Устройство для измерения и разметки заготовки отвода трубы большого диаметра

Устройство относится к приспособлениям, используемым в трубопроводном производстве, в частности для изготовления отводов труб, и может быть использовано для разметки заготовок отводов труб большого диаметра перед резкой.
Известно приспособление для разметки труб большого диаметра (Патент SU на изобретение №1444102, МПК B23D 33/12. опубликован 1988.15.12). Приспособление включает разметочный элемент, каркас с центрирующими и установочными опорами, три блока расположенные в одной плоскости и образующими треугольник, охватывающую их нить для формирования плоскости разметки и разметочный элемент выполненный в виде трости и шнура покрытого красящим веществом.
Недостатком этого устройства является низкая производительность технологического процесса разметки. Это объясняется присутствием в технологическом процессе разметки большого объема ручного труда при использовании крупногабаритного ручного мерительного инструмента. Кроме того, устройство обладает низкой точностью разметки, так как разметочный элемент выполнен в виде шнура, что приводит к нанесению линии разметки равной толщине шнура и ореолу рассеивания красящего элемента при касании разметочного элемента с размечаемым объектом.
Наиболее близким к заявленному устройству по совокупности существующих признаков и выбранном в качестве прототипа является устройство для измерения и разметки заготовок труб большого диаметра (Патент RU на полезную модель №205701, МПК-2019 B23D 33/12. опубликован 2021.29.07). Устройство включает робот-манипулятор с системой управления, разъемный корпус, микропроцессорную плату, лазерный дальномер, выжигающий лазер, центрирующую опору, сменные контактные элементы.
(x,y,z)
(x,y,z)
H
t
H
Недостатком прототипа является низкая точность разметки. Это объясняется тем, что устройство при вычислении координаты центра O окружности внутреннего изгиба заготовки отвода трубы, производится на основе измерения высоты сегмента  на каждом шаге измерения в одной плоскости измерения, при этом поверхность заготовки отвода трубы может иметь дефекты в виде окалины, высокой шероховатости, деформации. Производя измерение высоты сегмента только в одной плоскости, измерительный луч лазерного дальномера может попасть в впадину или выпуклость дефекта, что приведет к искажению измерения и некорректному расчету координаты центра O окружности внутреннего изгиба заготовки отвода трубы от которой зависит точность разметки.
С существенными признаками полезной модели совпадает следующая совокупность признаков прототипа: робот-манипулятор с системой управления, разъемный корпус, микропроцессорная плата, лазерный дальномер, выжигающий лазер, центрирующая опора, сменные контактные элементы.
(x,y,z)
(x,y,z)
Задачей, на решение которой направлено устройство, является повышение точности процесса разметки за счет обеспечения вычисления координаты центра O окружности внутреннего изгиба заготовки отвода трубы, на основе измерений геометрии заготовки отвода трубы в нескольких плоскостях и дальнейшем вычислении усредненного значения координат центра O окружности внутреннего изгиба заготовки отвода трубы.
Устройство для измерения и разметки заготовки отвода трубы большого диаметра содержит робот-манипулятор с системой управления, в нижней части которого закреплены параллельные штанги со сменными контактными элементами. На фланце робота-манипулятора установлен разъемный корпус с размещенными в нем, связанными между собой посредством обратных связей, микропроцессорной платой, тремя лазерными дальномерами и выжигающим лазером, установленным с обеспечением расположения оси излучателя выжигающего лазера перпендикулярно оси излучателей лазерных дальномеров. Оси излучателей дальномеров лежат в одной плоскости, на разной высоте и параллельны друг другу.
Наличие жестко связанных между собой параллельных штанг дает возможность установки заготовки отвода относительно системы координат робота-манипулятора таким образом, чтобы высота измеряемого сегмента по внутреннему изгибу заготовки отвода была перпендикулярна оси Y системы координат робота-манипулятора, что является необходимым условием при вычислении координат точек разметки.
Сменные контактные элементы позволяют произвести их замену в случае износа контактной поверхности.
Снабжение роботом-манипулятором с системой управления роботом позволяет перемещать разъемный корпус в любых направлениях с высокой точностью позиционирования в автоматическом режиме.
Размещение в одном разъемном корпусе связанных между собой посредством обратных связей микропроцессорной платы, лазерного дальномера и выжигающего лазера, обеспечивает перпендикулярное расположение осей излучателей лазерного дальномера и выжигающего лазера, что упрощает настройку устройства, защищает электронные компоненты от воздействия производственной среды, а обратная связь микропроцессорной платы с системой управления роботом (СУР) обеспечивает обмен данными о координатах положения осей излучателей лазеров в системе координат робота-манипулятора.
Лазерный дальномер необходим для вычисления расстояния от устройства до заготовки отвода трубы с целью передачи этих данных в микропроцессорную плату и последующего вычисления координат положения устройства и заготовки отвода трубы друг относительно друга в системе координат робота.
Наличие разметочного элемента выполненного в виде выжигающего лазера позволяет произвести бесконтактное нанесение разметки на заготовку отвода трубы.
(x,y,z)
Наличие трех лазерных дальномеров, оси излучателей которых лежат в одной плоскости, на разной высоте и параллельны друг другу, обеспечивает одновременное измерение геометрии заготовки отвода трубы в нескольких плоскостях, что в дальнейшем позволит вычислить усредненное значения координат центра O окружности внутреннего изгиба заготовки отвода трубы.
Совокупность указанных выше технических результатов, обеспечиваемых отличительными признаками технического решения, позволяет решить задачу - повышение точности процесса разметки.
Сущность устройства иллюстрируется графическим материалом.
На фиг. 1 показано устройство для измерения и разметки заготовок отводов труб большого диаметра; на фиг. 2 - показано продольное сечение разъемного корпуса; на фиг. 3 - показана блок-схема управления устройством; на фиг. 4 - схема к вычислению радиуса окружности сегмента по внутреннему изгибу заготовки отвода трубы.
Устройство для измерения и разметки заготовок отводов труб большого диаметра состоит из робота-манипулятора 1 с системой управления роботом, например KUKA KR8 R1620. На фланце робота-манипулятора 1 установлен разъемный корпус 2, в котором размещены микропроцессорная плата 3 и связанные обратными связями с ней лазерные дальномеры 4, например TOF10120 и выжигающий лазер 5. Микропроцессорная плата 3 также соединена обратной связью с СУР, (фиг. 3). Разъемный корпус 2 необходим для защиты электронных компонентов устройств размещенных в нем, от воздействия производственной среды.
Лазерные дальномеры 4 установлены в разъемном корпусе 2 относительно выжигающего лазера 5, таким образом, что ось излучателя 6 выжигающего лазера 5 перпендикулярна осям излучателей 7 лазерных дальномеров 4, при этом все оси излучателей 7 лазерных дальномеров 4 лежат в одной плоскости на разной высоте. Такая установка обеспечит при работе устройства его упрощенную наладку перед началом работ.
В нижней части робота-манипулятора 1 закреплены параллельные штанги 8, на концах которых установлены сменные контактные элементы 9. Сменные контактные элементы 9 необходимы для обеспечения контакта устройства с заготовкой 10 отвода трубы и подвергаются периодической замене по мере их износа.
Устройство монтируется и работает следующим образом.
t
t
Заготовка 10 отвода трубы размещается на технологическом плазе (на фигуре не показан), на котором установлено устройство для измерения и разметки заготовок отводов труб большого диаметра таким образом, чтобы войти в касание своей внутренней радиусной поверхностью с сменными контактными элементами 9 параллельных штанг 8. Сменные контактные элементы 9 обеспечивают совместно с параллельными штангами 8 центрирование заготовки 10 отвода трубы относительно систем координат робота-манипулятора 1. Оператор вводит в микропроцессорную плату 3 данные о заданном угле разметки заготовки 10 отвода трубы, длине шага  измерения и запускает цикл технологической операции разметки. Микропроцессорная плата 3, за счет обратной связи, дает команду СУР перемещать разъемный корпус 2, с лазерными дальномерами 4 от одной из параллельных штанг 8 к другой с заданной длиной шага . Робот-манипулятор 1 за счет обладания шестью степенями свободы и программного управления, обеспечивает перемещение разъемного корпуса 2 таким образом, чтобы оси излучателей 7 лазерных дальномеров 4 были параллельны параллельным штангам 8. При этом микропроцессорная плата 3 фиксирует в своей памяти данные измеренных расстояний каждым дальномером 4 на каждой итерации шага, одновременно с этим микропроцессорная плата 3 за счет обратной связи с СУР получает данные о координатах положения лазерных дальномеров 4 на каждом шаге измерения. Таким образом в память микропроцессорной платы 3 вносятся данные о длине L основания измеренного сегмента, равного произведению количества шагов на их длину t, а также высоты H сегментов, измеренных каждым лазерным дальномером 4 на разных высотах, равных модулю разницы минимального значения измеренного расстояния от излучателя 7 лазерного дальномера 4 и максимального. Кроме того фиксируются данные о координатах положения лазерных дальномеров 4 на каждом заданном шаге измерения.
L
(x,y,z)
Далее в микропроцессорной плате 3 производится вычисление радиуса R окружности сегмента по внутреннему изгибу заготовки 10 отвода трубы для каждого из трех лазерных дальномеров 4, для каждого в плоскости соответствующей его высоте, по общеизвестной формуле  (мм), где  - длина основания измеренного сегмента; H - высота сегмента. На основе рассчитанного значения радиусов R окружности по внутреннему изгибу заготовки 10 отвода трубы на разных высотах (соответствующих каждому лазерному дальномеру), а также с учетом установки лазерных дальномеров 4 и выжигающего лазера 5 относительно друг друга в разъемном корпусе 2, обеспечивающей перпендикулярность оси излучателя 6 выжигающего лазера 5 и осей излучателей 7 лазерных дальномеров 4, микропроцессорная плата 3 вычисляет усредненную координату центра O (фиг. 4) окружности внутреннего изгиба заготовки 10 отвода трубы.
(x,y,z)
За счет обратной связи микропроцессорная плата 3 передает сигнал СУР установить ось излучателя 6 выжигающего лазера 5 в координату O на высоту (d+50)мм, где d - диаметр заготовки 10 отвода трубы, для исключения возможности столкновения разъемного корпуса 2 закрепленного на фланце робота-манипулятора 1 с заготовкой 10 отвода трубы при осуществлении процесса разметки.
1(x,y,z)
2(x,y,z)
(x,y,z)
В зависимости от необходимого угла разметки заготовки 10 отвода задаваемого оператором, микропроцессорная плата 3 вычисляет координаты точек концов лучей разметки К и К выходящих из точки O (фиг. 4) и образующих заданный угол разметки, вдоль которых необходимо переместить включенный выжигающий лазер 5 для осуществления разметки заготовки 10 отвода трубы.
1(x,y,z)
(x,y,z)
2(x,y,z)
Далее микропроцессорная плата 3 за счет прямой связи включает выжигающий лазер 5 и передает посредством обратных связей СУР команду переместить выжигающий лазер 5 в точку К, затем вернуть его в точку O, после чего переместить в точку К. Таким образом наносится разметка на наружную поверхность заготовки 10 отвода трубы.
С учетом возможности износа ведется контроль состояния контактных элементов 9 и при необходимости производится их замена.
По окончании цикла разметки микропроцессорная плата 3 за счет прямой связи отключает выжигающий лазер 5 и посредством обратной связи дает команду СУР переместить устройство измерения и разметки в безопасное положение. Вся система переходит в режим ожидания команды оператора.
Использование устройства для измерения и разметки заготовок отводов труб большого диаметра позволит повысить точность нанесения разметки.