CN102554399A - 三维联动管道斜切装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种斜切出的管端口符合管道焊接工艺要求的三维联动管道斜切装置，其特征在于割炬控制机构通过割炬调节机构与割炬连接。在切割过程中，使用单片机控制三个电机同时运转，步进电机A调整割炬的轴向位移、步进电机B对割炬的角度进行实时调整、行走电机使割炬沿管道做圆周向行走，实现割炬的三维联动；步行电机的运动驱动角度传感器传出信号，连同位移传感器的位移反馈信号及时传送到单片机，便于调节两个步进电机随动，进一步提高了切割精度，根本上地解决了斜切切割面为复杂曲面，不能焊接的问题，不用修整一次成型，大幅提高了工作效率。

Description

三维联动管道斜切装置

技术领域

本发明涉及焊接与切割领域，尤其涉及一种管道角度切割装置。

背景技术

随着国民经济的发展，石油管道和城市管道建设里程数不断增加，管道建设任务越来越繁重。长输管线在管道对接时，由于测绘、施工的误差、管道自身的变形及其他原因，常常出现管道对接角度偏离较大，甚至远远超过了国家规定的标准范围(≤3°)，这就需要在野外管线施工现场对固定管道进行有一定角度的切割(斜切)。如本发明人的专利CN 1803368A《管道接口角度切割装置》，该发明实现了管道切割过程中割炬的两维运动。在工程实践中发现，使用该发明对管道斜切时管端口产生的是一个非常复杂的曲面，两维运动的割炬所切出的带角度的管道管端口不能满足管道焊接工艺的要求，需经二次处理才能用于焊接，有的甚至需要重新切割。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种斜切出的管端口符合管道焊接工艺要求的三维联动管道斜切装置，包括沿管道圆周方向运动的行走小车，其上安装有行走电机、角度传感器和控制盒，行走电机输出轴的链轮上设有可绕在管道圆面上的链条，所述行走小车还安装有行走车轮和导向车轮，导向车轮位于缠绕在管道上的轨道上，所述行走小车通过支撑板与割炬控制机构连接，其特征在于还包括割炬调节机构，割炬调节机构分别与割炬和所述割炬控制机构连接。

所述割炬控制机构包括滚珠丝杠、滑杠、滑块和步进电机A，滑块位于滚珠丝杠和滑杠上并可在其上滑动，滚珠丝杠、滑杠与所述支撑板连接，步进电机A与滚珠丝杠一端连接并固定在所述支撑板上。

所述割炬调节机构包括安装板和固定在其上的步进电机B，安装板与所述滑块连接，步进电机B输出轴上的齿轮与割炬齿轮啮合，割炬齿轮与所述割炬连接。

所述轨道为0.3-0.5mm的不锈钢薄板通过轧制形成冷作硬化的凹凸槽。所述控制盒表面安装控制盒面板，其内部安装有控制电路、位移传感器和两个步进电机驱动器，两个步进电机驱动器分别与所述步进电机A和所述步进电机B连接，控制电路由单片机实施控制，通过接收控制盒面板输入的相关参数、位移传感器的位移反馈信号和所述角度传感器输入的信号，经计算得到所述步进电机A的轴向位移量和所述步进电机B的角度偏转量，通过两个步进电机驱动器分别驱动所述步进电机A移动指定的轴向位移量、所述步进电机B转动相应的角度偏转量。

所述控制电路包括所述单片机、按键显示驱动电路、电机输出驱动电路、位移输入整形电路、数模转换电路和信号处理器，所述单片机的专用接口分别连按键显示驱动电路、电机输出驱动电路、位移输入整形电路和数模转换电路，信号处理器与按键显示驱动电路、模数转换电路连接，位移输入整形电路与电机输出驱动电路连接。

本发明的有益效果为：步进电机A通过滚珠丝杠控制滑块在滑杠上滑动，可以精确调节割炬的轴向位移，提高了移动精度，通过步进电机B输出轴上的齿轮与割炬齿轮啮合，提高了割炬的角度偏转精度。将轨道缠绕在管道上，保证了轨道与管道轴的垂直，提高了切割的环向行走精度，采用十分薄的具有柔性的轨道，缠绕在管道上的重叠部分引起的径向凸起很小，足以满足切割要求，并可用于不同口径的管道。

在切割过程中，使用单片机控制三个电机同时运转，步进电机A调整割炬的轴向位移、步进电机B对割炬的角度进行实时调整、行走电机使割炬沿管道做圆周向行走，实现割炬的三维联动；步行电机的运动驱动角度传感器传出信号，连同位移传感器的位移反馈信号及时传送到单片机，便于调节两个步进电机随动，进一步提高了切割精度，根本上地解决了斜切切割面为复杂曲面，不能焊接的问题，不用修整一次成型，大幅提高了工作效率。

附图说明

图1为管道斜切原理立体图；

图2为割炬的三维联动示意图；

图3为本发明的侧视图；

图4为本发明的俯视图；

图5为本发明的控制结构框图；

图6为位移输入整形电路的电路图

图7为未使用本发明的厚管道壁割炬不垂直于管道轴线的切割效果图；

图8为使用本发明的厚管道壁割炬不垂直于管道轴线的切割效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，tgα＝L/2r，cosβ＝a/r，a＝r·cosβ，b＝r-a，x＝b·tgα，故可建立数学模型tgθ＝r/(L/2-x)＝r/[L/2-L/2(1-cosβ)]＝2r/(Lcosβ)＝1/(tgαcosβ)，其中r为钢管半径，a为切割角度，l为切割长度。割炬由A点开始转过周向角度β时割炬的轴向位移为x，可以看出割炬在任意时刻的位置仅与钢管斜切长度和割炬沿钢管表面转过的圆心角有关，而与钢管半径r无关。

如图2所示，在切割过程中，割炬具有三个自由度，沿着被切管道周向的回转运动记为R轴，沿被切管道的轴向移动记为z轴，同时割炬沿T轴自动倾斜一个角度。三个轴按照一定的数学关系联动，管道斜切相当于管道与割炬相贯，为保证割炬切割出来的是一个平面，就需要对割炬的角度进行实时调整。

如图3、图4所示，行走小车5上安装有行走电机1、控制盒2和角度传感器3，行走电机1输出轴的链轮上安装有可缠绕在管道17上的链条4，链条4通过链条张紧装置将行走小车5与轨道17压紧，将本设备固定在管道17上，行走小车5可围绕管道17做环向行走，行走小车5下安装有一个行走车轮6和两个导向车轮7，导向车轮7位于轨道8上，轨道为0.4mm的不锈钢薄板通过轧制形成冷作硬化的凹凸槽，轨道8安装在管道17上并与管道轴垂直，保证了行走小车5的环向行走精度，行走小车5上固定有支撑板9，支撑板9上固定有两根滑杠11和步进电机A10，步进电机A10与滚珠丝杠12连接，滚珠丝杠12与支撑板9连接，滚珠丝杠12位于两根滑杠11之间，滚珠丝杠12和滑杠11与管道17平行，滚珠丝杠12和滑杠11上安装有可在其上滑动的滑块13，滑块13与安装板15连接，安装板15上安装有步进电机B14，步进电机B14输出轴上的齿轮与割炬齿轮啮合，割炬齿轮与割炬16连接。

如图5所示，控制盒2表面安装有控制盒面板，控制盒面板上有LED显示屏和多个按键，控制盒2内部安装有控制电路、位移传感器和两个步进电机驱动器，位移传感器可将步进电机A10的位移行走量反馈给控制电路，两个步进电机驱动器分别与所述步进电机A10和所述步进电机B14连接，控制电路由单片机实施控制，通过接收控制盒面板输入的相关参数、位移传感器的位移反馈信号和角度传感器3输入的信号，经计算得到步进电机A10的轴向位移量和步进电机B14的角度偏转量，通过两个步进电机驱动器分别驱动步进电机A10完成指定的轴向位移量、步进电机B14完成相应的角度偏量，继而控制割炬16的位置。

控制电路由单片机、按键显示驱动电路、电机输出驱动电路、位移输入整形电路、数模转换电路和信号处理器构成，单片机的专用接口分别连按键显示驱动电路、电机输出驱动电路、位移输入整形电路和数模转换电路，信号处理器与按键显示驱动电路和模数转换电路连接，位移输入整形电路与电机输出驱动电路连接。控制电路通过位移输出整形电路与位移传感器连接，通过信号处理器与角度传感器3连接，通过按键显示驱动电路与控制盒面板连接，通过两个完全相同的电机输出驱动电路分别与两个步进电机驱动器连接。

如图6所示，位移输入整形电路为：位移传感器与电阻R4串联后与稳压管Z1并联，再与运算放大电路连接，运算放大电路包括R2、R3和运算放大器ZA，该运算放大电路通过由R1、P1和C1构成的分压滤波电路与单片机连接。由于位移传感器的信号比较弱，因此需要位移输入整形电路来增强该信号，并对该信号进行整形，这样信号才能被单片机正确接收。

工作原理：将轨道8安装在管道17上，再将本设备放置在管道17上，并使导向车轮7位于轨道8的凸槽上，用链条4将本设备固定好，在控制盒面板上输入相应的参数，并将割炬16手动调整到合适的位置；启动电源，行走电机1开始运转、割炬16开始切割，本设备围绕管道17进行环向移动，角度传感器3将移动的角度输入到控制盒2内，控制电路的单片机控制步进电机A10完成相应的轴向位移量、步进电机B14完成相应的角度偏转量，位移传感器将割炬16的轴向位移移动量反馈给单片机，便于单片机进行精确调节。

单片机可以控制行走电机1、步进电机A10和步进电机B14同时运转，对割炬16进行三维调节，保证割炬16与管道壁的角度恒定，保证了斜切出的管端口满足管道焊接工艺的要求，如图7、图8所示。单片机只要控制步进电机A10和步进电机B14在切割的过程中不运转，也可完成对管道17的径向带角度的切割。

Claims (6)

1.一种三维联动管道斜切装置，包括沿管道圆周方向运动的行走小车(5)，其上安装有行走电机(1)、角度传感器(3)和控制盒(2)，行走电机(1)输出轴的链轮上设有可绕在管道(17)圆面上的链条(4)，所述行走小车(5)还安装有行走车轮(6)和导向车轮(7)，导向车轮(7)位于缠绕在管道(17)上的轨道(8)上，所述行走小车(5)通过支撑板(9)与割炬控制机构连接，其特征在于还包括割炬调节机构，割炬调节机构分别与割炬(16)和所述割炬控制机构连接。

2.如权利要求1所述的一种三维联动管道斜切装置，其特征在于所述割炬控制机构包括滚珠丝杠(12)、滑杠(11)、滑块(13)和步进电机A(10)，滑块(13)位于滚珠丝杠(12)和滑杠(11)上并可在其上滑动，滚珠丝杠(12)、滑杠(11)与所述支撑板(9)连接，步进电机A(10)与滚珠丝杠(12)一端连接并固定在所述支撑板(9)上。

3.如权利要求1或2所述的一种三维联动管道斜切装置，其特征在于所述割炬调节机构包括安装板(15)和固定在其上的步进电机B(14)，安装板(15)与所述滑块(13)连接，步进电机B(14)输出轴上的齿轮与割炬齿轮啮合，割炬齿轮与所述割炬(16)连接。

4.如权利要求1所述的一种三维联动管道斜切装置，其特征在于所述轨道(8)为0.3-0.5mm的不锈钢薄板通过轧制形成冷作硬化的凹凸槽。

5.如权利要求1所述的一种三维联动管道斜切装置，其特征在于所述控制盒(2)表面安装控制盒面板，其内部安装有控制电路、位移传感器和两个步进电机驱动器，两个步进电机驱动器分别与所述步进电机A(10)和所述步进电机B(14)连接，控制电路由单片机实施控制，通过接收控制盒面板输入的相关参数、位移传感器的位移反馈信号和所述角度传感器(3)输入的信号，经计算得到所述步进电机A(10)的轴向位移量和所述步进电机B(14)的角度偏转量，通过两个步进电机驱动器分别驱动步进所述电机A(10)移动指定的轴向位移量、所述步进电机B(14)转动相应的角度偏转量。

6.如权利要求5所述的一种三维联动管道斜切装置，其特征在于所述控制电路包括所述单片机、按键显示驱动电路、电机输出驱动电路、位移输入整形电路、数模转换电路和信号处理器，所述单片机的专用接口分别连按键显示驱动电路、电机输出驱动电路、位移输入整形电路和数模转换电路，信号处理器与按键显示驱动电路、模数转换电路连接，位移输入整形电路与电机输出驱动电路连接。

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