H型钢端头数控火焰切割机工艺研究与运动分析-【资讯】

在海洋石油平台上部模块的多层结构建造中，各种规格H型钢搭接结构件占到平台建造总工作量的75%~80%，重量占到平台总重量的70%左右。由于H型钢搭接端头的形式多样、图形较复杂，需要在一个腹板和两个翼板三个不同的平面上完成割直线、割曲线、割圆弧、割工艺孔和开坡口等多种切割作业。　　采用数控下料技术与设备来切割H型钢端头，能够实现高质量、高效率、自动化和低成本的火焰下料切割作业111. 1数控火焰切割下料总体方案H型钢数控火焰切割下料总体方案如下。　　为提高切割效率，采用三把切割枪对H型钢的两块翼板和一块腹板同时进行数控切割。　　采用数控技术实现切割枪运动轨迹和切割火焰控制。用三套数控系统对三把切割枪分别进行控制，通过编程实现切割枪动作先后关系的控制。由于是空间运动，每把切割枪的运动均为三坐标联动。　　采用数控编程方式解决需要切割的各种形式H型钢端头图形。　　采用上位机可视化编程系统，实现对三套数控系统的统一管理和各类切割形状端头的可视参数化编程设计。　　2数控火焰切割机主要参数确定设备主要设计参数和技术要求如下。　　大截面为1500X1000X5mm最小截面为皮切割H型钢长度最大为12000mm切割臂可在12000mm范围运动，在任意位置上停止，移动速度在015m/min内无级调节。　　坐标轴运动行程：三个坐标轴运动行程满足上述端头切割范围要求，且可以手动进行304560等开坡口的切割作业。　　坐标轴运动速度：三个坐标轴运动速度为0 5m/mir连续，数控编程可调。　　九迹插补功能：空间直线和平面圆弧插补。　　辅助功能：程序控制火焰调节，包括预热、切割、等待和关火等。　　加工精度：切口在每个坐标方向尺寸误差小于0.5mm表面粗糙度小于RQ0.坐标轴运动精度：每个坐标上全长行程内定位误差小于0.2mm编程界面：采用上位机图形交互人机界面的可视化图形参数编程。　　加工自动化：上料后自动定位，切口处人工找位与对刀，半自动两切口间长度调整，工件切断后自动让位。　　3机床总体布局H型钢采取水平放置，两翼板直立，腹板水平。　　因而，切割设备总体布局为卧式布局方式。　　运动部件包括三套切割设备、三套数控装置，以及切割臂等，运动部件只做找位调整运动，切割时不动，故对其运动精度无严格要求，只要其能实现自动行走和粗略找位即可。切割枪的精确定位靠导轨上固定标尺或切割枪专用快速定位尺来实现，切割臂纵向移动采用单条H型钢导轨与滚轮为导向，摩擦轮驱动方式。　　由于整个切割部分的重量不大，切割臂部分采用单柱悬臂结构形式，以简化结构，便于上、下料。　　为方便H型钢纵向调整，工作台采用托辊支撑H型钢形式，采用多个相同单元工作台组合为整条长工作台形式，便于工作台制造和安装。工作台上有使被切割H型钢实现放置缓冲、纵向和侧向定位、夹紧的装置。　　4数控火焰切割下料工艺设计需要切割的H型钢端头有凸口和凹口两大类。　　其下料工艺设计主要是确定三把数控切割枪的运动顺序、运动轨迹与切割火焰的配合等控制。　　4.1切割枪数控运动方案确定通过数控下料工艺分析可知，割口的空间轨迹是端头切割加工的成形运动，这是一个空间较复杂的运动，采用三坐标联动能走出其空间运动轨迹。对三把切割枪的坐标系设定如所示，由于三把切割枪分别位于三个平行的三轴联动坐标系中，故坐标系设置如下：总体（包括工件）坐标系为XY左枪为XfeY2左，右枪为Xfef2右，上枪为f1z上。　　除了成形运动以外，为切割一整条H型钢（12m长）不同截面位置的端头形状，还需要H型钢相对切割枪有调整位置的辅助运动，这个运动与X轴平行，记为U称之为纵向移动；另外为切割不同角度的坡口，三把切割枪还需要有摆动角度的运动（手动完成）称之为摆枪运动。　　将三把切割枪的三套Y（Y，Y右，Y上）轴运动机构安排在同一个横梁上，以简化机床结构；采用被切割H型钢不动、三套切割装置沿U轴快速移动，实现对切割点的初步找位，枪用专用标尺精确找位方式实现三把切割枪的快速定位，确定本切割机的运动功能式为：W/UYff/T其中，W为H型钢，T为切割枪，i左、右、上。运动功能图如所示。　　4.2凸口数控下料工艺设计凸口形状和三把切割枪运动轨迹如所示。其数控切割运动过程如下（以下数控切割工艺过程完全按编号顺序进行）。　　1）首先，通过纵向（X向）移动装置将安装有三把切割枪的切割臂，沿与被切割的Hi钢平行的纵向导轨，整体快速移动到需要切割的H型钢位置点附近（0mm以内）完成三把切割枪的快速粗定位。　　2过手摇脉冲转轮的控制，用专用标尺定位，将三把切割枪的中心点移动到本次切割的起枪点（寸枪点）实现三把切割枪的精确定位。　　安下回零控制按钮，三把切割枪退回到各自的坐标原点，并自动点燃保温火，使每把切割枪火焰处于等待状态。　　左、右枪同时快进到各自的翼板起割点A点A停留，并进行预热预热时间由试验确定）预热完成后，左、右枪火焰自动转换成切割火焰状态，分别对两侧翼板进行切割运动。左枪开始由点A直线工进到点B右枪同时开始由点A直线工进到B.左、右枪同时由点B点B直线工进到点C点C左、右枪同时由点C点C直线工进到点D点D.此后，左、右枪火焰自动转换为等待状态，并分别快退到各自坐标起点与翼板切割点的中间，等待后续的切坡口工艺。　　8刻，上枪（腹板觖进到起割点F并对切割点进行预热。　　预热完成后，上枪火焰转为切割状态，并开始对腹板进行切割，由点F宣线工进到点G上枪由点〔圆弧工进到点H（切工艺孔）。　　上枪由点直线工进回到点H完成左工艺孔切割。　　上枪火焰自动转为预热状态，再快进到点后停留，进行预热。　　预热完成后，上枪火焰自动转为切割状态，开始由点直线工进到点上枪由点M直线工进到点N完成凸头的凸出部分的切割。　　上枪继续由点N直线工进到点O上枪由点P圆弧工进到点Q完成右工艺孔切割。之后上枪火焰自动转为等待状态，并快退到中间点，等待。　　此后，左、右枪火焰自动转换为加热状态，并同时快进到点B点B并停留进行预热。　　预热完成后，左、右枪火焰转为切割状态，开始对腹板剩余割口进行切割。左、右枪同时开始由点B点B直线工进到点E点E.凸头的切离工作部分完成，下面进行坡口切割。左、右枪火焰转为等待状态，分别快退到各自等待点，等待。　　手动摆动调整左、右枪和上枪，使三把切割枪获得坡口切割所要求的角度。　　三把切割枪火焰转为预热状态，左枪快进到点A右枪快进到点A上枪快进到点K停留进行预热。　　预热完成后，三把切割枪火焰各自转为切割状态，左枪立即开始由点At线工进到点E右枪立即开始由点A直线工进到点E上枪立即开始由点K直线工进到点L坡口切割完毕，三把切割枪火焰熄灭，并快退到各自的坐标原点。　　凹口下料工艺和凸头相类似，这里不再赘述。　　5切割工艺运动分析5.1三把切割枪动作顺序的要求由可知：三把切割枪中有两把是用来切割两个相互平行的翼板的，这两个翼板之间由腹板隔开，有较远距离（切割范围在300~1200之间）因此，这两把切割枪可以同时工作，彼此不会受到任何影响，具体见但是，用来切割腹板的上枪与左、右枪是垂直关系，如果三把切割枪同时工作，极有可能会出现割翼板的左、右枪的火焰直接喷射到割腹板的上枪上，会烧穿枪头，存在及其严重的气体爆炸事故隐患。因此，切割工艺中必须确保割腹板的枪与割翼板的枪不能同时工作，具体如所示。　　5.2三把切割枪多坐标联动控制的实现121三把切割枪的坐标联动数为3X3尽管切割运动时每把枪是平面二维联动，但是每把枪在切割前后都需要完成找位、回零等运动。因此，每把枪实际上需要三坐标联动，此外，枪与枪之间也有逻辑上的先后动作顺序，因此，整台设备三把切割枪之间可以认为是九坐标联动。可以用一套数控系统对三把切割枪进行九坐标控制，其优点是使用数控系统的套数少，硬件费用低；缺点是在编程、调试和现场修改参数等方面较复杂，且枪与枪之间的相互影响大。也可以用三套数控系统分别对三把切割枪进行控制，优点是控制可靠、各枪控制相对独立、编程和现场修改参数简单快速；缺点是硬件投入大，需要设定主副机管理系统化。　　本机采用三套系统分别控制三把切割枪，其中一台数控系统作为主控制系统分别控制另外两套系统，且每套系统都可以单独调节与使用的方案，以适应现场切割情况复杂、随机调节多、对系统控制可靠性要求高，以及枪与枪之间防干扰要求高的特点。　　此外，本机采用上位机管理系统，通过专用可视化图形参数编程软件，实现对切割图形的快速、简单和脱机编程，并能够对其进行仿真检验，确保程序的正确性，只要将检验合格的程序传输到主数控系统中，就能实现系统的三枪联动切割运动。可视化编程软件界面如所示。　　5.3不同切割点位置的快速精确定位由所示可知：没有切割前的H型钢为12m长，将其安放到工作台上不动，当切割其上不同位置时，是通过纵向（X向）移动切割臂找位来实现的。由于H型钢是焊接件，很长，变形较大，其整条形位几何精度很低，在切割每一个位置点时，如果采用切割枪直接回坐标原点（绝对坐标原点法）找位的方法来定位，切割时将会产生很大误差，往往出现废品。本机采用快速粗定位和标尺精确定位方法来解决问题（相对坐标原点法）即通过切割臂在纵向导轨上的快速移动初步找到切割位置点（允许误差为100）用摆放在切割点处的专用标尺作基准点，通过手摇脉冲进给器控制三把切割枪的位移，实现快速、精确定位，如所示。　　5.4火焰参数控制与进给运动的配合每把切割枪的运动与火焰的状况有密切配合要求。切割枪的火焰有两种状态：加热火和切割火，是在乙炔供气量一定条件下，通过控制切割枪管氧气供氧量来实现。当切割枪处于切割等待状态、切割前的加热状态时使用加热火，当切割枪处于切割状态时使用切割火。因此，氧气的供气量分为小、大两种方式。　　切割对火焰配合的要求如下：当切割枪开始由坐标起点向切割点快速运动时，切割枪自动启动加热火焰；当切割枪到达切割起点开始对切割起点加热时，切割枪仍使用加热火焰，并停留在切割起点数秒，直到加热工艺完成（停留时间因板材厚度、材料等不同而不同，由事先的工艺试验来确定）当切割枪开始从切割起点切割时，切割枪自动转换成切割火焰，并开始走切割轨迹，完成切割；切割枪完成切割后，火焰自动转换成加热火，切割枪快速后退到坐标原点或某个中间点，等待下一次的切割任务。　　本机采用数控系统中内嵌PLC用M指令的形式，通过控制分装在三把切割枪上的九个电磁阀开与关的逻辑关系，来实现上述火焰变化控制的要求。　　6结语采用上述技术方案制造的数控火焰切割机己应用到中海油油建工程公司的海洋平台工程建造中，发挥了积极有效的作用。数控切割下料完成后的H型钢端头如所示。　　该数控火焰切割设备较好地解决了海洋平台建造中H型钢端头的自动切割问题，实现了切割前无需划线、切割后无需打磨割口、割口质量高、几何形状精确的高性能数控下料生产，显著提高下料质量和生产效率、有效降低了生产成本填补了该项数控设备国内空白。

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