Белгород, Белгородская область, Россия
аспирант с 01.01.2019 по настоящее время
Россия
аспирант
Россия
Предложен авторский вариант подготовки к механической обработке торцов отвода крутоизогнутого под сварку. Свои исследования авторы строят, опираясь на требования нормативных документов, регламентирующих геометрические и технические характеристики изделия. Авторы предлагают свой, обоснованный в работе, вариант измерения отводов крутоизогнутых, с дальнейшим проведением механической обработки по разработанному алгоритму. Данный алгоритм позволяет выполнить сравнительную оценку реальных геометрических показателей заготовки, полученных в результате измерения, с нормативными данными в государственных стандартах. Результаты, приведенные в работе, могут быть полезны не только исследователям, выполняющим аналогичные работы, но и инженерам на производстве, занятым автоматизацией процессов контроля и диагностики, а также выполнением обслуживания и ремонта оборудования.
отвод крутоизогнутый, роботизированное измерение, роботизированная обработка, алгоритм, сравнение, оценка
Введение
Отводы крутоизогнутые применяются в трубопроводных системах АЭС и ТЭС. Большой процент брака подобных отводов, не позволяет обеспечить низкую себестоимость конечной продукции, ввиду отсутствия надёжных методов и способов базирования при формировании траектории перемещения режущего инструмента, что делает повышение эффективности производства отводов актуальной задачей на предприятиях, занятых выпуском деталей трубопроводов для АЭС и ТЭС [9, 10].
Отводы должны иметь правильную геометрию и размеры, соответствовать требованиям по радиусу и углу гибки, не превышать величину отклонения от перпендикулярности торцов, а также не превышать величину толщины стенки в месте расточки.
Основной проблемой получения необходимой геометрии мест под сварку является геометрия торца заготовки, получаемая методом протяжки через рогообразный сердечник.
Заготовка приходит на механическую обработку с различными толщинами стенки в растянутой и сжатой зонах в торцевом сечении (рис. 1).
Рис. 1. Разнотолщинность заготовки перед механической обработкой под сварку:
D – наружный диаметр; L – габариты заготовки; R – радиус гибки; S и S1 – толщина стенки в растянутой и сжатой зонах
Fig. 1. Variation in thickness of the workpiece before machining for welding:
D – outer diameter; L – dimensions of the blank; R – bending radius; S and S1 – wall thickness in the stretched and compressed zones
В связи с этим перед механической обработкой под сварку необходимо произвести измерения толщин заготовки, и далее, при необходимости, сместить инструмент на необходимую величину, чтобы выдержать толщину стенки в месте расточки Sk (рис. 2).
Рис. 2. Схема токарной обработки торцов отвода
Fig. 2. Scheme of turning the ends of the outlet
Методы и решения
Метод контактного контроля отводов гнутых с использованием в качестве щупа режущего инструмента заключается в том, что для контроля геометрических параметров отводов гнутых используется режущий инструмент в качестве щупа (рис. 3). Этот метод позволяет контролировать как внутренние, так и внешние поверхности отводов гнутых.
Суть метода заключается в том, что режущий инструмент устанавливается в приспособление на фланце шарнирного манипулятора и перемещается вдоль поверхности отвода гнутого, соприкасаясь с ней. В процессе перемещения инструмент записывает значения координат и заносит их в систему управления оборудованием.
Для контроля внутренней поверхности отвода гнутого, используется фреза с определенным радиусом, которое перемещается вдоль внутренней поверхности отвода гнутого. При контакте со стенками отвода фреза смещается, что заносится в систему управления [1].
Для контроля внешней поверхности отвода гнутого, используется фреза, которая перемещается вдоль внешней поверхности отвода гнутого. При контакте фреза смещается, что также заносится в систему управления [2, 5].
Данный метод контроля отводов гнутых с использованием в качестве щупа режущего инструмента позволяет получить высокую точность и скорость контроля геометрических параметров отводов гнутых, реализуется он только в том случае, если в манипуляторе установлены датчики, фиксирующие соприкосновение инструмента и поверхности заготовки.
Рис. 3. Использование фрезы в качестве измерительного инструмента
Fig. 3. Using a cutter as a measuring tool
Для выполнения измерений выполняется предварительная калибровка инструмента в соответствии с инструкцией на систему управления роботом, используемый авторами для эксперимента робот KUKA agilus R1620 с контроллером KRC4 позволяет выполнить эту операцию.
Таким образом, система координат инструмента переносится из заданной точки системы координат TCP в конечную точку инструмента и расчеты ведутся от нее.
На рис. 4 представлены схемы определения торца заготовки или определения плоскости заготовки. Предполагается, что инструмент последовательно от У1 к У4 касается торца заготовки тем самым определяется расположение плоскости относительно оси инструмента.
Рис. 4. Cхема калибровки инструмента относительно торца заготовки
Fig. 4. Scheme of tool calibration relative to the end face of the workpiece
На рис. 5 представлена схема, где в качестве шарнирного манипулятора используется манипулятор с грузоподъемностью 16 кг для обработки малых диаметров. На фланце манипулятора располагается мотор-шпиндель, с установленной в нем фрезой.
Заготовка отвода закрепляется в призме, расположенной на основании заготовки, и прижимается к ней хомутами. При этом основание жестко закрепляется на столе или другой поверхности.
Рис. 5. Вылет инструмента относительно фланца манипулятора
1 – заготовка; 2 – приспособление; 3 – шарнирный манипулятор; 4 – мотор-шпиндель; 5 – инструмент
Fig. 5. Scheme of tool calibration relative to the end face of the workpiece
1 – blank; 2 – fixture; 3 – articulated manipulator; 4 – motor spindle; 5 – tool
Вылет инструмента относительно фланца манипулятора – это расстояние между концом инструмента и плоскостью фланца манипулятора. Этот параметр может иметь важное значение при проектировании и эксплуатации манипулятора, поскольку он влияет на доступное пространство для работы инструмента и может ограничивать возможности выполнения определенных операций [3, 4].
Для установки допустимого вылета инструмента относительно фланца манипулятора следует руководствоваться требованиями конкретного оборудования и стандартами безопасности. Оптимальное значение вылета инструмента зависит от типа инструмента, его размеров и веса, а также от конструктивных особенностей манипулятора. Например, для использования тяжелых инструментов и обеспечения достаточной устойчивости манипулятора может потребоваться уменьшение вылета. Важно также учитывать возможные динамические нагрузки на инструмент и манипулятор в процессе работы, чтобы предотвратить возможность возникновения аварийных ситуаций.
Кроме того, при выборе допустимого вылета инструмента относительно фланца манипулятора необходимо учитывать тип и размеры заготовки, а также требуемую точность обработки. Если вылет инструмента слишком большой, это может привести к необходимости использования более мощных манипуляторов и более точных систем управления, что повышает стоимость оборудования. В то же время слишком маленький вылет может привести к трудностям при обработке заготовок большого размера [6, 7].
Кроме того, необходимо учитывать возможность коллизий между инструментом и другими элементами системы в процессе работы. Для этого может использоваться моделирование процесса обработки с помощью специализированного программного обеспечения, которое позволяет определить оптимальные значения параметров манипулятора и инструмента для каждой конкретной задачи.
Рис. 6. Геометрические модели траекторий
Fig. 6. Geometric trajectory models
На рис. 6 представлены геометрические модели траекторий обработки внутреннего и наружного диаметров. На основе найденного центра и диаметра генерируется траектории обработки.
Особенностью перемещения рабочего органа по окружности является то, что круговое движение рабочего органа выполняется без интерполяции, но при этом требуется создание вспомогательной точки на окружности [8].
Рассмотрим траекторию перемещения. Изначально в точке фреза перемещается в точку 2 – начало, при этом скорость перемещения в точку 2 плавно уменьшается до 0. Из точки 2 инструмент перемещается в точку 4. При этом радиус траектории определяется вспомогательной точкой 3, из точки 4 инструмент перемещается в точку 2 при этом радиус определяется точкой 5 [12, 13].
Таким образом формируется внешняя и внутренняя поверхности разделки под сварку.
Для внутренней:
(1)
Предпочтительно:
(2)
где dt – максимальная величина снимаемого припуска.
Для внешней:
(3)
Предпочтительно:
(4)
Таким образом система координат инструмента переносится из заданной точки системы координат TCP, в конечную точку инструмента и расчеты ведутся от нее.
На рис. 7 представлены схемы определения торца заготовки или определения плоскости заготовки. Предполагается, что инструмент последовательно, как говорилось выше, от точки У1 к У4 касается торца заготовки тем самым определяется расположение плоскости относительно оси инструмента. После чего инструмент устанавливается по нормали к этой плоскости для выполнения следующих измерений.
Рис. 7. Измерение внутреннего и наружного диаметра заготовки отвода
Fig. 7. Measuring the inside and outside diameter of a branch
Координаты центра по внутреннему диаметру:
(5)
(6)
Координаты центра по внешнему диаметру:
(7)
(8)
Алгоритм измерения внутренней и внешней поверхности представлен на рис. 8.
Рис. 8. Алгоритм измерения внутренней и внешней поверхности
Fig. 8. Algorithm for measuring the inner and outer surface
Пояснения к алгоритмам рис. 9: как только достигаем условия – сохраняем в переменной i значение шага, на котором было соблюдено условие, затем изменяем (увеличиваем) значение i на 1, и повторяем цикл поиска значений до координат для заготовки по условию 4.
Рис. 9. Пояснения к алгоритмам
Dо, Dв – наружный и внутренний диаметр заготовки соответственно
Fig. 9 Measuring the inside and outside diameter of a branch
Dо, Dв – outer and inner diameter of the workpiece
Начальные точки:
(9)
(10)
(11)
(12)
Предпочтительно:
(13)
где δ – гарантированный зазор между поверхностью инструмента и измеряемой поверхностью.
После определения допустимого диаметра и выбора инструмента необходимо определить центр места под сварку и сгенерировать траекторию обработки (рис. 10). Стоит отметить, что авторы, также использовали программу на языке KRL написанную в системе управления роботом.
Рис. 10. Текст программ
Fig. 10. Program text
Обсуждение
Для определения траектории обработки мест под сварку необходимо учитывать толщину стенки отвода, требуемую точность обработки, а также технологические особенности. Определение траектории обработки зависит от толщин стенок в торцевом сечении заготовки. По этой причине авторами был проведен эксперимент с использованием отвода гнутого диаметром 89 мм и робота, указанного в статье. На рис. 11 представлено фото, сделанное во время проведения эксперимента, с видеоматериалом измерений можно ознакомиться в презентации по ссылке https://cloud.mail.ru/public/hKZe/7XqwthXNV.
|
отвод |
|
фреза |
|
шпиндель |
|
фланец робота |
Рис. 11. Измерение внутреннего диаметра отвода фрезой (фрагмент видеозаписи)
В результате получен массив точек, который можно использовать для «восстановления» диаметра обрабатываемого торца отвода с использованием того же робота.
Заключение
Описанная авторами методика выполнения предварительных замеров заготовки отвода гнутого позволят в автоматическом режиме получить данные о геометрии торцов отвода, его расположения при использовании шарнирного манипулятора для съёма припуска под сварку. Следует отметить, что робот, используемый авторами, имеет низкую грузоподъёмность, что не позволяет выполнить обработку торца за один проход, по этой причине рекомендуется в реальных производственных условиях использовать манипулятор с грузоподъёмностью, соизмеримой с силами, возникающими при механической обработке, или выполнять съём припуска за нисколько проходов.
1. Артемьев В.И., и др. «Автоматизированная система контроля параметров заготовок методом режущего инструмента.» Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2015. № 1 (647). с. 28-35.
2. Болтенкова О.М. Разработка процессов гибки тонкостенных крутоизогнутых патрубков проталкиванием и раздачей трубных заготовок: специальность 05.02.09 «Технологии и машины обработки давлением»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Болтенкова Оксана Михайловна. Воронеж. 2013. 221 с.
3. Гаврилин А.Н., Мойзес Б.Б. Метод оперативной диагностики металлорежущего станка для обработки заготовок типа тел вращения // Контроль. Диагностика. 2013. № 9. С. 81-84.
4. Осипов А.Ф. Гибка труб в эксперементальном производстве // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2006. №1. С. 29-31.
5. Чепчуров М.С. Контроль и регистрация параметров механической обработки крупногабаритных деталей: монография. Белгород: Изд-во БГТУ. 2008. 232 с.
6. Чепчуров М.С., Четвериков Б.С. Позиционирование изделия в процессе автоматизированного бесконтактного контроля формы его поверхности качения // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2016. № 2. С. 99-103.
7. Четвериков Б.С., Одобеско И.А. Применение методов контроля геометрических параметров поверхностей, имеющих сложную форму // В сборнике: Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности. Сборник статей по итогам Международной научно-практической конференции. 2018. С. 171-173.
8. ОСТ 34-10-418-90. Отводы крутоизогнутые. Конструкция и размеры. М.: Минпромэнерго России. 1997. 16 с.
9. ТУ 34-42-388-78. Детали, элементы и блоки трубопроводов атомных станций из коррозионно-стойкой стали на давление до 2,2 МПа (22 кгс/см).
10. ТУ 14-3Р-55-2001. Трубы стальные бесшовные для паровых котлов и трубопроводов. Технические условия.
11. Corona E, Yield anisotropy effects on buckling of circular tubes under bending / E. Corona, L.-H. Lee, S. Kyriakides // Int. J. Solids fhd Struct. 2006. 43. P. 7099-7118.
12. A finite element method approach on linear wrinkling of lined pipe during bending / A. Hilberink, A.M. Gresnigt, L.J. Sluys // The Proceedings of 21 International Offshore and Engineering Conference. 2011. Vol. 2. P. 155-164.
13. Zhang H, Wang J, Zhang G, et al (2005) Machining with flexible manipulator: toward improving robotic machining performance. Proceedings, 2005 IEEE/ASME Int Conf Adv Intell Mechatronics 1127-1132 . doi: https://doi.org/10.1109/AIM.2005.151116
