管件相貫線等離子切割裝置的設計

0 引言

隨著中國城市化建設步伐越來越快，對國民生活基礎建設的投入不斷加大，如污水資源化處理系統、給排水系統、建筑采暖系統等的建設，管件管材的使用量急劇增長

；汽車等行業伴隨城市化建設發展而規模壯大，另外，汽車結構上使用管道類零件的數量不斷增加，綜合起來，進一步刺激國內市場對管件管材的需求量以每年約12%的增長速度在攀升，應用前景廣闊

。

基于管件管材應用量劇增，管件管材的切割業務也隨之增多，而不同的應用場合對于管件管材的連接切口的質量要求是不一樣的，但整體要求是偏高的

，如一些高精密的氣/液介質傳輸管道，對于管道連接切口的精度就要求較高，需要保證相互連接管件的切口能夠完全契合，無縫對接

。那么，工件的切割質量、精度要求不斷提高，倒逼切割設備的質量也不斷提高，促進產業發展。

目前，管件的連接切口形式普遍采用相貫線式，連接密封性更強

。管件相貫線切口的切割方式主要是采用等離子切割，就是通電的高溫氣體產生電弧等離子對管件材料去除的一種特種加工技術

。通過大量調研發現，當下生產企業針對金屬管件的相貫線切口采用等離子切割方式主要有人工切割、靠模切割、數控加工切割等三種方式

。

(1)人工切割

人工切割是經過制作樣板、劃線、人工放樣、手工切割、人工打磨等步驟來完成切割工作，該切割方式存在工序繁瑣，生產效率低等問題，且加工過程中對操作者具有一定的危險性，因此在實際工業生產中較少應用。

(2)靠模切割

精選精礦與掃選精礦合并可得最終精礦，最終精礦品位64.15%，產率87.63%，回收率92.47%；尾礦品位37.01%，產率12.37%，回收率7.53%。

2018年以來，浙江LNG接收站的LNG銷量大幅增長，在浙江省內市場占有率超過75%，在上海、安徽、江蘇等地區也占有一定市場份額，其出站價格已成為華東市場重要的價格風向標。中國海油將這一重要價格委托給交易中心發布，既體現了中國海油對交易中心在LNG價格指數領域地位的認可，又強化了交易中心價格指數編制的數據支撐。

如圖5所示，管件相貫線等離子切割裝置是通過人工測量管件管徑大小并將管件放置在滾輪上面，然后人為調整滾輪夾持范圍，然后啟動控制程序，轉動滾輪帶動管件旋轉和驅動切割刀頭部分直線進給運動，已獲得加工目的。滾輪夾具的夾持的范圍可調，割頭的垂直高度也可以調節，采用絲桿螺母的調節方式，也可以采用齒輪齒條的調節方式，所以就可以達到切割不同管徑大小的目的。

管件相貫線等離子切割裝置，如圖1所示。結構系統由切割執行機構、工件夾持機構組成；控制系統由12V適配器、步進電機驅動器、AT89C52單片機、降壓模塊、電機模塊組成。

任何一項工程的完成，都需要制定好詳細的計劃。依據不同的工程要求，制定的計劃也各不相同。小型農田水利工程建設關系著地區的農業和經濟發展，應建立完善的制度，對相關施工人員和資金使用流程做出規范。工程建設環節涉及因素都應該包括在制度當中。用制度來要求，才能最大程度確保施工質量，保證工程建設的科學化、標準化。

上述針對當下幾種管件相貫線切口的等離子切割方式進行分析比較，各有優勢和劣勢，為能把它們的優勢有機融合并克服它們的劣勢，本文設計一款能對小于300mm的不同管徑的相貫線切口進行切割，實現快速且低耗要求的相貫線輔助切割裝置。

1 結構系統設計

數控加工切割是通過數控機床直接對管件進行加工，加工快速，精度高，但加工成本相對較高

。

對切割的管件要求是不大于300mm,所以設計的切割刀頭在管件軸向和滾輪在管件徑向的可調范圍都在50～320mm內,可以加工不同管徑的管件。為保證加工質量，滾輪轉速不能太快，經過模擬測試，設定滾輪轉速n=2r/min，滾輪旋轉一圈的周期T=30s，滾輪半徑r=35mm，則滾輪旋轉角速度

=2

=12

57r/min，線速度

=

=(12

57×0

035)

60=7

33mm/s。

1.1 切割執行機構

在切割過程中，切割刀頭(即等離子噴頭)在水平方向上沿著管件軸向作左右進給運動，而管件由驅動電機帶動繞軸線作旋轉運動，形成整體切割動作過程。切割執行機構即切割刀頭進給裝置如圖2所示，其工作過程是步進電機收到控制指令，驅動絲桿，絲桿通過螺紋配合帶動滑塊，滑塊聯動切割刀頭，在管件上執行切割動作，刀頭的進給速度需要配合管件的旋轉速度。另外在絲桿兩端加裝限位開關，保證滑塊的精準定位。

1.2 管件夾持機構

管件夾持部分是設計成夾持范圍可調的機構模式，其主要由步進電機、絲桿、滑塊、滾輪、齒輪齒條等組成，如圖3所示。其工作過程：在放置管件之前，先測量管件的直徑，然后根據直徑大小調整夾持管件的滾輪間距。接著通過轉動搖桿來帶動絲桿旋轉，絲桿聯動滑塊，滑塊與兩內側齒條是固結在一起，可以同時帶動它們作直線移動，內側齒輪帶動嚙合齒輪轉動，由此帶動外側的齒條作直線移動，因齒輪兩側的齒條是相對放置，故兩齒條的運動方向是相反的。滾輪是通過連接的步進電機一同固定在齒條上面的，跟隨齒條一起向兩滾輪的中心軸線同向靠近或反向分離，調節時可以確保夾具的中心軸線始終不變，以達到調整兩滾輪的間距來適應工件大小變化的目的，調整時左右兩側的滾輪同步進行。

切割時，管件夾持機構在完成輔助支承、夾持工作的同時，還需要帶動管件繞中心軸線勻速轉動，以此配合切割刀頭的運動，實現管件相貫線切割的切割工作。此時，步進電機帶動一側的主動滾輪旋轉，從而帶動管件旋轉，管件帶動另一側的輔助滾輪旋轉，實現管件在夾具上的平穩轉動。

1.3 整體結構設計

管件相貫線等離子切割裝置的整體三維結構如圖4所示，由機械結構部分和控制系統部分組成，工作時，兩部分配合完成管件相貫線切口的切割。其切割工作過程：啟動電源，預熱機器，下料，把管件置于由互相對稱的四個滾輪夾具之上，管件夾持機構工作，數據輸入控制系統，啟動控制程序，驅動絲桿步進電機，同時控制滾輪的轉速和絲桿的進給速度，實現管件轉動和切割刀頭進給運動，一是轉動夾持滾輪，滾輪帶動管件旋轉；二是置于管件正上方的切割刀頭沿管件的軸線方向做進給運動。兩者的合運動最終使得切割刀頭在管件上切割出對應的相貫線切口。

用鍵合圖對LC濾波器和LC負載進行建模，推導數學方程。把LC濾波器一部分相當于電壓源，LC負載結構相當于電流，最后用鍵合圖對交流傳動系統的逆變器和三相LC濾波器進行了魯棒性分析，并且通過改變負載的功率和搭載不平衡的負載并且仿真得到的極點位置并沒有發生明顯改變來驗證系統具有良好的魯棒性，從而能夠滿足礦用電動輪車電源由車載大功率柴油發電機組提供，容量有限，運行工況惡劣，負荷波動大，對動力系統運行穩定性和魯棒性要求。

1.4 控制系統

要切割完整的相貫線，要求管件的旋轉速度和切割刀頭往復進給的速度互相匹配。切割刀頭的運動是沿著管件中心軸線左右往復進給，管件繞中心軸線旋轉，兩者的合運動形成的軌跡展開后是兩個周期的正弦函數圖像，如圖6所示。

2 工作流程

(3)數控相貫線切割機

3 切割加工理論計算

3.1 加工效率計算

圖6為理論仿真及實驗測量的單模光纖及兩模光纖耦合效率隨橫向偏移量rb的變化曲線.由圖可見，兩模光纖和單模光纖的耦合效率均隨rb的增加而單調遞減，當rb相同時，由于兩模光纖的模場面積大于單模光纖，實驗測得兩模光纖的耦合效率始終高于單模光纖.當rb為4 μm時，實驗測得兩模光纖的耦合效率為37.62%，此時單模光纖耦合效率下降到27.39%，兩模光纖的耦合效率比單模光纖高10.23%.實驗結果驗證了理論推導結果，即少模光纖相比于單模光纖對橫向偏移的容忍度明顯提高.實驗所得少模光纖耦合效率與理論仿真所得耦合效率隨偏移量的變化趨勢基本一致.

假定加工工件半徑為60mm，周長為377mm，因為滾輪和管件同步旋轉，所以線速度相等，則管件旋轉一周所需的時間

=2

=(2

×60)

7

33=51

43s，取

=52s，即切割一個相貫線切口所需的時間為52s。除去上下料的時間，1小時可切口切割次數70次左右，相比傳統的人工切割約40次/小時，其切割效率有很大幅度的提升。

3.2 管件旋轉速度與切割刀頭進給速度關系

控制系統由一個12V的適配器、一塊降壓模塊、兩個42步進電機驅動器、兩個步進電機和一塊AT89C52單片機組成。采用220V的交流電供電，經適配器降壓后，分別給42步進電機驅動器與降壓模塊供電，降壓模塊將電壓降至5V供控制器控制42步進電機驅動器，然后再控制兩個步進電機以適度的速度旋轉

。給系統上電后，按下控制器的復位按鈕，控制等離子刀頭復位到中間位置，然后在控制面板上選擇所需要切割管件的大小，啟動程序控制兩個電機以合適的速度分別帶動管件旋轉和切割刀頭進給運動，由此加工出所需要的工件相貫線切口。

靠模切割是將加工管件與加工好的模型管件固定于同一軸線上，在模型一端加裝滑輪頂桿裝置且與中心旋轉軸固定，主軸旋轉時滑輪在模型的相貫線上運動，隨著相貫線的軌跡變化，推動頂桿前后進給，這樣割頭就可以在管件上切割出與模型一致的切口。該加工方式可以保證加工的軌跡線準確，但需要制備相應管徑的模型管件，且切割范圍相對固定，不適于對管徑變化有要求的管件加工。

在刀頭進給軸線上建立數軸，定義刀頭起始位置為原點，刀頭向負軸向進給時，對應數軸的負半軸，最左邊是X=-R的位置；刀頭向正軸向進給時，對應數軸的正半軸，最右邊是X=+R的位置，如圖5所示是刀頭一個周期的運動總行程，進給速度

=7

33mm/s。因為刀頭一個周期內進給方向改變兩次，所以運動函數為分段函數。例如從原點開始向數軸正向勻速進給，運動到

=+

的位置停止，即運行了1

4個周期，所需時間

=

4=13s，此時對應的函數關系為

=sin(

)。在13s時，換向；在26s時，運動到數軸負方向；在39s時，換向。

管件的旋轉軌跡為圓周，設其半徑為r,旋轉一周總長為377mm,管件的運動速度，即管件線速度為

=

=7

33mm/s，與切割刀頭進給速度匹配。

烏龍磯水庫除原有施工道路外，又修建了內部道路0.5km。為了保證施工道路的安全運行，道路兩側設置路邊排水溝，排水溝結構形式為土渠梯形斷面，溝底縱坡為自然坡。施工道路和臨時排水土溝可有效防止路面泥濘和沖刷路基，場內施工道路在結束使用后，需要及時進行道路路面清渣、翻松、平整和施工道路的跡地清理，恢復原有土地利用功能。

通過分析運動過程可知，切割刀頭運動周期與管件運動周期都為

，且

=52s,切割刀頭與管件的合運動函數為

=

sin(

),一個周期的切割軌跡對兩個周期的正弦函數圖像。

4 實驗分析

根據理論設計計算和三維建模，搭建對應的管件相貫線切割裝置的實物樣機，并進行特定切割試驗，基本達到預期效果，如圖7所示。

氣候突變表示氣候從一種穩定態跳躍式地轉變到另一種穩定態的現象，它是普遍存在于氣候變化中的一個重要現象。圖3為天峻地區1961-2017年春季干旱指數M-K突變檢驗，從分析的結果來看，相對濕潤度指數(M指數)和標準化降水指數(SPI指數)的M-K突變檢驗是一致的，在上下兩條±1.96(α=0.05)的置信線內，兩個指數的UF與UB兩條曲線均在1966年和2016出現交叉點，UF曲線在1966年的交叉點后向負方向變化，并低于-1.96，說明交叉點后減小趨勢顯著，因此認為1966年為突變年，而2016年的交叉點是不是突變點，有待需要更長序列的數據驗證。

5 總結

通過對比人工切割管件方式及現有的管件加工切割設備，分析各類加工方式，融合它們的優點并改善它們的缺點，設計出一種管件相貫線等離子切割裝置，采用現有標準化的等離子切割部分與管件夾持部分相互配合，實現對圓形管件進行相貫線切口切割工作。通過制作實物樣機進行試驗分析，雖然還是不能切割20mm以上鋼板，但基本得到明顯的設計預期效果。該裝置既省去了繁瑣的人工加工工序，同時利用現有標準切割部件，減少了大量的加工成本，且切割領域廣，可切割很多金屬板材，在工業領域的金屬切割方面前景不錯。

[1]李繼紅.不銹鋼中厚板切割系統設計[J].甘肅科技,2021,37(14):38-39+192.

[2]陳苗蓀.中國等離子弧切割機的現狀及其分析[J]．焊接，2006( 9) : 23-25．

[3]崔向群.基于嵌入式的中厚板等離子切割機控制系統設計[J].內燃機與配件,2021(09): 73-74.

[4]車宇飛.圓管相貫線等離子切割機器人系統研究與設計[D].山東大學,2017.

[5]陸闖. 一體化便攜式高頻逆變空氣等離子切割機的研制[D].北京工業大學,2013.

[6]龔君,王麗,趙壽寬.不銹鋼管相貫線等離子切割機數控系統的實際應用研究[J].科技與創新,2020(21):124-125+130.

[7]左勝輝.等離子切割機在工業實踐中的操作及維護探討[J].機械管理開發,2017,32 (11):39-40.

[8]陳財煒,原梓皓,林權等.便捷式相貫線切割機設計[J].機電信息,2020(17):111-113.

[9]譚肖.管件相貫線坡口切割數控系統關鍵技術的研究[D].湘潭大學,2013.

[10]王邦繼,劉慶想,周磊等.步進電機速度曲線的設計與FPGA實現[J].微電機,2012,45 (8):67-71.

[11]張彩紅，陳為.基于AT89C52的新型自動配料控制器 的開發[J].計量與測試技術，2007，34(3):8-9.