船用型材切割生產線輸入夾持角度適應控制研究

唐興華

上海中船臨港船舶裝備有限公司 上海 200032

1 序言

當前，我國船舶工業的國際地位不斷提升，同時也面臨更加嚴峻的國際競爭。在現代船舶建造中，會大量使用各種型材，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。

切割作為重要的型材加工手段，是船舶建造過程中基礎且非常重要的工序。船用型材主要分為等邊角鋼、不等邊角鋼、球扁鋼、T形鋼和H形鋼，各種型材需要按照指定要求切割，為后續的拼裝和焊接提供合格的原材料。由于各種型材具有不同的尺寸規格和品種差異，工件輪廓復雜且加工精度要求高，因此對型材的切割設備提出了更高的要求[1]。

船用型材切割生產線采用機器人切割系統，具有運行穩定、適應性強、自動化程度高等優點，能夠提高切割質量和生產效率，改善工人的勞動強度等，因而得到了廣泛應用。典型的船用型材切割生產線及其布置如圖1和圖2所示，可切割型材的品種為角鋼和球扁鋼。

圖1 典型船用型材切割生產線

圖2 典型船用型材切割生產線布置

船用型材切割生產線一般包括輸入機構、輸入夾持、切割室、輸出機構、切割電源和除塵系統等。

輸入機構將各種型材依次輸入，輸入夾持從型材的端面一側接觸型材，并上下夾緊型材的腹板或者長邊，型材被夾持推送輸入切割室，切割完成后的型材由輸出機構從切割室依次輸出。輸入夾持如圖3所示，輸入型材和被夾持的型材如圖4、圖5所示。

圖3 輸入夾持

輸入夾持從型材的端面一側上下夾緊型材，夾持面與型材腹板面或者長邊面垂直。由于在輸入過程中，型材的腹板或者長邊與輸送面呈一定角度，所以輸入夾持也應能旋轉一定角度，夾持面始終與型材腹板面或者長邊面垂直。由于各種型材尺寸規格差異，型材的輸送角度是變化的，故對輸入夾持提出了角度適應的要求。因此，分析了型材的輸送角度與型材截面的關系，創建了各種規格和尺寸的型材輸入夾持角度適應模型，提出了夾持角度適應控制的思路和具體措施。

圖4 輸入型材

圖5 被夾持的型材

2 角度適應模型

2.1 輸入型材和夾持姿態

輸入機構將型材（角鋼和球扁鋼）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，被放在輸送面上的位置不盡相同。目前的輸入夾持裝置都只能用于部分型號尺寸型材的輸送過程，無法對各種形狀的型材做到角度適應。

型材的腹板與輸送面呈一定角度α，輸入夾持在夾持前需要旋轉相應的角度α，夾持面與腹板表面始終垂直。

船用角鋼主要分為等邊角鋼和不等邊角鋼，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。輸入不等邊不等厚角鋼和夾持姿態如圖6所示，輸入不等邊等厚角鋼和夾持姿態如圖7所示，輸入球扁鋼和夾持姿態如圖8所示。

圖6 輸入不等邊不等厚角鋼和夾持姿態

圖7 輸入不等邊等厚角鋼和夾持姿態

圖8 輸入球扁鋼和夾持姿態

2.2 角度適應數學模型

從型材的截面尺寸出發，確定以型材截面尺寸和輸送角度α之間的數學模型，探究輸送角度α的規律性。

（1）角鋼角度數學模型 因為等邊角鋼邊寬度始終相等，所以角鋼在被夾持過程中其輸送角度始終等于45°。

不等邊不等厚角鋼角度適應模型如圖9所示。

不等邊不等厚角鋼輸送角度α的計算公式如下

根據不等邊不等厚角鋼的標準規格參數和公式（1），得出不等邊不等厚角鋼輸送角度α的數值，見表1。

不等邊等厚角鋼角度適應模型如圖10所示。

不等邊等厚角鋼輸送角度α的計算公式如下

根據不等邊等厚角鋼的標準規格參數和公式（2），得出不等邊等厚角鋼的輸送角度α的數值，見表2，最小輸入不等邊等厚角鋼為L100mm×63mm。

圖9 不等邊不等厚角鋼角度適應模型

圖10 不等邊等厚角鋼角度適應模型

表1 不等邊不等厚角鋼輸送角度α

表2 不等邊等厚角鋼輸送角度α

（2）球扁鋼角度數學模型 球扁鋼角度適應模型如圖11所示。

圖11 球扁鋼角度適應模型

球扁鋼的輸送角度α的計算公式如下

根據球扁鋼的標準規格參數和公式（3），得出球扁鋼輸送角度α的數值，見表3，最小輸入球扁鋼為100mm×7mm。

表3 球扁鋼輸送角度α

通過上述數學模型和表1～表3中輸送角度α的具體數值，總結出輸送角度α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G B/T 706—2016），輸送角度α為固定值45°。

2）對于不等邊不等厚角鋼（現行標準為CB 3269—1988和YB/T 4562—2016），輸送角度α的規律和特點呈現如下：①同一種標準下，同一種型鋼型號的輸送角度α與型鋼尺寸基本無關，可近似為固定值。②同一標準下，型鋼型號越大，輸送角度α越小：YB/T 4562—2016型材，L450mm比L200mm的輸送角度α約小9°（22.3°－13.3°=9°）；CB 3269—1988型材，L50mm比L30mm的輸送角度α約小4.7°（17.6°－12.9°=4.7°）。③不同標準的不等邊不等厚角鋼，同一種型鋼型號的輸送角度α相差較大。且YB/T 4562—2016標準的型材比CB 3269—1988標準的型材輸送角度α小。L350mm的輸送角度α最大角度差約5.1°（18.3°－13.2°=5.1°）。④輸送角度α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G B/T 706—2016），輸送角度α的規律和特點如下。①同一種型鋼型號的輸送角度α與型鋼尺寸基本無關，可近似為固定值。②等邊角鋼L100mm×80mm比較特殊，其輸送角度α不僅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G B/T 9945—2012），輸送角度α的規律和特點如下。①同一種球扁鋼型號的輸送角度α與型鋼尺寸基本無關，可近似為固定值。②不同型號的球扁鋼，輸送角度α差別不大，最大約1.2°（9.2°－8.0°=1.2°）。主要原因是由于不同型號的球扁鋼高度和寬度的比值變化較小。

3 角度適應控制

研究了各種型材的輸送角度α，利用各種型材對應的輸送角度α的規律，提出一種自適應的輸入夾持角度控制推進器的設計和控制方法，如圖12所示。

圖12 輸入夾持角度控制推進器

輸入夾持的夾持臂繞一定軸回轉，所需動力由推進器提供。推進器能夠精確控制推進距離和推進角度， 且自動化程度高。

推進器和輸入夾持的控制關系如圖13所示。

圖13 推進器和輸入夾持的控制關系

推進器推進距離L的計算公式如下

根據表1～表3的輸送角度α數值，可以得出對應于不同輸入型材所需的推進距離。當推出相應距離L后，輸入夾持的夾持面就能與輸入型材的腹板面垂直。

輸入夾持在推進器的作用下回轉相應角度的狀態如圖14所示。

圖14 輸入夾持回轉后的狀態

4 結束語

對于船用型材切割生產線，分析了各種型材的輸送角度α與型材截面的關系，創建了各種規格和尺寸的型材輸入夾持角度適應模型，通過對各種模型的求解，揭示出輸入型材輸送角度的規律性。在此基礎上，提出一種自適應的輸入夾持角度控制推進器的設計思路，為船用型材切割生產線的優化設計和控制提供重要的指導。采用該改進裝置后，切割質量和生產率均得到提高，現存的其他問題以及其他社會、經濟效益得到改善。