張亞瓊，侯志偉，劉得懷，楊大偉，張亞男

（淮陰工學院，江蘇 淮安 223003）

合成氨是化工原料之一，近年來應用在生產(chǎn)生活的各個領域，合成氨的生產(chǎn)需要通過工藝管道進行輸送反應。長時間的生產(chǎn)下，工藝管道被腐蝕，需要對管道與管道之間的相貫線進行切割。根據(jù)企業(yè)的實際需求，研發(fā)了一種高效的全自動的合成氨工藝管道相貫線切割機器人，基于數(shù)字控制技術，采用“NC嵌入PC”的雙CPU的運動控制，以實現(xiàn)管道加工需求的各種相貫線切割，自動化程度更高，可以切割不同管徑不同相貫角度的合成氨工藝管道，切割能力明顯提高。

1 切割機器人的機械結構設計

所設計的切割機器人需要滿足切割管材直徑為200～400 mm，切割長度為5～30 m，切割厚度為5～20 mm，切割精度為±0.5 mm的要求。其機械結構由切割裝置和管件上下料機構兩部分組成。

1.1切割裝置

切割裝置（如圖1所示）由旋轉(zhuǎn)機構、上下移動機構、前后移動機構和割槍結構組成。套筒上連接著電機實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動；主滑塊在龍門架兩側(cè)的導軌上運動實現(xiàn)上下移動機構；底部滑塊在龍門架底部導軌上運動完成前后移動機構；割槍通過軟管連接在套筒上實現(xiàn)割槍運動[1]。

切割裝置主要包括三個運動：切割前，割槍能夠上下移動，使割槍轉(zhuǎn)動一圈的中心與待加工管子的中心在同一條直線上，利用切割裝置在龍門架上上下移動來實現(xiàn)割槍的上下移動；切割過程中，割槍能夠繞著待加工的管子做圓周運動；同時還能夠沿著管子的軸線方向做平移運動，利用蝸輪蝸桿傳動[2]使固定在套筒上的噴頭轉(zhuǎn)動的同時利用齒輪齒條傳動使整個龍門架在導軌上做軸向移動。

圖1 切割裝置

1.2管件上下料機構

管件上下料機構主要是將管材運送到切割位置，其結構由送料工作臺、切割工作臺和小車裝置組成（如圖2所示）。當送料工作臺檢測到工件時，開始工作，夾緊工件將其運送到切割工作臺，完成后送料工作臺返回。送料工作臺兩側(cè)設有V形導軌，V形導軌上設有與其配合的V形滑塊，一側(cè)的V形導軌下方裝有齒條和電機架；送料臺上還設有夾緊工件的螺旋定心夾緊機構（如圖3所示）、管件檢測器和缺料檢測器；右側(cè)設有小車裝置，小車裝置有兩個v形塊，底板和四個滾輪；切割工作臺上設有電磁鐵夾緊塊、物料到位檢測器。

圖2 上下料機構

圖3 螺旋定心夾緊機構

2 控制系統(tǒng)設計

2.1控制系統(tǒng)硬件設計

本設計以多軸運動控制器為核心，采用“NC嵌入PC”結構形成開放式的運動控制。NC采用美國Delta Tau公司的可編程多軸運動控制器PMAC[3]，PC選用標準的工業(yè)控制機，從而對兩軸聯(lián)動實現(xiàn)控制。從系統(tǒng)功能、開放性和開發(fā)成本進行綜合考慮，本次選用PMAC2 PCI-LITE運動控制卡，附件ACC-8S作為轉(zhuǎn)接板。PMAC2 PCI-LITE是PMAC產(chǎn)品中結構緊湊并且價格適中的一款，適合用于簡單嵌入式系統(tǒng)的應用，它可以控制四個通道。在本系統(tǒng)中，由于PMAC與IPC之間的實時通訊要求并不高，因而采用總線通訊方式。

系統(tǒng)硬件設計（如圖4所示），由PMAC多軸運動控制卡構成，PMAC上的CPU與IPC卡上的CPU構成了主從式雙微處理器結構，兩個CPU各自實現(xiàn)相應的功能。其中PC機為上位機，完成實時性要求不高的任務，如系統(tǒng)的管理、故障診斷與人機交互等[4]，PMAC完成實時性要求較高的插補加工等任務。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結構

2.2控制系統(tǒng)軟件設計

控制軟件由前臺程序和后臺程序組成。前臺程序為PMAC實時控制軟件，它的工作包括速度控制、位置控制、插補、伺服驅(qū)動等。后臺程序就是上位機應用程序，主要用來實現(xiàn)系統(tǒng)的非實時控制功能，包括系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、參數(shù)輸入、通訊接口和提供良好的人機界面等，是控制軟件開發(fā)過程中的任務所在和重要部分。PMAC和上位機之間的通訊由后臺程序調(diào)用Delta Tau公司提供的通訊驅(qū)動函數(shù)庫Pcomm32PRO中的函數(shù)完成。

控制系統(tǒng)軟件由兩個獨立又相互通信的部分組成：運動程序（PROG程序）和上位機軟件（VB程序），結構如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)軟件

控制系統(tǒng)軟件結構的人機界面是人機交互的重要聯(lián)系紐帶。通過人機界面向控制機更改或者輸入?yún)?shù)，發(fā)出控制命令；控制主機通過人機界面能夠向操作人員顯示系統(tǒng)的運行情況或給出操作信息提示等[5]。人機界面主要包括參數(shù)輸入、程序編制、空間軌跡、誤差曲線和三維圖形實時顯示[6]。界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)人機界面

為了驗證整個設計，利用開發(fā)的軟件進行了切割仿真。設切割主管半徑是60 mm，壁厚是5 mm；支管半徑是40 mm，壁厚是3 mm，傾角，偏心距是3 mm，加工主管上邊相貫線，仿真加工界面如圖7所示。

圖7 仿真界面

3 結束語

根據(jù)企業(yè)的需求，完成了合成氨工藝管道相貫線切割機器人的機械結構設計和控制系統(tǒng)設計，研制出一款可以快速準確地對不同材質(zhì)、不同管徑、不同位置相交的相貫線接口進行切割的切割機，降低了工人勞動強度，提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，同時增強了企業(yè)的競爭力。本設計的相貫線切割機器人機械結構簡單，成本低。

參考文獻：

[1]黃志榮，毛建秋，丁仕燕，等.數(shù)控鋼管管端相貫線火焰切割機的研制[J].機床與液壓，2015，43（02）：38-43.

[2]成大先.機械設計手冊：機械傳動[M].5版.北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[3]陳明君，郭偉星，李 旦.基于PMAC開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究與應用新發(fā)展[J].航空精密制造技術，2005（02）：28-31.

[4]康文惠.基于工業(yè)PC機的數(shù)控火焰切割機控制系統(tǒng)的開發(fā)[J].科技情開開發(fā)與經(jīng)濟，2003，13（10）：177-178.

[5]石博文.淺談面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^程程序設計[J].電子世界，2017（01）：59-60.

[6]苗新剛，汪 蘇，李曉輝，等．大構件相貫線焊縫軌跡擬合方法[J].焊接學報，2011，32（1）：89－92.