葛鑫虎 許夢(mèng)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(shè)計(jì)一套全自動(dòng)長圓柱管道內(nèi)壁打磨機(jī)，對(duì)多種口徑的長圓柱管道內(nèi)的絕熱層進(jìn)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(jī)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(jī)多用，適應(yīng)范圍廣，打磨精度高。

關(guān)鍵詞：長圓柱管道;打磨機(jī);打磨系統(tǒng)

長圓柱管道內(nèi)壁打磨機(jī)需要滿足的功能是能夠在一定管徑的范圍內(nèi)伸縮，同時(shí)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(yīng)均勻分布，且以盡可能多的方向通過某一打磨點(diǎn)，以防止局部打磨強(qiáng)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(shí)現(xiàn)鋼管管端內(nèi)壁清掃作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化[3]，對(duì)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(chǎng)需求，而且粉塵對(duì)工作人員的健康也有很大傷害[4]。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)長圓柱管道內(nèi)壁打磨機(jī)，來代替人工打磨，提高效率和質(zhì)量。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)的主軸卡盤上，同時(shí)調(diào)整支撐架的高度和2個(gè)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(dòng)機(jī)控制速度，大托板系統(tǒng)可以水平移動(dòng)至80～200mm內(nèi)徑的長圓柱管道一端開口附近，在大托板移動(dòng)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(dāng)大托板停在長圓柱管道一端時(shí)，小托板上固定一套打磨系統(tǒng)，通過氣缸帶動(dòng)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(tái)伺服電機(jī)通過軟軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過控制伺服電機(jī)可以控制刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)速度;當(dāng)磨刀轉(zhuǎn)動(dòng)，小托板沿水平方向往長圓柱管道內(nèi)部緩慢勻速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)數(shù)控打磨機(jī)的主軸做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)磨刀從一端運(yùn)動(dòng)到長圓柱管道另一端時(shí)，小托板上的氣缸向反方向運(yùn)動(dòng)，磨刀與內(nèi)壁表面分離，小托板反向水平運(yùn)動(dòng)，打磨系統(tǒng)離開殼體;大托板反向水平運(yùn)動(dòng)，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(shí)驗(yàn)裝置硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 主軸箱系統(tǒng)

主軸箱系統(tǒng)由變頻電動(dòng)機(jī)、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(gè)支撐架上，然后安裝到主軸卡盤上并固定，通過變頻電機(jī)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jī)輸出轉(zhuǎn)速。支撐架采用環(huán)形支撐架，每個(gè)接觸點(diǎn)都使用一個(gè)支撐滾輪，從而減少摩擦，必要時(shí)增加保護(hù)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(dòng)裝置、導(dǎo)軌構(gòu)成。具體工作原理是將大托板滑塊安裝在兩條導(dǎo)軌上，齒條安裝在機(jī)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(yùn)動(dòng)，并將安裝在大托板上的齒輪與固定在機(jī)架上的齒條配合，使用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)可以精確控制大托板的運(yùn)動(dòng)距離和速度，從而實(shí)現(xiàn)大托板的快速準(zhǔn)確定位和運(yùn)動(dòng)。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(dǎo)軌、電動(dòng)滑臺(tái)傳動(dòng)裝置和小托板架構(gòu)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(jī)架上，在大托板滑塊上安裝一套電動(dòng)滑臺(tái)，電動(dòng)滑臺(tái)使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過控制步進(jìn)控制器可以控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和啟停，從而實(shí)現(xiàn)滑塊的精確定位和運(yùn)動(dòng)。并且通過大托板和小托板系統(tǒng)間的協(xié)作和配合，可實(shí)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(dòng)系統(tǒng)等構(gòu)成。打磨驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用氣動(dòng)或電動(dòng)裝置，通過氣動(dòng)馬達(dá)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)打磨頭旋轉(zhuǎn)進(jìn)行磨削，將調(diào)節(jié)氣缸固定在轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的另一端（驅(qū)動(dòng)端），當(dāng)氣缸通氣時(shí)，活塞桿收回帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)鉸鏈旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)打磨頭轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度以接觸到長圓柱管道內(nèi)壁，離開時(shí)，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(tái)吸塵系統(tǒng)

機(jī)械化吸塵系統(tǒng)由吸塵口、管道、吸塵器構(gòu)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(gè)吹起口，另一端附近安裝一個(gè)或多個(gè)吸塵口，將打磨產(chǎn)生的毛屑直接吸走?？啥ㄆ谇謇砝占啊；_(tái)吸塵系統(tǒng)如圖7所示。

2.6 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)具體如下表：

設(shè)備型號(hào)和參數(shù)表

3 結(jié)語

該設(shè)計(jì)通過機(jī)架、主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)、大托板運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、小托板運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、打磨系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)多模塊滑板配合工作，對(duì)多型號(hào)長圓柱管道絕熱層進(jìn)行自動(dòng)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(shí)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(wù)的順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

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

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

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

[4]姚立權(quán).打磨機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].遼寧：東北大學(xué)，2008.