鋼管取樣專用鋸機自動化改造與設計研究

費明利，湯子堯

（1.衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽 421001；2.上海電機學院，上海 201306）

1 設備現狀

某企業技術中心的試樣制備室目前擁有4 臺帶鋸機，承擔著全廠鋼管生產的檢測取樣任務。鋼管取樣分橫切取樣（環切）和縱切取樣（條切），因檢測項目的原因，其縱切取樣數量遠多于橫切取樣。目前試樣制備室4 臺帶鋸機的工件夾持工作臺均為常規結構，適合于橫切取樣（環切），但并不適合于縱切取樣(條切)，主要問題表現在以下幾個方面（見圖1）。

（1）條切鋸割時，鋼管試樣仍是兩端對向夾持。夾持力小，鋼管夾持不住打滑；夾持力大，薄壁鋼管在大的對向夾持力下極易彎曲失圓，導致無法切割。

（2）條切鋸割小直徑鋼管時，大的對向夾持力使小直徑鋼管發生扭曲，導致試樣切割變形。

（3）按取樣要求，在同一段鋼管的同一位置，需條切取樣多塊試樣，在鋼管對向夾持狀態下，當取下第一條縱切試樣后，鋼管已沿單邊縱向切斷，在后的第二條縱切取樣時，鋼管被鋸切部分只是單側夾持，鋸切時嚴重失穩，對于薄壁鋼管更無法切割。

圖1 現有帶鋸機

（4）帶鋸機只能使用工具鋼鋸帶，硬度低，有些高硬度高強度厚壁鋼管無法切割；剛性差，鋸切過程容易失穩打壞鋸片；同時，鋸切效率低。但帶鋸機也有結構簡單、維修容易、設備購置費用低廉等特點。

（5）目前的4 臺帶鋸機無任何自動化功能，操作煩瑣，效率低下。鋸割尺寸得不到保證。

2 改造目的

今年以來，隨著該技術中心承擔的鋼管檢測工作量大幅增加，現有的鋼管試樣鋸割能力和試樣取樣尺寸精度已不能滿足生產要求，亟待改造帶鋸機夾持工作臺，以適應鋼管縱切取樣(條切)工作。同時，考慮到長遠發展，擬對現有帶鋸機進行自動化改造，提升鋸切效率，提高鋸切精度。

還可以視情況增添適用于鋼管縱切的高效新設備并安裝專用夾具。

3 近期改造方案A：自動化帶鋸取樣機改造

對現有4 臺帶鋸機進行改造，改造工作包括：設計安裝新結構的夾持工作臺，在鋼管的鋸切部位增加液壓夾頭，增加鋼管旋轉裝置，增加以上新功能的控制單元，配套增加鋼管試樣裝卸加工輔助機器人。

3.1 設計安裝新結構的夾持工作臺

原工作臺為平臺結構，新工作臺頂部放置鋼管部位改為V型結構，可保證鋼管裝夾時對中。工作臺底部與底座用絲杠和導軌相連，鋼管試樣可平移定位（見圖2）。

圖2 帶鋸機新結構工作臺

3.2 在鋼管的鋸切部位增加兩對液壓夾頭

圖3 夾緊桿上的液壓夾頭

在工作臺兩端的縱向夾緊桿上增加兩對上下位置可調的液壓夾頭，直接夾持鋼管的鋸切部位，且可適用于各種不同直徑壁厚的鋼管。因為新加的兩對液壓夾頭是分兩側夾持鋼管的壁厚并對鋼管產生一個縱向拉力，在帶鋸切割時，鋼管試樣不會產生彎曲、扭曲、切割失穩等問題（見圖3）。

（1）鋼管夾持液壓夾頭的力學分析

以下分析在假設鋼管無彎曲變形的理想狀態下進行。

若鋼管無變形，鋼管與夾頭的接觸長度就是夾頭長度。

取夾頭長度為50mm，最大鋼管規格為∮355×10mm，鋼管牌號45 鋼，

合力出現在鋼管內側，其大小等于鋼管截面所受的拉應力與彎曲應力的和。

（2）液壓夾緊力計算

取液壓夾緊油缸的工作壓力為P=10MPa，油缸內徑選50mm，活塞桿直徑28mm，油缸工作效率η=0.92，油缸背壓P背壓=0.5MPa

據以上數據，所選擇的油缸和設計的液壓夾頭滿足鋼管夾緊要求。

3.3 增加鋼管旋轉裝置

在V 型工作臺底部加裝兩對帶動力裝置的小升降托輥；液壓夾頭夾住鋼管進行鋸切時，托輥完全降至V 型工作面以下，液壓夾頭松開鋼管后，托輥上升支撐鋼管并轉動一個角度，將鋼管試樣調整至第二個鋸切位置（圖4）。

圖4 帶鋸機新結構工作臺

3.4 增加新功能的控制單元

增加以上新功能的電器與液壓控制單元，并將新控制單元和帶鋸機的原有控制裝置整合，實現程控化和自動化，提升鋸切效率和鋸切尺寸準確性。

3.5 加裝輔助機器人

配套增加鋼管試樣裝卸加工輔助機器人，將機器人與程控化的帶鋸機控制裝置整合，實現鋼管試樣從裝卸料到鋸切的全過程智能化生產，基本擺脫人工操作（見圖5）。

3.6 方案A 改造后帶鋸機智能化工作步驟：

圖5 改造后的自動化帶鋸取樣機

（1）輔助機器人進行鋼管試樣裝料。（2）工作臺兩端的縱向夾緊桿動作，夾緊鋼管試樣。（3）夾緊桿上的兩對液壓夾頭上下調整，夾持鋼管鋸切部位兩側的壁厚，并對鋼管產生一個縱向拉力，在帶鋸切割時，鋼管試樣不會產生彎曲、扭曲、切割失穩。（4）第一條縱切取樣完成后，液壓夾頭松開鋼管，位于V 型工作面下方的動力托輥上升支撐鋼管并轉動一個角度，將鋼管試樣調整至第二個鋸切位置，等待第二次鋸切。（5）鋼管試樣鋸切取樣結束，工作臺兩端的縱向夾緊桿回退放松，輔助機器人卸料，并進行已切試樣的收集，完成工作全過程。（6）以上工作步驟可實現全過程智能化控制。

4 遠期改造方案B：增添自動化圓盤鋸取樣機

金屬圓盤鋸床+新工作臺+輔助機器人。圓盤鋸床是金屬鋸切的常用機床，設備功率大、切削速度快、切削金屬厚度大、圓盤鋸片剛性大不易彎折、有工具鋼圓盤鋸片和鑲嵌硬質合金圓盤鋸片等可選、可鋸切高強度高硬度的各種合金鋼鋼管，其鋸切效率是帶鋸機的數倍。結合該技術中心現有檢測任務和發展趨勢，增購一臺金屬圓盤鋸床可大大提升鋸切效率。方案B 組合為：金屬圓盤鋸床+方案A設計的新鋼管夾持工作臺+輔助機器人。該方案可實現鋼管試樣鋸切的高效組合（見圖6）。

圖6 自動化圓盤鋸取樣機

5 改造方案比較分析

改造方案A 所增加的機械裝置結構簡單，新增液壓機構的動力可由帶鋸機現有液壓系統提供。鋼管裝卸輔助機器人屬于低精度智能機器人，價格低廉工作可靠，已實現完全國產化，國產輔助機器人具有強大的用戶二次開發平臺，很容易實現智能機器人與鋸機的動作組合。方案A 依托現有帶鋸機，改造成本低，改造周期短，可行性高。

改造方案B 與方案A 比較，需另外增添金屬圓盤鋸床，改造周期相對較長，改造成本相對較大，但圓盤鋸床的鋸切效率比現有帶鋸機高數倍，圓盤鋸床也是金屬切割的成熟設備，工作可靠，而且還可以鋸切現有帶鋸機不能切割的高強度高硬度的各種合金鋼。從長遠發展來看，改造方案B 更具優勢。

以上兩套方案均可以很好地完成鋼管縱切取樣工作，并極大地提高工作效率。