基本信息
- 項目名稱：
- 便攜式管相貫線切割機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 管件相貫線廣泛應用于空間鋼結構、海洋采油平臺、造船等行業(yè)，其相貫線形狀及焊接坡口切割質量直接影響著施工質量。管件相貫線不僅形狀復雜，而且其上面的焊接坡口角隨著相貫線位置不同而變化，手工切割難以保證質量，通常需要數(shù)控切割。 現(xiàn)有的數(shù)控相貫線切割機體積龐大、難以在施工現(xiàn)場使用；運動復雜（需要4～5個自由度）、價格昂貴（幾十萬，甚至上百萬人民幣），廣大中小型鋼結構企業(yè)主要依靠租賃方式使用該數(shù)控設備。 本便攜式管相貫線切割機器人采用3個運動自由度，通過建立特殊運動模型、以巧妙的機械機構實現(xiàn)相貫線及其焊接坡口的切割，具有結構簡單、重量輕、造價低廉、方便施工現(xiàn)場使用等優(yōu)點。
- 詳細介紹：
- 在管道輸油、輸氣、輸水工程、海洋采油平臺、江河湖海施工中的大型機架平臺及屋架、橋梁等空間鋼結構中，存在著大量的鋼管相貫連接結構。這些空間桁架結構的施工質量取決于各連接管件之間的相貫線焊接質量，而確保焊接質量的關鍵在于管件相貫線及其焊接坡口的切割質量，因此管件相貫線形狀及相應的焊接坡口是影響工程質量的關鍵。 管件相貫線切割的難點在于相貫線上的焊接坡口角不是一個定值，而是隨相貫線的位置角而變化。目前進行管件切割的方法有兩類，即手工切割和數(shù)控切割。 手工相貫線切割通常采用相貫線展開法，先經過人工放樣、劃線，然后進行手工切割。由于手工切割時形成的貫線凹凸不平，經常需要人工打磨工序，同時手工切割難以保證貫線焊接坡口角，極大地影響了施工質量。另外，手工切割要求工人技術水平要很高，而且工人的勞動強度大、加工效率低。目前許多中小型企業(yè)對于簡單鋼結構工程，仍采用這種手工切割方法。 數(shù)控切割設備一般具有4～5個運動自由度，工作時被加工管件需要通過三爪夾盤帶動旋轉（大型管件搬運、旋轉較困難，而且對于大直徑管件，這種設備將更加龐大），切割頭安裝在與工件軸線相平行的導軌小車上或龍門架上，這類設備的結構龐大，占地面積也很大，設備搬運困難，難以在施工現(xiàn)場使用，而且這種數(shù)控切割機的售價很高，一般在幾十萬到上百萬人民幣不等，難以為中小企業(yè)所接受；此外，這類設備運功自由度多，操作復雜，只有受過專業(yè)培訓的技術人員才能操作。目前中小型企業(yè)主要依靠租賃方式來使用這類設備。 本項目所開發(fā)的便攜式管相貫線切割機器人采用3個運動自由度實現(xiàn)大型數(shù)控切割設備要用4～5個自由度才能實現(xiàn)的管相貫線切割，本機器人通過繞管件外壁爬行實現(xiàn)切割，因此其不受管件直徑限制，實現(xiàn)小型機切割大管件，具有結構簡單、重量輕、造價低廉，便于在施工現(xiàn)場使用。 本切割機器人解決了廣大中小型鋼結構企業(yè)能夠用得起數(shù)控切割設備的問題，結束了中小型鋼結構企業(yè)手工切割貫線的歷史，對提高鋼結構的施工質量，保證工程安全性有重要意義。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 針對目前數(shù)控火焰切割機體積大、價格高，難以在施工現(xiàn)場使用、難以為廣大中小型鋼結構企業(yè)所接受的現(xiàn)狀，本項目開發(fā)了一種具有自主知識產權的便攜式管相貫線切割機器人。 本便攜式管相貫線切割機器人具有三個運動自由度，包括圍繞管件外壁的爬行運動、沿管件軸向直線運動及割炬的回擺運動，通過三軸聯(lián)動方式實現(xiàn)相貫線及其焊接坡口的切割。本機器人結構簡單、重量輕、造價低廉，便于在施工現(xiàn)場使用，是廣大中小型鋼結構企業(yè)理想的數(shù)控貫線切割設備。 創(chuàng)新點和技術關鍵： （1）本機器人用3個自由度解決了傳統(tǒng)數(shù)控切割機要用4～5個自由度才能實現(xiàn)的貫線切割運動，大大降低了數(shù)控貫線切割機的成本，結束了中小型鋼結構企業(yè)手工切割貫線的歷史，解決了廣大中小型鋼結構企業(yè)能夠用得起數(shù)控切割設備的問題。 （2）本機器人沿管外壁爬行，不受管徑限制，實現(xiàn)小型機切割大管件，具有結構簡單、重量輕、造價低廉，便于在施工現(xiàn)場使用。解決了目前市場上的貫線切割機體積大，難以在現(xiàn)場使用的難題。 （3）采用內置DSP控制系統(tǒng)，操作方便。
科學性、先進性
- 現(xiàn)有的數(shù)控貫線切割機（如法因公司、四海公司、上海通用重工、日本三菱等企業(yè)產品）是通過三爪夾盤帶動管件旋轉，體積龐大（管件直徑越大，該機結構將更大）、運動復雜（需要4～5個自由 度）、價格昂貴（幾十萬，甚至上百萬人民幣），難以在施工現(xiàn)場使用，廣大中小型鋼結構企業(yè)主要依靠租賃方式使用該數(shù)控設備。 本作品采用磁性滾輪吸附、圍繞管件外壁行走，其體積不會因管件直徑增加而加大；采用3個運動自由度實現(xiàn)貫線切割，結構簡單、重量輕、造價低、可以方便在施工現(xiàn)場使用等優(yōu)點，克服了目前數(shù)控貫線切割機的缺陷。 參考文獻： [1]數(shù)控管子相貫線火焰切割機的研制.焊接技術，2006（2）。 [2]五軸數(shù)控火焰切管機床數(shù)控系統(tǒng)研制.機械科學與技術.2008(2) [3]基于PMAC的數(shù)控管切割機的開發(fā).石油機械，2004（2）。
獲獎情況及鑒定結果
- 2009年獲第七屆挑戰(zhàn)杯省級大學生科技作品競賽一等獎 獲校級2008年第十七屆大學生課外學術科技作品競賽特等獎
作品所處階段
- 作品構思于06年，通過結構方案設計、運動仿真，首臺樣機問世于07年，經多次改進，目前處于中試階段。
技術轉讓方式
- 目前市場上還沒有此類設備，本設備將有償技術轉讓。
作品可展示的形式
- 提供實物樣機，進行現(xiàn)場演示，播放施工現(xiàn)場切割錄像。
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 便攜式管貫線切割機器人采用嵌入式DSP控制系統(tǒng)，只需輸入管件直徑、厚度、偏心距及交角參數(shù)，無需復雜編程，操作方便，在施工現(xiàn)場經過簡單介紹，即可掌握操作。 本機器人沿被切割管件外壁爬行，具有體積小、結構簡單、重量輕、造價低廉、便于在施工現(xiàn)場使用等優(yōu)點。 本機器人將結束中小型鋼結構企業(yè)手工切割貫線的歷史，解決了廣大中小型鋼結構企業(yè)能夠用得起數(shù)控切割設備的問題。對提高了中小型鋼結構企業(yè)的施工質量、保證工程安全具有重要意義，將具有廣泛的應用前景。
同類課題研究水平概述
- 在管道輸油、輸氣、輸水工程、海洋采油平臺、江河湖海施工中大型機架平臺及屋架、橋梁等空間鋼結構中存在著大量的管-管相貫連接的結構，即通常所說的空間網架結構?？臻g網架結構的施工質量取決于各連接管件之間的相貫線的焊接質量，而確保焊接質量的關鍵在于管件相貫線及其焊接坡口的切割質量，因此管件相貫線形狀及相應的焊接坡口角是影響工程質量的關鍵。管件相貫線切割難點在于：相貫線上的焊接坡口角不是一個定值，而是隨著相貫線的位置角變化而變化。目前進行管件相貫線切割的方法主要有手工切割和數(shù)控切割。 手工切割難以保證切割質量。手工相貫線切割通常采用相貫線展開法，經過人工放樣、劃線、手工切割等工序。由于手工切割時形成的相貫線割縫凹凸不平，經常需要人工打磨，同時手工切割難以保證焊接坡口角，直接影響了施工質量。另外，手工切割要求工人技術水平很高，而且工人的勞動強度大、加工效率低。目前對于簡單鋼結構工程，許多中小型企業(yè)還采用這種手工切割方法。 數(shù)控切割設備一般具有4～5個運動自由度，如法因數(shù)控公司、四海數(shù)控公司、上海通用重工、日本三菱等國內外企業(yè)產品。該設備工作時，被加工管件需要通過三爪夾盤帶動旋轉, 切割頭安裝在與被切割管件軸線相平行的導軌小車上或龍門架上，被切割管件直徑越大，這種設備的體積將更加龐大。通常這類數(shù)控設備的結構體積龐大，占地面積也很大，設備搬運困難，難以在施工現(xiàn)場使用；這種數(shù)控切割機的運功自由度多，操作復雜，只有受過專業(yè)培訓的技術人員才能操作；而且其售價很高，一般在幾十萬到上百萬人民幣不等，難以為中小企業(yè)所接受，目前中小型鋼結構企業(yè)主要依靠租賃方式來使用這類設備。 可以看出，要提高鋼結構工程的施工質量，保證工程安全，采用數(shù)控切割相貫線勢在必行，而開發(fā)一種結構簡單、重量輕、造價低、能夠在施工現(xiàn)場方便使用的便攜式相貫線切割機器人必然具有廣闊的應用前景，對廣大中小型鋼結構企業(yè)來說，無疑是一種夢寐以求的理想設備。 本作品正是在這種背景下開發(fā)出來的一種新型數(shù)控相貫線切割設備，由于本機器人采用圍繞被切割管件外壁行走，相當于將被切割管件作為工作臺使用，因此其體積不會因管件直徑增加而增加，同時采用3自由度切割貫線，具有體積小、重量輕、結構簡單、價格低廉、便于在施工現(xiàn)場使用等優(yōu)勢，因此具有廣闊的應用前景。
