管道相貫線自動(dòng)切割機(jī)器人切割系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)含proe三維仿真及8張CAD圖
管道相貫線自動(dòng)切割機(jī)器人切割系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)含proe三維仿真及8張CAD圖,管道,相貫線,自動(dòng),切割,機(jī)器人,系統(tǒng),研究,鉆研,設(shè)計(jì),proe,三維,仿真,cad
關(guān)于管道相貫線自動(dòng)切割機(jī)器人切割系統(tǒng)的研究
摘要 相貫線切割機(jī)器人是用于管道相貫線切割的自動(dòng)化工業(yè)機(jī)器人。長期以來，由于相貫線數(shù)控切割設(shè)備成本太高，國內(nèi)大部分企業(yè)仍舊停留在手工切割相貫線的階段，效率低下，加工精度低，切割質(zhì)量差。因此研究低成本的相貫線切割機(jī)器人具有十分重要的研究意義及工程應(yīng)用前景。
本文首先針對(duì)相貫線切割機(jī)器人的主體機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行分析。而后應(yīng)用大型工程軟件PROE對(duì)相貫線切割機(jī)器人進(jìn)行了三維建模和虛擬裝配。接著簡單介紹了一下等離子切割系統(tǒng)，并選擇了一個(gè)市場(chǎng)上已有的等離子切割系統(tǒng)作為相貫線切割機(jī)器人的執(zhí)行末端。使用通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)相貫線切割機(jī)器人切割系統(tǒng)的部分零件理論設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算與校核。最后簡單介紹了一下相貫線切割機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制原理。
總之，相貫線切割機(jī)器人必將會(huì)在未來工程中得到越來越多的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人 相貫線 等離子切割 有限元分析
Cutting System of pipeline Intersection Line Auto-cutting Robot
Abstract Robot of Intersection line Cutting is an industrial robot for cutting intersection line on the surface of pipe-line. Ever since a long time ago, most of companies are still cutting intersection line by hand because of Equipment costs are too high. So they have low efficiency, low machining accuracy and bad cutting quality. Therefore to find the Robot of Intersection line Cut with low costs have the extremely important research significance and the project application prospect.
Firstly, this paper studies the robot’s principle of its main body. And then, 3D models are built by PROE, a large-scale engineering software, and be virtual assembled. Next, Plasma Cutting System was simply introduced. Then, a Plasma Cutting System on sale was chose to be the implementation of the end of the robot. Also, theoretical results are validated using ANSYS software, a kind of Finite Element Analysis software. Last, the control system of the robot was simply introduced.
In a word, Robot of Intersection line Cutting can be hopefully used in many fields.
KEY WORDS: Robot; Intersection line; Plasma Cutting; Finite Element Analysis
目 錄
第一章 緒 論 1
1.1 相貫線切割的現(xiàn)狀 1
1.2 自動(dòng)化相貫線切割設(shè)備的介紹 2
1.3 工業(yè)機(jī)器人的介紹 3
1.4 工業(yè)機(jī)器人的分類 3
1.5 工業(yè)機(jī)器人的控制 6
1.6 工業(yè)機(jī)器人的使用現(xiàn)狀 7
1.7 本文研究的內(nèi)容 8
第二章 相貫線切割機(jī)器人切割系統(tǒng)機(jī)構(gòu)分析及三維建模 9
2.1 引言 9
2.2 相貫線切割機(jī)器人切割系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)分析 9
2.3 三維建模 11
第三章 等離子切割系統(tǒng)的介紹 19
3.1 引言 19
3.2 等離子切割系統(tǒng)的介紹 19
3.3 產(chǎn)品詳細(xì)介紹 22
第四章 相貫線切割機(jī)器人切割系統(tǒng)關(guān)鍵零件的有限元分析 25
4.1 有限元方法及ANSYS簡介 25
4.2 各零件的有限元分析 26
第五章 相貫線切割機(jī)器人的控制原理 39
5.1 引言 39
5.2 等離子切割系統(tǒng)的控制 39
5.3 切割系統(tǒng)機(jī)械部分的控制 39
5.4 定位系統(tǒng)的控制 39
5.5 控制系統(tǒng)原理圖 40
第六章 總結(jié)與展望 41
6.1 總結(jié) 41
6.2 展望 41
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………….43
致 謝 ……………………………………………………………………………………….45
VII
第一章 緒 論
1.1 相貫線切割的現(xiàn)狀
圖1-1 多種類型的相貫線接頭
電力、水利、供水、石油、化工、冶金、建筑、鋼結(jié)構(gòu)、造船、壓力容器等行業(yè)，經(jīng)常要使用大量的管道，在大量使用管道過程中必然會(huì)出現(xiàn)管與管的相交。管與管相交所形成的曲線即為我們所說的相貫線，相貫線的形狀隨著兩管直徑的不同、相交角度的不同、相交部位的不同會(huì)有很大變化，因此相貫線接頭（圖1-1）屬于多品種、多規(guī)格、單件小批量生產(chǎn)，因此對(duì)切割機(jī)的切割功能、控制功能、工藝、調(diào)整和操作等都有非常嚴(yán)格的要求，以適應(yīng)工廠、工地的惡劣環(huán)境。
長期以來管道項(xiàng)管線的切割大都采用手工放樣的方式，根據(jù)鋼管之間的交角，以及鋼管直徑大小，計(jì)算相貫線線型的平面圖(即根據(jù)相交形式，把鋼管按平面展開)，根據(jù)相貫線的平面圖形數(shù)據(jù)，用薄鋼板制作模板，把模板緊貼鋼管外壁在鋼管上劃線，然后按照劃線路徑使用手工氣割。使用手工放樣法浪費(fèi)了大量的人力和時(shí)間，而制作的精度并不是很高，管與管的結(jié)合面不吻合，給下道的焊接工序帶來了很多不便。因此研究通過數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)以完成管道間相貫線的自動(dòng)切割的管道相貫線切割機(jī)器人具有十分重要的研究意義及工程應(yīng)用前景。
1.2 自動(dòng)化相貫線切割設(shè)備的介紹
自動(dòng)化相貫線切割設(shè)備利用圖形的幾何原理，根據(jù)輸入的兩管直徑和兩管軸線的夾角以及兩管軸線的距離可以自動(dòng)計(jì)算出相貫線的線形和方程。有了相貫線的方程以后就可以通過數(shù)控控制設(shè)備來控制相應(yīng)電機(jī)沿相貫線的軌跡行走。再通過對(duì)切割裝置的控制就可以達(dá)到相貫線切割的目的。
圖1-2 ZLQ-13組合型數(shù)控相貫線切割機(jī)
自動(dòng)化相貫線切割設(shè)備具有很多傳統(tǒng)方法所沒有的優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)化相貫線切割設(shè)備效率比傳統(tǒng)方法高。由于采用計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)，免去了手工放樣制模的步驟，因而效率較高。精度比傳統(tǒng)方法高。因?yàn)椴捎糜?jì)算機(jī)控制，可以把誤差控制在較小范圍內(nèi)，相比手工控制，精度自然提高了。對(duì)操作者要求降低了。在手工放樣中，要求操作者計(jì)算并繪制相貫線的線型平面圖。這些工作要求操作者必須具備一定的數(shù)學(xué)和畫法幾何的基礎(chǔ)。而自動(dòng)化相貫線切割設(shè)備并不要求操作者具備這些基礎(chǔ)，只要操作者能了解并輸入兩相交管的直徑、夾角、軸線距離就能由計(jì)算機(jī)根據(jù)程序自動(dòng)計(jì)算出相貫線方程，因此，對(duì)操作者的要求降低了。自動(dòng)化相貫線切割設(shè)備能完成某些傳統(tǒng)方法不能完成的任務(wù)。在鋼結(jié)構(gòu)頂棚中，有大量不同相貫線需要切割。自動(dòng)化相貫線切割設(shè)備能完成大量不同相貫線的切割，而傳統(tǒng)方法由于人力和時(shí)間的限制就無法勝任。
自動(dòng)化數(shù)控相貫線切割設(shè)備在市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了一部分產(chǎn)品，主要分為兩種：一種是專用數(shù)控相貫線切割機(jī)；一種是數(shù)控相貫線切割部件（圖1-2），可將其配置到相應(yīng)的切割機(jī)上，來完成相貫線的切割。但總體來說，自動(dòng)化數(shù)控相貫線切割設(shè)備的價(jià)格還太高，不適合推廣使用。而成本較低的管道切割設(shè)備往往只能做到簡單的管道切割和斜切，并不能切割處相貫線。所以研制出成本較低的管道相貫線切割機(jī)器人是很有工程應(yīng)用前景的。
1.3 工業(yè)機(jī)器人的介紹
圖1-4 白車身產(chǎn)線上數(shù)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人正在協(xié)同作業(yè)
工業(yè)機(jī)器人也是一種自動(dòng)化數(shù)控設(shè)備，并且由于機(jī)器人具有可編程性，可以在任意位置、任意方向和任意環(huán)境下獨(dú)立地、協(xié)同地進(jìn)行工作，組成一種柔性的、靈活的、萬能的、具有多目的的自動(dòng)化系統(tǒng)。（圖1-4白車身產(chǎn)線上數(shù)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人正在協(xié)同作業(yè)）
1.4 工業(yè)機(jī)器人的分類
工業(yè)機(jī)器人的分類方式有很多種，可以按功能分類，也可以按照結(jié)構(gòu)類型來分，如串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人。下面就以按功能分類來對(duì)機(jī)器人進(jìn)行一下介紹。
1.4.1 焊接機(jī)器人
焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人（圖1-5）。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織工業(yè)機(jī)器人術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)的定義，工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)，具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口，通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。
圖1-5 焊接機(jī)器人
1.4.2 搬運(yùn)機(jī)器人
搬運(yùn)機(jī)器人是可以進(jìn)行自動(dòng)化搬運(yùn)作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人（圖1-6）。最早的搬運(yùn)機(jī)器人出現(xiàn)在1960年的美國，Versatran和Unimate兩種機(jī)器人首次用于搬運(yùn)作業(yè)。搬運(yùn)作業(yè)是指用一種設(shè)備握持工件，是指從一個(gè)加工位置移到另一個(gè)加工位置。搬運(yùn)機(jī)器人可安裝不同的末端執(zhí)行器以完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件搬運(yùn)工作，大大減輕了人類繁重的體力勞動(dòng)。目前世界上使用的搬運(yùn)機(jī)器人愈10萬臺(tái)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床上下料、沖壓機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線、自動(dòng)裝配流水線、碼垛搬運(yùn)、集裝箱等的自動(dòng)搬運(yùn)。部分發(fā)達(dá)國家已制定出人工搬運(yùn)的最大限度，超過限度的必須由搬運(yùn)機(jī)器人來完成。
圖1-6 搬運(yùn)機(jī)器人
1.4.3 裝配機(jī)器人
圖1-7 裝配機(jī)器人
裝配機(jī)器人為完成裝配作業(yè)而設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人。裝配機(jī)器人是柔性自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的核心設(shè)備，由機(jī)器人操作機(jī)、控制器、末端執(zhí)行器和傳感系統(tǒng)組成。其中操作機(jī)的結(jié)構(gòu)類型有水平關(guān)節(jié)型、直角坐標(biāo)型、多關(guān)節(jié)型和圓柱坐標(biāo)型等；控制器一般采用多CPU或多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)編程；末端執(zhí)行器為適應(yīng)不同的裝配對(duì)象而設(shè)計(jì)成各種手爪和手腕等；傳感系統(tǒng)又來獲取裝配機(jī)器人與環(huán)境和裝配對(duì)象之間相互作用的信息。常用的裝配機(jī)器人主要有可編程通用裝配操作手(Programmable Universal Manipulator for Assembly)即PUMA機(jī)器人（最早出現(xiàn)于1978年，工業(yè)機(jī)器人的祖始）和平面雙關(guān)節(jié)型機(jī)器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm)即SCARA機(jī)器人兩種類型。與一般工業(yè)機(jī)器人相比，裝配機(jī)器人具有精度高、柔順性好、工作范圍小、能與其他系統(tǒng)配套使用等特點(diǎn)，主要用于各種電器的制造行業(yè)。
1.5 工業(yè)機(jī)器人的控制
1.5.1 對(duì)機(jī)器人控制的一般要求
機(jī)器人控制系統(tǒng)是機(jī)器人的重要組成部分，用于對(duì)操作機(jī)的控制，以完成特定的工作任務(wù)，其基本功能如下：
·記憶功能：存儲(chǔ)作業(yè)順序、運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)速度和與生產(chǎn)工藝有關(guān)的信息。
·示教功能：離線編程，在線示教，間接示教。在線示教包括示教盒和導(dǎo)引示教兩種。
·與外圍設(shè)備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網(wǎng)絡(luò)接口、同步接口。
·坐標(biāo)設(shè)置功能：有關(guān)節(jié)、絕對(duì)、工具、用戶自定義四種坐標(biāo)系。
·人機(jī)接口：示教盒、操作面板、顯示屏。
·傳感器接口：位置檢測(cè)、視覺、觸覺、力覺等。
·位置伺服功能：機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、速度和加速度控制、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)取?
·故障診斷安全保護(hù)功能：運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護(hù)和故障自診斷。
1.5.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成
（1）控制計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)的調(diào)度指揮機(jī)構(gòu)。一般為微型機(jī)、微處理器有32位、64位等，如奔騰系列CPU以及其他類型CPU。
（2）示教盒 示教機(jī)器人的工作軌跡和參數(shù)設(shè)定，以及所有人機(jī)交互操作，擁有自己獨(dú)立的CPU以及存儲(chǔ)單元，與主計(jì)算機(jī)之間以串行通信方式實(shí)現(xiàn)信息交互。
（3）操作面板 由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構(gòu)成，只完成基本功能操作。
（4）硬盤和軟盤存儲(chǔ)存 儲(chǔ)機(jī)器人工作程序的外圍存儲(chǔ)器。
（5）數(shù)字和模擬量輸入輸出 各種狀態(tài)和控制命令的輸入或輸出。
（6）打印機(jī)接口 記錄需要輸出的各種信息。
（7）傳感器接口 用于信息的自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。
（8）軸控制器 完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置、速度和加速度控制。
（9）輔助設(shè)備控制 用于和機(jī)器人配合的輔助設(shè)備控制，如手爪變位器等。
（10）通信接口 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和其他設(shè)備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。
（11）網(wǎng)絡(luò)接口：
Ethernet接口：可通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)臺(tái)或單臺(tái)機(jī)器人的直接PC通信，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過Ethernet接口將數(shù)據(jù)及程序裝入各個(gè)機(jī)器人控制器中。
Fieldbus接口：支持多種流行的現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。
圖1-8 機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成
1.6 工業(yè)機(jī)器人的使用現(xiàn)狀
機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。主要進(jìn)行焊接、裝配、搬運(yùn)、加工、噴涂、碼垛等復(fù)雜作業(yè)。目前，全球現(xiàn)役工業(yè)機(jī)器人83萬臺(tái)。過去10年，機(jī)器人的價(jià)格降低約80%，現(xiàn)在繼續(xù)下降，而歐美勞動(dòng)力成本上漲了40%?，F(xiàn)役機(jī)器人的平均壽命在10年以上，可能高達(dá)15年，它們還易于重新使用。由于機(jī)器人及自動(dòng)化成套裝備對(duì)提高制造業(yè)自動(dòng)化水平，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭力、改善勞動(dòng)條件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增長速度較快。但是，對(duì)于目前中國大多數(shù)企業(yè)來說，使用通用機(jī)器人來切割管道相貫線成本還太高，大部分企業(yè)還承擔(dān)不了其成本。所以研究專用的管道相貫線切割機(jī)器人還有非常有工程意義和應(yīng)用前景的。
1.7 本文研究的內(nèi)容
第二章主要針對(duì)相貫線切割機(jī)器人切割系統(tǒng)各的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析。主要闡述了機(jī)器人機(jī)構(gòu)的工作原理，并進(jìn)行了三維建模和虛擬裝配。
第三章主要針對(duì)相貫線切割機(jī)器人的等離子切割系統(tǒng)進(jìn)行介紹。并初步選定了市場(chǎng)上已有的等離子切割系統(tǒng)作為機(jī)器人的末端執(zhí)行器。
第四章主要針對(duì)相貫線切割機(jī)器人切割系統(tǒng)的部分零件進(jìn)行有限元分析，以校核其設(shè)計(jì)的合理性。
第五章主要簡單介紹了相貫線切割機(jī)器人控制系統(tǒng)的原理。
最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)回顧，對(duì)后續(xù)工作的研究做了展望。
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第二章 相貫線切割機(jī)器人切割系統(tǒng)機(jī)構(gòu)分析及三維建模
2.1 引言
找到易于控制能實(shí)現(xiàn)相貫線運(yùn)動(dòng)的主體機(jī)構(gòu)是研究的關(guān)鍵問題。目前國內(nèi)外已有的一些相貫線切割設(shè)備，由于成本較高，仍不能滿足實(shí)際工程使用的需要，迫切需要研究者發(fā)明更多的成本較低的新機(jī)型。在眾多機(jī)型中找到適用于工程實(shí)際運(yùn)用、易于控制、成本低廉的機(jī)型是一個(gè)難點(diǎn)。本課題所研究的相貫線切割機(jī)器人的末端執(zhí)行器主要運(yùn)動(dòng)是沿著相貫線運(yùn)動(dòng)的。只要能滿足末端執(zhí)行器沿相貫線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，所需控制軸數(shù)越少，成本就越低，就越符合要求。
2.2 相貫線切割機(jī)器人切割系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)分析
R
參考方向
φ
Z
圖2-1 柱坐標(biāo)示意圖
相貫線是一種空間曲線，在直角坐標(biāo)系中必須有三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，才能沿相貫線軌跡運(yùn)動(dòng)。然而，在圓柱坐標(biāo)系中（圖2-1），針對(duì)特定已知直徑的管道，只需要沿柱坐標(biāo)系中圓柱周向和軸向兩個(gè)坐標(biāo)軸方向運(yùn)動(dòng)就可以形成相貫線的軌跡。
減少了運(yùn)動(dòng)方向就意味著減少了所需控制軸的數(shù)目，就能減少系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)也使系統(tǒng)更加容易控制，成本也更低。
本課題最終采用的機(jī)構(gòu)便是沿柱坐標(biāo)系中兩個(gè)坐標(biāo)軸方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。沿周向的運(yùn)動(dòng)采用的是固定被切割圓管的周向運(yùn)動(dòng)，使切割系統(tǒng)的割炬沿被切割圓管表面周向運(yùn)動(dòng)。具體的做法是采用一個(gè)帶輪齒的圓環(huán)壁，稱為大齒圈，使之與圓管保持同軸，在大齒圈內(nèi)壁上固定切割系統(tǒng)的割炬，并使之貼近被切割圓管。在運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)大齒圈自轉(zhuǎn)，這樣就能達(dá)到使割炬沿被切割圓管周向運(yùn)動(dòng)的目的（圖2-2）。
被切割管道
大齒圈
小齒輪
圖2-2 大齒圈周向運(yùn)動(dòng)
沿被切割圓管軸向的運(yùn)動(dòng)是通過固定切割系統(tǒng)沿被切割圓管軸向的運(yùn)動(dòng)，使被切割圓管沿其軸線方向運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。具體做法是把被切割圓管固定在定位支撐系統(tǒng)上，通過在定位支撐系統(tǒng)底部安裝導(dǎo)軌，導(dǎo)軌方向與被切割圓管軸線平行。通過使定位支撐系統(tǒng)在導(dǎo)軌上移動(dòng)來達(dá)到使圓管沿其軸線方向運(yùn)動(dòng)的目的。
當(dāng)相貫線切割機(jī)器人切割不同管徑的圓管時(shí)，可能由于固定在定位支撐系統(tǒng)上的被切割圓管管徑的不同而引起被切割圓管軸線與大齒圈不重合即存在高度差，而無法完成切割動(dòng)作。這時(shí)就要調(diào)節(jié)大齒圈的高度來使其軸線與被切割圓管軸線重合。具體做法如下：大齒圈在其整個(gè)工作過程中只需要沿自身周向做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，大齒圈的支撐座在大齒圈工作過程中空間位置是不變的，即大齒圈支承座在大齒圈工作過程中與機(jī)架底座的位置是固定的。所以要調(diào)整大齒圈的高度，只要在大齒圈支撐座與機(jī)架底座之間添加一個(gè)可以沿高度方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)就可以達(dá)到調(diào)整大齒圈高度的目的。
通過以上步驟就可以使相貫線切割機(jī)器人的執(zhí)行末端割炬到達(dá)所需要的位置。然而要使管道被切割處產(chǎn)生坡口，就必須調(diào)整割炬的姿態(tài)?？稍诟罹媾c大齒圈之間通過一些擺動(dòng)機(jī)構(gòu)來連接，使割炬能在一定角度內(nèi)擺動(dòng)，以達(dá)到調(diào)整割炬姿態(tài)的目的。
2.3 三維建模
通過上面的機(jī)構(gòu)分析，確認(rèn)了管道相貫線切割機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行三維建模。
由于大齒圈上有齒輪特征，建模比較復(fù)雜，故下面重點(diǎn)說明一下其三維建模的步驟。
大齒圈參數(shù)化設(shè)計(jì)過程。使用參數(shù)和關(guān)系式進(jìn)行設(shè)計(jì)，用公式、曲線創(chuàng)建漸開線曲線，通過拉伸切料在預(yù)先畫出的圓柱體上切出齒輪齒廓，陣列輪齒特征獲得所有齒廓，在用拉伸切料、旋轉(zhuǎn)切料等畫出大齒圈的其他形狀特征。
2.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)
打開參數(shù)窗口,向模型中添加的參數(shù)主要有齒數(shù)z，模數(shù)m，壓力角angle，齒頂高系數(shù)ha，頂隙系數(shù)c，分度圓直徑d，基圓直徑db，齒頂圓直徑da，齒根圓直徑df。已知的參數(shù)如下表1所示。
表1 已知齒輪參數(shù)
名稱
字母
大小
齒數(shù)
z
150
模數(shù)
m
4
壓力角
angle
20
齒頂高系數(shù)
ha
1
頂隙系數(shù)
c
0.25
2.3.2 創(chuàng)建基本曲線
通過關(guān)系式生成基本曲線時(shí)，首先草繪四個(gè)圓，分別為齒根圓、基圓、分度圓齒頂圓曲線，可以隨意設(shè)置圓的直徑數(shù)值，其具體數(shù)值將通過關(guān)系式來確定。打開關(guān)系窗口選擇特征項(xiàng),選中剛剛繪制的曲線將其尺寸標(biāo)注切換為符號(hào)顯示形式（sd0，sd1，sd2，sd3） 。
在關(guān)系的編輯窗口中建立如下約束條件。
d =m*z
db =m*z*cos(angle)
da =m*(z+2*ha)
df =m*z-2*m*(ha+c)
sd0 = df
sd1 = db
sd2 = d
sd3=m*z+2*m*ha
完成關(guān)系式的輸入后，執(zhí)行/校驗(yàn)關(guān)系并按關(guān)系創(chuàng)建新參數(shù)。保存關(guān)系后，系統(tǒng)將根據(jù)添加的關(guān)系式,自動(dòng)計(jì)算各圓直徑并繪制出來。
2.3.3 創(chuàng)建漸開線
在PRO /E中可以通過極坐標(biāo)、柱坐標(biāo)等生成漸開線,本文以柱坐標(biāo)為例建立如下關(guān)系式。
x =t*sqrt((da/db)^2-1)
y =180/pi
r =0.5*db*Sqrt(1+x^2)
theta =x*y-atan(x)
z =0
式中: t為系統(tǒng)參數(shù), 其值為0～1。x =t*sqrt((da/db)^2-1)是從基圓到齒頂圓的一段漸開線上的壓力角的正切值變化。保存關(guān)系式后,系統(tǒng)將根據(jù)此關(guān)系式創(chuàng)建漸開線,并生成圖形。
2.3.4 創(chuàng)建過渡線
由機(jī)械原理的基本知識(shí)可知：基圓內(nèi)沒有漸開線，但是當(dāng)齒輪的基圓半徑大于分度圓半徑時(shí)，還應(yīng)該在基圓以內(nèi)切除齒槽，不過由于這段曲線不影響齒輪的嚙合，可以不再使用漸開線，為了簡化操作，設(shè)計(jì)中可使用使用圓弧曲線或是與漸開線相切的直線來連接。但是由于大齒圈齒數(shù)較多，分度圓直徑較大，因此大齒圈的基圓直徑小于齒根圓的直徑，故不需要繪制過渡線。
2.3.5 創(chuàng)建齒廓
通過對(duì)漸開線旋轉(zhuǎn)復(fù)制和鏡像可以和原曲線得到一個(gè)齒槽的齒廓。注意在旋轉(zhuǎn)漸開線時(shí)，輸入的角度應(yīng)該輸入360/(2*z)的角度，對(duì)大齒圈來說應(yīng)輸入1.2度。得到旋轉(zhuǎn)復(fù)制的漸開線后應(yīng)找到它與齒輪分度圓的交點(diǎn)（圖4中點(diǎn)PNT0），并以該交點(diǎn)與齒輪原點(diǎn)的連線（圖2-3中的紅線DTM1）為鏡像軸對(duì)旋轉(zhuǎn)復(fù)制后的漸開線做鏡像。鏡像后的漸開線與最原始的漸開線和齒頂圓、齒根圓共同構(gòu)成一個(gè)齒槽的齒廓。
圖2-3 漸開線的旋轉(zhuǎn)與鏡像
2.3.6 創(chuàng)建齒輪的齒特征
首先先拉伸齒頂圓得到一個(gè)圓柱。再通過對(duì)得到的齒廓進(jìn)行拉伸切料，在已有的圓柱上得到一個(gè)齒槽。再對(duì)拉伸切料特征進(jìn)行通過選取軸來進(jìn)行環(huán)形陣列。在陣列其他齒槽特征時(shí),根據(jù)陣列齒數(shù)z，陣列輸入角度為360 / z，在大齒圈中是2.4度。如此就得到了齒輪的一整圈齒特征。
2.3.7 完成大齒圈其他特征
對(duì)大齒圈進(jìn)行拉伸切料，旋轉(zhuǎn)切料，倒角等一般簡單操作就可以得到所要的大齒圈形狀。最終大齒圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2-4。具體尺寸參見二維圖紙。
圖2-4 大齒圈
2.3.8 其他零件的三維模型
圖2-5 滾子、滾子軸
圖2-5、2-6分別是滾子、滾子軸、滾子圈以及裝配完成后的滾子套，滾子套是用于安裝在大齒圈跟其支承座之間的，用于支撐和固定大齒圈的位置。圖2-7是大齒圈下支撐座，用于托起大齒圈。圖2-8是小齒輪和部分零件裝配圖。
圖2-6 滾子圈以及裝配完成后的滾子套
圖2-8 小齒輪和部分零件的裝配圖
圖2-7 大齒圈下支撐座
圖2-9是大齒圈上支撐座和側(cè)立柱滑塊，側(cè)立柱滑塊是用于輔助支撐定位切割同的。
圖2-9 大齒圈上支撐座和側(cè)立柱滑塊
圖2-10 切割系統(tǒng)的支撐座
圖2-10是整個(gè)切割系統(tǒng)的支撐座，可用于調(diào)節(jié)切割系統(tǒng)的高度。圖2-11是電機(jī)罩和切割系統(tǒng)與其支撐座的裝配圖，電機(jī)罩用于保護(hù)電機(jī)和小齒輪。
圖2-11 電機(jī)罩和切割系統(tǒng)與其支撐座的裝配圖
圖2-12是側(cè)立柱，與側(cè)立柱滑塊配合使用。圖2-13是整個(gè)相貫線切割機(jī)器人的三維整機(jī)模型經(jīng)過虛擬裝配后的效果圖。
圖2-13 整個(gè)相貫線切割機(jī)器人的整機(jī)效果圖
圖2-12 側(cè)立柱
第三章 等離子切割系統(tǒng)的介紹
3.1 引言
經(jīng)過長期的發(fā)展，相貫線切割系統(tǒng)在切割能源取得了長足的發(fā)展，切割能源已由單一的火焰能源切割發(fā)展為目前的多種能源(火焰、等離子、激光、高壓水射流)切割方式。不同的能源有不同的有缺點(diǎn)。
火焰切割系統(tǒng)具有大厚度碳鋼切割能力，切割費(fèi)用較低，但存在切割變形大，切割精度不高，而且切割速度較低，切割預(yù)熱時(shí)間、穿孔時(shí)間長，較難適應(yīng)全自動(dòng)化操作的需要。它的應(yīng)用場(chǎng)合主要限于碳鋼、大厚度板材切割，在中、薄碳鋼板材切割上逐漸會(huì)被等離子切割代替。等離子切割系統(tǒng)具有切割領(lǐng)域?qū)?，可切割所有金屬管材，切割速度快，效率高，最大切割速度可達(dá)10m/min以上。采用精細(xì)等離子切割已使切割質(zhì)量接近激光切割水平，目前隨著大功率等離子切割技術(shù)的成熟，切割厚度已超過100mm，拓寬了數(shù)控等離子相貫線切割機(jī)切割范圍。因此，相貫線切割機(jī)器人采用等離子切割系統(tǒng)。
3.2 等離子切割系統(tǒng)的介紹
3.2.1 等離子弧的切割原理
利用等離子弧的熱能實(shí)現(xiàn)被切割材熔化的方法稱等離子弧切割，其切割原理利用高速、高溫和高能的等離子體來迅速加熱熔化被切割的材料，并借助內(nèi)部或外部的高速氣(水)流。將熔化的材料排開，直至等離子氣流束穿透工件背面而形成切口，從而達(dá)到切割的目的。
等離子弧柱的溫度極高，可達(dá)10000℃～30000℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了所有金屬或非金屬材料的熔點(diǎn)，因此等離子弧的切割過程不是依靠氧化反應(yīng)，而是靠熔化來切割材料的。因而其切割的適用范圍比氧切割大得多，幾乎能切割所有的金屬、非金屬、多層及復(fù)合材料。且其切口窄(中薄板材)，切割面的質(zhì)量好，切割速度快，切割厚度可達(dá)160mm。由于等離子弧的高溫、高速的特點(diǎn)，所以在切割薄板(≤0.5mm)也不會(huì)變形。特別是在切割不銹鋼、鈦合金及有色金屬材料領(lǐng)域，選用等離子切割非但能達(dá)到滿意的切割質(zhì)量，還能獲得比原工藝增加數(shù)以十倍計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益，因此等離子切割已得到各行各業(yè)越來越廣泛的應(yīng)用。
3.2.2 等離子弧的切割種類
按等離子弧的類形可以分為轉(zhuǎn)移弧切割（電弧由輔助電極高頻引弧后，電弧燃燒在鎢極與工件之間）和非轉(zhuǎn)移?。娀≡阪u極與噴嘴之間燃燒）切割兩大類。轉(zhuǎn)移弧大多應(yīng)用于金屬材料的切割，非轉(zhuǎn)移弧一般可用于非金屬材料的切割；
按切割形式可分為接觸式切割和非接觸式切割兩種，接觸式切割時(shí)可將割炬(也稱割槍)中的噴嘴直接與工件接觸起弧進(jìn)行切割．特點(diǎn)是操縱簡單、方便靈活，缺點(diǎn)是僅局限于小電流的(≤80A，因電流大時(shí)容易損壞噴嘴)手動(dòng)切割。在切割電流大于100A時(shí)均采用非接觸式切割的形式，其在切割時(shí)噴嘴與工件離開一定的距離，引弧時(shí)利用非轉(zhuǎn)移弧過度到轉(zhuǎn)移弧的形式，所以能適用于大電流的手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)切割。
按對(duì)電弧壓縮情況可分為一般等離子弧切割(電弧經(jīng)過機(jī)械、熱、和電磁壓縮)和水再壓縮等離子弧切割兩類；
（1）一般等離子弧切割(目前國內(nèi)大都采用這種切割辦法)以其使用離子氣體的種類可分為空氣等離子切割、混合保護(hù)性氣體切割兩類：
空氣等離子切割是利用壓縮空氣作為離子氣和吹離被切溶化材料的氣流。其工作原理是壓縮空氣在電弧中加熱后分解和電離，生成的氧與切割材料產(chǎn)生化學(xué)熱反應(yīng)，為此提供附加熱量，促使能加快切割速度，充分電離了的空氣等離子體，熱焓值高，因而電弧能量大。此法特別適用于切割電流在250A以內(nèi)，切割厚度在≤50mm的碳素鋼、低合金鋼，也可切割不銹鋼、銅、鋁、復(fù)合材料等?？諝獾入x子切割由于壓縮空氣來源方便且成本低，尤其在切割碳鋼合合金鋼的中、薄板，具有切割速度快、切割面質(zhì)量好、熱變形小等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是由于電極受氧化性氣體的強(qiáng)烈氧化，所以不宜采用廉價(jià)的鎢或鈰鎢作為電極材料，現(xiàn)在大都采用價(jià)格高昂的純鉿做成鑲嵌式電極(我公司采用的鉿材料均從美國進(jìn)口，使用壽命是國內(nèi)的1．5～2倍)。在切割不銹鋼、鋁合金時(shí)，由于氧與上述材料中的鉻反應(yīng)生成高熔點(diǎn)氧化物，因此切面較為粗糙。
混合保護(hù)性氣體等離子切割是為了提高電極的使用壽命，分別使用一種或兩種混合的氣體作為離子氣，目的是為防止電極氧化，而不與電極接觸的冷卻氣可以采用空氣，這樣一方面利用壓縮空氣在切割需區(qū)的化學(xué)反應(yīng)來提高切割速度，又可以防止氧與電極直接接觸，電極材料可以使用純鎢、鈰鎢等材料制成，大大地延長了電極的使用壽命。這種形式的切割需要兩套供氣系統(tǒng)。由于其使用較單一供氣復(fù)雜，國內(nèi)在進(jìn)行大功率等離子切割時(shí)大多采用單一保護(hù)性氣體切割的方式。
（2）水再壓縮等離子弧切割是利用高壓在噴嘴的孔道中形成的水幕對(duì)等離子弧進(jìn)行再壓縮，其原理為由于高溫電弧使部分水迅速氣化，這一氣化層在等離子弧外圍形成一個(gè)溫度梯度很大的“套筒”進(jìn)一步加強(qiáng)了等離子弧的收縮效應(yīng)，提高了等離子弧的電流密度，加強(qiáng)了等離子弧的的挺度。部分水在高下分解成氫氣和氧氣，與工作氣體共同組成切割氣體，使等離子弧有更高的能量，從而提高了切割的質(zhì)量。由于這種割槍結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造中的精度要求較高，因此其價(jià)格昂貴，不適用手動(dòng)和半自動(dòng)切割，現(xiàn)主要來源依靠進(jìn)口用于數(shù)控切割。
3.2.3 等離子切割系統(tǒng)的選用
圖3-1 HPR130高精細(xì)等離子切割系統(tǒng)割炬
等離子切割，由于融口上面大，下面小，切口斷面總有一定斜度，不可能象火焰切割一樣垂直，這是一世界性難題。普通等離子，斜度可達(dá)15度。為了提高相貫線切割機(jī)器人的精度，故采用精細(xì)等離子切割系統(tǒng)。精細(xì)等離子切割機(jī)代表著當(dāng)今等離子切割技術(shù)的發(fā)展方向，其切割精度可達(dá)0.25mm，高于普通等離子切割系統(tǒng)的切割精度,已接近激光切割的下限，價(jià)格明顯低于激光切割機(jī)，具有極高的性能價(jià)格比。美國HYPERTHERM（海別得）公司的HPR130高精細(xì)等離子切割系統(tǒng)便可以滿足相貫線切割機(jī)器人的要求。
3.3 產(chǎn)品詳細(xì)介紹
名稱：HPR130高精細(xì)等離子切割系統(tǒng)
表3-1 切割能力：操作數(shù)據(jù)(低碳鋼)
建議切割能力(質(zhì)量切割)：
16毫米
最大切割能力(穿孔切割)：
25毫米
切斷能力(邊緣切割)：
38毫米
表3-2 規(guī)格
輸入電壓（3相）與電流
VAC
Hz
A
240
60
52
400
50 - 60
32
440
60
28
480
60
26
600
60
21
輸出電壓
50 – 150VDC
輸出電流
130A
暫截率
100%
最大OCV
311VDC
尺寸
深度1079.5 mm，寬度566.4 mm 高度967.7 mm
連同割炬重量
317.5公斤
氣體供應(yīng)
等離子氣體
氧氣
氮?dú)?
95% N2， 5% H
35% H， 65% Ar
空氣
保護(hù)氣體
氮?dú)?、氧氣、空?
氣體壓力
8.3巴手動(dòng)氣體控制臺(tái)
8巴自動(dòng)氣體控制臺(tái)
表3-3 切割參數(shù)表
材料
氣體
電流（A）
厚度（mm）
近似切割速度(mm/min)
低碳鋼
氧等離子氣
氧保護(hù)氣
30
0.5
5355
1
3615
1.5
2210
3
1160
6
665
氧等離子氣
空氣保護(hù)氣
80
3
6145
6
3045
10
1810
12
1410
20
545
氧等離子氣
空氣保護(hù)氣
130
6
4025
10
2675
12
2200
20
1050
25
550
38
255
不銹鋼
95% N2，5% H等離子氣
氮保護(hù)氣
45
1
5740
2.5
2510
4
845
95% N2，5% H等離子氣
氮保護(hù)氣
80
4
2180
6
1225
10
560
35% H，65% Ar等離子氣
氮保護(hù)氣
130
10
980
12
820
20
360
25
360
鋁
空氣/空氣
45
1.5
4420
4
2575
6
1690
35% H，65% Ar等離子氣
氮保護(hù)氣
130
12
1455
20
940
25
540
故采用HPR130高精細(xì)等離子切割系統(tǒng)可以滿足相貫線切割機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，使切割的管材，既有良好的切口，垂直度較大，又有較快的速度，能滿足大批量快速生產(chǎn)。
第四章 相貫線切割機(jī)器人切割系統(tǒng)關(guān)鍵零件的有限元分析
4.1 有限元方法及ANSYS簡介
有限單元法，簡稱有限元（Finite Element Method,FEM)是最近幾年發(fā)展起來的。它是用于求解各類工程問題的一種數(shù)值方法。應(yīng)力分析之中的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、線性或非線性問題以及熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)和電磁學(xué)中的問題都可以用有限元方法進(jìn)行分析。它的基本思想是將物體（或者求解域）離散成有限個(gè)且按一定方式相互關(guān)聯(lián)的單元的組合，來模擬或者說逼近原來的物體，從而將一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題，簡化為離散的有限自由度問題來求解的一種數(shù)值分析方法。
有限元分析由以下基本步驟組成。
（1） 建立求解域，并將之離散化成有限個(gè)單元，即將問題分解成節(jié)點(diǎn)和單元。
（2） 既定描述單元物理屬性的形（shape）函數(shù)，即用一個(gè)近似的連續(xù)函數(shù)描述每個(gè)單元的解。
（3） 建立單元?jiǎng)偠确匠獭?
（4） 組裝單元，構(gòu)造總剛度矩陣。
（5） 應(yīng)用邊界條件和初值條件，并施加載和。
（6） 求解線性或非線性微分方程組得到節(jié)點(diǎn)值。
（7） 得到其他重要的信息。
ANSYS是一個(gè)大型的通用有限元計(jì)算機(jī)程序，其代碼超過100000行，它不僅能夠進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)問題的有限元分析，還能進(jìn)行熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)和電磁學(xué)等方面的有限元分析。在過去30多年里，ANSYS是最主要的FEA（有限元）程序。當(dāng)今有限元程序的另一個(gè)特點(diǎn)是與CAD軟件的集成。使CAD軟件中建立的模型能很方便的導(dǎo)入到有限元程序中進(jìn)行分析。CAD軟件與有限元軟件的集成，極大的提高了設(shè)計(jì)的效率，使設(shè)計(jì)人員建立的三維模型能快速的導(dǎo)入有限元程序中分析，其結(jié)果再被用來改進(jìn)模型。ANSYS能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等。
在ANSYS軟件中,有限元分析的典型步驟主要有以下幾點(diǎn):
（1） 建立有限元模型 包括定義單元類型,定義材料屬性,和創(chuàng)建有限元模型等。
（2） 加載和求解 包括定義分析類型，施加載荷，求解等。
（3）結(jié)果后處理
本文的有限元分析除了第一步是從Pro/Engineer中導(dǎo)入模型外，其他步驟與一般有限元分析的典型步驟一致。有限元分析過程主要用到ANSYS中的結(jié)構(gòu)分析部分，為靜力學(xué)線性結(jié)構(gòu)分析，得到的最終結(jié)果是變形圖和應(yīng)力云圖。
4.2 各零件的有限元分析
對(duì)切割系統(tǒng)中主要的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)零件進(jìn)行有限元分析如下。
4.2.1 對(duì)大齒圈的有限元分析
由于大齒圈外形尺寸比較大，而壁厚相對(duì)較薄，所以，在重力的作用下，大齒圈可能會(huì)發(fā)生較大變形，因此需要對(duì)其進(jìn)行有限元分析。
（1） 將PRO/E中的模型導(dǎo)入ANSYS
圖4-1 大齒圈便導(dǎo)入ANSYS中
在PRO/E中打開大齒圈的模型，去掉大齒圈上的倒角和圓角特征。這樣做可以減少三維模型的面片數(shù)量，同時(shí)也減少了細(xì)節(jié)，以防止在模型導(dǎo)入ANSYS中時(shí)，出現(xiàn)細(xì)節(jié)丟失（如圓角處的細(xì)小面片）而引起不必要的錯(cuò)誤。再對(duì)大齒圈保存副本，選擇IGES格式，選擇實(shí)體進(jìn)行輸出。
打開ANSYS，選擇File>>Import>>IGES…，點(diǎn)擊OK，再找到剛保存的文件打開。大齒圈便導(dǎo)入ANSYS中了（如圖4-1）。
（2） 前處理
單元類型：solid 95號(hào)單元（20節(jié)點(diǎn)）
由于大齒圈上有較多的曲面，所以選擇95號(hào)單元能更好的貼合實(shí)際模型。
材料屬性：彈性模量E=206GPa，泊松比μ=0.3，密度8.75E-6kg/mm2。
選擇優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，45鋼為大齒圈的材料，可以得到其彈性模量和泊松比。由于是分析其自重對(duì)自身的影響，所以要考慮重力的影響，因此必須輸入密度。
圖4-2 大齒圈劃分網(wǎng)格
劃分網(wǎng)格：智能劃分網(wǎng)格
選擇參數(shù)是7的智能劃分網(wǎng)格來對(duì)大齒圈進(jìn)行劃分，使其既能劃分出足夠的網(wǎng)格，又能較快的計(jì)算出結(jié)果。劃分網(wǎng)格的結(jié)果如圖4-2。約束面的選擇和載荷的施加
大齒圈是由滾子和滾子圈組成的滾子套與大齒圈底座共同支撐的，所以約束面應(yīng)選擇在大齒圈與滾子套支撐接觸的圓環(huán)面上，并且限制所有方向上的位移。對(duì)于載荷來說由于是考察大齒圈自重的影響，所以選擇慣性力來模擬重力加速度。由于重力加速度與慣性力的方向是相反的，所以沿Y軸正向施加慣性力。由于前面輸入選擇的單位是毫米、牛、秒，所以輸入慣性力大小為9800。圖4-3便是施加約束和慣性力后效果圖。
圖4-3 大齒圈加約束和加載后效果圖
做完上述工作便可以執(zhí)行SOLVE命令進(jìn)行分析了。
（3） 使用通用后處理模塊查看結(jié)果
經(jīng)分析后得到的變形圖如圖4-4。
圖4-4 大齒圈變形圖
下面是應(yīng)力云圖，從上至下分別是等效應(yīng)力云圖和沿X，Y，Z軸方向上的應(yīng)力云圖。
圖4-5 大齒圈應(yīng)力云圖
由上圖可知，大齒圈受重力影響的變形和應(yīng)力都很小，遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限，可以滿足要求。
4.2.2 對(duì)小齒輪的有限元分析
在一對(duì)齒輪嚙合過程中小齒輪相對(duì)大齒輪受力要大，所以選擇分析小齒輪在分度圓附近嚙合時(shí)一個(gè)齒的受力情況。
（1） 在PRO/E中修改模型并導(dǎo)入ANSYS中
在齒輪嚙合時(shí)，在嚙合出實(shí)際上由于材料的變形是一個(gè)很小的面接觸，所以在用ANSYS分析時(shí)使用面載荷，以更好的貼近實(shí)際情況。因此，必須在齒廓的漸開線與分度圓交點(diǎn)附近，截出一小段曲面用于分析時(shí)添加面載荷。要截出一小段曲面必須在繪制齒槽曲線時(shí)必須將一條完整的漸開線在分度圓處截出一段，如下圖所示。再經(jīng)過拉伸以后齒面上分度圓處，就會(huì)出現(xiàn)單獨(dú)的一小片曲面，這便是用于加載的曲面。
圖4-6 草圖修改示意圖
把模型導(dǎo)入ANSYS中，步驟與大齒圈一樣，先去掉倒角圓角，再保存成IGES格式。最后在ANSYS中導(dǎo)入模型。
（2） 前處理
單元類型：solid 95號(hào)單元（20節(jié)點(diǎn)）
由于小齒輪上有較多的曲面，所以選擇95號(hào)單元能更好的貼合實(shí)際模型。
材料屬性：彈性模量E=206GPa，泊松比μ=0.3，密度8.75E-6kg/mm3。
選擇優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，45鋼為小齒輪的材料，可以得到其彈性模量和泊松比。
劃分網(wǎng)格：智能劃分網(wǎng)格
選擇參數(shù)是7的智能劃分網(wǎng)格來對(duì)小齒輪進(jìn)行劃分，使其既能劃分出足夠的網(wǎng)格，又能較快的計(jì)算出結(jié)果。劃分網(wǎng)格的結(jié)果如圖4-7。
圖4-7 小齒輪劃分網(wǎng)格
（3） 約束面的選擇和載荷的施加
選擇小齒輪與軸貼合的部分為約束面，限制所有方向上的位移。載荷施加在分度圓附近新截出來的那段小曲面片上，為面載荷。載荷大小計(jì)算如下。
驅(qū)動(dòng)小齒輪的電機(jī)選擇56BYG二相混合是步進(jìn)電機(jī)，具體型號(hào)是56BYG250B-SASSBL-0241。假設(shè)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩0.65N·m為系統(tǒng)正常工作時(shí)，電機(jī)軸所承受的最大載荷（超過保持轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)就不能正常工作了）。電機(jī)通過傳動(dòng)比為48的諧波減速器，傳遞到小齒輪上的轉(zhuǎn)矩為31.2N·m。因此，小齒輪分度圓處齒面受到的力的大小為780N。通過PRO/E測(cè)量出施加載荷面片的面積是5.7mm2，所以面片上受到的壓強(qiáng)是136.84MPa。施加約束和載荷后效果圖如下。
圖4-8 小齒輪添加載荷和約束后效果圖
做完上述工作便可以執(zhí)行SOLVE命令進(jìn)行分析了。
（4） 使用通用后處理模塊查看結(jié)果
經(jīng)分析后得到的變形圖如圖4-9。
圖4-9 小齒輪劃分網(wǎng)格
下面是應(yīng)力云圖，從上至下分別是等效應(yīng)力云圖和沿X，Y，Z軸方向上的應(yīng)力云圖。
圖4-10 小齒輪應(yīng)力云圖
由上面的圖可知小齒輪最大變形量為0.001948mm，形變很小，可以滿足系統(tǒng)要求。小齒輪上所受的最大等效應(yīng)力為111.145MPa，由于小齒輪采用45鋼，材料的強(qiáng)度極限
σb = 600MPa，拉壓疲勞強(qiáng)度極限約為0.3σb = 180MPa，彎曲疲勞強(qiáng)度極限約為0.45σb = 270MPa，均大于最大等效應(yīng)力。所以小齒輪滿足系統(tǒng)要求。
第五章 相貫線切割機(jī)器人的控制原理
5.1 引言
控制系統(tǒng)對(duì)于數(shù)控設(shè)備來說是不可缺少的部分，而這個(gè)機(jī)器人作為一個(gè)數(shù)控設(shè)備，控制系統(tǒng)也是占著重要的地位。尤其是當(dāng)這個(gè)機(jī)器人劃入自動(dòng)化設(shè)備后，智能化和多元化的控制就顯得尤為重要。
5.2 等離子切割系統(tǒng)的控制
對(duì)于已選定的HPR130高精細(xì)等離子切割系統(tǒng)，可以通過控制系統(tǒng)輸出切割所需的參數(shù)到HPR130高精細(xì)等離子切割系統(tǒng)的自動(dòng)氣體控制臺(tái)上，控制等離子切割系統(tǒng)的電流、氣體的流速等。
5.3 切割系統(tǒng)機(jī)械部分的控制
切割系統(tǒng)的控制被基本設(shè)定為兩軸聯(lián)動(dòng)，僅完成基本的相貫線的切割。如果需要進(jìn)行坡口的切割控制，可以增加為三軸聯(lián)動(dòng)。輸入?yún)?shù)，由程序部分計(jì)算出該相貫線的空間曲線在極坐標(biāo)軸上軌跡。在通過程序計(jì)算出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。大齒輪和底部直線位移的控制電機(jī)在程序控制下，使噴頭相對(duì)管道，沿相貫線軌跡方向移動(dòng)。
5.4 定位系統(tǒng)的控制
定位系統(tǒng)需要被監(jiān)測(cè)和控制的是位移傳感器和底部驅(qū)動(dòng)螺旋支撐的電機(jī)。位移傳感器將所測(cè)信號(hào)作為反饋數(shù)據(jù)，再對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制以到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)，從而完成自動(dòng)化操作。然后調(diào)節(jié)噴頭距離管道外表面的距離，如果在割炬與大齒圈間加設(shè)了直線電機(jī)等自動(dòng)機(jī)構(gòu)則可以通過程序來控制，如果沒有則只能手動(dòng)調(diào)節(jié)。
5.5 控制系統(tǒng)原理圖
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圖5-1 控制原理圖
第一章
第二章
第三章
第四章
第五章
第六章 總結(jié)與展望
6.1 總結(jié)
通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)可以得出以下結(jié)論：
1、 針對(duì)相貫線切割機(jī)器人的主體機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析。提出了以圓柱坐標(biāo)系為基礎(chǔ)的機(jī)構(gòu)方案，從而減少了聯(lián)動(dòng)軸數(shù)，使控制難度降低，從而減少了成本。
2、 針對(duì)相貫線切割機(jī)器人的機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行了三維建模。通過三維模型初步確定了機(jī)器人各個(gè)零件的外形結(jié)構(gòu)和尺寸。再通過有限元分析軟件對(duì)相貫線切割機(jī)器人的切割系統(tǒng)中相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件進(jìn)行了分析，得出零件的變形和應(yīng)力都在可接受范圍內(nèi)，因此尺寸符合要求。
3、 初步探討了等離子切割系統(tǒng)的原理。通過網(wǎng)上查找現(xiàn)有的等離子切割系統(tǒng)，初步選定了符合系統(tǒng)要求的等離子系統(tǒng)。通過選擇已有成熟的等離子切割系統(tǒng)降低了研發(fā)成本。
4、 初步探討了等離子相貫線切割機(jī)器人的控制原理。
6.2 展望
本文的研究內(nèi)容是由楊啟志導(dǎo)師指導(dǎo)的。通過對(duì)本課題的研究，作者感到對(duì)相貫線切割機(jī)器人還有以下幾個(gè)方面需要進(jìn)一步研究：
1、相貫線切割機(jī)器人切割坡口的部分只是做了一個(gè)原理上簡單的介紹，并沒有做具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所以現(xiàn)階段的相貫線切割機(jī)器人并不具備切割坡口的能力?？梢栽谇懈钇驴谔幾鲞M(jìn)一步分析。
2、對(duì)于機(jī)器人各個(gè)零件的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)只是滿足了基本的設(shè)計(jì)要求，可以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，通過分析軟件做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使機(jī)器人的重量降低，以減低成本。
3、在機(jī)器人的控制部分，只是做了簡單的原理介紹，可以做進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，或選擇市場(chǎng)上已有方案。
另外在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我學(xué)到了很多東西，像ANSYS這種分析軟件是在做設(shè)計(jì)的階段學(xué)起來的，對(duì)于PRO/E的一些高級(jí)建模功能，如齒輪的建模，也是在設(shè)計(jì)過程中學(xué)起來的，所以并不能自如的完成，能做一些簡單的操作，還需進(jìn)一步學(xué)習(xí)。
由于作者的時(shí)間和水平有限，論文中難免有不妥和錯(cuò)誤之處，懇請(qǐng)各位專家批評(píng)指正，對(duì)此作者將衷心感謝。
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致 謝
畢業(yè)論文即將完稿之際，我的心情起伏難平。學(xué)海無涯，孤舟難行，每每想起鼓勵(lì)我前行和成長的師長、同學(xué)，我內(nèi)心就充滿了感激。這篇論文的順利完成，離不開他們幾個(gè)月來一貫的支持、關(guān)心和幫助。
我要衷心感謝我的導(dǎo)師楊啟志老師。在他的精心指導(dǎo)和親切關(guān)懷下，學(xué)生才能夠克服種種困難，順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)和論文撰寫工作。導(dǎo)師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、敏銳的科學(xué)洞察力、寬厚平易的仁者風(fēng)范和對(duì)科學(xué)的不懈追求、對(duì)事業(yè)的忘我奉獻(xiàn)精神都無時(shí)無刻不令學(xué)生感動(dòng)和鼓舞，并激勵(lì)學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)、生活中不畏艱險(xiǎn)、拼搏進(jìn)取。
在此，我還要感謝在同一組一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的幾位同學(xué)，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本文的順利完成。
最后，向百忙之中參加論文評(píng)審和論文答辯的各位專家、教授表示衷心的謝意！
二〇〇九年六月于江蘇大學(xué)
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