毕业设计（论文）-管道相贯线自动切割机器人支撑定位系统设计.docx

全套图纸加扣 3012250582目 录第一章 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 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 -6.2.4 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 -全套图纸加扣 3012250582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。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，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管道产业的工业机器人。它的工作原理是，机器人环绕在管道表面，有电机驱动小轮沿轴向行走。机器人底部的特殊机构驱动喷枪等执行机构沿管道圆周方向作往复摆动。这种特殊机构的名称是“不完全链”，它可以使电机的单向输入作为对称的往复运动输出。不完全链是多排不完整的链条，通过特定的组合排列，再在部分位置配以链轮和齿轮作为驱动和变向，行成一种全新的传动方式。这个机器人以及其中的特殊结构已经被作为发明专利列入了知识产权局。1.3 数控相贯线切割机发展趋势随着现代机械加工业地发展，对切割的质量、精度要求的不断提高，对提高生产效率、降低生产成本、具有高智能化的自动切割功能的要求也在提升。数控切割机的发展必须要适应现代机械加工业发展的要求。1.3.1 数控相贯线切割机的发展从现在几种通用数控切割机应用情况来看，数控火焰相贯线切割机功能及性能已比较完善，其材料切割的局限性（只能切割碳钢管），切割速度慢，生产效率低，其适用范围逐渐在缩小，市场不可能有大的增加。等离子相贯线切割机具有切割范围广（可切割所有金属材料），切割速度快，工作效率高等特点，未来的发展方向在于等离子电源技术的提高、数控系统与等离子切割配合问题，如电源功率的提升可切割更厚的板材；精细等离子技术的完善和提高可提高切割的速度、切面质量和切割精度；数控系统的完善和提高以适应等离子切割，可有效提高工作效率和切割质量。1.3.2 专用数控相贯线切割机的发展数控相贯线切割机适用于各种管材上切割圆柱正交、斜交、偏心交等相贯线孔、方孔、椭圆孔，并能在管子端部切割与之相交的相贯线。这种类型的设备广泛应用于金属结构件生产，电力设备、锅炉业、石油、化工等工业部门。1.4 结语从各种数控相贯线切割机应用情况来看，国内生产的数控相贯线切割机的技术水平、整机性能等整体水平都取得了可喜的进步，逐步赶上国际先进水平，满足用户的需要，进一步提高了市场竞争力。国内一些数控等离子相贯线切割产品在许多方面已形成自身独有的特点，实现了“自动化、多功能和高可靠性”。在某些方面，产品的技术性能甚至超过了国外的产品。从发展趋势来看，数控相贯线切割机市场上数控火焰相贯线切割机将保持其基本市场，而数控等离子相贯线切割机将成为板材切割市场中的主流力量。第二章 相贯线切割机器人运动方案拟定第二章 相贯线切割机器人运动方案拟定管道相贯线切割，是利用等离子（或火焰）喷射对管道表面进行切割加工。而此次任务设计的机器人，就是相对于相贯线这种复杂的空间曲线，提供精确的轨迹定位。提出一种新的合理有效的方案，使机器人结构简单合理，使用方便，数学模型容易建立。图2-1 被加工管道模拟图充分利用管道的圆形结构，可以建立类似于极坐标系的工作空间。如图2-1，在直径280的圆管上切割直径200的相贯线孔。在被加工圆管表面形成空间曲线。在极坐标系中，只需要两个方向的移动，就可以完成这条轨迹：(1)图中A1轴向移动；(2)沿圆周方向转动。将这两个主要运动的设计分配到机器人中，就可以达到加工的基本效果。本次设计的机器人相对的也分为两个主要部分：切割系统和支撑系统。切割系统装配有等离子切割喷头，在工作时，可以带动喷头沿管道的圆周方向运动，其运动轨迹的中心与管道轴线重合。支撑系统一方面对圆形管道进行支撑和定位，同时还能引导管道沿轴线方向移动，使之产生和切割喷头的相对位移。切割系统的转动，由大小齿轮啮合驱动。电动机连接小齿轮，使配合后的大齿轮输出缓慢稳定的转动。由于大齿轮的直径相对较大，可能会出现绕动现象。所以在其两侧安放固定轨道，以保证加工时的同轴度。这种情况下，切割系统自身的轴向移动就难以实现。轴向的相对移动就被设计在支撑结构中。由定位夹紧机构直接带动管道轴向位移，而且能够保证较好的同轴度。考虑到被加工管道都属于转接的特殊部分，很少出现长度直径比较大的情况。即使如此，可在机器人以外增添附加的支撑设备，并在上面安置滚轮，使摩擦力的影响减小。图2-2 整机的三维模型结合以上所描述的工作原理，本文提出工作头转动，工作台单一自由度移动的简化结构。降低了空间曲线（面）数学建模的难度。同时，两个工作轴的联动，也降低了机器人的控制难度和成本。1另外，把文中之前提到的两种不同类型的切割设备拿出来与本方案进行对比。同STZQ-I型切割机一样，在工作状态，被加工管道是不转动的。在管道较长的情况下，不转动管道可以避免管道自身绕度带来的影响。另外在切割系统高度调整后，自动对心，不会因为管道自身的圆跳度变化而产生影响。而相比于另一种典型专用机床，本方案在空间位置的安排上更为合理，一些扩展设备可以在机器的侧面放置。虽然没有实体模型的建立，但可以预见其成本低于大多数同类产品。对于控制方面提出的设想也可以明显看出，比很多先用的控制系统简单方便。驱动器位置的合理巧妙分配是本机器人运动方案中的亮点。连接执行器的机构可以固定圆周旋转，不会受管道自身长度的绕度影响。管道被固定在V型块上，随支撑系统移动。这样能够保证切割系统旋转中心不会跳动，提高加工精度。虽然轴线很长的管道仍然会对机器人的使用效果产生影响，但合理的附加支撑，减小重力产生的摩擦力影响，就可以把这个负面的影响降到最低。驱动结构如此放置，也减少了机器人占用的空间。但增加了对其的设计难度，因此需采用三维建模以避免可能的零件位置冲突。- 11 -全套图纸加扣 3012250582第三章 机器人的切割系统简述切割加工是在管道工件装夹后开始工作的。为了保护传感器，在机器开始切割前，要把传感器从大齿轮的内圈上拆卸下来。定位好后，调整等离子切割喷头距离被加工管道外壁的距离。从控制面板中输入技术参数，如管道直径（可由位移传感器测得）、相贯孔的直径、起始位置、进给速度等。图3-1 切割系统三维模拟图大齿轮由连接电动机的小齿轮驱动，绕固定圆周转动。数控系统同时控制等离子切割喷头开关状态。结合安装在支撑系统中的滚珠丝杆驱动，即工作台的轴向位移。形成了一个固定半径的空间极坐标系。所以，从笼统的意义上来说，该套切割系统工作时只需要两轴的支配。但是结合管道切割加工工艺等问题，在对管道进行切割时还要考虑切割坡口角度的问题。对于这种坡口采用以往的磁力管道切割机和等离子切割机切割坡口法，不能满足焊接工艺规程对坡口形式的要求。根据实际施工的要求，采用坡口整形机加上一定的辅助手段，成功地解决了此种钢管的坡口加工问题，也满足了坡口质量和焊接进度的要求。2图3-2 坡口形式因此，对于坡口的加工在本机器人上的实现是不必要的。但仍然可以提出一些简单的方案设想。在大齿轮内侧连接等离子喷枪的接口上放置旋转电机，随时改变喷头对于管道的角度，即可产生坡口。但相对于实际的工艺，可能必然需要坡口加工的专用机床进行打磨。4- 13 -全套图纸加扣 3012250582第四章 管道相贯线切割机器人的支撑系统4.1 概述图4-1 机器人的支撑系统根据机器人的工作原理，在工作状态下，管道应水平放置，与切割系统的大齿轮同轴。管道采用V型块支撑，在切割系统的两侧放置固定高度的V型块。装夹时，将圆形管道从机器的一头塞入，平稳放置后，用专用的夹具对其夹紧。切割状态下，支撑系统底部的丝杆传动带动这个系统作轴向移动，配合大齿轮的转动，形成最终的相贯线轨迹。其三维结构如图4-1。4.2 该系统对于管道的支撑如上所述，被加工管道由两侧的V型块进行支撑。定位问题将在后面的部分被提出。考虑到管道外壁的圆柱形结构，以及常见管道的长径比，设计了图示中的V型块支撑。两侧的V型块，除左侧的一个底部安装有丝杆螺母，并留有连接孔，其余如与管道工件接触的面和外型尺寸等都是对称的。V型块之间的距离是固定的。每个V型块架在两个横梁上，而横梁固定连接在导轨上方的长支撑架上。以上，形成一固定的管道支撑结构。图4-2 实体型V型块V型块的厚度设计成100 mm。而被加工管道的尺寸，V型块结构的外形尺寸被设计为400400350 mmmmmm。见图4-2。而通过三维建模。预设V型块为铸铁材料。得出其质量约为130 kg。巨大的质量会对机器人的运转带来预想之外的麻烦。所以要对其进行结构优化，在非受力集中的部分挖空材料，以减轻重量。因此，V型块被设计成图4-3所示形状。具体结构尺寸见图纸。图4-3 结构优化后的V型块这个管道支撑结构底部有四个滑块，连接着直线滚动轨道。轨道长2050 mm，两端安装挡块。支撑系统可以通过在轨道上的滑动，在不改变相对距离的情况下沿直线方向移动。动力来自于左侧V型块下第一根横梁连接的滚珠丝杠螺母。丝杆的位置是相对固定的，丝杆一端安装电动机，带动丝杆转动，使螺母直线方向移动。从而带动支撑系统及被加工管道工件随之移动。4.3 管道夹紧机构管道零件不同于一般其它零件，它重量不大，但是占用的空间很大。一般的实体夹紧机构不适用与这类机器人。而在加工时，切割所产生的应力并不是很大。管道自身产生的重量，以及在V型块表面产生的摩擦力对于加工过程都是有利的。因此夹紧工件的时候，不需要很大的夹紧力。针对此类圆柱形工件，可以选择应用图示的螺旋夹紧机构。在半圆形夹具体的顶部有一个M20的通孔，而夹紧手柄下部分是M20的螺纹。旋转手柄，螺杆转动，上下移动。对工件实施夹紧。此结构简单，实用，十分适合作为管类零件的夹紧机构。原理见图4-4。管道工件与夹具和V型块之间形成了三点接触，完全限制空间移动的自由度。两侧同时夹紧，管道除轴向转动以外，其余5个自由度被完全约束。而因为空气切割的特点，管道自身不会发生自转。再加上夹紧手柄产生的摩擦力，在加工过程中，管道工件将不会有多余的移动。图4-4 管道夹紧机构4.4 机器人支撑系统里的移动结构4.4.1 概述上文中已经提到了机器人特别的驱动分配方案。其中工作台沿轴向直线移动的驱动及传动结构就被设计安放在支撑系统底部。支撑系统作为工作台，带动被加工管道在切割过程中沿轴向进给。与转动副的设计相同，直线移动副也要符合使用精度要求。同时，要承受轴向的整个支撑系统产生的摩擦力。而设计任务要求的被加工管道范围是从直径200300 mm，因此其相贯线的轮廓线轴向投影应该也在300 mm以内。所以增加一个预留行程后，丝杆的工作长度被设计为350 mm。同样，如方案设计中提到的一样，紧凑的空间位置增加了设计的难度。为了不与机器人的螺旋升降结构空间冲突，整个直线传动的机构被设计在距离中心位置有一点偏移量的位置。在倾覆力矩允许的情况下，偏心的设计也是合理。4.4.2 直线运动副的选择支撑系统的直线移动由滚动导轨支撑，滚珠丝杆传动，控制系统控制步进电机驱动。这一系列直线运动机构在市场上已经相当成熟，而本次任务设计的机器人在这一方面没有相对特殊的使用条件和要求。因此，只要选择合适成熟产品就可以直接装配在机器人上，不需要额外的设计计算。目前，有很多著名的厂商提供整套到直线运动配置，只要合理的选取其中的部件整合。如THK公司，不仅提供一系列的产品（导轨、丝杆、丝杆螺母以及支撑块等），还为客户提供技术指导以便根据设计要求进行选取。以丝杆螺母为例，在其产品信息内找到“直线滚珠导套”。除根据需求选择适合类型螺母以外，还能发现“支撑单元”等产品。系列化的产品库为机器的设计省去很多工作量。跟据螺母在本机器上的安装位置，可选择“圆形切角法兰 LMH型”，固定在横梁底部的同时，减小横梁至机器底座的距离。因为直线驱动所受载荷基本来自于支撑系统重力所产生的摩擦力，而两侧都是用滚动导轨，摩擦系数非常小。所以表4-1中，动载荷C510 N的产品都可以被考虑。参考机器人的整体外观，最终选择了LMH-25型圆形切角法兰作为机器的直线传动部件。滚动直线导轨、滚珠丝杆、支撑块等，都可以用以上类似的方法从该公司网站的产品库中选取。表4-1 YHK提供的LMH型圆形切角法兰产品公称型号主要尺寸基本额定负荷内径直径外径长度法兰直径动额定C静额定C0dr公差D公差精高L公差D1公差精高mmmmmmmmmmmmmmmmmmNNLMH 661200.0111900.22800.2206265LMH 881500.0112400.23200.2265402LMH 10101900.0132900.23900.2373549LMH 12122100.0133000.24200.2412598LMH 13132300.0133200.24300.2510775LMH 16162800.0133700.24800.27751180LMH 20203200.0164200.25400.28631370LMH 25254000.0165900.36200.29801570LMH 30304500.0166400.37400.215702750图4-5 丝杆螺母的选择图4-7 BK 25支承座内部结构图4-6 LMH25的外型尺寸及配合示意以同样的方法，可以选择导轨、丝杆，特别是丝杆的支承座。丝杆的支撑座是一个组合型产品。它不仅起固定支撑丝杆高度的作用，内部还要转配特殊的轴承，不影响丝杆转动的同时还要承受轴向的载荷。合理的对其选择，不仅缩短设计周期，另一方面该公司产品化的配套生产，也可以很大程度上的提高零件使用效率。其内部组合见图4-7。- 21 -第五章 支撑系统中长支撑架的应力分析第五章 支撑系统中长支撑架的应力分析5.1 前言图5-1 横梁三维模型从安全性的角度出发，机器人的设计部件，在不影响其使用性能的情况下，尽量采用安全可靠的设计方案。如横梁对于V型块的支撑，以及长支撑架对于以上部分的支撑。横梁的横截面积尽量放大，以满足支撑力的要求，以及减小V型块等相对重量较大的物体在重力作用下产生的应力形变。梁跟架之间的接触面积也尽可能放大，这样，可以不至于在部分区域内产生应力集中或过大的现象。定向及支撑用的轨道在选择的时候，已经将这一因素考虑进去。因此，不需要对滚动直线导轨做更多的受力分析。且轨道的地面贴紧机床底座，轨道是能够满足设计使用要求的。图5-2 长支撑架三维模型对比横梁和长支撑架后，因为两者不用的使用位置和外型尺寸，长支撑架受力更多一点。因此在这里对长支撑架进行受力和ANSYS分析。5.2 受力分析图5-3 V型块底座受力图假设V型块为铸铁材，密度为7.8510-6 kg/mm3。通过Pro/E三维建模，计算得体积为1.07107 mm3。最终得出其模拟后的质量为84.1 kg，以及V型块重心的坐标值。综合横梁重量等，每侧长支撑架所受的重力约为1000 N。如图5-3，是在得知重心位置以后，V型块受到的力。通过公式： 12G=F1+F2F1400-50=12G400-50-142 (5-1)由式（5-1）得出： F1=347 NF2=153 N再对长支撑架进行受力分析，见图5-4：图5-4 长支撑架受力分析 F3=F4=500 N然后将长支撑架的Pro/E三维模型及以上分析数据，输入ANSYS程序分析。得出以下结论。5.3 ANSYS软件分析步骤及结果5.3.1 导入模型ANSYS的三维模型建立与Pro/E类似，而且用这两种软件建立的三维模型可以互相转换。所以，直接将上图5-2中的长支撑架三维模型导入ANSYS，见图5-5：图5-5 长支撑架三维模型导入ANSYS软件5.3.2 参数确定单元类型：solid 45号单元 （8节点）材料属性: 铸铁弹性模量：E=2.06105 MPa，泊松比=0.3单元格划分见图5-6：图5-6 长支撑架单元划分图5.3.3 约束和载荷图5-7 长支撑架载荷分布根据机器人的装配方案，长支撑架的载荷被加载在凹下的四个平面内。其受力分析已在上文中给出，而每个承载面得面积为A=10000 mm2。它的载荷见图5-7：图5-9 长支撑架的应力变形图5-8 长支撑架所加约束而它的约束则来自于地面连接的两个滑块。所以，约束见图5-8：5.3.4 分析结果变形量，见图5-9：从图中数据可以看出，最大变形量仅为0.001939 mm，完全符合使用要求。应力分布：X, Y, Z轴方向及等效应力分布见图5-10，数据见表5-1：图5-10(a) X轴方向应力应变图5-10(b) Y轴方向应力应变图5-10(c) Z轴方向应力应变图5-10(d) 等效应力应变表5-1 应力分析表 方向（MPa）X轴Y轴Z轴等效SMN（最小应力）-2.447-2.381-1.1630.538E-03SMX（最大应力）0.8760480.1379290.1628472.867由以上分析得，长支撑架满足使用要求。- 31 -全套图纸加扣 3012250582第六章 管道相贯线切割机器人的定位系统6.1 定位原理长直管道水平放置以后，上下的移动会对工作状态下的同轴度产生一定的影响。在如上方法对管道支撑夹紧后，可采用一些支撑系统外部的方法，对切割喷头与管道进行定位。应用于本次设计任务的方法是，工件相对静止，切割系统调整高度，即刀具对工件进行对刀。使切割系统大齿轮的转动中心在圆柱形管道的轴线上。图6-1 切割系统的螺旋升降装置切割系统的升降采用螺旋传动原理。用梯形螺杆和螺母配合，垂直方向支撑切割系统。电动机带动齿轮旋转。而支撑螺母被设计成外圈渐开线齿廓、内圈梯形螺纹状。螺母的高度不变，下面由推力调心滚子轴承（29416）支撑。螺母通过齿轮传动，由电动机带动旋转，与之配合的螺杆可上下移动。而当切割系统达到要求的位置后，梯形螺纹自身的自锁性能可以使其固定在这一高度不发生变化。三维结构模拟如图6-1。当管道工件装夹后，就开始对其进行定位。管道的轴线和切割系统的轴线是肯定在同一竖直平面内的，且平行的。因此，在该平面内测量两者的距离，就能计算并确定升降装置最终停留的高度。而测量切割系统和管道之间距离的方法是，在切割系统的内壁对称的安装两个非接触式位移传感器。具体位置，参考切割系统结构。定位过程中，切割系统的大齿轮有一定的缓慢旋转，或者悬停在对称传感器处于竖直状态的位置。同时，传感器从一组相对的方向，对管道外壁进行位移测量。然后得出需要调整高度的位移量。电机再驱动支撑梯形螺杆调整高度。最后停留在管道与切割系统同轴线的位置上。电动机经减速器后输入的速度约为8.4 r/min以上，所以螺旋升降的速度为VH=SP=25.2 mm/min比较符合操作时的实际情况。6.2 螺旋支撑的强度校核6.2.1 初始条件轴向载荷F=1500N螺母形式为：整体式滑动速度范围为：低速、润滑良好螺杆材料为：45号钢螺母材料为：ZCuSn10Zn26.2.2 耐磨性计算梯形螺纹，取=0.8，=2。许用强度p=20 MPa 1825d2=Fp=4.899 mm （6-1）由式6-1得，计算值为4.899 mm。选取：螺纹中径d2=58.5 mm（选取值）， 公称直径 D=60 mm， 外螺纹小径 d1=57 mm，内螺纹大径 d=60.5 mm， 螺距 P=3 mm， 导程 L=3 mm。螺母高度 H=d2=117 mm旋合圈数 z=HP=39 因为 z1012 取 z=12 。螺纹工作高度 h=0.5P=1.5 mm强度 p=Fd2hz=0.45 MPap 校核通过6.2.3 自锁验算螺旋副摩擦系数 s=0.09 0.080.10牙型角 =30=arctanscos2=5.32 （6-2）螺纹升角 =arctanLd2=0.935 自锁验算通过6.2.4 计算驱动转矩驱动转矩 T=T1=Fd22tan+=21850 Nmm （6-3）6.2.5 螺杆强度计算许用应力 :71118.33 MPa=4Fd122+3T0.2d132=1.179 MPa （6-4）6.2.6 螺纹牙强度计算:3040 MPa b:4060 MPab=0.65P=1.95 mm （6-5）螺杆 =Fd1bz=0.36 MPa （6-6）b=3Fhd1b2z=0.82 MPab （6-7）螺母 =Fdbz=0.34 MPa （6-8）b=3Fhdb2z=0.78 MPab （6-9）校核通过6.2.7 螺杆稳定性计算螺杆最大工作长度 l=80 mm螺杆放置形式为：一端固定，一端自由。因此，长度系数=2li=11.228 i=IaA=d14=14.25 , Ia=d1464=8092 （6-10）材料的弹性模量E=207000 MPa li=11.228 85 取淬火钢临界载荷Fc=4801+0.0002li2d124=1194720 N （6-11）FcF2.54 校核通过6.2.8 螺杆的刚度计算螺杆材料的切边模量G=83000 MPa轴向载荷与运动方向相反L=LT+LF=L2TLGIF+FLEA=16TL22Gd14+4FLEd12=110-5 mm （6-12）6.2.9 计算横向振动螺杆两支撑间的最大距离lc=80 mm一端固定，一端自由的系数1=1.875临界转速nc=12.310612d1lc2=129041.4 r/min （6-13）6.2.10 效率计算轴承效率取0.96 0.950.99=0.96tantan+=2.613% （6-14）6.3 定位元器件上面已经提到使用非接触式位移传感器来作为定位的监测装置。在此简述一下其结构及工作原理。位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。该位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。图6-3 位移传感器输出特性曲线该位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。图6-4 百斯特电器科技有限公司提供的产品图片另外，由于切割这类特殊的工作环境，特别是切割加工时产生的高温，很容易使周围的电子类产品如位移传感器受到损坏。所以，在完成定位后，应把传感器从大齿轮内壁拆卸下来，以实施保护。- 37 -第七章 管道相贯线切割机器人控制原理描述第七章 管道相贯线切割机器人控制原理描述控制系统也是这个机器人的重要组成部分。特别是将其列入自动化机器人的范畴，智能和多元化的控制系统就要被运用在这个机器人中。根据使用要求，设计的控制系统应该包括以下方面内容：（1）切割器械的控制。被选作该机器执行系统的等离子切割机等，将它们的控制部分复制到机器人的控制面板上，并融入整个控制系统中。由此，可以直接通过机器人的操作部分对其进行控制，而不会因为需要操作多个器械造成不必要的错误。（2）定位系统的控制。定位系统需要被监测和控制的是位移传感器和底部驱动螺旋支撑的电机。位移传感器将所测信号作为反馈数据，对电机进行自动化操作。在切割系统和被加工管道实现同心的条件后，自动停止。然后手动调节喷头距离管道外表面的面积。（3）切割系统的控制。切割系统的控制被基本设定为两轴联动。（需要增加如坡口加工功能，可增设控制模块）输入参数，由程序部分计算出该空间曲线在极坐标轴上轨迹。大齿轮和底部直线位移的控制电机在程序控制下，使喷头相对管道，沿轨迹方向移动。按照所描述的原理，可以得出图7-1的控制原理：图7-1 控制原理图- 39 -结 论结 论本次设计的主要任务是管道相贯线自动切割机器人的支撑定位系统的设计，特别是提出了一套新的方案。该方案区别于市场上的其他同类产品，在工作原理上提出新的方案，即工作头旋转，管道直线移动。而且，通过这种工作原理，使相贯线这类空间曲线的数学模型建立更为简单。设计出的机器人最终能对管道进行360的整周进行等离子切割。本独特方案已开始申请专利。整个设计过程，全部采用三维建模的方法，对方案的结构进行模拟分析。直接从空间结构上观察每个零件的位置摆放，行程空间。避免了如果只使用二维图纸可能带来的位置冲突。另外，形成的三维模型也可以直观的看出设计成果。另外，对关键零件进行了校核或软件模拟分析。对切割系统起支撑定位作用的螺旋支撑结构，其中的螺母和螺杆都进行了设计校核计算。对比另外两个对工作台起支撑作用改的梁（架），选择其中受力情况较多的长支撑架进行应力应变模拟计算。所得出的结果满足使用要求。从而推断，横梁也满足使用要求。但是，因为设计周期有限，在控制和执行机构上未能最终完成。一些在机器人运行时可能受应力作用的螺栓等没有全部进行校核。控制部分只是提出了原理，没有进行详细的设计和模拟实验。虽然选取了外接的等离子切割设备，但是最终作为一体化的机器人，还需要经过很多实验分析。希望在未来能够完善该机器人的所有组成部分，并最终成为合格机床类产品。- 45 -参考文献参考文献1 李金伴，马伟民主编；陆一心，张健生副主编。实用数控机床技术手册。化学