型材噴印距離精準調節研究

(上海中船臨港船舶裝備有限公司，上海 200032)

0 引言

現代船舶建造大量使用各種型材，船舶船體型材的使用量在船體全部鋼材用量中占有相當大的比例。

船用型材加工過程中需要對型材表面進行畫線，如裝配線、逆直線、切割線等，也需要對型材表面進行噴碼，如材料編碼、工藝編碼以及工藝信息等。目前通常采用噴印裝置來實現對型材表面畫線和噴碼。典型的型材噴印裝置如圖1所示。

圖1 典型的型材噴印裝置

噴印裝置的噴頭需要和型材表面平行，且在噴印過程中噴頭距離型材表面的高度(即噴印距離)始終要保持一致。噴印距離過遠，噴印介質無法噴到型材表面；噴印距離過近，噴印介質噴到型材表面會出現模糊重疊，因此噴印距離直接影響噴印的實際效果。而各種型材具有不同的形狀特征，尺寸信息相差較大，型材表面與水平面的夾角也相差較大。噴頭與水平面的夾角也相差較大，需要根據不同型材尺寸，不斷調整噴印裝置的實際位置。傳統做法是利用一個氣缸和彈簧通過輥輪來適應不同型材的表面，不同的型材需要調整氣缸推力和更換不同的彈簧，實現輥輪和型材表面貼合。應用氣缸+彈簧結構形式的型材噴印裝置如圖2所示。

型材噴印裝置工作流程為：首先氣缸拉起噴印裝置的噴頭和輥輪，此時噴印噴頭和輥輪與輸送輥道成一定角度，噴印裝置后退至一定距離，此位置為噴印裝置的原始位置，如圖1所示。當型材通過輸送輥道輸送至型材噴印裝置下方，控制系統控制型材噴印裝置前進靠近型材，等噴印裝置的側向垂直輥緊貼型材后，氣缸伸縮放下噴頭和輥輪，輥輪和型材表面貼合，噴頭開始沿型材寬度方向按照程序設定的軌跡運動，同時啟動噴印指令完成噴印，如圖3所示。

依靠彈簧的自身彈性變形來適應不同角度位置，會導致噴印距離無法保證恒定，易出現噴印距離一頭高一頭低的“喇叭口”。這種做法調節麻煩，自動化程度低，工作效率低下，型材噴印的質量無法保證。

因此非常有必要提供一種型材噴印距離精準調節和控制的方法，解決現有技術所存在的問題。

圖2 型材噴印裝置圖3 型材噴印裝置工作狀態(氣缸+彈簧結構形式)

分析了型材噴印裝置工作的運動位置關系，提出了運動位置關系數學模型以及精準調節的控制方法，創建了各種規格和尺寸的型材噴印距離精準調節的具體公式，并給出應用實例說明，揭示出噴印距離精準調節的規律性。

1 運動位置關系

輸入機構將型材依次輸入，型材的面板靠近輸送面的垂直立輥，垂直立輥可旋轉，型材緊貼著垂直立輥表面被輸入夾持夾緊往前輸送。

型材在輸送時，其被放在輸送面上的位置不盡相同，型材的腹板與輸送面成一定角度α，如圖4所示。

型材噴印距離運動位置關系如圖4所示。ΔEFG為型材截面輪廓，AC為氣缸，AB0為噴印裝置安裝的豎直框架。型材噴印裝置處在原始位置時，如圖4虛線所示。A點為氣缸安裝的上頂點，C點為氣缸安裝的下端點，噴頭和輥輪安裝在直線B0C上。

圖4 型材噴印距離運動位置關系

型材噴印裝置處在原始位置時，噴頭和輥輪與型材輸送輥道呈一定角度β，如圖4虛線所示。當噴印裝置工作時，噴頭和輥輪與型材輸送輥道的夾角應等于α。此時噴頭和輥輪的重量壓在型材上表面，要保持夾角由β變為α，噴印裝置的根部必須要向上翹起移動一定距離Δ，B0點和B1點重合，C點和C′點重合。對應不同型材，此距離Δ也不同。該距離Δ的表達式如下：

Δ=b-(L-dEG)tanα

(1)

式中：b為B0到型材輸送面的距離；L為B0到型材輸送垂直輥的距離；dEG為EF延長線與輸送面交點到G點的距離。

2 噴印距離精準調節

當Δ=0時，B0點和B1點重合。因此，只要精準控制B0到型材輸送面的距離b，就可實現型材噴印距離的精準調節控制。該精準調節距離b的表達式如下：

b=(L-dEG)tanα

(2)

船用型材主要分為角鋼和球扁鋼[1-4]。

從型材的截面尺寸出發，確定以型材截面尺寸和噴印精準調節距離b之間的數學模型，探究調節距離b的規律性。

2.1 角鋼數學模型

船用角鋼主要分為等邊角鋼和不等邊角鋼。

等邊角鋼邊寬度始終相等，角鋼在被噴印過程中其輸送角度始終等于45°。等邊角鋼[5]噴印模型如圖5所示。

圖5 等邊角鋼噴印模型示意圖

被噴印工件為等邊角鋼，精準調節距離b的計算公式如下：

(3)

其中，d0為邊寬度，d為邊厚度。

不等邊角鋼又可以分為不等邊不等厚角鋼和不等邊等厚角鋼。不等邊不等厚角鋼[1，6]噴印模型如圖6所示。

圖6 不等邊不等厚角鋼噴印模型示意圖

圖6中，t1為腹板厚度，t2為面板厚度，r為腹板端部圓角半徑，r2為面板內側圓角半徑，d0為面板寬度，d1為腹板寬度。

被噴印工件為不等邊不等厚角鋼[1，6]，精準調節距離b的計算公式如下[7]：

(4)

不等邊等厚角鋼[1，5]噴印模型如圖7所示。

圖7中，r1為邊端圓弧半徑，d0為短邊寬度，d1為長邊寬度。

被噴印工件為不等邊等厚角鋼[1，5]，精準調節距離b的計算公式如下[7]：

圖7 不等邊等厚角鋼噴印模型示意圖

(5)

2.2 球扁鋼數學模型

球扁鋼[4]噴印模型如圖8所示。

圖8中，d0為寬度，d1為高度，r1為球端圓角半徑，t為腹板厚度。

圖8 球扁鋼噴印模型示意圖

被噴印工件為球扁鋼[4]，精準調節距離b的計算公式如下[7]：

(6)

3 應用實例

輸入數據：L=600 mm。

根據等邊角鋼的標準規格參數和公式(3)，得出等邊角鋼噴印精準調節距離b的數值見表1。

表1 等邊角鋼噴印精準調節距離b

續表1

根據不等邊不等厚角鋼的標準規格參數和公式(4)，得出不等邊不等厚角鋼噴印精準調節距離b的數值見表2。

表2 不等邊不等厚角鋼噴印精準調節距離b

續表2

根據不等邊等厚角鋼的標準規格參數和公式(5)，得出不等邊等厚角鋼噴印精準調節距離b的數值見表3，最小輸入不等邊等厚角鋼為L100×63。

表3 不等邊等厚角鋼噴印精準調節距離b

續表3

根據球扁鋼的標準規格參數和公式(6)，得出球扁鋼噴印精準調節距離b的數值見表4，最小輸入球扁鋼為100×7。

表4 球扁鋼噴印精準調節距離b

續表4

通過上述數學模型和表1～表4中精準調節距離b的具體數值，總結出精準調節距離b與型材類型以及型材規格的規律如下：

(1)對于等邊角鋼(現行標準為GB/T 706—2016)，等邊角鋼規格越大，精準調節距離b越小。

(2)對于不等邊不等厚角鋼(現行標準為CB 3269—1988和YB/T 4562—2016)，精準調節距離b的規律和特點呈現如下：

①同一標準下，不等邊不等厚角鋼型號越大，精準調節距離b越小；

②不同標準的不等邊不等厚角鋼，同一種型鋼型號的精準調節距離b相差較大，且YB/T 4562—2016標準的型材比CB 3269—1988標準的型材精準調節距離b小。

③精準調節距離b的差異主要取決于不等邊不等厚角鋼截面尺寸的差異，同時也反映出各種型材標準之間的差異性。

(3)對于不等邊等厚角鋼(現行標準為GB/T 706—2016)，精準調節距離b的規律和特點呈現如下：

①不等邊等厚角鋼型號越大，精準調節距離b越小；

②等邊角鋼L100×80比較特殊，其精準調節距離b比其他的等邊角鋼都大，而且差值較大。

(4)對于球扁鋼(現行標準為GB/T 9945—2012)，精準調節距離b的規律和特點呈現如下：

球扁鋼型號越大，精準調節距離b越小。

4 結束語

對于船用型材噴印系統，開展了型材噴印距離精準調節的研究，提出了精準調節的控制方法，創建了各種規格和尺寸的型材噴印距離精準調節的具體公式，并給出應用實例說明，揭示出噴印距離精準調節的規律性。