王永勝 霍建紅 尹雪峰 王景文 邊劉陽(yáng)

(1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011；2.中車長(zhǎng)江車輛有限公司冷智裝備分公司 湖北 武漢 430200)

軌道交通LNG罐車、公水鐵多式聯(lián)運(yùn)LNG罐箱等深冷產(chǎn)品的封頭開(kāi)孔質(zhì)量關(guān)系到夾層管路的安裝及夾層真空度的保持，如果發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題，將出現(xiàn)泄漏，影響到軌道上其他車輛的運(yùn)行。

封頭開(kāi)孔是軌道交通LNG壓力容器制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，是焊接工序的重要準(zhǔn)備工作，目前主要采用人工放樣—人工劃線—人工切割的工藝過(guò)程，容易造成以下問(wèn)題：在封頭規(guī)格、孔徑、孔位、插入角度等出現(xiàn)變化時(shí)，需要重新放樣劃線，效率極低；人工放樣、人工劃線、人工切割無(wú)法保證相貫線的準(zhǔn)確軌跡和位置。這些問(wèn)題將直接影響到后續(xù)的焊接及容器的外觀和產(chǎn)品質(zhì)量。所以研制了五軸聯(lián)動(dòng)龍門式封頭全自動(dòng)開(kāi)孔數(shù)控切割裝備(見(jiàn)圖1),配備先進(jìn)的、非接觸式測(cè)量的激光輪廓測(cè)量傳感器，可實(shí)現(xiàn)封頭在工作臺(tái)上的任意擺放，自動(dòng)確定封頭中心；激光輪廓測(cè)量傳感器可掃描封頭表面輪廓，自動(dòng)補(bǔ)償封頭加工誤差，保證開(kāi)孔精度。本裝備與傳統(tǒng)封頭開(kāi)孔數(shù)控切割機(jī)相比，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、一次性連續(xù)完成封頭上所有開(kāi)孔切割工作，切割表面光滑，切割精度高，大量節(jié)省人工二次修正時(shí)間。

圖1 五軸聯(lián)動(dòng)龍門式封頭全自動(dòng)開(kāi)孔數(shù)控切割裝備

1 封頭開(kāi)孔切割功能與特點(diǎn)

1.1 支持封頭類型

該五軸聯(lián)動(dòng)龍門式封頭全自動(dòng)開(kāi)孔數(shù)控切割裝備支持的封頭類型包括橢圓形封頭、碟形封頭、半球形封頭，如表1所示。

表1 橢圓形封頭、碟形封頭、半球形封頭參數(shù)表

1.2 支持開(kāi)孔類型

該裝備支持的開(kāi)孔類型包括中心孔、偏心豎直孔、偏心法向孔、偏心與豎直方向成一定偏轉(zhuǎn)角度的孔。實(shí)際切割樣件如圖2所示。

圖2 切割樣件圖

1.3 支持坡口類型

該裝備支持的坡口類型包括直口、V型、Y型、X型、K型坡口。

2 結(jié)構(gòu)組成

2.1 總體結(jié)構(gòu)

采用數(shù)控龍門桁架式結(jié)構(gòu)，X、Y、Z、U、V五軸伺服聯(lián)動(dòng)，X、Y、Z實(shí)現(xiàn)空間任意位置定位，U、V實(shí)現(xiàn)割槍任意姿態(tài)控制。龍門導(dǎo)軌方向驅(qū)動(dòng)采用雙邊伺服同步控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

1—控制箱；2—X軸總成；3—左端梁；4—X軸驅(qū)動(dòng)總成；5—Z軸總成；6—Z軸驅(qū)動(dòng)總成；7—右端梁；8—U軸總成；9—V軸總成；10—激光視覺(jué)傳感器；11—切割工件封頭；12—Y軸總成。圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

2.2 具體結(jié)構(gòu)

2.2.1坐標(biāo)軸定義

根據(jù)圖3所示，設(shè)備坐標(biāo)系為直角坐標(biāo)系加U、V偏轉(zhuǎn)組成。將龍門橫梁上的移動(dòng)小車定義為X軸，龍門沿導(dǎo)軌移動(dòng)方向定義為Y軸，立柱升降方向定義為Z軸，機(jī)頭沿回轉(zhuǎn)支撐旋轉(zhuǎn)定義為U軸，割槍繞水平軸偏擺定義為V軸。

2.2.2各軸結(jié)構(gòu)

X、Y、Z軸采用高精度齒輪、齒條傳動(dòng)，直線導(dǎo)軌定位。U軸采用行星齒輪傳動(dòng)，V軸采用多級(jí)齒輪傳動(dòng)。

割槍安裝座上安裝有激光輪廓測(cè)量傳感器，與割槍同步旋轉(zhuǎn)。激光輪廓測(cè)量傳感器通過(guò)氣動(dòng)機(jī)構(gòu)控制升降，測(cè)量時(shí)降落，切割時(shí)升起。該傳感器為高精度精密傳感器，用于定位封頭中心、測(cè)量封頭尺寸偏差，通過(guò)其反饋的尺寸偏差補(bǔ)償切割程序，可保證切割尺寸精度。

2.2.3樣機(jī)實(shí)物

研制的樣機(jī)采用龍門式桁架結(jié)構(gòu)，配備高精度的伺服電機(jī)、減速機(jī)，X軸、Y軸、Z軸采用斜齒式齒輪齒條、高精度直線導(dǎo)軌傳動(dòng)，樣機(jī)的機(jī)械精度相較于傳統(tǒng)等離子切割機(jī)有較大提升。樣機(jī)實(shí)物如圖4所示。

圖4 實(shí)際設(shè)備照片

2.3 控制系統(tǒng)組成

數(shù)控系統(tǒng)為完全自主開(kāi)發(fā)，具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，操作簡(jiǎn)單、易用，具備一鍵式啟動(dòng)、全自動(dòng)切割的特點(diǎn)?？商峁┒ㄖ苹_(kāi)發(fā)服務(wù)，滿足差異化需求。

采用全數(shù)字式五軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，配備松下交流伺服電機(jī)，顯示屏人機(jī)交互界面，工業(yè)鼠標(biāo)鍵盤(pán)，操作方便。配有激光輪廓測(cè)量傳感器，用于封頭定位和形狀誤差反饋，根據(jù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)整切割程序，以保證切割精度。配備無(wú)線遙控器，提高操作便捷性?？刂葡到y(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)組成

2.4 激光輪廓測(cè)量傳感器技術(shù)參數(shù)

激光輪廓測(cè)量傳感器在參考距離為235 mm時(shí)，垂直方向測(cè)量范圍為±50 mm，水平方向測(cè)量范圍為40 mm，功率為100 mW。

3 性能指標(biāo)

本設(shè)備性能指標(biāo)如表2所示。

表2 設(shè)備性能指標(biāo)

以外徑1 100 mm、厚度8 mm的THA封頭為例，開(kāi)孔參數(shù)如表3所示。空行程速度為6 000 mm/min，切割速度為1 000 mm/min。

表3 開(kāi)孔參數(shù)

4 應(yīng)用前景

4.1 封頭開(kāi)孔

該五軸聯(lián)動(dòng)龍門式封頭全自動(dòng)開(kāi)孔數(shù)控切割裝備通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)封頭全自動(dòng)開(kāi)孔， 在壓力容器制造， 尤其是深冷壓力容器制造領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景， 在鐵路LNG罐車、公鐵水多式聯(lián)運(yùn)LNG罐箱等壓力容器封頭工藝件制備中可批量應(yīng)用。 以公鐵水多式聯(lián)運(yùn)LNG罐箱為例， 后端內(nèi)容器封頭上有7個(gè)尺寸、 方向不同的孔， 是安裝內(nèi)部管路和夾層管路的接口， 為了保證焊接質(zhì)量， 孔周邊開(kāi)有坡口， 開(kāi)孔圖如圖6所示。 人工劃線、 開(kāi)孔、 打磨坡口， 每件工作時(shí)間為90 min， 應(yīng)用該設(shè)備后， 工作效率大幅提升。

圖6 LNG罐箱內(nèi)容器封頭

4.2 其他應(yīng)用

利用該設(shè)備編程、自動(dòng)尋位、五軸變換角度等功能，通過(guò)更換夾具、工裝，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配、自動(dòng)焊接等功能。從而實(shí)現(xiàn)封頭工藝件開(kāi)孔、開(kāi)坡口、配件組裝、配件全自動(dòng)焊接等自動(dòng)化操作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本論文研制的五軸聯(lián)動(dòng)龍門式封頭全自動(dòng)開(kāi)孔數(shù)控切割裝備， 通過(guò)在機(jī)構(gòu)末端加裝激光輪廓測(cè)量傳感器， 采用數(shù)控龍門桁架式結(jié)構(gòu)，X、Y、Z、U、V五軸伺服聯(lián)動(dòng)，X、Y、Z實(shí)現(xiàn)空間任意位置定位，U、V實(shí)現(xiàn)割槍任意姿態(tài)控制。 可以實(shí)現(xiàn)封頭任意擺放， 全自動(dòng)封頭開(kāi)孔功能。 隨著人工智能， 大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟， 在未來(lái)，該五軸聯(lián)動(dòng)龍門式封頭全自動(dòng)開(kāi)孔數(shù)控切割裝備可以應(yīng)用到其他三維結(jié)構(gòu)件的切割工藝過(guò)程中。 通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化， 可實(shí)現(xiàn)封頭工藝件全流程工作， 升級(jí)為小型智能工作中心，還可以推廣到化工裝備用壓力容器封頭開(kāi)孔、 生物制藥發(fā)酵罐封頭開(kāi)孔、 貨車用 LNG罐箱等,應(yīng)用前景廣泛。□