五轴联动龙门式封头全自动开孔数控切割装备的研制

王永胜 霍建红 尹雪峰 王景文 边刘阳

(1.中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011；2.中车长江车辆有限公司冷智装备分公司 湖北 武汉 430200)

轨道交通LNG罐车、公水铁多式联运LNG罐箱等深冷产品的封头开孔质量关系到夹层管路的安装及夹层真空度的保持，如果发生质量问题，将出现泄漏，影响到轨道上其他车辆的运行。

封头开孔是轨道交通LNG压力容器制造过程中的重要环节，是焊接工序的重要准备工作，目前主要采用人工放样—人工划线—人工切割的工艺过程，容易造成以下问题：在封头规格、孔径、孔位、插入角度等出现变化时，需要重新放样划线，效率极低；人工放样、人工划线、人工切割无法保证相贯线的准确轨迹和位置。这些问题将直接影响到后续的焊接及容器的外观和产品质量。所以研制了五轴联动龙门式封头全自动开孔数控切割装备(见图1),配备先进的、非接触式测量的激光轮廓测量传感器，可实现封头在工作台上的任意摆放，自动确定封头中心；激光轮廓测量传感器可扫描封头表面轮廓，自动补偿封头加工误差，保证开孔精度。本装备与传统封头开孔数控切割机相比，可实现全自动、一次性连续完成封头上所有开孔切割工作，切割表面光滑，切割精度高，大量节省人工二次修正时间。

图1 五轴联动龙门式封头全自动开孔数控切割装备

1 封头开孔切割功能与特点

1.1 支持封头类型

该五轴联动龙门式封头全自动开孔数控切割装备支持的封头类型包括椭圆形封头、碟形封头、半球形封头，如表1所示。

表1 椭圆形封头、碟形封头、半球形封头参数表

1.2 支持开孔类型

该装备支持的开孔类型包括中心孔、偏心竖直孔、偏心法向孔、偏心与竖直方向成一定偏转角度的孔。实际切割样件如图2所示。

图2 切割样件图

1.3 支持坡口类型

该装备支持的坡口类型包括直口、V型、Y型、X型、K型坡口。

2 结构组成

2.1 总体结构

采用数控龙门桁架式结构，X、Y、Z、U、V五轴伺服联动，X、Y、Z实现空间任意位置定位，U、V实现割枪任意姿态控制。龙门导轨方向驱动采用双边伺服同步控制。系统结构组成如图3所示。

1—控制箱；2—X轴总成；3—左端梁；4—X轴驱动总成；5—Z轴总成；6—Z轴驱动总成；7—右端梁；8—U轴总成；9—V轴总成；10—激光视觉传感器；11—切割工件封头；12—Y轴总成。图3 系统结构组成图

2.2 具体结构

2.2.1坐标轴定义

根据图3所示，设备坐标系为直角坐标系加U、V偏转组成。将龙门横梁上的移动小车定义为X轴，龙门沿导轨移动方向定义为Y轴，立柱升降方向定义为Z轴，机头沿回转支撑旋转定义为U轴，割枪绕水平轴偏摆定义为V轴。

2.2.2各轴结构

X、Y、Z轴采用高精度齿轮、齿条传动，直线导轨定位。U轴采用行星齿轮传动，V轴采用多级齿轮传动。

割枪安装座上安装有激光轮廓测量传感器，与割枪同步旋转。激光轮廓测量传感器通过气动机构控制升降，测量时降落，切割时升起。该传感器为高精度精密传感器，用于定位封头中心、测量封头尺寸偏差，通过其反馈的尺寸偏差补偿切割程序，可保证切割尺寸精度。

2.2.3样机实物

研制的样机采用龙门式桁架结构，配备高精度的伺服电机、减速机，X轴、Y轴、Z轴采用斜齿式齿轮齿条、高精度直线导轨传动，样机的机械精度相较于传统等离子切割机有较大提升。样机实物如图4所示。

图4 实际设备照片

2.3 控制系统组成

数控系统为完全自主开发，具备自主知识产权，操作简单、易用，具备一键式启动、全自动切割的特点。可提供定制化开发服务，满足差异化需求。

采用全数字式五轴联动控制系统，配备松下交流伺服电机，显示屏人机交互界面，工业鼠标键盘，操作方便。配有激光轮廓测量传感器，用于封头定位和形状误差反馈，根据反馈自动调整切割程序，以保证切割精度。配备无线遥控器，提高操作便捷性。控制系统组成如图5所示。

图5 控制系统组成

2.4 激光轮廓测量传感器技术参数

激光轮廓测量传感器在参考距离为235 mm时，垂直方向测量范围为±50 mm，水平方向测量范围为40 mm，功率为100 mW。

3 性能指标

本设备性能指标如表2所示。

表2 设备性能指标

以外径1 100 mm、厚度8 mm的THA封头为例，开孔参数如表3所示。空行程速度为6 000 mm/min，切割速度为1 000 mm/min。

表3 开孔参数

4 应用前景

4.1 封头开孔

该五轴联动龙门式封头全自动开孔数控切割装备通过编程可实现封头全自动开孔， 在压力容器制造， 尤其是深冷压力容器制造领域有较好的应用前景， 在铁路LNG罐车、公铁水多式联运LNG罐箱等压力容器封头工艺件制备中可批量应用。 以公铁水多式联运LNG罐箱为例， 后端内容器封头上有7个尺寸、 方向不同的孔， 是安装内部管路和夹层管路的接口， 为了保证焊接质量， 孔周边开有坡口， 开孔图如图6所示。 人工划线、 开孔、 打磨坡口， 每件工作时间为90 min， 应用该设备后， 工作效率大幅提升。

图6 LNG罐箱内容器封头

4.2 其他应用

利用该设备编程、自动寻位、五轴变换角度等功能，通过更换夹具、工装，能实现自动装配、自动焊接等功能。从而实现封头工艺件开孔、开坡口、配件组装、配件全自动焊接等自动化操作。

5 结束语

本论文研制的五轴联动龙门式封头全自动开孔数控切割装备， 通过在机构末端加装激光轮廓测量传感器， 采用数控龙门桁架式结构，X、Y、Z、U、V五轴伺服联动，X、Y、Z实现空间任意位置定位，U、V实现割枪任意姿态控制。 可以实现封头任意摆放， 全自动封头开孔功能。 随着人工智能， 大数据技术的不断发展和成熟， 在未来，该五轴联动龙门式封头全自动开孔数控切割装备可以应用到其他三维结构件的切割工艺过程中。 通过设计优化， 可实现封头工艺件全流程工作， 升级为小型智能工作中心，还可以推广到化工装备用压力容器封头开孔、 生物制药发酵罐封头开孔、 货车用 LNG罐箱等,应用前景广泛。□