長圓柱管道內(nèi)壁打磨機設計與分析

葛鑫虎 許夢薇 謝軍 魏玉蘭 李兵

摘 要：為了打磨出高精度長圓柱管道內(nèi)壁，本課題組將設計一套全自動長圓柱管道內(nèi)壁打磨機，對多種口徑的長圓柱管道內(nèi)的絕熱層進行打磨處理，從而提高長圓柱管道內(nèi)壁表面質(zhì)量，確保生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量的要求。該款內(nèi)壁打磨機主要由主軸，大托板，小托板，打磨系統(tǒng)與吸塵系統(tǒng)組成，用PLC編寫，適用于多種不同內(nèi)徑大小管道內(nèi)壁打磨加工，做到一機多用，適應范圍廣，打磨精度高。

關鍵詞：長圓柱管道;打磨機;打磨系統(tǒng)

長圓柱管道內(nèi)壁打磨機需要滿足的功能是能夠在一定管徑的范圍內(nèi)伸縮，同時能保證其在圓柱管道內(nèi)連續(xù)的行走打磨[1]，為了保證打磨質(zhì)量，打磨路徑應均勻分布，且以盡可能多的方向通過某一打磨點，以防止局部打磨強度不均衡[2]。目前市面上各種圓柱管道內(nèi)壁打磨還是以人工打磨為主，無法實現(xiàn)鋼管管端內(nèi)壁清掃作業(yè)的機械化、自動化[3]，對工作人員的要求較高，工作效率也無法滿足日益增長的市場需求，而且粉塵對工作人員的健康也有很大傷害[4]。為此，我們設計了一款全自動長圓柱管道內(nèi)壁打磨機，來代替人工打磨，提高效率和質(zhì)量。

1 結(jié)構設計與工作原理

其工作原理為：先將長圓柱管道外殼固定在打磨機的主軸卡盤上，同時調(diào)整支撐架的高度和2個滾輪的寬度，從而能保證長圓柱管道的軸線與主軸箱的中心軸線重合，且支撐架能夠有效支撐長圓柱管道，主軸的轉(zhuǎn)速通過變頻電動機控制速度，大托板系統(tǒng)可以水平移動至80～200mm內(nèi)徑的長圓柱管道一端開口附近，在大托板移動的過程中，小托板系統(tǒng)已經(jīng)伸入長圓柱管道殼體內(nèi);當大托板停在長圓柱管道一端時，小托板上固定一套打磨系統(tǒng)，通過氣缸帶動旋轉(zhuǎn)鉸鏈，使打磨刀具接觸到長圓柱管道內(nèi)壁，打磨刀具由一臺伺服電機通過軟軸進行驅(qū)動，通過控制伺服電機可以控制刀具的轉(zhuǎn)動速度;當磨刀轉(zhuǎn)動，小托板沿水平方向往長圓柱管道內(nèi)部緩慢勻速運動，同時數(shù)控打磨機的主軸做勻速旋轉(zhuǎn)運動，當磨刀從一端運動到長圓柱管道另一端時，小托板上的氣缸向反方向運動，磨刀與內(nèi)壁表面分離，小托板反向水平運動，打磨系統(tǒng)離開殼體;大托板反向水平運動，小托板完全離開長圓柱管道殼體。三維工作原理圖如圖1。

2 實驗裝置硬件模塊設計

2.1 主軸箱系統(tǒng)

主軸箱系統(tǒng)由變頻電動機、變頻器、減速器、主軸、箱體和支撐架組成。具體工作原理是將長圓柱管道放到兩個支撐架上，然后安裝到主軸卡盤上并固定，通過變頻電機輸出轉(zhuǎn)動，使用減速器降低到指定的速度，調(diào)節(jié)變頻器可以調(diào)節(jié)電機輸出轉(zhuǎn)速。支撐架采用環(huán)形支撐架，每個接觸點都使用一個支撐滾輪，從而減少摩擦，必要時增加保護套。主軸箱系統(tǒng)如圖2所示。

x2.2 大托板系統(tǒng)

大托板系統(tǒng)由大托板滑塊、齒輪齒條傳動裝置、導軌構成。具體工作原理是將大托板滑塊安裝在兩條導軌上，齒條安裝在機架上，齒輪安裝在大托板滑塊上，從而使大托板可以沿水平方向左右運動，并將安裝在大托板上的齒輪與固定在機架上的齒條配合，使用步進電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，通過調(diào)節(jié)步進電動機參數(shù)可以精確控制大托板的運動距離和速度，從而實現(xiàn)大托板的快速準確定位和運動。大托板系統(tǒng)如圖3所示。

2.3 小托板系統(tǒng)

小托板系統(tǒng)由導軌、電動滑臺傳動裝置和小托板架構成。主要是將打磨系統(tǒng)輸送到指定的位置。具體工作原理是將小托板架固定在機架上，在大托板滑塊上安裝一套電動滑臺，電動滑臺使用步進電機驅(qū)動，通過控制步進控制器可以控制步進電動機的轉(zhuǎn)速和啟停，從而實現(xiàn)滑塊的精確定位和運動。并且通過大托板和小托板系統(tǒng)間的協(xié)作和配合，可實現(xiàn)各種長度的內(nèi)壁管道打磨。小托板系統(tǒng)如圖4所示。

2.4 打磨系統(tǒng)

打磨系統(tǒng)由打磨頭、打磨高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、打磨驅(qū)動系統(tǒng)等構成。打磨驅(qū)動系統(tǒng)采用氣動或電動裝置，通過氣動馬達或伺服電機驅(qū)動打磨頭旋轉(zhuǎn)進行磨削，將調(diào)節(jié)氣缸固定在轉(zhuǎn)動鉸鏈的另一端（驅(qū)動端），當氣缸通氣時，活塞桿收回帶動旋轉(zhuǎn)鉸鏈旋轉(zhuǎn)，從而帶動打磨頭轉(zhuǎn)動一個角度以接觸到長圓柱管道內(nèi)壁，離開時，通過調(diào)整氣壓和通氣方向，可以控制打磨的精度和打磨的啟停。打磨系統(tǒng)如圖5所示。整體打磨系統(tǒng)如圖6所示。

2.5 滑臺吸塵系統(tǒng)

機械化吸塵系統(tǒng)由吸塵口、管道、吸塵器構成。主要是將打磨過程中產(chǎn)生的毛屑吸出，從而保證工作區(qū)的潔凈。具體工作原理是在打磨頭一端安裝一個吹起口，另一端附近安裝一個或多個吸塵口，將打磨產(chǎn)生的毛屑直接吸走。可定期清理垃圾收集桶。滑臺吸塵系統(tǒng)如圖7所示。

2.6 實驗設備

實驗設備數(shù)據(jù)具體如下表：

設備型號和參數(shù)表

3 結(jié)語

該設計通過機架、主軸箱傳動系統(tǒng)、大托板運動系統(tǒng)、小托板運動系統(tǒng)、打磨系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)多模塊滑板配合工作，對多型號長圓柱管道絕熱層進行自動化打磨處理，減少人工打磨，能夠提高長圓柱管道內(nèi)壁打磨的精度和穩(wěn)定性，從而提高表面質(zhì)量和加工效率;實現(xiàn)一體化、普適性生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，確保生產(chǎn)業(yè)務的順利進行。

參考文獻：

[1]尹風.管道內(nèi)壁焊縫打磨機器人結(jié)構與特性分析[D].重慶理工大學，2019.

[2]黃玉釧.六自由度打磨機器人張量積曲面軌跡規(guī)劃仿真[J].計算機仿真，2015，32（7）：348-35.

[3]尹志遠，張朋年，候江濤.鋼管內(nèi)壁自動打磨清掃裝置的應用[J].焊管，2019，42（4）：50-53.

[4]姚立權.打磨機器人機電系統(tǒng)設計與研究[D].遼寧：東北大學，2008.