合成氨工藝管道相貫線切割機器人設計

2018-05-21 09:05:30張亞瓊侯志偉劉得懷楊大偉張亞男

裝備制造技術 2018年3期

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，近年來應用在生產生活的各個領域，合成氨的生產需要通過工藝管道進行輸送反應。長時間的生產下，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。根據企業的實際需求，研發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，基于數字控制技術，采用“NC嵌入PC”的雙CPU的運動控制，以實現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旋轉運動；主滑塊在龍門架兩側的導軌上運動實現上下移動機構；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。送料工作臺兩側設有V形導軌，V形導軌上設有與其配合的V形滑塊，一側的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 控制系統設計

2.1控制系統硬件設計

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選用標準的工業控制機，從而對兩軸聯動實現控制。從系統功能、開放性和開發成本進行綜合考慮，本次選用PMAC2 PCI-LITE運動控制卡，附件ACC-8S作為轉接板。PMAC2 PCI-LITE是PMAC產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的應用，它可以控制四個通道。在本系統中，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 控制系統硬件結構

2.2控制系統軟件設計

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、伺服驅動等。后臺程序就是上位機應用程序，主要用來實現系統的非實時控制功能，包括系統的數據處理、參數輸入、通訊接口和提供良好的人機界面等，是控制軟件開發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用Delta Tau公司提供的通訊驅動函數庫Pcomm32PRO中的函數完成。

控制系統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。