管道相貫線自動切割機器人切割系統(tǒng)的研究設計含proe三維仿真及8張CAD圖
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關于相貫線切割機器人的專題綜述報告
隨著我國經濟的飛速發(fā)展，鋼管焊接結構以其特有的優(yōu)勢應用于各行各業(yè)的大型工程項目中，工程中繁多的鋼管連接相貫接口(圖1)需進行切割。管道相貫連接在電力、水利、供水、石油、化工、冶金、建筑等技術行業(yè)中有廣泛的應用，相貫線接頭屬于多品種、多規(guī)格、單件小批量生產，因此對切割機的切割功能、控制功能、工藝、調整和操作等都有非常嚴格的要求，以適應工廠、工地的惡劣環(huán)境。相貫線切割機器人正是為滿足這些要求而設計研發(fā)的管道相貫線切割的專用自動化設備，它能夠幫助用戶對鋼管的多種相貫形式進行計算，并通過數控技術實現多軸聯(lián)動以完成主管或支管相貫線的自動切割。
圖1 多種相貫線相交形式
現階段我們切割鋼管一般有兩種方案，手工放樣切割和數控切割。
鋼管相貫線切割傳統(tǒng)的做法是采用手工放樣切割，根據鋼管之間的交角，以及鋼管直徑大小，計算相貫線型的平面圖(即根據相交形式，把鋼管按平面展開)，根據相貫線的平面圖形數據，用薄鋼板制作模板，把模板緊貼鋼管外壁在鋼管上劃線，然后按照劃線路徑手工氣割的一種加工方法。
以桁架下腹桿377X14鋼管與水平弦桿180X6鋼管為例，手工放樣主要步驟如下：
①按已知尺寸畫出主視圖、右視圖和支管斷面圖；
②求結合線：6等分主視圖支管斷面半圓周，由等分點引下垂線，6等分右視圖支管斷面半圓周得到交點，再由各交點向右引水平線與前由主視圖支管斷面圓周等分點向下所引直線對應焦點連成曲線即為結合線；
③畫支管展開圖：畫一段直線等于支管斷面圓周長度，并12等分，由等分點向下引垂線，與由結合線各點向右所引水平線對應交點連成光滑曲線，即得到支管的展開圖。
④按照所得圖形標注曲線上各個點相對坐標值，在薄鋼板上1：l放樣畫線，制作出加工模板。
由于管道相交形式多樣，相貫線類型多，數量大，精度要求高，手工放樣切割質量人為影響因素比較大，難以保證切割精度，并且工作效率極低，根本無法保證工程工期以及工程質量。
圖2 鋼管手工放樣圖
三維數控相貫線切割利用圖形幾何原理，自動進行相貫線線型的計算，無需制作模板，大大縮短了輔助加工時間，采用機械傳動，降低人為誤差，提高了加工質量。
現階段數控相貫線切割設備一般有兩種：一種是專用數控相貫線切割機；一種是數控相貫線切割部件，可將其配置到相應的切割機上，來完成相貫線的切割。
前者適用于大批量專業(yè)相貫線切割，后者適用于當批量不大時，實現一機多用，以便減少設備的投入和場地的占用。
數控相貫線切割機功能：
1、能在主管上切割多個不同方向、不同直徑的圓柱相貫線孔，滿足支管軸線與主管軸線偏心和非偏心的垂直相交的條件。
2、能在支管端部切割圓柱相貫線端頭，滿足支管軸線與主管軸線偏心和非偏心的垂直相交、傾斜相交的條件。
3、能在圓管端部切割斜截端面。
4、能在圓管上切割焊接彎頭，“蝦米節(jié)”兩端斜截斷面。
5、能切割與環(huán)形主管相交的支管相貫線端頭。
6、能切割變角度坡口面。
7、能在圓管上切割方孔、腰形孔。
8、能進行鋼管截斷。
相貫線切割機器人分為三個系統(tǒng)，支撐定位系統(tǒng)，切割系統(tǒng)，控制系統(tǒng)。
支撐定位系統(tǒng)用于被切割鋼管的支撐和定位，定位方案是采用兩個短V型塊來定位鋼管的外圓表面。V型塊安裝在導軌滑塊上，滑塊可以沿鋼管軸線方向滑動。從而可以保證，當鋼管被夾緊后，鋼管可以隨著V型塊沿著導軌在鋼管軸線方向上平動。
切割系統(tǒng)采用的是等離子切割，主要由數控割炬、自動點火裝置、氣路管帶裝置等組成。數控割炬安裝在環(huán)形壁上，環(huán)形壁由多個滾子支撐，滾子沿環(huán)形壁周向均布，從而使環(huán)形壁能繞自身軸線均勻轉動。從而能夠帶動割炬圍繞環(huán)形壁軸線整圈轉動。
當整機切割鋼管時，鋼管被水平固定在支撐系統(tǒng)上，調節(jié)環(huán)形壁的高度，使環(huán)形壁的中心軸線與鋼管的軸線重合，再調節(jié)數控割炬與鋼管外壁的距離。這樣數控割炬就能環(huán)繞鋼管的外壁作出整圓的移動。再配合支撐系統(tǒng)的軸向移動，數控割炬就能夠在鋼管外壁沿著要求的相貫線的軌跡進行移動了。通過控制系統(tǒng)控制相應的電機，來使支撐系統(tǒng)與切割系統(tǒng)相互配合，走出要求運動的軌跡，同時控制等離子的切割，這樣就能沿著相貫線進行切割了。
考慮到有些鋼管的切割要求有變角度的坡口，就必須對割炬的安裝進行優(yōu)化。把數控割炬安裝在一個擺動機構上，擺動機構由一個電機控制，控制系統(tǒng)通過控制電機可以使擺動機構繞某一軸線進行擺動，從而使數控割炬也隨著擺動機構一起擺動。選擇適當的擺動機構和其軸線，就能使數控割炬與被切割鋼管軸線之間的角度隨著擺動機構的擺動而變化。通過控制系統(tǒng)來控制電機使擺動機構擺到要求的位置，從而使數控割炬與被切割鋼管軸線達到要求的角度，再配合相貫線的切割，就能切出適合的坡口了。
目前，我國大多數企業(yè)在切割管子相貫線接口時，幾乎都采用相貫線模板手工劃線、切割、打磨的落后生產方式，生產效率低、產品質量低劣?，F有國產設備技術性能差，而進口設備價格昂貴，嚴重地制約了鋼管切割工藝的提高和發(fā)展，因此采用數控切割技術切割管子相貫線已刻不容緩。
參考文獻
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關于相貫線切割機器人的調研報告
一、 調研目的
在現代社會中,鋼管的運用領域極為廣泛,船舶、橋梁、電力、石油、化工、冶金等行業(yè),都大量地需要對圓管進行交叉焊接,這些鋼管直徑大小不一,其相貫線的確定及切割就成為一個極大的難題。這是由于各種鋼管之間的組合復雜多樣,而且往往存在一些變角度坡口,如果切割質量不過關,將會直接影響到后續(xù)的焊接等工序,從而無法保證加工質量;此外,人工切割精度往往不高,即使經過打磨,其質量也很難達到設計的基本要求;而且相貫線是不規(guī)則的曲線,編輯數據代碼需要大量的計算,其準確性無從考證。
三維數控相貫線切割設備利用圖形幾何原理，自動進行相貫線線型的計算，無需制作模板，大大縮短了輔助加工時間，采用機械傳動，降低人為誤差，提高了加工質量。鑒于相貫切割的特點和精度要求，三維數控相貫線切割設備應該被廣泛用于相貫切割加工。
因此，我對市場上現有的相貫線切割設備進行了相關調查。
二、 調研形式
使用了網絡和電話進行調研。
三、 調研內容
3.1產品一
價格: 48000 元/臺
ZLQ-13（組合型）數控相貫線切割機
價格：相貫線專用部件（4.8萬/臺）＋所選型數控切割機（詳見各機型報價）
3.1.1機型特點
為滿足用戶進行圓管的相貫線切割以及鋼板的異形加工，我公司研發(fā)生產了（組合型）數控相貫線切割機，原理是：將相貫線切割專用部件，配置到ZLQ-4到ZLQ-11各型切割機上，來完成相貫線切割。其最大特點：當批量不大時實現一機多用（圓管及鋼板的數控切割），從而減少設備投入和場地占用。
3.1.2數控相貫線切割機功能：
1、能在主管上切割多個不同方向、不同直徑的圓柱相貫線孔，滿足支管軸線與主管軸線偏心和非偏心的垂直相交的條件。
2、能在支管端部切割圓柱相貫線端頭，滿足支管軸線與主管軸線偏心和非偏心的垂直相交、傾斜相交的條件。
3、能在圓管端部切割斜截端面。
4、能在圓管上切割焊接彎頭，“蝦米節(jié)”兩端斜截斷面。
5、能切割與環(huán)形主管相交的支管相貫線端頭。
6、能切割變角度坡口面。
7、能在圓管上切割方孔、腰形孔。
8、能進行鋼管截斷。
3.1.3基本配置
機械部分
1、切割機主機縱向長度 根據選型縱向軌道長度而定（可加長）
2、相貫線部件導軌長度 3000mm（可3m/節(jié)加長）
3、數控割炬 1套
4、自動點火 1套
5、氣路管帶裝置 1套
6、縱向驅動方式 齒輪齒條
7、管路傳動方式 橫向拖鏈
8、火焰切割氣體 氧、乙炔（或氧、丙烷）
9、等離子 可選配達到切割壁厚的等離子電源
電控部分
10、數控系統(tǒng) 武漢藍訊
11、驅動系統(tǒng)/電機 國產或進口
3.1.4主要技術指標
切割范圍 1、最大有效切割直徑1000mm
2、最小有效切割直徑50mm
切割指標 3、數控火焰切割壁厚6－180mm
4、數控等離子切割壁厚 根據等離子電源決定
機器性能 5、割炬升降距離 230mm
6、整機運行速度 0-3500mm/min
7、設定速度誤差 ≤±5％
3.2產品二
3.2.1功能：
1、能在主管上切割多個不同方向、不同直徑的圓柱相貫線孔，滿足支管軸線與主管軸線偏心和非偏心的垂直相交的條件。
2、能在支管端部切割圓柱相貫線端頭，滿足支管軸線與主管軸線偏心和非偏心的垂直相交、傾斜相交的條件。
3、能在圓管端部切割斜截端面。
4、能在圓管上切割焊接彎頭，“蝦米節(jié)”兩端斜截斷面。
5、能切割與環(huán)形主管相交的支管相貫線端頭。
6、能切割變角度坡口面。
7、能在圓管上切割方孔、腰形孔。
8、能進行鋼管截斷。
3.2.2主要技術參數
1、切割鋼管尺寸 外徑：Φ60-Φ600mm
2、切割碳鋼：壁厚 5-25mm
3、鋼管通過主軸孔徑：Φ200mm
4、切割鋼管長度：12000mm
5、控制軸數：6軸(或5軸)
6、最大行程 X向：10000mm
Y向： 600mm
Z向： 400mm
7、切割速度：10～2000mm/min
8、坡口角度：≤60°
9、最大旋轉角度
ωW ：無限回轉（管件旋轉）
ωB ：±70°（割炬擺角）
ωA ：無限回轉（割槍繞Z軸）
3.2.3設備基本配置
1、火焰主割機一臺（配置無限回轉割炬一套）。
2、高速預熱氣路系統(tǒng)一套。
3、滑座一套（含X向驅動裝置一套）。
4、Z向導軌及驅動裝置一套。
5、Y向導軌及驅動裝置一套。
6、控制柜一套。
7、操作臺一套。
8、鋼管托架三套。
9、六軸驅動，其中五個軸為日本松下公司的全數字交流伺服電機，一個軸為美國斯達特公司的細分步步進電機。
10、自動點火裝置一套，采用氧—乙炔氣切割方式。
3.2.4控制系統(tǒng)
硬件：
采用進口原裝臺灣研楊科技集團AMB-655HT-B4一體化工作站
主要配置
Intel Pentium 233MHz，采用多媒體觸摸屏，15英寸高分辨率彩色液晶顯示器，VZA圖形高速處理卡，64M內存，8M電子盤，3.5英寸軟驅，40G硬盤一個。
特性
● 15″XGATFTLCD顯示屏（液晶）
● 鋁合金面板
● 符合NEMA4/12&IP65防水面板
● 2個薄膜鍵盤，59個數據鍵和24個功能鍵
● 具有安裝光驅、軟驅、硬盤框架
● 10槽ISA/PCI總線的底板
● 電源開關、LCD亮度調整裝置、背光控制設置再前面板功能鍵后規(guī)格
● 架構：符合NEMA4/12鋁合金面板
● 顯示屏：15″XGA(1024X768)TFTLCD(液晶)
● 磁盤框架：CD-ROM，&3.5″HDD和3.5″FDD
● 面板顏色：PAL-7035
● 安裝：8U高嵌入式安裝
● 電源：標準250W電源
● 尺寸（W×H×D）:483×354×255㎜(19″×19.3″×10″)
● 凈重：21㎏（46.31bs）
顯卡
● （MBC-268B＋LVDS）
● 類型：短卡PCI-總線
● 顯示芯片：ChipsT65555
● 顯示內存：內置2MB
● LCD接口：支持36-bit的tcd接口
● 最大分辨率：1024X768
環(huán)境
● 工作溫度：0度～50度
● 儲存溫度：-20度-60度
● 儲存溫度：5~95%，無壓縮
● 抗震系數：5~17Hz，0.1“雙角度震蕩17~500Hz，1.5G上下震動
● 抗沖擊系數：10G的加速沖擊（11mesc，持續(xù)時間）
● EMI：通過FCC/CE ClassA
觸摸屏
MicroTouch電容式觸摸屏的特點
● 1024×1024的高解析度
● 抗劃傷，超常使用壽命
● 最短的觸摸時間3ms
● 19.2Kbaud轉換速度，每秒最多270個觸摸點
● 高精確度，錯誤率低于1%
● 完整的軟件支持MS-DOS,WindowsOS/2Windows95/NT
控制系統(tǒng)軟件功能：
● 單一形狀切割參數化可選編程
● 多個形狀切割參數化組合編程
● 定角度、焊接坡口切割控制
● 暫停、加減速控制
● 沿原軌跡返回、再返回功能
● 自動點火、快速預熱、自動穿孔
● 斷點、斷電記憶功能
● 快速定位
● CRT模擬加工、切割過程同步跟蹤顯示
● 屏幕圖形自動測量、窗口放大、圖形位置的編輯及調整
● 豐富、可擴充的宏程序調用及編輯功能
● 自動報警、自動診斷
● 中文顯示、人機對話
驅動系統(tǒng)
1、驅動柜總成
2、專用總線板
3、伺服電機驅動接口板
4、固態(tài)繼電器板
5、割機功能板
6、(原裝進口)交流伺服電機具有轉速、扭矩、位置偏差三種監(jiān)控方式，故障自動提示、報警、同步保護
氣路系統(tǒng)
1、具有快速預熱、無級調壓穿孔功能。
2、采用德國“寶德”二位二通電磁閥。
四、 調研結果
通過這次調研我了解了很多，數控相貫線切割設備的需求還是很大的，用戶在選擇一款新型的數控切割設備時還會考慮多方面的因素：:
1、管件的切割長度
2、管臂的切割直徑
3、管臂的切割厚度
4、整體管子的重量和回轉慣量
5、是否需要萬向回轉功能及打坡口功能
6、針對管的材料選擇適合的切割方式：一般碳鋼板用火焰切割，簿臂管和不銹鋼則適合用等離子切割
7、安裝的廠地和控制系統(tǒng)，電腦繪圖圖形轉換等等
所以，設計出新的數控相貫線切割設備還是很有必要的。
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管道相貫線自動切割機器人切割系統(tǒng)
Cutting System of pipeline Intersection Line Auto-cutting Robot
學院名稱：
專業(yè)班級：
學生姓名：
指導教師姓名：
指導教師職稱：
20XX年 6 月
關于管道相貫線自動切割機器人切割系統(tǒng)的研究
摘要 相貫線切割機器人是用于管道相貫線切割的自動化工業(yè)機器人。長期以來，由于相貫線數控切割設備成本太高，國內大部分企業(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，切割質量差。因此研究低成本的相貫線切割機器人具有十分重要的研究意義及工程應用前景。
本文首先針對相貫線切割機器人的主體機構原理進行分析。而后應用大型工程軟件PROE對相貫線切割機器人進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)，并選擇了一個市場上已有的等離子切割系統(tǒng)作為相貫線切割機器人的執(zhí)行末端。使用通用有限元分析軟件ANSYS對相貫線切割機器人切割系統(tǒng)的部分零件理論設計進行了計算與校核。最后簡單介紹了一下相貫線切割機器人控制系統(tǒng)的控制原理。
總之，相貫線切割機器人必將會在未來工程中得到越來越多的應用。
關鍵詞：機器人 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
II
關于管道相貫線自動切割機器人切割系統(tǒng)的研究
摘要 相貫線切割機器人是用于管道相貫線切割的自動化工業(yè)機器人。長期以來，由于相貫線數控切割設備成本太高，國內大部分企業(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，切割質量差。因此研究低成本的相貫線切割機器人具有十分重要的研究意義及工程應用前景。
本文首先針對相貫線切割機器人的主體機構原理進行分析。而后應用大型工程軟件PROE對相貫線切割機器人進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)，并選擇了一個市場上已有的等離子切割系統(tǒng)作為相貫線切割機器人的執(zhí)行末端。使用通用有限元分析軟件ANSYS對相貫線切割機器人切割系統(tǒng)的部分零件理論設計進行了計算與校核。最后簡單介紹了一下相貫線切割機器人控制系統(tǒng)的控制原理。
總之，相貫線切割機器人必將會在未來工程中得到越來越多的應用。
關鍵詞：機器人 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 相貫線切割的現狀 1
1.2 自動化相貫線切割設備的介紹 2
1.3 工業(yè)機器人的介紹 3
1.4 工業(yè)機器人的分類 3
1.5 工業(yè)機器人的控制 6
1.6 工業(yè)機器人的使用現狀 7
1.7 本文研究的內容 8
第二章 相貫線切割機器人切割系統(tǒng)機構分析及三維建模 9
2.1 引言 9
2.2 相貫線切割機器人切割系統(tǒng)的機構分析 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 產品詳細介紹 22
第四章 相貫線切割機器人切割系統(tǒng)關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 總結與展望 41
6.1 總結 41
6.2 展望 41
參考文獻 ……………………………………………………………………………………….43
致 謝 ……………………………………………………………………………………….45
VII
第一章 緒 論
1.1 相貫線切割的現狀
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、鋼結構、造船、壓力容器等行業(yè)，經常要使用大量的管道，在大量使用管道過程中必然會出現管與管的相交。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，因此對切割機的切割功能、控制功能、工藝、調整和操作等都有非常嚴格的要求，以適應工廠、工地的惡劣環(huán)境。
長期以來管道項管線的切割大都采用手工放樣的方式，根據鋼管之間的交角，以及鋼管直徑大小，計算相貫線線型的平面圖(即根據相交形式，把鋼管按平面展開)，根據相貫線的平面圖形數據，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了大量的人力和時間，而制作的精度并不是很高，管與管的結合面不吻合，給下道的焊接工序帶來了很多不便。因此研究通過數控技術實現多軸聯(lián)動以完成管道間相貫線的自動切割的管道相貫線切割機器人具有十分重要的研究意義及工程應用前景。
1.2 自動化相貫線切割設備的介紹
自動化相貫線切割設備利用圖形的幾何原理，根據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計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控控制設備來控制相應電機沿相貫線的軌跡行走。再通過對切割裝置的控制就可以達到相貫線切割的目的。
圖1-2 ZLQ-13組合型數控相貫線切割機
自動化相貫線切割設備具有很多傳統(tǒng)方法所沒有的優(yōu)點。自動化相貫線切割設備效率比傳統(tǒng)方法高。由于采用計算機數控技術，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。因為采用計算機控制，可以把誤差控制在較小范圍內，相比手工控制，精度自然提高了。對操作者要求降低了。在手工放樣中，要求操作者計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學和畫法幾何的基礎。而自動化相貫線切割設備并不要求操作者具備這些基礎，只要操作者能了解并輸入兩相交管的直徑、夾角、軸線距離就能由計算機根據程序自動計算出相貫線方程，因此，對操作者的要求降低了。自動化相貫線切割設備能完成某些傳統(tǒng)方法不能完成的任務。在鋼結構頂棚中，有大量不同相貫線需要切割。自動化相貫線切割設備能完成大量不同相貫線的切割，而傳統(tǒng)方法由于人力和時間的限制就無法勝任。
自動化數控相貫線切割設備在市場上已經出現了一部分產品，主要分為兩種：一種是專用數控相貫線切割機；一種是數控相貫線切割部件（圖1-2），可將其配置到相應的切割機上，來完成相貫線的切割。但總體來說，自動化數控相貫線切割設備的價格還太高，不適合推廣使用。而成本較低的管道切割設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器人是很有工程應用前景的。
1.3 工業(yè)機器人的介紹
圖1-4 白車身產線上數臺工業(yè)機器人正在協(xié)同作業(yè)
工業(yè)機器人也是一種自動化數控設備，并且由于機器人具有可編程性，可以在任意位置、任意方向和任意環(huán)境下獨立地、協(xié)同地進行工作，組成一種柔性的、靈活的、萬能的、具有多目的的自動化系統(tǒng)。（圖1-4白車身產線上數臺工業(yè)機器人正在協(xié)同作業(yè)）
1.4 工業(yè)機器人的分類
工業(yè)機器人的分類方式有很多種，可以按功能分類，也可以按照結構類型來分，如串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人。下面就以按功能分類來對機器人進行一下介紹。
1.4.1 焊接機器人
焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人（圖1-5）。根據國際標準化組織工業(yè)機器人術語標準的定義，工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機，具有三個或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領域。為了適應不同的用途，機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機器人就是在工業(yè)機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。
圖1-5 焊接機器人
1.4.2 搬運機器人
搬運機器人是可以進行自動化搬運作業(yè)的工業(yè)機器人（圖1-6）。最早的搬運機器人出現在1960年的美國，Versatran和Unimate兩種機器人首次用于搬運作業(yè)。搬運作業(yè)是指用一種設備握持工件，是指從一個加工位置移到另一個加工位置。搬運機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)的工件搬運工作，大大減輕了人類繁重的體力勞動。目前世界上使用的搬運機器人愈10萬臺，被廣泛應用于機床上下料、沖壓機自動化生產線、自動裝配流水線、碼垛搬運、集裝箱等的自動搬運。部分發(fā)達國家已制定出人工搬運的最大限度，超過限度的必須由搬運機器人來完成。
圖1-6 搬運機器人
1.4.3 裝配機器人
圖1-7 裝配機器人
裝配機器人為完成裝配作業(yè)而設計的工業(yè)機器人。裝配機器人是柔性自動化裝配系統(tǒng)的核心設備，由機器人操作機、控制器、末端執(zhí)行器和傳感系統(tǒng)組成。其中操作機的結構類型有水平關節(jié)型、直角坐標型、多關節(jié)型和圓柱坐標型等；控制器一般采用多CPU或多級計算機系統(tǒng)，實現運動控制和運動編程；末端執(zhí)行器為適應不同的裝配對象而設計成各種手爪和手腕等；傳感系統(tǒng)又來獲取裝配機器人與環(huán)境和裝配對象之間相互作用的信息。常用的裝配機器人主要有可編程通用裝配操作手(Programmable Universal Manipulator for Assembly)即PUMA機器人（最早出現于1978年，工業(yè)機器人的祖始）和平面雙關節(jié)型機器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm)即SCARA機器人兩種類型。與一般工業(yè)機器人相比，裝配機器人具有精度高、柔順性好、工作范圍小、能與其他系統(tǒng)配套使用等特點，主要用于各種電器的制造行業(yè)。
1.5 工業(yè)機器人的控制
1.5.1 對機器人控制的一般要求
機器人控制系統(tǒng)是機器人的重要組成部分，用于對操作機的控制，以完成特定的工作任務，其基本功能如下：
·記憶功能：存儲作業(yè)順序、運動路徑、運動方式、運動速度和與生產工藝有關的信息。
·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引示教兩種。
·與外圍設備聯(lián)系功能：輸入和輸出接口、通信接口、網絡接口、同步接口。
·坐標設置功能：有關節(jié)、絕對、工具、用戶自定義四種坐標系。
·人機接口：示教盒、操作面板、顯示屏。
·傳感器接口：位置檢測、視覺、觸覺、力覺等。
·位置伺服功能：機器人多軸聯(lián)動、運動控制、速度和加速度控制、動態(tài)補償等。
·故障診斷安全保護功能：運行時系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視、故障狀態(tài)下的安全保護和故障自診斷。
1.5.2 機器人控制系統(tǒng)的組成
（1）控制計算機 控制系統(tǒng)的調度指揮機構。一般為微型機、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 示教機器人的工作軌跡和參數設定，以及所有人機交互操作，擁有自己獨立的CPU以及存儲單元，與主計算機之間以串行通信方式實現信息交互。
（3）操作面板 由各種操作按鍵、狀態(tài)指示燈構成，只完成基本功能操作。
（4）硬盤和軟盤存儲存 儲機器人工作程序的外圍存儲器。
（5）數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 用于信息的自動檢測，實現機器人柔順控制，一般為力覺、觸覺和視覺傳感器。
（8）軸控制器 完成機器人各關節(jié)位置、速度和加速度控制。
（9）輔助設備控制 用于和機器人配合的輔助設備控制，如手爪變位器等。
（10）通信接口 實現機器人和其他設備的信息交換，一般有串行接口、并行接口等。
（11）網絡接口：
Ethernet接口：可通過以太網實現數臺或單臺機器人的直接PC通信，數據傳輸速率高達10Mbit/s，可直接在PC上用windows庫函數進行應用程序編程之后，支持TCP/IP通信協(xié)議，通過Ethernet接口將數據及程序裝入各個機器人控制器中。
Fieldbus接口：支持多種流行的現場總線規(guī)格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。
圖1-8 機器人控制系統(tǒng)的組成
1.6 工業(yè)機器人的使用現狀
機器人廣泛應用于各行各業(yè)。主要進行焊接、裝配、搬運、加工、噴涂、碼垛等復雜作業(yè)。目前，全球現役工業(yè)機器人83萬臺。過去10年，機器人的價格降低約80%，現在繼續(xù)下降，而歐美勞動力成本上漲了40%?，F役機器人的平均壽命在10年以上，可能高達15年，它們還易于重新使用。由于機器人及自動化成套裝備對提高制造業(yè)自動化水平，提高產品質量和生產效率、增強企業(yè)市場競爭力、改善勞動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，對于目前中國大多數企業(yè)來說，使用通用機器人來切割管道相貫線成本還太高，大部分企業(yè)還承擔不了其成本。所以研究專用的管道相貫線切割機器人還有非常有工程意義和應用前景的。
1.7 本文研究的內容
第二章主要針對相貫線切割機器人切割系統(tǒng)各的機構進行分析。主要闡述了機器人機構的工作原理，并進行了三維建模和虛擬裝配。
第三章主要針對相貫線切割機器人的等離子切割系統(tǒng)進行介紹。并初步選定了市場上已有的等離子切割系統(tǒng)作為機器人的末端執(zhí)行器。
第四章主要針對相貫線切割機器人切割系統(tǒng)的部分零件進行有限元分析，以校核其設計的合理性。
第五章主要簡單介紹了相貫線切割機器人控制系統(tǒng)的原理。
最后對全文進行了總結回顧，對后續(xù)工作的研究做了展望。
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第二章 相貫線切割機器人切割系統(tǒng)機構分析及三維建模
2.1 引言
找到易于控制能實現相貫線運動的主體機構是研究的關鍵問題。目前國內外已有的一些相貫線切割設備，由于成本較高，仍不能滿足實際工程使用的需要，迫切需要研究者發(fā)明更多的成本較低的新機型。在眾多機型中找到適用于工程實際運用、易于控制、成本低廉的機型是一個難點。本課題所研究的相貫線切割機器人的末端執(zhí)行器主要運動是沿著相貫線運動的。只要能滿足末端執(zhí)行器沿相貫線運動的機構，所需控制軸數越少，成本就越低，就越符合要求。
2.2 相貫線切割機器人切割系統(tǒng)的機構分析
R
參考方向
φ
Z
圖2-1 柱坐標示意圖
相貫線是一種空間曲線，在直角坐標系中必須有三個方向的運動，才能沿相貫線軌跡運動。然而，在圓柱坐標系中（圖2-1），針對特定已知直徑的管道，只需要沿柱坐標系中圓柱周向和軸向兩個坐標軸方向運動就可以形成相貫線的軌跡。
減少了運動方向就意味著減少了所需控制軸的數目，就能減少系統(tǒng)的復雜性，同時也使系統(tǒng)更加容易控制，成本也更低。
本課題最終采用的機構便是沿柱坐標系中兩個坐標軸方向運動的機構。沿周向的運動采用的是固定被切割圓管的周向運動，使切割系統(tǒng)的割炬沿被切割圓管表面周向運動。具體的做法是采用一個帶輪齒的圓環(huán)壁，稱為大齒圈，使之與圓管保持同軸，在大齒圈內壁上固定切割系統(tǒng)的割炬，并使之貼近被切割圓管。在運動時，驅動大齒圈自轉，這樣就能達到使割炬沿被切割圓管周向運動的目的（圖2-2）。
被切割管道
大齒圈
小齒輪
圖2-2 大齒圈周向運動
沿被切割圓管軸向的運動是通過固定切割系統(tǒng)沿被切割圓管軸向的運動，使被切割圓管沿其軸線方向運動來實現的。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)底部安裝導軌，導軌方向與被切割圓管軸線平行。通過使定位支撐系統(tǒng)在導軌上移動來達到使圓管沿其軸線方向運動的目的。
當相貫線切割機器人切割不同管徑的圓管時，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，而無法完成切割動作。這時就要調節(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：大齒圈在其整個工作過程中只需要沿自身周向做自轉運動，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架底座的位置是固定的。所以要調整大齒圈的高度，只要在大齒圈支撐座與機架底座之間添加一個可以沿高度方向運動的機構就可以達到調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器人的執(zhí)行末端割炬到達所需要的位置。然而要使管道被切割處產生坡口，就必須調整割炬的姿態(tài)?？稍诟罹媾c大齒圈之間通過一些擺動機構來連接，使割炬能在一定角度內擺動，以達到調整割炬姿態(tài)的目的。
2.3 三維建模
通過上面的機構分析，確認了管道相貫線切割機器人的結構設計，并對其進行三維建模。
由于大齒圈上有齒輪特征，建模比較復雜，故下面重點說明一下其三維建模的步驟。
大齒圈參數化設計過程。使用參數和關系式進行設計，用公式、曲線創(chuàng)建漸開線曲線，通過拉伸切料在預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、旋轉切料等畫出大齒圈的其他形狀特征。
2.3.1 設計參數
打開參數窗口,向模型中添加的參數主要有齒數z，模數m，壓力角angle，齒頂高系數ha，頂隙系數c，分度圓直徑d，基圓直徑db，齒頂圓直徑da，齒根圓直徑df。已知的參數如下表1所示。
表1 已知齒輪參數
名稱
字母
大小
齒數
z
150
模數
m
4
壓力角
angle
20
齒頂高系數
ha
1
頂隙系數
c
0.25
2.3.2 創(chuàng)建基本曲線
通過關系式生成基本曲線時，首先草繪四個圓，分別為齒根圓、基圓、分度圓齒頂圓曲線，可以隨意設置圓的直徑數值，其具體數值將通過關系式來確定。打開關系窗口選擇特征項,選中剛剛繪制的曲線將其尺寸標注切換為符號顯示形式（sd0，sd1，sd2，sd3） 。
在關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
完成關系式的輸入后，執(zhí)行/校驗關系并按關系創(chuàng)建新參數。保存關系后，系統(tǒng)將根據添加的關系式,自動計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、柱坐標等生成漸開線,本文以柱坐標為例建立如下關系式。
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, 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。保存關系式后,系統(tǒng)將根據此關系式創(chuàng)建漸開線,并生成圖形。
2.3.4 創(chuàng)建過渡線
由機械原理的基本知識可知：基圓內沒有漸開線，但是當齒輪的基圓半徑大于分度圓半徑時，還應該在基圓以內切除齒槽，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，設計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
通過對漸開線旋轉復制和鏡像可以和原曲線得到一個齒槽的齒廓。注意在旋轉漸開線時，輸入的角度應該輸入360/(2*z)的角度，對大齒圈來說應輸入1.2度。得到旋轉復制的漸開線后應找到它與齒輪分度圓的交點（圖4中點PNT0），并以該交點與齒輪原點的連線（圖2-3中的紅線DTM1）為鏡像軸對旋轉復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、齒根圓共同構成一個齒槽的齒廓。
圖2-3 漸開線的旋轉與鏡像
2.3.6 創(chuàng)建齒輪的齒特征
首先先拉伸齒頂圓得到一個圓柱。再通過對得到的齒廓進行拉伸切料，在已有的圓柱上得到一個齒槽。再對拉伸切料特征進行通過選取軸來進行環(huán)形陣列。在陣列其他齒槽特征時,根據陣列齒數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
對大齒圈進行拉伸切料，旋轉切料，倒角等一般簡單操作就可以得到所要的大齒圈形狀。最終大齒圈的結構設計如圖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立柱滑塊，側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立柱滑塊
圖2-10 切割系統(tǒng)的支撐座
圖2-10是整個切割系統(tǒng)的支撐座，可用于調節(jié)切割系統(tǒng)的高度。圖2-11是電機罩和切割系統(tǒng)與其支撐座的裝配圖，電機罩用于保護電機和小齒輪。
圖2-11 電機罩和切割系統(tǒng)與其支撐座的裝配圖
圖2-12是側立柱，與側立柱滑塊配合使用。圖2-13是整個相貫線切割機器人的三維整機模型經過虛擬裝配后的效果圖。
圖2-13 整個相貫線切割機器人的整機效果圖
圖2-12 側立柱
第三章 等離子切割系統(tǒng)的介紹
3.1 引言
經過長期的發(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。
火焰切割系統(tǒng)具有大厚度碳鋼切割能力，切割費用較低，但存在切割變形大，切割精度不高，而且切割速度較低，切割預熱時間、穿孔時間長，較難適應全自動化操作的需要。它的應用場合主要限于碳鋼、大厚度板材切割，在中、薄碳鋼板材切割上逐漸會被等離子切割代替。等離子切割系統(tǒng)具有切割領域寬，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10m/min以上。采用精細等離子切割已使切割質量接近激光切割水平，目前隨著大功率等離子切割技術的成熟，切割厚度已超過100mm，拓寬了數控等離子相貫線切割機切割范圍。因此，相貫線切割機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現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，從而達到切割的目的。
等離子弧柱的溫度極高，可達10000℃～30000℃，遠遠超過了所有金屬或非金屬材料的熔點，因此等離子弧的切割過程不是依靠氧化反應，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、多層及復合材料。且其切口窄(中薄板材)，切割面的質量好，切割速度快，切割厚度可達160mm。由于等離子弧的高溫、高速的特點，所以在切割薄板(≤0.5mm)也不會變形。特別是在切割不銹鋼、鈦合金及有色金屬材料領域，選用等離子切割非但能達到滿意的切割質量，還能獲得比原工藝增加數以十倍計的經濟效益，因此等離子切割已得到各行各業(yè)越來越廣泛的應用。
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）和非轉移?。娀≡阪u極與噴嘴之間燃燒）切割兩大類。轉移弧大多應用于金屬材料的切割，非轉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，接觸式切割時可將割炬(也稱割槍)中的噴嘴直接與工件接觸起弧進行切割．特點是操縱簡單、方便靈活，缺點是僅局限于小電流的(≤80A，因電流大時容易損壞噴嘴)手動切割。在切割電流大于100A時均采用非接觸式切割的形式，其在切割時噴嘴與工件離開一定的距離，引弧時利用非轉移弧過度到轉移弧的形式，所以能適用于大電流的手動、半自動、自動切割。
按對電弧壓縮情況可分為一般等離子弧切割(電弧經過機械、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生化學熱反應，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，切割厚度在≤50mm的碳素鋼、低合金鋼，也可切割不銹鋼、銅、鋁、復合材料等?？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、切割面質量好、熱變形小等特點。缺點是由于電極受氧化性氣體的強烈氧化，所以不宜采用廉價的鎢或鈰鎢作為電極材料，現在大都采用價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口，使用壽命是國內的1．5～2倍)。在切割不銹鋼、鋁合金時，由于氧與上述材料中的鉻反應生成高熔點氧化物，因此切面較為粗糙。
混合保護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)的化學反應來提高切割速度，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雜，國內在進行大功率等離子切割時大多采用單一保護性氣體切割的方式。
（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等離子弧進行再壓縮，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溫度梯度很大的“套筒”進一步加強了等離子弧的收縮效應，提高了等離子弧的電流密度，加強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量。由于這種割槍結構較復雜，制造中的精度要求較高，因此其價格昂貴，不適用手動和半自動切割，現主要來源依靠進口用于數控切割。
3.2.3 等離子切割系統(tǒng)的選用
圖3-1 HPR130高精細等離子切割系統(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15度。為了提高相貫線切割機器人的精度，故采用精細等離子切割系統(tǒng)。精細等離子切割機代表著當今等離子切割技術的發(fā)展方向，其切割精度可達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，價格明顯低于激光切割機，具有極高的性能價格比。美國HYPERTHERM（海別得）公司的HPR130高精細等離子切割系統(tǒng)便可以滿足相貫線切割機器人的要求。
3.3 產品詳細介紹
名稱：HPR130高精細等離子切割系統(tǒng)
表3-1 切割能力：操作數據(低碳鋼)
建議切割能力(質量切割)：
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
等離子氣體
氧氣
氮氣
95% N2， 5% H
35% H， 65% Ar
空氣
保護氣體
氮氣、氧氣、空氣
氣體壓力
8.3巴手動氣體控制臺
8巴自動氣體控制臺
表3-3 切割參數表
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
氧保護氣
30
0.5
5355
1
3615
1.5
2210
3
1160
6
665
氧等離子氣
空氣保護氣
80
3
6145
6
3045
10
1810
12
1410
20
545
氧等離子氣
空氣保護氣
130
6
4025
10
2675
12
2200
20
1050
25
550
38
255
不銹鋼
95% N2，5% H等離子氣
氮保護氣
45
1
5740
2.5
2510
4
845
95% N2，5% H等離子氣
氮保護氣
80
4
2180
6
1225
10
560
35% H，65% Ar等離子氣
氮保護氣
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
氮保護氣
130
12
1455
20
940
25
540
故采用HPR130高精細等離子切割系統(tǒng)可以滿足相貫線切割機器人的設計要求，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。
第四章 相貫線切割機器人切割系統(tǒng)關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值方法。應力分析之中的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、線性或非線性問題以及熱傳導、流體流動和電磁學中的問題都可以用有限元方法進行分析。它的基本思想是將物體（或者求解域）離散成有限個且按一定方式相互關聯(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單元，即將問題分解成節(jié)點和單元。
（2） 既定描述單元物理屬性的形（shape）函數，即用一個近似的連續(xù)函數描述每個單元的解。
（3） 建立單元剛度方程。
（4） 組裝單元，構造總剛度矩陣。
（5） 應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)點值。
（7） 得到其他重要的信息。
ANSYS是一個大型的通用有限元計算機程序，其代碼超過100000行，它不僅能夠進行靜態(tài)或動態(tài)問題的有限元分析，還能進行熱傳導、流體流動和電磁學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。當今有限元程序的另一個特點是與CAD軟件的集成。使CAD軟件中建立的模型能很方便的導入到有限元程序中進行分析。CAD軟件與有限元軟件的集成，極大的提高了設計的效率，使設計人員建立的三維模型能快速的導入有限元程序中分析，其結果再被用來改進模型。ANSYS能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，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:
（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）結果后處理
本文的有限元分析除了第一步是從Pro/Engineer中導入模型外，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中的結構分析部分，為靜力學線性結構分析，得到的最終結果是變形圖和應力云圖。
4.2 各零件的有限元分析
對切割系統(tǒng)中主要的兩個運動零件進行有限元分析如下。
4.2.1 對大齒圈的有限元分析
由于大齒圈外形尺寸比較大，而壁厚相對較薄，所以，在重力的作用下，大齒圈可能會發(fā)生較大變形，因此需要對其進行有限元分析。
（1） 將PRO/E中的模型導入ANSYS
圖4-1 大齒圈便導入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量，同時也減少了細節(jié)，以防止在模型導入ANSYS中時，出現細節(jié)丟失（如圓角處的細小面片）而引起不必要的錯誤。再對大齒圈保存副本，選擇IGES格式，選擇實體進行輸出。
打開ANSYS，選擇File>>Import>>IGES…，點擊OK，再找到剛保存的文件打開。大齒圈便導入ANSYS中了（如圖4-1）。
（2） 前處理
單元類型：solid 95號單元（20節(jié)點）
由于大齒圈上有較多的曲面，所以選擇95號單元能更好的貼合實際模型。
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)質碳素結構鋼，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 大齒圈劃分網格
劃分網格：智能劃分網格
選擇參數是7的智能劃分網格來對大齒圈進行劃分，使其既能劃分出足夠的網格，又能較快的計算出結果。劃分網格的結果如圖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命令進行分析了。
（3） 使用通用后處理模塊查看結果
經分析后得到的變形圖如圖4-4。
圖4-4 大齒圈變形圖
下面是應力云圖，從上至下分別是等效應力云圖和沿X，Y，Z軸方向上的應力云圖。
圖4-5 大齒圈應力云圖
由上圖可知，大齒圈受重力影響的變形和應力都很小，遠小于材料的強度極限，可以滿足要求。
4.2.2 對小齒輪的有限元分析
在一對齒輪嚙合過程中小齒輪相對大齒輪受力要大，所以選擇分析小齒輪在分度圓附近嚙合時一個齒的受力情況。
（1） 在PRO/E中修改模型并導入ANSYS中
在齒輪嚙合時，在嚙合出實際上由于材料的變形是一個很小的面接觸，所以在用ANSYS分析時使用面載荷，以更好的貼近實際情況。因此，必須在齒廓的漸開線與分度圓交點附近，截出一小段曲面用于分析時添加面載荷。要截出一小段曲面必須在繪制齒槽曲線時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。再經過拉伸以后齒面上分度圓處，就會出現單獨的一小片曲面，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中導入模型。
（2） 前處理
單元類型：solid 95號單元（20節(jié)點）
由于小齒輪上有較多的曲面，所以選擇95號單元能更好的貼合實際模型。
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)質碳素結構鋼，45鋼為小齒輪的材料，可以得到其彈性模量和泊松比。
劃分網格：智能劃分網格
選擇參數是7的智能劃分網格來對小齒輪進行劃分，使其既能劃分出足夠的網格，又能較快的計算出結果。劃分網格的結果如圖4-7。
圖4-7 小齒輪劃分網格
（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。載荷大小計算如下。
驅動小齒輪的電機選擇56BYG二相混合是步進電機，具體型號是56BYG250B-SASSBL-0241。假設電機的保持轉矩0.65N·m為系統(tǒng)正常工作時，電機軸所承受的最大載荷（超過保持轉矩，系統(tǒng)就不能正常工作了）。電機通過傳動比為48的諧波減速器，傳遞到小齒輪上的轉矩為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測量出施加載荷面片的面積是5.7mm2，所以面片上受到的壓強是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命令進行分析了。
（4） 使用通用后處理模塊查看結果
經分析后得到的變形圖如圖4-9。
圖4-9 小齒輪劃分網格
下面是應力云圖，從上至下分別是等效應力云圖和沿X，Y，Z軸方向上的應力云圖。
圖4-10 小齒輪應力云圖
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力為111.145MPa，由于小齒輪采用45鋼，材料的強度極限
σb = 600MPa，拉壓疲勞強度極限約為0.3σb = 180MPa，彎曲疲勞強度極限約為0.45σb = 270MPa，均大于最大等效應力。所以小齒輪滿足系統(tǒng)要求。
第五章 相貫線切割機器人的控制原理
5.1 引言
控制系統(tǒng)對于數控設備來說是不可缺少的部分，而這個機器人作為一個數控設備，控制系統(tǒng)也是占著重要的地位。尤其是當這個機器人劃入自動化設備后，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
對于已選定的HPR130高精細等離子切割系統(tǒng)，可以通過控制系統(tǒng)輸出切割所需的參數到HPR130高精細等離子切割系統(tǒng)的自動氣體控制臺上，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)機械部分的控制
切割系統(tǒng)的控制被基本設定為兩軸聯(lián)動，僅完成基本的相貫線的切割。如果需要進行坡口的切割控制，可以增加為三軸聯(lián)動。輸入參數，由程序部分計算出該相貫線的空間曲線在極坐標軸上軌跡。在通過程序計算出電機的輸出轉速。大齒輪和底部直線位移的控制電機在程序控制下，使噴頭相對管道，沿相貫線軌跡方向移動。
5.4 定位系統(tǒng)的控制
定位系統(tǒng)需要被監(jiān)測和控制的是位移傳感器和底部驅動螺旋支撐的電機。位移傳感器將所測信號作為反饋數據，再對電機進行控制以到達目標地點，從而完成自動化操作。然后調節(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了直線電機等自動機構則可以通過程序來控制，如果沒有則只能手動調節(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 總結與展望
6.1 總結
通過這次畢業(yè)設計可以得出以下結論：
1、 針對相貫線切割機器人的主體機構進行了分析。提出了以圓柱坐標系為基礎的機構方案，從而減少了聯(lián)動軸數，使控制難度降低，從而減少了成本。
2、 針對相貫線切割機器人的機構原理進行了三維建模。通過三維模型初步確定了機器人各個零件的外形結構和尺寸。再通過有限元分析軟件對相貫線切割機器人的切割系統(tǒng)中相對運動的零件進行了分析，得出零件的變形和應力都在可接受范圍內，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。通過網上查找現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器人的控制原理。
6.2 展望
本文的研究內容是由楊啟志導師指導的。通過對本課題的研究，作者感到對相貫線切割機器人還有以下幾個方面需要進一步研究：
1、相貫線切割機器人切割坡口的部分只是做了一個原理上簡單的介紹，并沒有做具體的結構設計。所以現階段的相貫線切割機器人并不具備切割坡口的能力?？梢栽谇懈钇驴谔幾鲞M一步分析。
2、對于機器人各個零件的機構設計只是滿足了基本的設計要求，可以結構設計上，通過分析軟件做進一步的優(yōu)化設計，使機器人的重量降低，以減低成本。
3、在機器人的控制部分，只是做了簡單的原理介紹，可以做進一步的設計，或選擇市場上已有方案。
另外在此次畢業(yè)設計中我學到了很多東西，像ANSYS這種分析軟件是在做設計的階段學起來的，對于PRO/E的一些高級建模功能，如齒輪的建模，也是在設計過程中學起來的，所以并不能自如的完成，能做一些簡單的操作，還需進一步學習。
由于作者的時間和水平有限，論文中難免有不妥和錯誤之處，懇請各位專家批評指正，對此作者將衷心感謝。
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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。學海無涯，孤舟難行，每每想起鼓勵我前行和成長的師長、同學，我內心就充滿了感激。這篇論文的順利完成，離不開他們幾個月來一貫的支持、關心和幫助。
我要衷心感謝我的導師楊啟志老師。在他的精心指導和親切關懷下，學生才能夠克服種種困難，順利完成畢業(yè)設計和論文撰寫工作。導師淵博的學識、嚴謹的治學態(tài)度、敏銳的科學洞察力、寬厚平易的仁者風范和對科學的不懈追求、對事業(yè)的忘我奉獻精神都無時無刻不令學生感動和鼓舞，并激勵學生在以后的學習、生活中不畏艱險、拼搏進取。
在此，我還要感謝在同一組一起做畢業(yè)設計的幾位同學，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，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
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