合成氨工艺管道相贯线切割机器人设计

张亚琼，侯志伟，刘得怀，杨大伟，张亚男

（淮阴工学院，江苏 淮安 223003）

合成氨是化工原料之一，近年来应用在生产生活的各个领域，合成氨的生产需要通过工艺管道进行输送反应。长时间的生产下，工艺管道被腐蚀，需要对管道与管道之间的相贯线进行切割。根据企业的实际需求，研发了一种高效的全自动的合成氨工艺管道相贯线切割机器人，基于数字控制技术，采用“NC嵌入PC”的双CPU的运动控制，以实现管道加工需求的各种相贯线切割，自动化程度更高，可以切割不同管径不同相贯角度的合成氨工艺管道，切割能力明显提高。

1 切割机器人的机械结构设计

所设计的切割机器人需要满足切割管材直径为200～400 mm，切割长度为5～30 m，切割厚度为5～20 mm，切割精度为±0.5 mm的要求。其机械结构由切割装置和管件上下料机构两部分组成。

1.1切割装置

切割装置（如图1所示）由旋转机构、上下移动机构、前后移动机构和割枪结构组成。套筒上连接着电机实现旋转运动；主滑块在龙门架两侧的导轨上运动实现上下移动机构；底部滑块在龙门架底部导轨上运动完成前后移动机构；割枪通过软管连接在套筒上实现割枪运动[1]。

切割装置主要包括三个运动：切割前，割枪能够上下移动，使割枪转动一圈的中心与待加工管子的中心在同一条直线上，利用切割装置在龙门架上上下移动来实现割枪的上下移动；切割过程中，割枪能够绕着待加工的管子做圆周运动；同时还能够沿着管子的轴线方向做平移运动，利用蜗轮蜗杆传动[2]使固定在套筒上的喷头转动的同时利用齿轮齿条传动使整个龙门架在导轨上做轴向移动。

图1 切割装置

1.2管件上下料机构

管件上下料机构主要是将管材运送到切割位置，其结构由送料工作台、切割工作台和小车装置组成（如图2所示）。当送料工作台检测到工件时，开始工作，夹紧工件将其运送到切割工作台，完成后送料工作台返回。送料工作台两侧设有V形导轨，V形导轨上设有与其配合的V形滑块，一侧的V形导轨下方装有齿条和电机架；送料台上还设有夹紧工件的螺旋定心夹紧机构（如图3所示）、管件检测器和缺料检测器；右侧设有小车装置，小车装置有两个v形块，底板和四个滚轮；切割工作台上设有电磁铁夹紧块、物料到位检测器。

图2 上下料机构

图3 螺旋定心夹紧机构

2 控制系统设计

2.1控制系统硬件设计

本设计以多轴运动控制器为核心，采用“NC嵌入PC”结构形成开放式的运动控制。NC采用美国Delta Tau公司的可编程多轴运动控制器PMAC[3]，PC选用标准的工业控制机，从而对两轴联动实现控制。从系统功能、开放性和开发成本进行综合考虑，本次选用PMAC2 PCI-LITE运动控制卡，附件ACC-8S作为转接板。PMAC2 PCI-LITE是PMAC产品中结构紧凑并且价格适中的一款，适合用于简单嵌入式系统的应用，它可以控制四个通道。在本系统中，由于PMAC与IPC之间的实时通讯要求并不高，因而采用总线通讯方式。

系统硬件设计（如图4所示），由PMAC多轴运动控制卡构成，PMAC上的CPU与IPC卡上的CPU构成了主从式双微处理器结构，两个CPU各自实现相应的功能。其中PC机为上位机，完成实时性要求不高的任务，如系统的管理、故障诊断与人机交互等[4]，PMAC完成实时性要求较高的插补加工等任务。

图4 控制系统硬件结构

2.2控制系统软件设计

控制软件由前台程序和后台程序组成。前台程序为PMAC实时控制软件，它的工作包括速度控制、位置控制、插补、伺服驱动等。后台程序就是上位机应用程序，主要用来实现系统的非实时控制功能，包括系统的数据处理、参数输入、通讯接口和提供良好的人机界面等，是控制软件开发过程中的任务所在和重要部分。PMAC和上位机之间的通讯由后台程序调用Delta Tau公司提供的通讯驱动函数库Pcomm32PRO中的函数完成。

控制系统软件由两个独立又相互通信的部分组成：运动程序（PROG程序）和上位机软件（VB程序），结构如图5所示。

图5 控制系统软件

控制系统软件结构的人机界面是人机交互的重要联系纽带。通过人机界面向控制机更改或者输入参数，发出控制命令；控制主机通过人机界面能够向操作人员显示系统的运行情况或给出操作信息提示等[5]。人机界面主要包括参数输入、程序编制、空间轨迹、误差曲线和三维图形实时显示[6]。界面如图6所示。

图6 系统人机界面

为了验证整个设计，利用开发的软件进行了切割仿真。设切割主管半径是60 mm，壁厚是5 mm；支管半径是40 mm，壁厚是3 mm，倾角，偏心距是3 mm，加工主管上边相贯线，仿真加工界面如图7所示。

图7 仿真界面

3 结束语

根据企业的需求，完成了合成氨工艺管道相贯线切割机器人的机械结构设计和控制系统设计，研制出一款可以快速准确地对不同材质、不同管径、不同位置相交的相贯线接口进行切割的切割机，降低了工人劳动强度，提高了生产效率和经济效益，同时增强了企业的竞争力。本设计的相贯线切割机器人机械结构简单，成本低。

参考文献：

[1]黄志荣，毛建秋，丁仕燕，等.数控钢管管端相贯线火焰切割机的研制[J].机床与液压，2015，43（02）：38-43.

[2]成大先.机械设计手册：机械传动[M].5版.北京：化学工业出版社，2010.

[3]陈明君，郭伟星，李 旦.基于PMAC开放式数控系统的研究与应用新发展[J].航空精密制造技术，2005（02）：28-31.

[4]康文惠.基于工业PC机的数控火焰切割机控制系统的开发[J].科技情开开发与经济，2003，13（10）：177-178.

[5]石博文.浅谈面向对象和面向过程程序设计[J].电子世界，2017（01）：59-60.

[6]苗新刚，汪 苏，李晓辉，等．大构件相贯线焊缝轨迹拟合方法[J].焊接学报，2011，32（1）：89－92.