1、管道相贯线自动切割机器人支撑定位系统摘要： 相贯线切割机器人是用于管道相贯线切割的自动化工业机器人。它以加工精度高，自动化程度强以及效率出众等优点，将取代一直以来的手工作业。相对于现有的相贯线加工设备，一种低成本的相贯线切割机器人具有十分重要的研究意义及工程应用前景。本篇中将提出一种全新的切割机器人结构和独特的驱动分配原理，使得设计的机器人控制简单，加工效果好。并尽量控制其制作成本。该机器人已经在申请专利过程中。本文着重于设计机器人的支撑定位系统。对其整个支撑定位系统进行结构设计。还包括工作状态下工作台的轴向位移和定位时自动升降两种传动方案，并对其校核。设计适合管道加工的专用夹具。设计过程中全
2、部采用三维建模，直观的展示装配效果。另外，对其控制和切割原理进行简述。关键词：工业机器人； 相贯线； 管道夹具； Pro/E建模Supporting and Positioning System of pipeline Intersection Line Auto-cutting RobotAbstract： Robot of Intersection line Cutting is an industrial robot for cutting intersection line on the surface of pipe-line. It is excellence for high a
3、ccuracy, automation, and efficiency, so that will replace handwork which has been a long time. Those existing fabricating machineries for cutting intersection line are almost high cost. In this paper, one kind of new structure and special drives-fixed for the robot will be brought out. It makes the
4、robot easy to control and still have great effect with a low cost. Now this robot is applying for a patent.This paper will pay more attention in the supporting and positioning system of the robot. It mentions the structure of the whole system, and brings two schemes of drive for axial-movement and p
5、ositioning-movement. A special fixture for pipe-line is designed. All parts of the robot are designed in Pro/E, to view the effort of assemble. At last, the principles of control and cutting are generally discussed.Key words: Industrial robot； Intersection line； pipe-line fixture； 3D modeling目 录第一章
6、绪论- 1 -1.1 概述- 1 -1.2 现状- 1 -1.2.1 相贯线加工实例- 1 -1.2.2 各类型数控相贯线切割机的特点及其应用情况- 2 -1.2.3 现有相贯线设备及其工作原理- 3 -1.3 数控相贯线切割机发展趋势- 6 -1.3.1 数控相贯线切割机的发展- 6 -1.3.2 专用数控相贯线切割机的发展- 7 -1.4 结语- 7 -第二章 相贯线切割机器人运动方案拟定- 9 -第三章 机器人的切割系统简述- 13 -第四章 管道相贯线切割机器人的支撑系统- 15 -4.1 概述- 15 -4.2 该系统对于管道的支撑- 15 -4.3 管道夹紧机构- 17 -4.4
7、机器人支撑系统里的移动结构- 18 -4.4.1 概述- 18 -4.4.2 直线运动副的选择- 19 -第五章 支撑系统中长支撑架的应力分析- 23 -5.1 前言- 23 -5.2 受力分析- 24 -5.3 ANSYS软件分析步骤及结果- 25 -5.3.1 导入模型- 25 -5.3.2 参数确定- 26 -5.3.3 约束和载荷- 27 -5.3.4 分析结果- 29 -第六章 管道相贯线切割机器人的定位系统- 33 -6.1 定位原理- 33 -6.2 螺旋支撑的强度校核- 34 -6.2.1 初始条件- 34 -6.2.2 耐磨性计算- 34 -6.2.3 自锁验算- 35 -6
8、.2.4 计算驱动转矩- 35 -6.2.5 螺杆强度计算- 35 -6.2.6 螺纹牙强度计算- 35 -6.2.7 螺杆稳定性计算- 36 -6.2.8 螺杆的刚度计算- 36 -6.2.9 计算横向振动- 36 -6.2.10 效率计算- 37 -6.3 定位元器件- 37 -第七章 管道相贯线切割机器人控制原理描述- 39 -结 论41参考文献- 43 -致 谢- 45 - 7 -第一章 绪论第一章 绪论1.1 概述在机械加工过程中，管材切割常用方式有手工切割、半自动切割机切割及相贯线切割机切割。手工切割先在模板上画出相贯线的椭圆轮廓，然后将模板包绕在管道表面，然后手持切割设备沿轮廓线
9、对管道进行加工。这一方法灵活方便，但因为轮廓线无法精确计算，手持切割设备移动稳定差，导致切割质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后续加工工作量大，同时劳动条件恶劣，生产效率低。其它类型半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一些较规则形状的零件切割。相贯线自动切割机器人，取代这些手动和半自动切割方式，可有效地提高板材切割地效率、切割质量，减轻操作者地劳动强度。目前在我国的一些中小企业甚至在一些大型企业中使用手工切割和半自动切割方式还较为普遍。目前，我国机械工业钢管使用量已达到3亿吨以上，钢管的切割量非常大；随着现代机械工业的发展，对管材切割加工的工作效率和产品质量的要求也同时提高。
10、因而亟需设计和退出自动化的工业机器人，即管道相贯线自动切割机器人，来提高工作效率，节约劳动成本。而且，这一类机器人必将有庞大的市场。101.2 现状1.2.1 相贯线加工实例手工对管道相贯线加工的切割质量差、误差大等缺点，在大型管道上尤为突出。图1-1显示的是一个手工加工的大型管道转角。因为人工作业的限制性，在材料的分配以及角度的控制上都能很难达到精准。并且在图示工作环境下进行作业，还存在很大的危险性。图2-2里是由自动化机械完成的相贯线切割。从管道零件的切口可以看出空间曲线是非常齐整的。它不仅切割的精度高，大大提高加工的效率，而且可以避免了人工作业存在的安全隐患。图1-1 手工完成的管道弯角
11、图1-2 自动化机械完成的相贯线产品1.2.2 各类型数控相贯线切割机的特点及其应用情况经过几十年的发展，相贯线切割机在切割能源和数控控制系统两方面取得了长足的发展，切割能源已由单一的火焰能源切割发展为目前的多种能源(火焰、等离子、激光、高压水射流)切割方式；数控相贯线切割机控制系统已由当初的简单功能、复杂编程和输入方式、自动化程度不高发展到具有功能完善、智能化、图形化、网络化的控制方式； 驱动系统也从的步进驱动、模拟伺服驱动到今天的全数字式伺服驱动。数控相贯线切割机主要品种分为两种：数控火焰相贯线切割机、数控等离子相贯线切割机。数控火焰相贯线切割机 ，切割具有大厚度碳钢切割能力，切割费用较低
12、，但存在切割变形大，切割精度不高，而且切割速度较低，切割预热时间、穿孔时间长，较难适应全自动化操作的需要。它的应用场合主要限于碳钢、大厚度板材切割，在中、薄碳钢板材切割上逐渐会被等离子切割代替。数控等离子相贯线切割机，等离子切割具有切割领域宽，可切割所有金属管材，切割速度快，效率高，切割速度可达10m/min以上。采用精细等离子切割已使切割质量接近激光切割水平，目前随着大功率等离子切割技术的成熟，切割厚度已超过100mm，拓宽了数控等离子相贯线切割机切割范围。1.2.3 现有相贯线设备及其工作原理市场调研发现了一些已有的相贯线切割设备。它们中的一些可以作为典型结构来为本次任务的设计提供参考。同
13、时，比较它们之间的优缺点，也可以对我们设计有很大的帮助。（一） STZQ-I型管道切割机图1-3 宣邦科技的管道切割机STZQ-I是由上海宣邦金属新材料科技有限公司设计生产的。通过查阅资料发现，上海交通大学也参与了其中的设计。它在市场上的报价为10000元12120元，相对于同类产品，属于价格较低的一种。图1-4 STZQ-I型管道切割机的专用夹具从图1-3中，可以看出，这是一个便携式的切割机器。相对于其它固定式机床来说，外型尺寸是这个切割机的特点。因此，造价也相对较低。此机器工作时，运动轨道紧贴管道外壁，所以不需要额外的对心操作。快速装夹的方式，也是它的一个亮点。虽然被展示的这类切割器可用于
14、室外作业，但是对于管道切割这种特殊的加工方式，需要很多大型的附加设备如空气压缩机等。而且还需要电源，所以实行真正野外作业的可能性不大。通过实际演示的效果发现，用这个型号的切割机进行复杂相贯线轨迹的切割还不能符合使用要求。图1-4 管道相贯线自动切割系统（二） 管道相贯线自动切割系统图1-4是由唐山开元电器有限公司设计制造的管道相贯线自动切割系统。它可以被认为是典型的相贯线切割机床。虽然没有直接获得该机床的报价，但根据市场上的大致行情，这类专用机床约为30万左右。管道工件被装夹后，5个自由度被限制。所有与管道外壁接触面都安装有滚轮，所以管道仍可以再驱动下绕圆周方向转动。切割喷头被安装在图示管道背
15、面可三自由度平移的执行器上。其中两个方向的平移是用来对管道工件进行定位对刀的，工作时不同步移动。数控系统控制工作状态下，转动与喷头的进给量以及喷头的角度姿态。而且这类机床加工范围比较大，即适应不动大小直径的管道。图1-5 骑坐相贯线焊接机器人的机构模型很明显的，价格昂贵和占用空间大成为了这类相贯线切割机的最大劣势。而且，当被加工的管道有一些椭圆变形等外形变化时，只能靠控制方面来弥补。这就不是简单两轴或三轴联动进行加工了。再加上相贯线空间曲线的建模，复杂的控制问题也将被计算入成本。（三） 骑座式相贯线加工机器人图1-5中是由某高校设计的同样用于管道相贯线切割和焊接的机器人模型。这类机器人十分类似于传统意义上的关节机器人，即除管道相贯线加工外，还可以自由的做出很多复杂动作。它们相对的灵活性十分大，可用于各种不同的场合，并且复合的功能很多。3但是同样的关节机器人，操作复杂，需要多重的数学模型才能计算出完成不同动作的参数。而且对控制驱动的精度要求很高，因此造价昂贵，使用繁琐，不值得推荐。（四） 管道自动清洗机器人图1-6 管外自动喷涂清洗机器人由江苏大学智能机器人研究所设计的管道自动清洗机器人（图1-6）也是一种典型的适用于
