某企業得到應用，為相貫線管材的切割加工提供了一種行之有效的方法，受到了企業的好評。

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