管道相贯线自动切割机器人切割系统的研究设计含proe三维仿真及8张CAD图
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关于相贯线切割机器人的专题综述报告随着我国经济的飞速发展，钢管焊接结构以其特有的优势应用于各行各业的大型工程项目中，工程中繁多的钢管连接相贯接口(图1)需进行切割。管道相贯连接在电力、水利、供水、石油、化工、冶金、建筑等技术行业中有广泛的应用，相贯线接头属于多品种、多规格、单件小批量生产，因此对切割机的切割功能、控制功能、工艺、调整和操作等都有非常严格的要求，以适应工厂、工地的恶劣环境。相贯线切割机器人正是为满足这些要求而设计研发的管道相贯线切割的专用自动化设备，它能够帮助用户对钢管的多种相贯形式进行计算，并通过数控技术实现多轴联动以完成主管或支管相贯线的自动切割。图1 多种相贯线相交形式现阶段我们切割钢管一般有两种方案，手工放样切割和数控切割。 钢管相贯线切割传统的做法是采用手工放样切割，根据钢管之间的交角，以及钢管直径大小，计算相贯线型的平面图(即根据相交形式，把钢管按平面展开)，根据相贯线的平面图形数据，用薄钢板制作模板，把模板紧贴钢管外壁在钢管上划线，然后按照划线路径手工气割的一种加工方法。以桁架下腹杆377X14钢管与水平弦杆180X6钢管为例，手工放样主要步骤如下：按已知尺寸画出主视图、右视图和支管断面图；求结合线：6等分主视图支管断面半圆周，由等分点引下垂线，6等分右视图支管断面半圆周得到交点，再由各交点向右引水平线与前由主视图支管断面圆周等分点向下所引直线对应焦点连成曲线即为结合线；画支管展开图：画一段直线等于支管断面圆周长度，并12等分，由等分点向下引垂线，与由结合线各点向右所引水平线对应交点连成光滑曲线，即得到支管的展开图。按照所得图形标注曲线上各个点相对坐标值，在薄钢板上1：l放样画线，制作出加工模板。由于管道相交形式多样，相贯线类型多，数量大，精度要求高，手工放样切割质量人为影响因素比较大，难以保证切割精度，并且工作效率极低，根本无法保证工程工期以及工程质量。图2 钢管手工放样图三维数控相贯线切割利用图形几何原理，自动进行相贯线线型的计算，无需制作模板，大大缩短了辅助加工时间，采用机械传动，降低人为误差，提高了加工质量。现阶段数控相贯线切割设备一般有两种：一种是专用数控相贯线切割机；一种是数控相贯线切割部件，可将其配置到相应的切割机上，来完成相贯线的切割。前者适用于大批量专业相贯线切割，后者适用于当批量不大时，实现一机多用，以便减少设备的投入和场地的占用。数控相贯线切割机功能： 1、能在主管上切割多个不同方向、不同直径的圆柱相贯线孔，满足支管轴线与主管轴线偏心和非偏心的垂直相交的条件。 2、能在支管端部切割圆柱相贯线端头，满足支管轴线与主管轴线偏心和非偏心的垂直相交、倾斜相交的条件。 3、能在圆管端部切割斜截端面。 4、能在圆管上切割焊接弯头，“虾米节”两端斜截断面。 5、能切割与环形主管相交的支管相贯线端头。 6、能切割变角度坡口面。 7、能在圆管上切割方孔、腰形孔。 8、能进行钢管截断。相贯线切割机器人分为三个系统，支撑定位系统，切割系统，控制系统。支撑定位系统用于被切割钢管的支撑和定位，定位方案是采用两个短V型块来定位钢管的外圆表面。V型块安装在导轨滑块上，滑块可以沿钢管轴线方向滑动。从而可以保证，当钢管被夹紧后，钢管可以随着V型块沿着导轨在钢管轴线方向上平动。切割系统采用的是等离子切割，主要由数控割炬、自动点火装置、气路管带装置等组成。数控割炬安装在环形壁上，环形壁由多个滚子支撑，滚子沿环形壁周向均布，从而使环形壁能绕自身轴线均匀转动。从而能够带动割炬围绕环形壁轴线整圈转动。当整机切割钢管时，钢管被水平固定在支撑系统上，调节环形壁的高度，使环形壁的中心轴线与钢管的轴线重合，再调节数控割炬与钢管外壁的距离。这样数控割炬就能环绕钢管的外壁作出整圆的移动。再配合支撑系统的轴向移动，数控割炬就能够在钢管外壁沿着要求的相贯线的轨迹进行移动了。通过控制系统控制相应的电机，来使支撑系统与切割系统相互配合，走出要求运动的轨迹，同时控制等离子的切割，这样就能沿着相贯线进行切割了。考虑到有些钢管的切割要求有变角度的坡口，就必须对割炬的安装进行优化。把数控割炬安装在一个摆动机构上，摆动机构由一个电机控制，控制系统通过控制电机可以使摆动机构绕某一轴线进行摆动，从而使数控割炬也随着摆动机构一起摆动。选择适当的摆动机构和其轴线，就能使数控割炬与被切割钢管轴线之间的角度随着摆动机构的摆动而变化。通过控制系统来控制电机使摆动机构摆到要求的位置，从而使数控割炬与被切割钢管轴线达到要求的角度，再配合相贯线的切割，就能切出适合的坡口了。目前，我国大多数企业在切割管子相贯线接口时，几乎都采用相贯线模板手工划线、切割、打磨的落后生产方式，生产效率低、产品质量低劣。现有国产设备技术性能差，而进口设备价格昂贵，严重地制约了钢管切割工艺的提高和发展，因此采用数控切割技术切割管子相贯线已刻不容缓。参考文献1 李汉宏。管道自动等离子切割系统。机械工人.热加工。1000-775X.0.2002-10-010。2 孙军，刘庆英，刘文清。浅谈小管径钢管的相贯线切割。钢建筑结构。1671-3362(2008)07-0039-03。3 郑国华。机器人焊接管相贯的运动分析和轨迹规划。沈阳工业大学硕士学位论文。2004年3月。4 王耀华,刘万中,杨久荣。不锈钢管道坡口加工的新方法J。石油工程建设，2006年6月。5 张晓东，王园宇，郝鹏飞，李元宗。相贯线及其展开曲线的方程构建方法的研究。机械设计与研究。1006-2343（2008）02-021-04。6 叶长龙，廉立新，赵永辉。焊接机器人焊接相贯线曲线仿真。沈阳工业大学学报。1000-1646（2003）05-0426-04。7 夏水华，王晓青，雷才洪，刘国光。大直径钢管相贯线数控切割机的设计。机电工程。1001-4551（2002）01-0032-03。8 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。化学工业出版社。TG659-62。9 孔德杰,张光先,乔立强,齐兆亮. 数控等离子切割技术在我国的现状与发展J. 电焊机 , 2005,(01) . 10 蒋中范. 水下等离子切割技术的应用J. 中国设备工程 , 2003,(12) .4 关于相贯线切割机器人的调研报告一、 调研目的在现代社会中,钢管的运用领域极为广泛,船舶、桥梁、电力、石油、化工、冶金等行业,都大量地需要对圆管进行交叉焊接,这些钢管直径大小不一,其相贯线的确定及切割就成为一个极大的难题。这是由于各种钢管之间的组合复杂多样,而且往往存在一些变角度坡口,如果切割质量不过关,将会直接影响到后续的焊接等工序,从而无法保证加工质量;此外,人工切割精度往往不高,即使经过打磨,其质量也很难达到设计的基本要求;而且相贯线是不规则的曲线,编辑数据代码需要大量的计算,其准确性无从考证。三维数控相贯线切割设备利用图形几何原理，自动进行相贯线线型的计算，无需制作模板，大大缩短了辅助加工时间，采用机械传动，降低人为误差，提高了加工质量。鉴于相贯切割的特点和精度要求，三维数控相贯线切割设备应该被广泛用于相贯切割加工。因此，我对市场上现有的相贯线切割设备进行了相关调查。二、 调研形式使用了网络和电话进行调研。三、 调研内容3.1产品一价格: 48000 元/台 ZLQ-13（组合型）数控相贯线切割机价格：相贯线专用部件（4.8万/台）所选型数控切割机（详见各机型报价）3.1.1机型特点为满足用户进行圆管的相贯线切割以及钢板的异形加工，我公司研发生产了（组合型）数控相贯线切割机，原理是：将相贯线切割专用部件，配置到ZLQ-4到ZLQ-11各型切割机上，来完成相贯线切割。其最大特点：当批量不大时实现一机多用（圆管及钢板的数控切割），从而减少设备投入和场地占用。3.1.2数控相贯线切割机功能：1、能在主管上切割多个不同方向、不同直径的圆柱相贯线孔，满足支管轴线与主管轴线偏心和非偏心的垂直相交的条件。2、能在支管端部切割圆柱相贯线端头，满足支管轴线与主管轴线偏心和非偏心的垂直相交、倾斜相交的条件。3、能在圆管端部切割斜截端面。4、能在圆管上切割焊接弯头，“虾米节”两端斜截断面。5、能切割与环形主管相交的支管相贯线端头。6、能切割变角度坡口面。7、能在圆管上切割方孔、腰形孔。8、能进行钢管截断。3.1.3基本配置机械部分1、切割机主机纵向长度根据选型纵向轨道长度而定（可加长）2、相贯线部件导轨长度3000mm（可3m/节加长）3、数控割炬1套 4、自动点火1套 5、气路管带装置1套6、纵向驱动方式齿轮齿条7、管路传动方式横向拖链8、火焰切割气体氧、乙炔（或氧、丙烷）9、等离子可选配达到切割壁厚的等离子电源电控部分10、数控系统 武汉蓝讯11、驱动系统/电机 国产或进口3.1.4主要技术指标切割范围1、最大有效切割直径1000mm2、最小有效切割直径50mm切割指标3、数控火焰切割壁厚6180mm4、数控等离子切割壁厚 根据等离子电源决定机器性能5、割炬升降距离 230mm6、整机运行速度 0-3500mm/min7、设定速度误差 53.2产品二3.2.1功能： 1、能在主管上切割多个不同方向、不同直径的圆柱相贯线孔，满足支管轴线与主管轴线偏心和非偏心的垂直相交的条件。2、能在支管端部切割圆柱相贯线端头，满足支管轴线与主管轴线偏心和非偏心的垂直相交、倾斜相交的条件。3、能在圆管端部切割斜截端面。4、能在圆管上切割焊接弯头，“虾米节”两端斜截断面。5、能切割与环形主管相交的支管相贯线端头。6、能切割变角度坡口面。7、能在圆管上切割方孔、腰形孔。8、能进行钢管截断。3.2.2主要技术参数1、切割钢管尺寸 外径：60-600mm2、切割碳钢：壁厚 5-25mm 3、钢管通过主轴孔径：200mm4、切割钢管长度：12000mm5、控制轴数：6轴(或5轴)6、最大行程 X向：10000mmY向： 600mm Z向： 400mm7、切割速度：102000mm/min8、坡口角度：609、最大旋转角度W ：无限回转（管件旋转） B ：70（割炬摆角）A ：无限回转（割枪绕Z轴）3.2.3设备基本配置1、火焰主割机一台（配置无限回转割炬一套）。2、高速预热气路系统一套。3、滑座一套（含X向驱动装置一套）。4、Z向导轨及驱动装置一套。5、Y向导轨及驱动装置一套。6、控制柜一套。7、操作台一套。8、钢管托架三套。9、六轴驱动，其中五个轴为日本松下公司的全数字交流伺服电机，一个轴为美国斯达特公司的细分步步进电机。10、自动点火装置一套，采用氧乙炔气切割方式。3.2.4控制系统硬件： 采用进口原装台湾研杨科技集团AMB-655HT-B4一体化工作站主要配置 Intel Pentium 233MHz，采用多媒体触摸屏，15英寸高分辨率彩色液晶显示器，VZA图形高速处理卡，64M内存，8M电子盘，3.5英寸软驱，40G硬盘一个。特性 15XGATFTLCD显示屏（液晶） 铝合金面板 符合NEMA4/12&IP65防水面板 2个薄膜键盘，59个数据键和24个功能键 具有安装光驱、软驱、硬盘框架 10槽ISA/PCI总线的底板 电源开关、LCD亮度调整装置、背光控制设置再前面板功能键后规格 架构：符合NEMA4/12铝合金面板 显示屏：15XGA(1024X768)TFTLCD(液晶) 磁盘框架：CD-ROM，&3.5HDD和3.5FDD 面板颜色：PAL-7035 安装：8U高嵌入式安装 电源：标准250W电源 尺寸（WHD）:483354255(1919.310) 净重：21（46.31bs）显卡 （MBC-268BLVDS） 类型：短卡PCI-总线 显示芯片：ChipsT65555 显示内存：内置2MB LCD接口：支持36-bit的tcd接口 最大分辨率：1024X768环境 工作温度：0度50度 储存温度：-20度-60度 储存温度：595%，无压缩 抗震系数：517Hz，0.1“双角度震荡17500Hz，1.5G上下震动 抗冲击系数：10G的加速冲击（11mesc，持续时间） EMI：通过FCC/CE ClassA触摸屏MicroTouch电容式触摸屏的特点 10241024的高解析度 抗划伤，超常使用寿命 最短的触摸时间3ms 19.2Kbaud转换速度，每秒最多270个触摸点 高精确度，错误率低于1% 完整的软件支持MS-DOS,WindowsOS/2Windows95/NT控制系统软件功能： 单一形状切割参数化可选编程 多个形状切割参数化组合编程 定角度、焊接坡口切割控制 暂停、加减速控制 沿原轨迹返回、再返回功能 自动点火、快速预热、自动穿孔 断点、断电记忆功能 快速定位 CRT模拟加工、切割过程同步跟踪显示 屏幕图形自动测量、窗口放大、图形位置的编辑及调整 丰富、可扩充的宏程序调用及编辑功能 自动报警、自动诊断 中文显示、人机对话驱动系统1、驱动柜总成2、专用总线板3、伺服电机驱动接口板4、固态继电器板5、割机功能板6、(原装进口)交流伺服电机具有转速、扭矩、位置偏差三种监控方式，故障自动提示、报警、同步保护气路系统1、具有快速预热、无级调压穿孔功能。2、采用德国“宝德”二位二通电磁阀。 四、 调研结果通过这次调研我了解了很多，数控相贯线切割设备的需求还是很大的，用户在选择一款新型的数控切割设备时还会考虑多方面的因素：:1、管件的切割长度2、管臂的切割直径3、管臂的切割厚度4、整体管子的重量和回转惯量5、是否需要万向回转功能及打坡口功能6、针对管的材料选择适合的切割方式：一般碳钢板用火焰切割，簿臂管和不锈钢则适合用等离子切割7、安装的厂地和控制系统，电脑绘图图形转换等等所以，设计出新的数控相贯线切割设备还是很有必要的。9 XXX XXX 管道相贯线自动切割机器人切割系统Cutting System of pipeline Intersection Line Auto-cutting Robot学院名称： 专业班级： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 20XX年 6 月 关于管道相贯线自动切割机器人切割系统的研究摘要 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。长期以来，由于相贯线数控切割设备成本太高，国内大部分企业仍旧停留在手工切割相贯线的阶段，效率低下，加工精度低，切割质量差。因此研究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。本文首先针对相贯线切割机器人的主体机构原理进行分析。而后应用大型工程软件PROE对相贯线切割机器人进行了三维建模和虚拟装配。接着简单介绍了一下等离子切割系统，并选择了一个市场上已有的等离子切割系统作为相贯线切割机器人的执行末端。使用通用有限元分析软件ANSYS对相贯线切割机器人切割系统的部分零件理论设计进行了计算与校核。最后简单介绍了一下相贯线切割机器人控制系统的控制原理。总之，相贯线切割机器人必将会在未来工程中得到越来越多的应用。关键词：机器人 相贯线 等离子切割 有限元分析Cutting 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. 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 robots 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 AnalysisII 关于管道相贯线自动切割机器人切割系统的研究摘要 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。长期以来，由于相贯线数控切割设备成本太高，国内大部分企业仍旧停留在手工切割相贯线的阶段，效率低下，加工精度低，切割质量差。因此研究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。本文首先针对相贯线切割机器人的主体机构原理进行分析。而后应用大型工程软件PROE对相贯线切割机器人进行了三维建模和虚拟装配。接着简单介绍了一下等离子切割系统，并选择了一个市场上已有的等离子切割系统作为相贯线切割机器人的执行末端。使用通用有限元分析软件ANSYS对相贯线切割机器人切割系统的部分零件理论设计进行了计算与校核。最后简单介绍了一下相贯线切割机器人控制系统的控制原理。总之，相贯线切割机器人必将会在未来工程中得到越来越多的应用。关键词：机器人 相贯线 等离子切割 有限元分析Cutting 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. 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 robots 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 录第一章绪 论11.1相贯线切割的现状11.2自动化相贯线切割设备的介绍21.3工业机器人的介绍31.4工业机器人的分类31.5工业机器人的控制61.6工业机器人的使用现状71.7本文研究的内容8第二章相贯线切割机器人切割系统机构分析及三维建模92.1引言92.2相贯线切割机器人切割系统的机构分析92.3三维建模11第三章等离子切割系统的介绍193.1引言193.2等离子切割系统的介绍193.3产品详细介绍22第四章相贯线切割机器人切割系统关键零件的有限元分析254.1有限元方法及ANSYS简介254.2各零件的有限元分析26第五章相贯线切割机器人的控制原理395.1引言395.2等离子切割系统的控制395.3切割系统机械部分的控制395.4定位系统的控制395.5控制系统原理图40第六章总结与展望416.1总结416.2展望41参考文献.43致 谢.45VII 第一章 绪 论1.1 相贯线切割的现状图1-1 多种类型的相贯线接头电力、水利、供水、石油、化工、冶金、建筑、钢结构、造船、压力容器等行业，经常要使用大量的管道，在大量使用管道过程中必然会出现管与管的相交。管与管相交所形成的曲线即为我们所说的相贯线，相贯线的形状随着两管直径的不同、相交角度的不同、相交部位的不同会有很大变化，因此相贯线接头（图1-1）属于多品种、多规格、单件小批量生产，因此对切割机的切割功能、控制功能、工艺、调整和操作等都有非常严格的要求，以适应工厂、工地的恶劣环境。长期以来管道项管线的切割大都采用手工放样的方式，根据钢管之间的交角，以及钢管直径大小，计算相贯线线型的平面图(即根据相交形式，把钢管按平面展开)，根据相贯线的平面图形数据，用薄钢板制作模板，把模板紧贴钢管外壁在钢管上划线，然后按照划线路径使用手工气割。使用手工放样法浪费了大量的人力和时间，而制作的精度并不是很高，管与管的结合面不吻合，给下道的焊接工序带来了很多不便。因此研究通过数控技术实现多轴联动以完成管道间相贯线的自动切割的管道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。1.2 自动化相贯线切割设备的介绍自动化相贯线切割设备利用图形的几何原理，根据输入的两管直径和两管轴线的夹角以及两管轴线的距离可以自动计算出相贯线的线形和方程。有了相贯线的方程以后就可以通过数控控制设备来控制相应电机沿相贯线的轨迹行走。再通过对切割装置的控制就可以达到相贯线切割的目的。 图1-2 ZLQ-13组合型数控相贯线切割机自动化相贯线切割设备具有很多传统方法所没有的优点。自动化相贯线切割设备效率比传统方法高。由于采用计算机数控技术，免去了手工放样制模的步骤，因而效率较高。精度比传统方法高。因为采用计算机控制，可以把误差控制在较小范围内，相比手工控制，精度自然提高了。对操作者要求降低了。在手工放样中，要求操作者计算并绘制相贯线的线型平面图。这些工作要求操作者必须具备一定的数学和画法几何的基础。而自动化相贯线切割设备并不要求操作者具备这些基础，只要操作者能了解并输入两相交管的直径、夹角、轴线距离就能由计算机根据程序自动计算出相贯线方程，因此，对操作者的要求降低了。自动化相贯线切割设备能完成某些传统方法不能完成的任务。在钢结构顶棚中，有大量不同相贯线需要切割。自动化相贯线切割设备能完成大量不同相贯线的切割，而传统方法由于人力和时间的限制就无法胜任。自动化数控相贯线切割设备在市场上已经出现了一部分产品，主要分为两种：一种是专用数控相贯线切割机；一种是数控相贯线切割部件（图1-2），可将其配置到相应的切割机上，来完成相贯线的切割。但总体来说，自动化数控相贯线切割设备的价格还太高，不适合推广使用。而成本较低的管道切割设备往往只能做到简单的管道切割和斜切，并不能切割处相贯线。所以研制出成本较低的管道相贯线切割机器人是很有工程应用前景的。1.3 工业机器人的介绍图1-4 白车身产线上数台工业机器人正在协同作业工业机器人也是一种自动化数控设备，并且由于机器人具有可编程性，可以在任意位置、任意方向和任意环境下独立地、协同地进行工作，组成一种柔性的、灵活的、万能的、具有多目的的自动化系统。（图1-4白车身产线上数台工业机器人正在协同作业）1.4 工业机器人的分类工业机器人的分类方式有很多种，可以按功能分类，也可以按照结构类型来分，如串联机器人和并联机器人。下面就以按功能分类来对机器人进行一下介绍。1.4.1 焊接机器人焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人（图1-5）。根据国际标准化组织工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。图1-5 焊接机器人1.4.2 搬运机器人搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人（图1-6）。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人愈10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。图1-6 搬运机器人1.4.3 装配机器人图1-7 装配机器人装配机器人为完成装配作业而设计的工业机器人。装配机器人是柔性自动化装配系统的核心设备，由机器人操作机、控制器、末端执行器和传感系统组成。其中操作机的结构类型有水平关节型、直角坐标型、多关节型和圆柱坐标型等；控制器一般采用多CPU或多级计算机系统，实现运动控制和运动编程；末端执行器为适应不同的装配对象而设计成各种手爪和手腕等；传感系统又来获取装配机器人与环境和装配对象之间相互作用的信息。常用的装配机器人主要有可编程通用装配操作手(Programmable Universal Manipulator for Assembly)即PUMA机器人（最早出现于1978年，工业机器人的祖始）和平面双关节型机器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm)即SCARA机器人两种类型。与一般工业机器人相比，装配机器人具有精度高、柔顺性好、工作范围小、能与其他系统配套使用等特点，主要用于各种电器的制造行业。1.5 工业机器人的控制1.5.1 对机器人控制的一般要求机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： 记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。 示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。 与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。 坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。 故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。1.5.2 机器人控制系统的组成（1）控制计算机 控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。 （2）示教盒 示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 （3）操作面板 由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。 （4）硬盘和软盘存储存 储机器人工作程序的外围存储器。 （5）数字和模拟量输入输出 各种状态和控制命令的输入或输出。 （6）打印机接口 记录需要输出的各种信息。 （7）传感器接口 用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。 （8）轴控制器 完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 （9）辅助设备控制 用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。 （10）通信接口 实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。 （11）网络接口： Ethernet接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC上用windows库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。 Fieldbus接口：支持多种流行的现场总线规格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。图1-8 机器人控制系统的组成1.6 工业机器人的使用现状机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。目前，全球现役工业机器人83万台。过去10年，机器人的价格降低约80%，现在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了40%。现役机器人的平均寿命在10年以上，可能高达15年，它们还易于重新使用。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条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，其增长速度较快。但是，对于目前中国大多数企业来说，使用通用机器人来切割管道相贯线成本还太高，大部分企业还承担不了其成本。所以研究专用的管道相贯线切割机器人还有非常有工程意义和应用前景的。1.7 本文研究的内容第二章主要针对相贯线切割机器人切割系统各的机构进行分析。主要阐述了机器人机构的工作原理，并进行了三维建模和虚拟装配。第三章主要针对相贯线切割机器人的等离子切割系统进行介绍。并初步选定了市场上已有的等离子切割系统作为机器人的末端执行器。第四章主要针对相贯线切割机器人切割系统的部分零件进行有限元分析，以校核其设计的合理性。第五章主要简单介绍了相贯线切割机器人控制系统的原理。最后对全文进行了总结回顾，对后续工作的研究做了展望。- 40 - 第二章 相贯线切割机器人切割系统机构分析及三维建模2.1 引言找到易于控制能实现相贯线运动的主体机构是研究的关键问题。目前国内外已有的一些相贯线切割设备，由于成本较高，仍不能满足实际工程使用的需要，迫切需要研究者发明更多的成本较低的新机型。在众多机型中找到适用于工程实际运用、易于控制、成本低廉的机型是一个难点。本课题所研究的相贯线切割机器人的末端执行器主要运动是沿着相贯线运动的。只要能满足末端执行器沿相贯线运动的机构，所需控制轴数越少，成本就越低，就越符合要求。2.2 相贯线切割机器人切割系统的机构分析R参考方向Z图2-1 柱坐标示意图相贯线是一种空间曲线，在直角坐标系中必须有三个方向的运动，才能沿相贯线轨迹运动。然而，在圆柱坐标系中（图2-1），针对特定已知直径的管道，只需要沿柱坐标系中圆柱周向和轴向两个坐标轴方向运动就可以形成相贯线的轨迹。减少了运动方向就意味着减少了所需控制轴的数目，就能减少系统的复杂性，同时也使系统更加容易控制，成本也更低。本课题最终采用的机构便是沿柱坐标系中两个坐标轴方向运动的机构。沿周向的运动采用的是固定被切割圆管的周向运动，使切割系统的割炬沿被切割圆管表面周向运动。具体的做法是采用一个带轮齿的圆环壁，称为大齿圈，使之与圆管保持同轴，在大齿圈内壁上固定切割系统的割炬，并使之贴近被切割圆管。在运动时，驱动大齿圈自转，这样就能达到使割炬沿被切割圆管周向运动的目的（图2-2）。被切割管道大齿圈小齿轮图2-2 大齿圈周向运动沿被切割圆管轴向的运动是通过固定切割系统沿被切割圆管轴向的运动，使被切割圆管沿其轴线方向运动来实现的。具体做法是把被切割圆管固定在定位支撑系统上，通过在定位支撑系统底部安装导轨，导轨方向与被切割圆管轴线平行。通过使定位支撑系统在导轨上移动来达到使圆管沿其轴线方向运动的目的。当相贯线切割机器人切割不同管径的圆管时，可能由于固定在定位支撑系统上的被切割圆管管径的不同而引起被切割圆管轴线与大齿圈不重合即存在高度差，而无法完成切割动作。这时就要调节大齿圈的高度来使其轴线与被切割圆管轴线重合。具体做法如下：大齿圈在其整个工作过程中只需要沿自身周向做自转运动，因此，大齿圈的支撑座在大齿圈工作过程中空间位置是不变的，即大齿圈支承座在大齿圈工作过程中与机架底座的位置是固定的。所以要调整大齿圈的高度，只要在大齿圈支撑座与机架底座之间添加一个可以沿高度方向运动的机构就可以达到调整大齿圈高度的目的。通过以上步骤就可以使相贯线切割机器人的执行末端割炬到达所需要的位置。然而要使管道被切割处产生坡口，就必须调整割炬的姿态。可在割炬与大齿圈之间通过一些摆动机构来连接，使割炬能在一定角度内摆动，以达到调整割炬姿态的目的。2.3 三维建模通过上面的机构分析，确认了管道相贯线切割机器人的结构设计，并对其进行三维建模。由于大齿圈上有齿轮特征，建模比较复杂，故下面重点说明一下其三维建模的步骤。大齿圈参数化设计过程。使用参数和关系式进行设计，用公式、曲线创建渐开线曲线，通过拉伸切料在预先画出的圆柱体上切出齿轮齿廓，阵列轮齿特征获得所有齿廓，在用拉伸切料、旋转切料等画出大齿圈的其他形状特征。2.3.1 设计参数打开参数窗口,向模型中添加的参数主要有齿数z，模数m，压力角angle，齿顶高系数ha，顶隙系数c，分度圆直径d，基圆直径db，齿顶圆直径da，齿根圆直径df。已知的参数如下表1所示。表1 已知齿轮参数名称字母大小齿数z150模数m4压力角angle20齿顶高系数ha1顶隙系数c0.252.3.2 创建基本曲线通过关系式生成基本曲线时，首先草绘四个圆，分别为齿根圆、基圆、分度圆齿顶圆曲线，可以随意设置圆的直径数值，其具体数值将通过关系式来确定。打开关系窗口选择特征项,选中刚刚绘制的曲线将其尺寸标注切换为符号显示形式（sd0，sd1，sd2，sd3） 。在关系的编辑窗口中建立如下约束条件。d =m*zdb =m*z*cos(angle)da =m*(z+2*ha)df =m*z-2*m*(ha+c)sd0 = dfsd1 = dbsd2 = dsd3=m*z+2*m*ha完成关系式的输入后，执行/校验关系并按关系创建新参数。保存关系后，系统将根据添加的关系式,自动计算各圆直径并绘制出来。2.3.3 创建渐开线在PRO /E中可以通过极坐标、柱坐标等生成渐开线,本文以柱坐标为例建立如下关系式。x =t*sqrt(da/db)2-1)y =180/pir =0.5*db*Sqrt(1+x2)theta =x*y-atan(x)z =0式中: t为系统参数, 其值为01。x =t*sqrt(da/db)2-1)是从基圆到齿顶圆的一段渐开线上的压力角的正切值变化。保存关系式后,系统将根据此关系式创建渐开线,并生成图形。2.3.4 创建过渡线由机械原理的基本知识可知：基圆内没有渐开线，但是当齿轮的基圆半径大于分度圆半径时，还应该在基圆以内切除齿槽，不过由于这段曲线不影响齿轮的啮合，可以不再使用渐开线，为了简化操作，设计中可使用使用圆弧曲线或是与渐开线相切的直线来连接。但是由于大齿圈齿数较多，分度圆直径较大，因此大齿圈的基圆直径小于齿根圆的直径，故不需要绘制过渡线。2.3.5 创建齿廓通过对渐开线旋转复制和镜像可以和原曲线得到一个齿槽的齿廓。注意在旋转渐开线时，输入的角度应该输入360/(2*z)的角度，对大齿圈来说应输入1.2度。得到旋转复制的渐开线后应找到它与齿轮分度圆的交点（图4中点PNT0），并以该交点与齿轮原点的连线（图2-3中的红线DTM1）为镜像轴对旋转复制后的渐开线做镜像。镜像后的渐开线与最原始的渐开线和齿顶圆、齿根圆共同构成一个齿槽的齿廓。图2-3 渐开线的旋转与镜像2.3.6 创建齿轮的齿特征首先先拉伸齿顶圆得到一个圆柱。再通过对得到的齿廓进行拉伸切料，在已有的圆柱上得到一个齿槽。再对拉伸切料特征进行通过选取轴来进行环形阵列。在阵列其他齿槽特征时,根据阵列齿数z，阵列输入角度为360 / z，在大齿圈中是2.4度。如此就得到了齿轮的一整圈齿特征。2.3.7 完成大齿圈其他特征对大齿圈进行拉伸切料，旋转切料，倒角等一般简单操作就可以得到所要的大齿圈形状。最终大齿圈的结构设计如图2-4。具体尺寸参见二维图纸。图2-4 大齿圈2.3.8 其他零件的三维模型图2-5 滚子、滚子轴图2-5、2-6分别是滚子、滚子轴、滚子圈以及装配完成后的滚子套，滚子套是用于安装在大齿圈跟其支承座之间的，用于支撑和固定大齿圈的位置。图2-7是大齿圈下支撑座，用于托起大齿圈。图2-8是小齿轮和部分零件装配图。图2-6 滚子圈以及装配完成后的滚子套 图2-8 小齿轮和部分零件的装配图图2-7 大齿圈下支撑座 图2-9是大齿圈上支撑座和侧立柱滑块，侧立柱滑块是用于辅助支撑定位切割同的。图2-9 大齿圈上支撑座和侧立柱滑块图2-10 切割系统的支撑座图2-10是整个切割系统的支撑座，可用于调节切割系统的高度。图2-11是电机罩和切割系统与其支撑座的装配图，电机罩用于保护电机和小齿轮。图2-11 电机罩和切割系统与其支撑座的装配图图2-12是侧立柱，与侧立柱滑块配合使用。图2-13是整个相贯线切割机器人的三维整机模型经过虚拟装配后的效果图。图2-13 整个相贯线切割机器人的整机效果图图2-12 侧立柱 第三章 等离子切割系统的介绍3.1 引言经过长期的发展，相贯线切割系统在切割能源取得了长足的发展，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。不同的能源有不同的有缺点。火焰切割系统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。等离子切割系统具有切割领域宽，可切割所有金属管材，切割速度快，效率高，最大切割速度可达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。因此，相贯线切割机器人采用等离子切割系统。3.2 等离子切割系统的介绍3.2.1 等离子弧的切割原理利用等离子弧的热能实现被切割材熔化的方法称等离子弧切割，其切割原理利用高速、高温和高能的等离子体来迅速加热熔化被切割的材料，并借助内部或外部的高速气(水)流。将熔化的材料排开，直至等离子气流束穿透工件背面而形成切口，从而达到切割的目的。等离子弧柱的温度极高，可达1000030000，远远超过了所有金属或非金属材料的熔点，因此等离子弧的切割过程不是依靠氧化反应，而是靠熔化来切割材料的。因而其切割的适用范围比氧切割大得多，几乎能切割所有的金属、非金属、多层及复合材料。且其切口窄(中薄板材)，切割面的质量好，切割速度快，切割厚度可达160mm。由于等离子弧的高温、高速的特点，所以在切割薄板(0.5mm)也不会变形。特别是在切割不锈钢、钛合金及有色金属材料领域，选用等离子切割非但能达到满意的切割质量，还能获得比原工艺增加数以十倍计的经济效益，因此等离子切割已得到各行各业越来越广泛的应用。3.2.2 等离子弧的切割种类按等离子弧的类形可以分为转移弧切割（电弧由辅助电极高频引弧后，电弧燃烧在钨极与工件之间）和非转移弧（电弧在钨极与喷嘴之间燃烧）切割两大类。转移弧大多应用于金属材料的切割，非转移弧一般可用于非金属材料的切割；按切割形式可分为接触式切割和非接触式切割两种，接触式切割时可将割炬(也称割枪)中的喷嘴直接与工件接触起弧进行切割特点是操纵简单、方便灵活，缺点是仅局限于小电流的(80A，因电流大时容易损坏喷嘴)手动切割。在切割电流大于100A时均采用非接触式切割的形式，其在切割时喷嘴与工件离开一定的距离，引弧时利用非转移弧过度到转移弧的形式，所以能适用于大电流的手动、半自动、自动切割。按对电弧压缩情况可分为一般等离子弧切割(电弧经过机械、热、和电磁压缩)和水再压缩等离子弧切割两类；（1）一般等离子弧切割(目前国内大都采用这种切割办法)以其使用离子气体的种类可分为空气等离子切割、混合保护性气体切割两类：空气等离子切割是利用压缩空气作为离子气和吹离被切溶化材料的气流。其工作原理是压缩空气在电弧中加热后分解和电离，生成的氧与切割材料产生化学热反应，为此提供附加热量，促使能加快切割速度，充分电离了的空气等离子体，热焓值高，因而电弧能量大。此法特别适用于切割电流在250A以内，切割厚度在50mm的碳素钢、低合金钢，也可切割不锈钢、铜、铝、复合材料等。空气等离子切割由于压缩空气来源方便且成本低，尤其在切割碳钢合合金钢的中、薄板，具有切割速度快、切割面质量好、热变形小等特点。缺点是由于电极受氧化性气体的强烈氧化，所以不宜采用廉价的钨或铈钨作为电极材料，现在大都采用价格高昂的纯铪做成镶嵌式电极(我公司采用的铪材料均从美国进口，使用寿命是国内的152倍)。在切割不锈钢、铝合金时，由于氧与上述材料中的铬反应生成高熔点氧化物，因此切面较为粗糙。混合保护性气体等离子切割是为了提高电极的使用寿命，分别使用一种或两种混合的气体作为离子气，目的是为防止电极氧化，而不与电极接触的冷却气可以采用空气，这样一方面利用压缩空气在切割需区的化学反应来提高切割速度，又可以防止氧与电极直接接触，电极材料可以使用纯钨、铈钨等材料制成，大大地延长了电极的使用寿命。这种形式的切割需要两套供气系统。由于其使用较单一供气复杂，国内在进行大功率等离子切割时大多采用单一保护性气体切割的方式。（2）水再压缩等离子弧切割是利用高压在喷嘴的孔道中形成的水幕对等离子弧进行再压缩，其原理为由于高温电弧使部分水迅速气化，这一气化层在等离子弧外围形成一个温度梯度很大的“套筒”进一步加强了等离子弧的收缩效应，提高了等离子弧的电流密度，加强了等离子弧的的挺度。部分水在高下分解成氢气和氧气，与工作气体共同组成切割气体，使等离子弧有更高的能量，从而提高了切割的质量。由于这种割枪结构较复杂，制造中的精度要求较高，因此其价格昂贵，不适用手动和半自动切割，现主要来源依靠进口用于数控切割。3.2.3 等离子切割系统的选用图3-1 HPR130高精细等离子切割系统割炬等离子切割，由于融口上面大，下面小，切口断面总有一定斜度，不可能象火焰切割一样垂直，这是一世界性难题。普通等离子，斜度可达15度。为了提高相贯线切割机器人的精度，故采用精细等离子切割系统。精细等离子切割机代表着当今等离子切割技术的发展方向，其切割精度可达0.25mm，高于普通等离子切割系统的切割精度,已接近激光切割的下限，价格明显低于激光切割机，具有极高的性能价格比。美国HYPERTHERM（海别得）公司的HPR130高精细等离子切割系统便可以满足相贯线切割机器人的要求。3.3 产品详细介绍名称：HPR130高精细等离子切割系统表3-1 切割能力：操作数据(低碳钢)建议切割能力(质量切割)：16毫米最大切割能力(穿孔切割)：25毫米切断能力(边缘切割)：38毫米表3-2 规格输入电压（3相）与电流VACHzA240605240050 - 6032440602848060266006021输出电压50 150VDC输出电流130A暂截率100%最大OCV311VDC尺寸深度1079.5 mm，宽度566.4 mm 高度967.7 mm连同割炬重量317.5公斤气体供应等离子气体氧气氮气95% N2， 5% H 35% H， 65% Ar空气保护气体氮气、氧气、空气气体压力8.3巴手动气体控制台8巴自动气体控制台 表3-3 切割参数表材料气体电流（A）厚度（mm）近似切割速度(mm/min)低碳钢氧等离子气氧保护气300.55355136151.52210311606665氧等离子气空气保护气80361456304510181012141020545氧等离子气空气保护气130640251026751222002010502555038255不锈钢95% N2，5% H等离子气氮保护气45157402.52510484595% N2，5% H等离子气氮保护气8042180612251056035% H，65% Ar等离子气氮保护气13010980128202036025360铝空气/空气451.54420425756169035% H，65% Ar等离子气氮保护气1301214552094025540 故采用HPR130高精细等离子切割系统可以满足相贯线切割机器人的设计要求，使切割的管材，既有良好的切口，垂直度较大，又有较快的速度，能满足大批量快速生产。 第四章 相贯线切割机器人切割系统关键零件的有限元分析4.1 有限元方法及ANSYS简介有限单元法，简称有限元（Finite Element Method,FEM)是最近几年发展起来的。它是用于求解各类工程问题的一种数值方法。应力分析之中的稳态、瞬态、线性或非线性问题以及热传导、流体流动和电磁学中的问题都可以用有限元方法进行分析。它的基本思想是将物体（或者求解域）离散成有限个且按一定方式相互关联的单元的组合，来模拟或者说逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题，简化为离散的有限自由度问题来求解的一种数值分析方法。有限元分析由以下基本步骤组成。（1） 建立求解域，并将之离散化成有限个单元，即将问题分解成节点和单元。（2） 既定描述单元物理属性的形（shape）函数，即用一个近似的连续函数描述每个单元的解。（3） 建立单元刚度方程。（4） 组装单元，构造总刚度矩阵。（5） 应用边界条件和初值条件，并施加载和。（6） 求解线性或非线性微分方程组得到节点值。（7） 得到其他重要的信息。ANSYS是一个大型的通用有限元计算机程序，其代码超过100000行，它不仅能够进行静态或动态问题的有限元分析，还能进行热传导、流体流动和电磁学等方面的有限元分析。在过去30多年里，ANSYS是最主要的FEA（有限元）程序。当今有限元程序的另一个特点是与CAD软件的集成。使CAD软件中建立的模型能很方便的导入到有限元程序中进行分析。CAD软件与有限元软件的集成，极大的提高了设计的效率，使设计人员建立的三维模型能快速的导入有限元程序中分析，其结果再被用来改进模型。ANSYS能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等。在ANSYS软件中,有限元分析的典型步骤主要有以下几点:（1） 建立有限元模型 包括定义单元类型,定义材料属性,和创建有限元模型等。（2） 加载和求解 包括定义分析类型，施加载荷，求解等。（3）结果后处理本文的有限元分析除了第一步是从Pro/Engineer中导入模型外，其他步骤与一般有限元分析的典型步骤一致。有限元分析过程主要用到ANSYS中的结构分析部分，为静力学线性结构分析，得到的最终结果是变形图和应力云图。4.2 各零件的有限元分析 对切割系统中主要的两个运动零件进行有限元分析如下。4.2.1 对大齿圈的有限元分析 由于大齿圈外形尺寸比较大，而壁厚相对较薄，所以，在重力的作用下，大齿圈可能会发生较大变形，因此需要对其进行有限元分析。（1） 将PRO/E中的模型导入ANSYS图4-1 大齿圈便导入ANSYS中在PRO/E中打开大齿圈的模型，去掉大齿圈上的倒角和圆角特征。这样做可以减少三维模型的面片数量，同时也减少了细节，以防止在模型导入ANSYS中时，出现细节丢失（如圆角处的细小面片）而引起不必要的错误。再对大齿圈保存副本，选择IGES格式，选择实体进行输出。打开ANSYS，选择FileImportIGES，点击OK，再找到刚保存的文件打开。大齿圈便导入ANSYS中了（如图4-1）。（2） 前处理单元类型：solid 95号单元（20节点）由于大齿圈上有较多的曲面，所以选择95号单元能更好的贴合实际模型。材料属性：弹性模量E=206GPa，泊松比=0.3，密度8.75E-6kg/mm2。选择优质碳素结构钢，45钢为大齿圈的材料，可以得到其弹性模量和泊松比。由于是分析其自重对自身的影响，所以要考虑重力的影响，因此必须输入密度。图4-2 大齿圈划分网格划分网格：智能划分网格选择参数是7的智能划分网格来对大齿圈进行划分，使其既能划分出足够的网格，又能较快的计算出结果。划分网格的结果如图4-2。约束面的选择和载荷的施加大齿圈是由滚子和滚子圈组成的滚子套与大齿圈底座共同支撑的，所以约束面应选择在大齿圈与滚子套支撑接触的圆环面上，并且限制所有方向上的位移。对于载荷来说由于是考察大齿圈自重的影响，所以选择惯性力来模拟重力加速度。由于重力加速度与惯性力的方向是相反的，所以沿Y轴正向施加惯性力。由于前面输入选择的单位是毫米、牛、秒，所以输入惯性力大小为9800。图4-3便是施加约束和惯性力后效果图。图4-3 大齿圈加约束和加载后效果图做完上述工作便可以执行SOLVE命令进行分析了。（3） 使用通用后处理模块查看结果经分析后得到的变形图如图4-4。图4-4 大齿圈变形图下面是应力云图，从上至下分别是等效应力云图和沿X，Y，Z轴方向上的应力云图。图4-5 大齿圈应力云图由上图可知，大齿圈受重力影响的变形和应力都很小，远小于材料的强度极限，可以满足要求。4.2.2 对小齿轮的有限元分析在一对齿轮啮合过程中小齿轮相对大齿轮受力要大，所以选择分析小齿轮在分度圆附近啮合时一个齿的受力情况。（1） 在PRO/E中修改模型并导入ANSYS中在齿轮啮合时，在啮合出实际上由于材料的变形是一个很小的面接触，所以在用ANSYS分析时使用面载荷，以更好的贴近实际情况。因此，必须在齿廓的渐开线与分度圆交点附近，截出一小段曲面用于分析时添加面载荷。要截出一小段曲面必须在绘制齿槽曲线时必须将一条完整的渐开线在分度圆处截出一段，如下图所示。再经过拉伸以后齿面上分度圆处，就会出现单独的一小片曲面，这便是用于加载的曲面。图4-6 草图修改示意图把模型导入ANSYS中，步骤与大齿圈一样，先去掉倒角圆角，再保存成IGES格式。最后在ANSYS中导入模型。（2） 前处理 单元类型：solid 95号单元（20节点）由于小齿轮上有较多的曲面，所以选择95号单元能更好的贴合实际模型。材料属性：弹性模量E=206GPa，泊松比=0.3，密度8.75E-6kg/mm3。选择优质碳素结构钢，45钢为小齿轮的材料，可以得到其弹性模量和泊松比。划分网格：智能划分网格选择参数是7的智能划分网格来对小齿轮进行划分，使其既能划分出足够的网格，又能较快的计算出结果。划分网格的结果如图4-7。图4-7 小齿轮划分网格（3） 约束面的选择和载荷的施加选择小齿轮与轴贴合的部分为约束面，限制所有方向上的位移。载荷施加在分度圆附近新截出来的那段小曲面片上，为面载荷。载荷大小计算如下。驱动小齿轮的电机选择56BYG二相混合是步进电机，具体型号是56BYG250B-SASSBL-0241。假设电机的保持转矩0.65Nm为系统正常工作时，电机轴所承受的最大载荷（超过保持转矩，系统就不能正常工作了）。电机通过传动比为48的谐波减速器，传递到小齿轮上的转矩为31.2Nm。因此，小齿轮分度圆处齿面受到的力的大小为780N。通过PRO/E测量出施加载荷面片的面积是5.7mm2，所以面片上受到的压强是136.84MPa。施加约束和载荷后效果图如下。图4-8 小齿轮添加载荷和约束后效果图做完上述工作便可以执行SOLVE命令进行分析了。（4） 使用通用后处理模块查看结果经分析后得到的变形图如图4-9。图4-9 小齿轮划分网格下面是应力云图，从上至下分别是等效应力云图和沿X，Y，Z轴方向上的应力云图。图4-10 小齿轮应力云图由上面的图可知小齿轮最大变形量为0.001948mm，形变很小，可以满足系统要求。小齿轮上所受的最大等效应力为111.145MPa，由于小齿轮采用45钢，材料的强度极限b = 600MPa，拉压疲劳强度极限约为0.3b = 180MPa，弯曲疲劳强度极限约为0.45b = 270MPa，均大于最大等效应力。所以小齿轮满足系统要求。 第五章 相贯线切割机器人的控制原理5.1 引言控制系统对于数控设备来说是不可缺少的部分，而这个机器人作为一个数控设备，控制系统也是占着重要的地位。尤其是当这个机器人划入自动化设备后，智能化和多元化的控制就显得尤为重要。5.2 等离子切割系统的控制对于已选定的HPR130高精细等离子切割系统，可以通过控制系统输出切割所需的参数到HPR130高精细等离子切割系统的自动气体控制台上，控制等离子切割系统的电流、气体的流速等。5.3 切割系统机械部分的控制切割系统的控制被基本设定为两轴联动，仅完成基本的相贯线的切割。如果需要进行坡口的切割控制，可以增加为三轴联动。输入参数，由程序部分计算出该相贯线的空间曲线在极坐标轴上轨迹。在通过程序计算出电机的输出转速。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，沿相贯线轨迹方向移动。5.4 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，再对电机进行控制以到达目标地点，从而完成自动化操作。然后调节喷头距离管道外表面的距离，如果在割炬与大齿圈间加设了直线电机等自动机构则可以通过程序来控制，如果没有则只能手动调节。5.5 控制系统原理图- 40 - 图5-1 控制原理图第一章第二章第三章第四章第五章第六章 总结与展望6.1 总结通过这次毕业设计可以得出以下结论：1、 针对相贯线切割机器人的主体机构进行了分析。提出了以圆柱坐标系为基础的机构方
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