基本信息
- 项目名称：
- 便携式管相贯线切割机器人
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 管件相贯线广泛应用于空间钢结构、海洋采油平台、造船等行业，其相贯线形状及焊接坡口切割质量直接影响着施工质量。管件相贯线不仅形状复杂，而且其上面的焊接坡口角随着相贯线位置不同而变化，手工切割难以保证质量，通常需要数控切割。 现有的数控相贯线切割机体积庞大、难以在施工现场使用；运动复杂（需要4～5个自由度）、价格昂贵（几十万，甚至上百万人民币），广大中小型钢结构企业主要依靠租赁方式使用该数控设备。 本便携式管相贯线切割机器人采用3个运动自由度，通过建立特殊运动模型、以巧妙的机械机构实现相贯线及其焊接坡口的切割，具有结构简单、重量轻、造价低廉、方便施工现场使用等优点。
- 详细介绍：
- 在管道输油、输气、输水工程、海洋采油平台、江河湖海施工中的大型机架平台及屋架、桥梁等空间钢结构中，存在着大量的钢管相贯连接结构。这些空间桁架结构的施工质量取决于各连接管件之间的相贯线焊接质量，而确保焊接质量的关键在于管件相贯线及其焊接坡口的切割质量，因此管件相贯线形状及相应的焊接坡口是影响工程质量的关键。 管件相贯线切割的难点在于相贯线上的焊接坡口角不是一个定值，而是随相贯线的位置角而变化。目前进行管件切割的方法有两类，即手工切割和数控切割。 手工相贯线切割通常采用相贯线展开法，先经过人工放样、划线，然后进行手工切割。由于手工切割时形成的贯线凹凸不平，经常需要人工打磨工序，同时手工切割难以保证贯线焊接坡口角，极大地影响了施工质量。另外，手工切割要求工人技术水平要很高，而且工人的劳动强度大、加工效率低。目前许多中小型企业对于简单钢结构工程，仍采用这种手工切割方法。 数控切割设备一般具有4～5个运动自由度，工作时被加工管件需要通过三爪夹盘带动旋转（大型管件搬运、旋转较困难，而且对于大直径管件，这种设备将更加庞大），切割头安装在与工件轴线相平行的导轨小车上或龙门架上，这类设备的结构庞大，占地面积也很大，设备搬运困难，难以在施工现场使用，而且这种数控切割机的售价很高，一般在几十万到上百万人民币不等，难以为中小企业所接受；此外，这类设备运功自由度多，操作复杂，只有受过专业培训的技术人员才能操作。目前中小型企业主要依靠租赁方式来使用这类设备。 本项目所开发的便携式管相贯线切割机器人采用3个运动自由度实现大型数控切割设备要用4～5个自由度才能实现的管相贯线切割，本机器人通过绕管件外壁爬行实现切割，因此其不受管件直径限制，实现小型机切割大管件，具有结构简单、重量轻、造价低廉，便于在施工现场使用。 本切割机器人解决了广大中小型钢结构企业能够用得起数控切割设备的问题，结束了中小型钢结构企业手工切割贯线的历史，对提高钢结构的施工质量，保证工程安全性有重要意义。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 针对目前数控火焰切割机体积大、价格高，难以在施工现场使用、难以为广大中小型钢结构企业所接受的现状，本项目开发了一种具有自主知识产权的便携式管相贯线切割机器人。 本便携式管相贯线切割机器人具有三个运动自由度，包括围绕管件外壁的爬行运动、沿管件轴向直线运动及割炬的回摆运动，通过三轴联动方式实现相贯线及其焊接坡口的切割。本机器人结构简单、重量轻、造价低廉，便于在施工现场使用，是广大中小型钢结构企业理想的数控贯线切割设备。 创新点和技术关键： （1）本机器人用3个自由度解决了传统数控切割机要用4～5个自由度才能实现的贯线切割运动，大大降低了数控贯线切割机的成本，结束了中小型钢结构企业手工切割贯线的历史，解决了广大中小型钢结构企业能够用得起数控切割设备的问题。 （2）本机器人沿管外壁爬行，不受管径限制，实现小型机切割大管件，具有结构简单、重量轻、造价低廉，便于在施工现场使用。解决了目前市场上的贯线切割机体积大，难以在现场使用的难题。 （3）采用内置DSP控制系统，操作方便。
科学性、先进性
- 现有的数控贯线切割机（如法因公司、四海公司、上海通用重工、日本三菱等企业产品）是通过三爪夹盘带动管件旋转，体积庞大（管件直径越大，该机结构将更大）、运动复杂（需要4～5个自由 度）、价格昂贵（几十万，甚至上百万人民币），难以在施工现场使用，广大中小型钢结构企业主要依靠租赁方式使用该数控设备。 本作品采用磁性滚轮吸附、围绕管件外壁行走，其体积不会因管件直径增加而加大；采用3个运动自由度实现贯线切割，结构简单、重量轻、造价低、可以方便在施工现场使用等优点，克服了目前数控贯线切割机的缺陷。 参考文献： [1]数控管子相贯线火焰切割机的研制.焊接技术，2006（2）。 [2]五轴数控火焰切管机床数控系统研制.机械科学与技术.2008(2) [3]基于PMAC的数控管切割机的开发.石油机械，2004（2）。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年获第七届挑战杯省级大学生科技作品竞赛一等奖 获校级2008年第十七届大学生课外学术科技作品竞赛特等奖
作品所处阶段
- 作品构思于06年，通过结构方案设计、运动仿真，首台样机问世于07年，经多次改进，目前处于中试阶段。
技术转让方式
- 目前市场上还没有此类设备，本设备将有偿技术转让。
作品可展示的形式
- 提供实物样机，进行现场演示，播放施工现场切割录像。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 便携式管贯线切割机器人采用嵌入式DSP控制系统，只需输入管件直径、厚度、偏心距及交角参数，无需复杂编程，操作方便，在施工现场经过简单介绍，即可掌握操作。 本机器人沿被切割管件外壁爬行，具有体积小、结构简单、重量轻、造价低廉、便于在施工现场使用等优点。 本机器人将结束中小型钢结构企业手工切割贯线的历史，解决了广大中小型钢结构企业能够用得起数控切割设备的问题。对提高了中小型钢结构企业的施工质量、保证工程安全具有重要意义，将具有广泛的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 在管道输油、输气、输水工程、海洋采油平台、江河湖海施工中大型机架平台及屋架、桥梁等空间钢结构中存在着大量的管-管相贯连接的结构，即通常所说的空间网架结构。空间网架结构的施工质量取决于各连接管件之间的相贯线的焊接质量，而确保焊接质量的关键在于管件相贯线及其焊接坡口的切割质量，因此管件相贯线形状及相应的焊接坡口角是影响工程质量的关键。管件相贯线切割难点在于：相贯线上的焊接坡口角不是一个定值，而是随着相贯线的位置角变化而变化。目前进行管件相贯线切割的方法主要有手工切割和数控切割。 手工切割难以保证切割质量。手工相贯线切割通常采用相贯线展开法，经过人工放样、划线、手工切割等工序。由于手工切割时形成的相贯线割缝凹凸不平，经常需要人工打磨，同时手工切割难以保证焊接坡口角，直接影响了施工质量。另外，手工切割要求工人技术水平很高，而且工人的劳动强度大、加工效率低。目前对于简单钢结构工程，许多中小型企业还采用这种手工切割方法。 数控切割设备一般具有4～5个运动自由度，如法因数控公司、四海数控公司、上海通用重工、日本三菱等国内外企业产品。该设备工作时，被加工管件需要通过三爪夹盘带动旋转, 切割头安装在与被切割管件轴线相平行的导轨小车上或龙门架上，被切割管件直径越大，这种设备的体积将更加庞大。通常这类数控设备的结构体积庞大，占地面积也很大，设备搬运困难，难以在施工现场使用；这种数控切割机的运功自由度多，操作复杂，只有受过专业培训的技术人员才能操作；而且其售价很高，一般在几十万到上百万人民币不等，难以为中小企业所接受，目前中小型钢结构企业主要依靠租赁方式来使用这类设备。 可以看出，要提高钢结构工程的施工质量，保证工程安全，采用数控切割相贯线势在必行，而开发一种结构简单、重量轻、造价低、能够在施工现场方便使用的便携式相贯线切割机器人必然具有广阔的应用前景，对广大中小型钢结构企业来说，无疑是一种梦寐以求的理想设备。 本作品正是在这种背景下开发出来的一种新型数控相贯线切割设备，由于本机器人采用围绕被切割管件外壁行走，相当于将被切割管件作为工作台使用，因此其体积不会因管件直径增加而增加，同时采用3自由度切割贯线，具有体积小、重量轻、结构简单、价格低廉、便于在施工现场使用等优势，因此具有广阔的应用前景。
