管道相貫線(xiàn)自動(dòng)切割機(jī)器人支撐定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)含proe三維及17張CAD圖

管道相貫線(xiàn)自動(dòng)切割機(jī)器人支撐定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)含proe三維及17張CAD圖,管道,相貫線(xiàn),自動(dòng),切割,機(jī)器人,支撐,支持,定位,系統(tǒng),設(shè)計(jì),proe,三維,17,cad 管道相貫線(xiàn)自動(dòng)切割機(jī)器人支撐定位系統(tǒng) 摘要： 相貫線(xiàn)切割機(jī)器人是用于管道相貫線(xiàn)切割的自動(dòng)化工業(yè)機(jī)器人。它以加工精度高，自動(dòng)化程度強(qiáng)以及效率出眾等優(yōu)點(diǎn)，將取代一直以來(lái)的手工作業(yè)。相對(duì)于現(xiàn)有的相貫線(xiàn)加工設(shè)備，一種低成本的相貫線(xiàn)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。本篇中將提出一種全新的切割機(jī)器人結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)分配原理，使得設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制簡(jiǎn)單，加工效果好。并盡量控制其制作成本。該機(jī)器人已經(jīng)在申請(qǐng)專(zhuān)利過(guò)程中。 本文著重于設(shè)計(jì)機(jī)器人的支撐定位系統(tǒng)。對(duì)其整個(gè)支撐定位系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。還包括工作狀態(tài)下工作臺(tái)的軸向位移和定位時(shí)自動(dòng)升降兩種傳動(dòng)方案，并對(duì)其校核。設(shè)計(jì)適合管道加工的專(zhuān)用夾具。設(shè)計(jì)過(guò)程中全部采用三維建模，直觀的展示裝配效果。另外，對(duì)其控制和切割原理進(jìn)行簡(jiǎn)述。 關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人； 相貫線(xiàn)； 管道夾具； Pro/E建模 Supporting and Positioning 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. It is excellence for high accuracy, 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 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 positioning-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 錄 第一章 緒論 - 1 - 1.1 概述 - 1 - 1.2 現(xiàn)狀 - 1 - 1.2.1 相貫線(xiàn)加工實(shí)例 - 1 - 1.2.2 各類(lèi)型數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)的特點(diǎn)及其應(yīng)用情況 - 2 - 1.2.3 現(xiàn)有相貫線(xiàn)設(shè)備及其工作原理 - 3 - 1.3 數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)發(fā)展趨勢(shì) - 6 - 1.3.1 數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)的發(fā)展 - 6 - 1.3.2 專(zhuān)用數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)的發(fā)展 - 7 - 1.4 結(jié)語(yǔ) - 7 - 第二章 相貫線(xiàn)切割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方案擬定 - 9 - 第三章 機(jī)器人的切割系統(tǒng)簡(jiǎn)述 - 13 - 第四章 管道相貫線(xiàn)切割機(jī)器人的支撐系統(tǒng) - 15 - 4.1 概述 - 15 - 4.2 該系統(tǒng)對(duì)于管道的支撐 - 15 - 4.3 管道夾緊機(jī)構(gòu) - 17 - 4.4 機(jī)器人支撐系統(tǒng)里的移動(dòng)結(jié)構(gòu) - 18 - 4.4.1 概述 - 18 - 4.4.2 直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)副的選擇 - 19 - 第五章 支撐系統(tǒng)中長(zhǎng)支撐架的應(yīng)力分析 - 23 - 5.1 前言 - 23 - 5.2 受力分析 - 24 - 5.3 ANSYS軟件分析步驟及結(jié)果 - 25 - 5.3.1 導(dǎo)入模型 - 25 - 5.3.2 參數(shù)確定 - 26 - 5.3.3 約束和載荷 - 27 - 5.3.4 分析結(jié)果 - 29 - 第六章 管道相貫線(xiàn)切割機(jī)器人的定位系統(tǒng) - 33 - 6.1 定位原理 - 33 - 6.2 螺旋支撐的強(qiáng)度校核 - 34 - 6.2.1 初始條件 - 34 - 6.2.2 耐磨性計(jì)算 - 34 - 6.2.3 自鎖驗(yàn)算 - 35 - 6.2.4 計(jì)算驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 - 35 - 6.2.5 螺桿強(qiáng)度計(jì)算 - 35 - 6.2.6 螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算 - 35 - 6.2.7 螺桿穩(wěn)定性計(jì)算 - 36 - 6.2.8 螺桿的剛度計(jì)算 - 36 - 6.2.9 計(jì)算橫向振動(dòng) - 36 - 6.2.10 效率計(jì)算 - 37 - 6.3 定位元器件 - 37 - 第七章 管道相貫線(xiàn)切割機(jī)器人控制原理描述 - 39 - 結(jié) 論 41 參考文獻(xiàn) - 43 - 致 謝 - 45 - - 7 - 第一章 緒論 1.1 概述 在機(jī)械加工過(guò)程中，管材切割常用方式有手工切割、半自動(dòng)切割機(jī)切割及相貫線(xiàn)切割機(jī)切割。手工切割先在模板上畫(huà)出相貫線(xiàn)的橢圓輪廓，然后將模板包繞在管道表面，然后手持切割設(shè)備沿輪廓線(xiàn)對(duì)管道進(jìn)行加工。這一方法靈活方便，但因?yàn)檩喞€(xiàn)無(wú)法精確計(jì)算，手持切割設(shè)備移動(dòng)穩(wěn)定差，導(dǎo)致切割質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費(fèi)大、后續(xù)加工工作量大，同時(shí)勞動(dòng)條件惡劣，生產(chǎn)效率低。其它類(lèi)型半自動(dòng)切割機(jī)雖然降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，但其功能簡(jiǎn)單，只適合一些較規(guī)則形狀的零件切割。相貫線(xiàn)自動(dòng)切割機(jī)器人，取代這些手動(dòng)和半自動(dòng)切割方式，可有效地提高板材切割地效率、切割質(zhì)量，減輕操作者地勞動(dòng)強(qiáng)度。目前在我國(guó)的一些中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中使用手工切割和半自動(dòng)切割方式還較為普遍。 目前，我國(guó)機(jī)械工業(yè)鋼管使用量已達(dá)到3億噸以上，鋼管的切割量非常大；隨著現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對(duì)管材切割加工的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量的要求也同時(shí)提高。因而亟需設(shè)計(jì)和退出自動(dòng)化的工業(yè)機(jī)器人，即管道相貫線(xiàn)自動(dòng)切割機(jī)器人，來(lái)提高工作效率，節(jié)約勞動(dòng)成本。而且，這一類(lèi)機(jī)器人必將有龐大的市場(chǎng)。[10] 1.2 現(xiàn)狀 1.2.1 相貫線(xiàn)加工實(shí)例 手工對(duì)管道相貫線(xiàn)加工的切割質(zhì)量差、誤差大等缺點(diǎn)，在大型管道上尤為突出。圖1-1顯示的是一個(gè)手工加工的大型管道轉(zhuǎn)角。因?yàn)槿斯ぷ鳂I(yè)的限制性，在材料的分配以及角度的控制上都能很難達(dá)到精準(zhǔn)。并且在圖示工作環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，還存在很大的危險(xiǎn)性。 圖2-2里是由自動(dòng)化機(jī)械完成的相貫線(xiàn)切割。從管道零件的切口可以看出空間曲線(xiàn)是非常齊整的。它不僅切割的精度高，大大提高加工的效率，而且可以避免了人工作業(yè)存在的安全隱患。 圖1-1 手工完成的管道彎角 圖1-2 自動(dòng)化機(jī)械完成的相貫線(xiàn)產(chǎn)品 1.2.2 各類(lèi)型數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)的特點(diǎn)及其應(yīng)用情況 經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，相貫線(xiàn)切割機(jī)在切割能源和數(shù)控控制系統(tǒng)兩方面取得了長(zhǎng)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；數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)控制系統(tǒng)已由當(dāng)初的簡(jiǎn)單功能、復(fù)雜編程和輸入方式、自動(dòng)化程度不高發(fā)展到具有功能完善、智能化、圖形化、網(wǎng)絡(luò)化的控制方式； 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也從的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、模擬伺服驅(qū)動(dòng)到今天的全數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)。 數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)主要品種分為兩種：數(shù)控火焰相貫線(xiàn)切割機(jī)、數(shù)控等離子相貫線(xiàn)切割機(jī)。 數(shù)控火焰相貫線(xiàn)切割機(jī) ，切割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(zhǎng)，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。 數(shù)控等離子相貫線(xiàn)切割機(jī)，等離子切割具有切割領(lǐng)域?qū)?，可切割所有金屬管材，切割速度快，效率高，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(guò)100mm，拓寬了數(shù)控等離子相貫線(xiàn)切割機(jī)切割范圍。 1.2.3 現(xiàn)有相貫線(xiàn)設(shè)備及其工作原理 市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)了一些已有的相貫線(xiàn)切割設(shè)備。它們中的一些可以作為典型結(jié)構(gòu)來(lái)為本次任務(wù)的設(shè)計(jì)提供參考。同時(shí)，比較它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)，也可以對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)有很大的幫助。 （一） STZQ-I型管道切割機(jī) 圖1-3 宣邦科技的管道切割機(jī) STZQ-I是由上海宣邦金屬新材料科技有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的。通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)，上海交通大學(xué)也參與了其中的設(shè)計(jì)。它在市場(chǎng)上的報(bào)價(jià)為10000元~12120元，相對(duì)于同類(lèi)產(chǎn)品，屬于價(jià)格較低的一種。 圖1-4 STZQ-I型管道切割機(jī)的專(zhuān)用夾具 從圖1-3中，可以看出，這是一個(gè)便攜式的切割機(jī)器。相對(duì)于其它固定式機(jī)床來(lái)說(shuō)，外型尺寸是這個(gè)切割機(jī)的特點(diǎn)。因此，造價(jià)也相對(duì)較低。此機(jī)器工作時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌道緊貼管道外壁，所以不需要額外的對(duì)心操作。快速裝夾的方式，也是它的一個(gè)亮點(diǎn)。 雖然被展示的這類(lèi)切割器可用于室外作業(yè)，但是對(duì)于管道切割這種特殊的加工方式，需要很多大型的附加設(shè)備如空氣壓縮機(jī)等。而且還需要電源，所以實(shí)行真正野外作業(yè)的可能性不大。通過(guò)實(shí)際演示的效果發(fā)現(xiàn)，用這個(gè)型號(hào)的切割機(jī)進(jìn)行復(fù)雜相貫線(xiàn)軌跡的切割還不能符合使用要求。 圖1-4 管道相貫線(xiàn)自動(dòng)切割系統(tǒng) （二） 管道相貫線(xiàn)自動(dòng)切割系統(tǒng) 圖1-4是由唐山開(kāi)元電器有限公司設(shè)計(jì)制造的管道相貫線(xiàn)自動(dòng)切割系統(tǒng)。它可以被認(rèn)為是典型的相貫線(xiàn)切割機(jī)床。雖然沒(méi)有直接獲得該機(jī)床的報(bào)價(jià)，但根據(jù)市場(chǎng)上的大致行情，這類(lèi)專(zhuān)用機(jī)床約為30萬(wàn)左右。 管道工件被裝夾后，5個(gè)自由度被限制。所有與管道外壁接觸面都安裝有滾輪，所以管道仍可以再驅(qū)動(dòng)下繞圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)。切割噴頭被安裝在圖示管道背面可三自由度平移的執(zhí)行器上。其中兩個(gè)方向的平移是用來(lái)對(duì)管道工件進(jìn)行定位對(duì)刀的，工作時(shí)不同步移動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)控制工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動(dòng)與噴頭的進(jìn)給量以及噴頭的角度姿態(tài)。而且這類(lèi)機(jī)床加工范圍比較大，即適應(yīng)不動(dòng)大小直徑的管道。 圖1-5 騎坐相貫線(xiàn)焊接機(jī)器人的機(jī)構(gòu)模型 很明顯的，價(jià)格昂貴和占用空間大成為了這類(lèi)相貫線(xiàn)切割機(jī)的最大劣勢(shì)。而且，當(dāng)被加工的管道有一些橢圓變形等外形變化時(shí)，只能靠控制方面來(lái)彌補(bǔ)。這就不是簡(jiǎn)單兩軸或三軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行加工了。再加上相貫線(xiàn)空間曲線(xiàn)的建模，復(fù)雜的控制問(wèn)題也將被計(jì)算入成本。 （三） 騎座式相貫線(xiàn)加工機(jī)器人 圖1-5中是由某高校設(shè)計(jì)的同樣用于管道相貫線(xiàn)切割和焊接的機(jī)器人模型。這類(lèi)機(jī)器人十分類(lèi)似于傳統(tǒng)意義上的關(guān)節(jié)機(jī)器人，即除管道相貫線(xiàn)加工外，還可以自由的做出很多復(fù)雜動(dòng)作。它們相對(duì)的靈活性十分大，可用于各種不同的場(chǎng)合，并且復(fù)合的功能很多。[3] 但是同樣的關(guān)節(jié)機(jī)器人，操作復(fù)雜，需要多重的數(shù)學(xué)模型才能計(jì)算出完成不同動(dòng)作的參數(shù)。而且對(duì)控制驅(qū)動(dòng)的精度要求很高，因此造價(jià)昂貴，使用繁瑣，不值得推薦。 （四） 管道自動(dòng)清洗機(jī)器人 圖1-6 管外自動(dòng)噴涂清洗機(jī)器人 由江蘇大學(xué)智能機(jī)器人研究所設(shè)計(jì)的管道自動(dòng)清洗機(jī)器人（圖1-6）也是一種典型的適用于管道產(chǎn)業(yè)的工業(yè)機(jī)器人。 它的工作原理是，機(jī)器人環(huán)繞在管道表面，有電機(jī)驅(qū)動(dòng)小輪沿軸向行走。機(jī)器人底部的特殊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)噴槍等執(zhí)行機(jī)構(gòu)沿管道圓周方向作往復(fù)擺動(dòng)。這種特殊機(jī)構(gòu)的名稱(chēng)是“不完全鏈”，它可以使電機(jī)的單向輸入作為對(duì)稱(chēng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)輸出。不完全鏈?zhǔn)嵌嗯挪煌暾逆湕l，通過(guò)特定的組合排列，再在部分位置配以鏈輪和齒輪作為驅(qū)動(dòng)和變向，行成一種全新的傳動(dòng)方式。這個(gè)機(jī)器人以及其中的特殊結(jié)構(gòu)已經(jīng)被作為發(fā)明專(zhuān)利列入了知識(shí)產(chǎn)權(quán)局。 1.3 數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)地發(fā)展，對(duì)切割的質(zhì)量、精度要求的不斷提高，對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、具有高智能化的自動(dòng)切割功能的要求也在提升。數(shù)控切割機(jī)的發(fā)展必須要適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)發(fā)展的要求。 1.3.1 數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)的發(fā)展 從現(xiàn)在幾種通用數(shù)控切割機(jī)應(yīng)用情況來(lái)看，數(shù)控火焰相貫線(xiàn)切割機(jī)功能及性能已比較完善，其材料切割的局限性（只能切割碳鋼管），切割速度慢，生產(chǎn)效率低，其適用范圍逐漸在縮小，市場(chǎng)不可能有大的增加。 等離子相貫線(xiàn)切割機(jī)具有切割范圍廣（可切割所有金屬材料），切割速度快，工作效率高等特點(diǎn)，未來(lái)的發(fā)展方向在于等離子電源技術(shù)的提高、數(shù)控系統(tǒng)與等離子切割配合問(wèn)題，如電源功率的提升可切割更厚的板材；精細(xì)等離子技術(shù)的完善和提高可提高切割的速度、切面質(zhì)量和切割精度；數(shù)控系統(tǒng)的完善和提高以適應(yīng)等離子切割，可有效提高工作效率和切割質(zhì)量。 1.3.2 專(zhuān)用數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)的發(fā)展 數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)適用于各種管材上切割圓柱正交、斜交、偏心交等相貫線(xiàn)孔、方孔、橢圓孔，并能在管子端部切割與之相交的相貫線(xiàn)。這種類(lèi)型的設(shè)備廣泛應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)，電力設(shè)備、鍋爐業(yè)、石油、化工等工業(yè)部門(mén)。 1.4 結(jié)語(yǔ) 從各種數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)應(yīng)用情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)的技術(shù)水平、整機(jī)性能等整體水平都取得了可喜的進(jìn)步，逐步趕上國(guó)際先進(jìn)水平，滿(mǎn)足用戶(hù)的需要，進(jìn)一步提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)內(nèi)一些數(shù)控等離子相貫線(xiàn)切割產(chǎn)品在許多方面已形成自身獨(dú)有的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)化、多功能和高可靠性”。在某些方面，產(chǎn)品的技術(shù)性能甚至超過(guò)了國(guó)外的產(chǎn)品。 從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，數(shù)控相貫線(xiàn)切割機(jī)市場(chǎng)上數(shù)控火焰相貫線(xiàn)切割機(jī)將保持其基本市場(chǎng)，而數(shù)控等離子相貫線(xiàn)切割機(jī)將成為板材切割市場(chǎng)中的主流力量。 第二章 相貫線(xiàn)切割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方案擬定 管道相貫線(xiàn)切割，是利用等離子（或火焰）噴射對(duì)管道表面進(jìn)行切割加工。而此次任務(wù)設(shè)計(jì)的機(jī)器人，就是相對(duì)于相貫線(xiàn)這種復(fù)雜的空間曲線(xiàn)，提供精確的軌跡定位。提出一種新的合理有效的方案，使機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，使用方便，數(shù)學(xué)模型容易建立。 圖2-1 被加工管道模擬圖 充分利用管道的圓形結(jié)構(gòu)，可以建立類(lèi)似于極坐標(biāo)系的工作空間。 如圖2-1，在直徑280的圓管上切割直徑200的相貫線(xiàn)孔。在被加工圓管表面形成空間曲線(xiàn)。在極坐標(biāo)系中，只需要兩個(gè)方向的移動(dòng)，就可以完成這條軌跡：(1)圖中A1軸向移動(dòng)；(2)沿圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 將這兩個(gè)主要運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)分配到機(jī)器人中，就可以達(dá)到加工的基本效果。本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人相對(duì)的也分為兩個(gè)主要部分：切割系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)。切割系統(tǒng)裝配有等離子切割噴頭，在工作時(shí)，可以帶動(dòng)噴頭沿管道的圓周方向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡的中心與管道軸線(xiàn)重合。支撐系統(tǒng)一方面對(duì)圓形管道進(jìn)行支撐和定位，同時(shí)還能引導(dǎo)管道沿軸線(xiàn)方向移動(dòng)，使之產(chǎn)生和切割噴頭的相對(duì)位移。 切割系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，由大小齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)連接小齒輪，使配合后的大齒輪輸出緩慢穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于大齒輪的直徑相對(duì)較大，可能會(huì)出現(xiàn)繞動(dòng)現(xiàn)象。所以在其兩側(cè)安放固定軌道，以保證加工時(shí)的同軸度。這種情況下，切割系統(tǒng)自身的軸向移動(dòng)就難以實(shí)現(xiàn)。 軸向的相對(duì)移動(dòng)就被設(shè)計(jì)在支撐結(jié)構(gòu)中。由定位夾緊機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)管道軸向位移，而且能夠保證較好的同軸度?？紤]到被加工管道都屬于轉(zhuǎn)接的特殊部分，很少出現(xiàn)長(zhǎng)度直徑比較大的情況。即使如此，可在機(jī)器人以外增添附加的支撐設(shè)備，并在上面安置滾輪，使摩擦力的影響減小。 圖2-2 整機(jī)的三維模型 結(jié)合以上所描述的工作原理，本文提出工作頭轉(zhuǎn)動(dòng)，工作臺(tái)單一自由度移動(dòng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。降低了空間曲線(xiàn)（面）數(shù)學(xué)建模的難度。同時(shí)，兩個(gè)工作軸的聯(lián)動(dòng)，也降低了機(jī)器人的控制難度和成本。[1] 另外，把文中之前提到的兩種不同類(lèi)型的切割設(shè)備拿出來(lái)與本方案進(jìn)行對(duì)比。同STZQ-I型切割機(jī)一樣，在工作狀態(tài)，被加工管道是不轉(zhuǎn)動(dòng)的。在管道較長(zhǎng)的情況下，不轉(zhuǎn)動(dòng)管道可以避免管道自身繞度帶來(lái)的影響。另外在切割系統(tǒng)高度調(diào)整后，自動(dòng)對(duì)心，不會(huì)因?yàn)楣艿雷陨淼膱A跳度變化而產(chǎn)生影響。而相比于另一種典型專(zhuān)用機(jī)床，本方案在空間位置的安排上更為合理，一些擴(kuò)展設(shè)備可以在機(jī)器的側(cè)面放置。雖然沒(méi)有實(shí)體模型的建立，但可以預(yù)見(jiàn)其成本低于大多數(shù)同類(lèi)產(chǎn)品。對(duì)于控制方面提出的設(shè)想也可以明顯看出，比很多先用的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單方便。 驅(qū)動(dòng)器位置的合理巧妙分配是本機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方案中的亮點(diǎn)。連接執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)可以固定圓周旋轉(zhuǎn)，不會(huì)受管道自身長(zhǎng)度的繞度影響。管道被固定在V型塊上，隨支撐系統(tǒng)移動(dòng)。這樣能夠保證切割系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)中心不會(huì)跳動(dòng)，提高加工精度。雖然軸線(xiàn)很長(zhǎng)的管道仍然會(huì)對(duì)機(jī)器人的使用效果產(chǎn)生影響，但合理的附加支撐，減小重力產(chǎn)生的摩擦力影響，就可以把這個(gè)負(fù)面的影響降到最低。驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如此放置，也減少了機(jī)器人占用的空間。但增加了對(duì)其的設(shè)計(jì)難度，因此需采用三維建模以避免可能的零件位置沖突。 - 11 - 第三章 機(jī)器人的切割系統(tǒng)簡(jiǎn)述 切割加工是在管道工件裝夾后開(kāi)始工作的。為了保護(hù)傳感器，在機(jī)器開(kāi)始切割前，要把傳感器從大齒輪的內(nèi)圈上拆卸下來(lái)。定位好后，調(diào)整等離子切割噴頭距離被加工管道外壁的距離。從控制面板中輸入技術(shù)參數(shù)，如管道直徑（可由位移傳感器測(cè)得）、相貫孔的直徑、起始位置、進(jìn)給速度等。 圖3-1 切割系統(tǒng)三維模擬圖 大齒輪由連接電動(dòng)機(jī)的小齒輪驅(qū)動(dòng)，繞固定圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)同時(shí)控制等離子切割噴頭開(kāi)關(guān)狀態(tài)。結(jié)合安裝在支撐系統(tǒng)中的滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)，即工作臺(tái)的軸向位移。形成了一個(gè)固定半徑的空間極坐標(biāo)系。所以，從籠統(tǒng)的意義上來(lái)說(shuō)，該套切割系統(tǒng)工作時(shí)只需要兩軸的支配。 但是結(jié)合管道切割加工工藝等問(wèn)題，在對(duì)管道進(jìn)行切割時(shí)還要考慮切割坡口角度的問(wèn)題。對(duì)于這種坡口采用以往的磁力管道切割機(jī)和等離子切割機(jī)切割坡口法，不能滿(mǎn)足焊接工藝規(guī)程對(duì)坡口形式的要求。根據(jù)實(shí)際施工的要求，采用坡口整形機(jī)加上一定的輔助手段，成功地解決了此種鋼管的坡口加工問(wèn)題，也滿(mǎn)足了坡口質(zhì)量和焊接進(jìn)度的要求。[2] 圖3-2 坡口形式 因此，對(duì)于坡口的加工在本機(jī)器人上的實(shí)現(xiàn)是不必要的。但仍然可以提出一些簡(jiǎn)單的方案設(shè)想。在大齒輪內(nèi)側(cè)連接等離子噴槍的接口上放置旋轉(zhuǎn)電機(jī)，隨時(shí)改變噴頭對(duì)于管道的角度，即可產(chǎn)生坡口。但相對(duì)于實(shí)際的工藝，可能必然需要坡口加工的專(zhuān)用機(jī)床進(jìn)行打磨。[4] - 13 - 第四章 管道相貫線(xiàn)切割機(jī)器人的支撐系統(tǒng) 4.1 概述 圖4-1 機(jī)器人的支撐系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)器人的工作原理，在工作狀態(tài)下，管道應(yīng)水平放置，與切割系統(tǒng)的大齒輪同軸。管道采用V型塊支撐，在切割系統(tǒng)的兩側(cè)放置固定高度的V型塊。裝夾時(shí)，將圓形管道從機(jī)器的一頭塞入，平穩(wěn)放置后，用專(zhuān)用的夾具對(duì)其夾緊。切割狀態(tài)下，支撐系統(tǒng)底部的絲桿傳動(dòng)帶動(dòng)這個(gè)系統(tǒng)作軸向移動(dòng)，配合大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，形成最終的相貫線(xiàn)軌跡。其三維結(jié)構(gòu)如圖4-1。 4.2 該系統(tǒng)對(duì)于管道的支撐 如上所述，被加工管道由兩側(cè)的V型塊進(jìn)行支撐。定位問(wèn)題將在后面的部分被提出?？紤]到管道外壁的圓柱形結(jié)構(gòu)，以及常見(jiàn)管道的長(zhǎng)徑比，設(shè)計(jì)了圖示中的V型塊支撐。兩側(cè)的V型塊，除左側(cè)的一個(gè)底部安裝有絲桿螺母，并留有連接孔，其余如與管道工件接觸的面和外型尺寸等都是對(duì)稱(chēng)的。V型塊之間的距離是固定的。每個(gè)V型塊架在兩個(gè)橫梁上，而橫梁固定連接在導(dǎo)軌上方的長(zhǎng)支撐架上。以上，形成一固定的管道支撐結(jié)構(gòu)。 圖4-2 實(shí)體型V型塊 V型塊的厚度設(shè)計(jì)成100 mm。而被加工管道的尺寸，V型塊結(jié)構(gòu)的外形尺寸被設(shè)計(jì)為400×400×350 mm×mm×mm。見(jiàn)圖4-2。 而通過(guò)三維建模。預(yù)設(shè)V型塊為鑄鐵材料。得出其質(zhì)量約為130 kg。巨大的質(zhì)量會(huì)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)預(yù)想之外的麻煩。所以要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在非受力集中的部分挖空材料，以減輕重量。因此，V型塊被設(shè)計(jì)成圖4-3所示形狀。具體結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖紙。 圖4-3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的V型塊 這個(gè)管道支撐結(jié)構(gòu)底部有四個(gè)滑塊，連接著直線(xiàn)滾動(dòng)軌道。軌道長(zhǎng)2050 mm，兩端安裝擋塊。支撐系統(tǒng)可以通過(guò)在軌道上的滑動(dòng)，在不改變相對(duì)距離的情況下沿直線(xiàn)方向移動(dòng)。動(dòng)力來(lái)自于左側(cè)V型塊下第一根橫梁連接的滾珠絲杠螺母。絲桿的位置是相對(duì)固定的，絲桿一端安裝電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使螺母直線(xiàn)方向移動(dòng)。從而帶動(dòng)支撐系統(tǒng)及被加工管道工件隨之移動(dòng)。 4.3 管道夾緊機(jī)構(gòu) 管道零件不同于一般其它零件，它重量不大，但是占用的空間很大。一般的實(shí)體夾緊機(jī)構(gòu)不適用與這類(lèi)機(jī)器人。而在加工時(shí)，切割所產(chǎn)生的應(yīng)力并不是很大。管道自身產(chǎn)生的重量，以及在V型塊表面產(chǎn)生的摩擦力對(duì)于加工過(guò)程都是有利的。因此夾緊工件的時(shí)候，不需要很大的夾緊力。 針對(duì)此類(lèi)圓柱形工件，可以選擇應(yīng)用圖示的螺旋夾緊機(jī)構(gòu)。在半圓形夾具體的頂部有一個(gè)M20的通孔，而夾緊手柄下部分是M20的螺紋。旋轉(zhuǎn)手柄，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，上下移動(dòng)。對(duì)工件實(shí)施夾緊。此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用，十分適合作為管類(lèi)零件的夾緊機(jī)構(gòu)。原理見(jiàn)圖4-4。 管道工件與夾具和V型塊之間形成了三點(diǎn)接觸，完全限制空間移動(dòng)的自由度。兩側(cè)同時(shí)夾緊，管道除軸向轉(zhuǎn)動(dòng)以外，其余5個(gè)自由度被完全約束。而因?yàn)榭諝馇懈畹奶攸c(diǎn)，管道自身不會(huì)發(fā)生自轉(zhuǎn)。再加上夾緊手柄產(chǎn)生的摩擦力，在加工過(guò)程中，管道工件將不會(huì)有多余的移動(dòng)。 圖4-4 管道夾緊機(jī)構(gòu) 4.4 機(jī)器人支撐系統(tǒng)里的移動(dòng)結(jié)構(gòu) 4.4.1 概述 上文中已經(jīng)提到了機(jī)器人特別的驅(qū)動(dòng)分配方案。其中工作臺(tái)沿軸向直線(xiàn)移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)就被設(shè)計(jì)安放在支撐系統(tǒng)底部。支撐系統(tǒng)作為工作臺(tái)，帶動(dòng)被加工管道在切割過(guò)程中沿軸向進(jìn)給。 與轉(zhuǎn)動(dòng)副的設(shè)計(jì)相同，直線(xiàn)移動(dòng)副也要符合使用精度要求。同時(shí)，要承受軸向的整個(gè)支撐系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦力。而設(shè)計(jì)任務(wù)要求的被加工管道范圍是從直徑200~300 mm，因此其相貫線(xiàn)的輪廓線(xiàn)軸向投影應(yīng)該也在300 mm以?xún)?nèi)。所以增加一個(gè)預(yù)留行程后，絲桿的工作長(zhǎng)度被設(shè)計(jì)為350 mm。 同樣，如方案設(shè)計(jì)中提到的一樣，緊湊的空間位置增加了設(shè)計(jì)的難度。為了不與機(jī)器人的螺旋升降結(jié)構(gòu)空間沖突，整個(gè)直線(xiàn)傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)在距離中心位置有一點(diǎn)偏移量的位置。在傾覆力矩允許的情況下，偏心的設(shè)計(jì)也是合理。 4.4.2 直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)副的選擇 支撐系統(tǒng)的直線(xiàn)移動(dòng)由滾動(dòng)導(dǎo)軌支撐，滾珠絲桿傳動(dòng)，控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這一系列直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在市場(chǎng)上已經(jīng)相當(dāng)成熟，而本次任務(wù)設(shè)計(jì)的機(jī)器人在這一方面沒(méi)有相對(duì)特殊的使用條件和要求。因此，只要選擇合適成熟產(chǎn)品就可以直接裝配在機(jī)器人上，不需要額外的設(shè)計(jì)計(jì)算。 目前，有很多著名的廠(chǎng)商提供整套到直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)配置，只要合理的選取其中的部件整合。如THK公司，不僅提供一系列的產(chǎn)品（導(dǎo)軌、絲桿、絲桿螺母以及支撐塊等），還為客戶(hù)提供技術(shù)指導(dǎo)以便根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選取。 以絲桿螺母為例，在其產(chǎn)品信息內(nèi)找到“直線(xiàn)滾珠導(dǎo)套”。除根據(jù)需求選擇適合類(lèi)型螺母以外，還能發(fā)現(xiàn)“支撐單元”等產(chǎn)品。系列化的產(chǎn)品庫(kù)為機(jī)器的設(shè)計(jì)省去很多工作量。跟據(jù)螺母在本機(jī)器上的安裝位置，可選擇“圓形切角法蘭 LMH型”，固定在橫梁底部的同時(shí)，減小橫梁至機(jī)器底座的距離。因?yàn)橹本€(xiàn)驅(qū)動(dòng)所受載荷基本來(lái)自于支撐系統(tǒng)重力所產(chǎn)生的摩擦力，而兩側(cè)都是用滾動(dòng)導(dǎo)軌，摩擦系數(shù)非常小。所以表4-1中，動(dòng)載荷C≥510 N的產(chǎn)品都可以被考慮。參考機(jī)器人的整體外觀，最終選擇了LMH-25型圓形切角法蘭作為機(jī)器的直線(xiàn)傳動(dòng)部件。 滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌、滾珠絲桿、支撐塊等，都可以用以上類(lèi)似的方法從該公司網(wǎng)站的產(chǎn)品庫(kù)中選取。 表4-1 YHK提供的LMH型圓形切角法蘭產(chǎn)品 公稱(chēng)型號(hào) 主要尺寸 基本額定負(fù)荷 內(nèi)徑直徑 外徑 長(zhǎng)度 法蘭直徑 動(dòng)額定 C 靜額定 C0 dr 公差 D 公差 精?高 L 公差 D1 公差 精 高 mm mm mm mm mm mm mm mm mm N N LMH 6 6 — — 12 0 –0.011 19 0 –0.2 28 0 –0.2 206 265 LMH 8 8 — — 15 0 –0.011 24 0 –0.2 32 0 –0.2 265 402 LMH 10 10 — — 19 0 –0.013 29 0 –0.2 39 0 –0.2 373 549 LMH 12 12 — — 21 0 –0.013 30 0 –0.2 42 0 –0.2 412 598 LMH 13 13 — — 23 0 –0.013 32 0 –0.2 43 0 –0.2 510 775 LMH 16 16 — — 28 0 –0.013 37 0 –0.2 48 0 –0.2 775 1180 LMH 20 20 — — 32 0 –0.016 42 0 –0.2 54 0 –0.2 863 1370 LMH 25 25 — — 40 0 –0.016 59 0 –0.3 62 0 –0.2 980 1570 LMH 30 30 — — 45 0 –0.016 64 0 –0.3 74 0 –0.2 1570 2750 圖4-5 絲桿螺母的選擇 圖4-7 BK 25支承座內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖4-6 LMH25的外型尺寸及配合示意 以同樣的方法，可以選擇導(dǎo)軌、絲桿，特別是絲桿的支承座。絲桿的支撐座是一個(gè)組合型產(chǎn)品。它不僅起固定支撐絲桿高度的作用，內(nèi)部還要轉(zhuǎn)配特殊的軸承，不影響絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)還要承受軸向的載荷。合理的對(duì)其選擇，不僅縮短設(shè)計(jì)周期，另一方面該公司產(chǎn)品化的配套生產(chǎn)，也可以很大程度上的提高零件使用效率。其內(nèi)部組合見(jiàn)圖4-7。 - 21 - 第五章 支撐系統(tǒng)中長(zhǎng)支撐架的應(yīng)力分析 5.1 前言 圖5-1 橫梁三維模型 從安全性的角度出發(fā)，機(jī)器人的設(shè)計(jì)部件，在不影響其使用性能的情況下，盡量采用安全可靠的設(shè)計(jì)方案。如橫梁對(duì)于V型塊的支撐，以及長(zhǎng)支撐架對(duì)于以上部分的支撐。橫梁的橫截面積盡量放大，以滿(mǎn)足支撐力的要求，以及減小V型塊等相對(duì)重量較大的物體在重力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力形變。梁跟架之間的接觸面積也盡可能放大，這樣，可以不至于在部分區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中或過(guò)大的現(xiàn)象。 定向及支撐用的軌道在選擇的時(shí)候，已經(jīng)將這一因素考慮進(jìn)去。因此，不需要對(duì)滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌做更多的受力分析。且軌道的地面貼緊機(jī)床底座，軌道是能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用要求的。 圖5-2 長(zhǎng)支撐架三維模型 對(duì)比橫梁和長(zhǎng)支撐架后，因?yàn)閮烧卟挥玫氖褂梦恢煤屯庑统叽纾L(zhǎng)支撐架受力更多一點(diǎn)。因此在這里對(duì)長(zhǎng)支撐架進(jìn)行受力和ANSYS分析。 5.2 受力分析 圖5-3 V型塊底座受力圖 假設(shè)V型塊為鑄鐵材，密度為7.85×10-6 kg/mm3。通過(guò)Pro/E三維建模，計(jì)算得體積為1.07×107 mm3。最終得出其模擬后的質(zhì)量為84.1 kg，以及V型塊重心的坐標(biāo)值。綜合橫梁重量等，每側(cè)長(zhǎng)支撐架所受的重力約為1000 N。如圖5-3，是在得知重心位置以后，V型塊受到的力。 通過(guò)公式： 12G=F1+F2F1×400-50=12G×400-50-142 (5-1) 由式（5-1）得出： F1=347 NF2=153 N 再對(duì)長(zhǎng)支撐架進(jìn)行受力分析，見(jiàn)圖5-4： 圖5-4 長(zhǎng)支撐架受力分析 F3=F4=500 N 然后將長(zhǎng)支撐架的Pro/E三維模型及以上分析數(shù)據(jù)，輸入ANSYS程序分析。得出以下結(jié)論。 5.3 ANSYS軟件分析步驟及結(jié)果 5.3.1 導(dǎo)入模型 ANSYS的三維模型建立與Pro/E類(lèi)似，而且用這兩種軟件建立的三維模型可以互相轉(zhuǎn)換。所以，直接將上圖5-2中的長(zhǎng)支撐架三維模型導(dǎo)入ANSYS，見(jiàn)圖5-5： 圖5-5 長(zhǎng)支撐架三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件 5.3.2 參數(shù)確定 單元類(lèi)型：solid 45號(hào)單元 （8節(jié)點(diǎn)） 材料屬性: 鑄鐵 彈性模量：E=2.06×105 MPa，泊松比μ=0.3 單元格劃分見(jiàn)圖5-6： 圖5-6 長(zhǎng)支撐架單元?jiǎng)澐謭D 5.3.3 約束和載荷 圖5-7 長(zhǎng)支撐架載荷分布 根據(jù)機(jī)器人的裝配方案，長(zhǎng)支撐架的載荷被加載在凹下的四個(gè)平面內(nèi)。其受力分析已在上文中給出，而每個(gè)承載面得面積為A=10000 mm2。它的載荷見(jiàn)圖5-7： 圖5-9 長(zhǎng)支撐架的應(yīng)力變形 圖5-8 長(zhǎng)支撐架所加約束 而它的約束則來(lái)自于地面連接的兩個(gè)滑塊。所以，約束見(jiàn)圖5-8： 5.3.4 分析結(jié)果 變形量，見(jiàn)圖5-9： 從圖中數(shù)據(jù)可以看出，最大變形量?jī)H為0.001939 mm，完全符合使用要求。 應(yīng)力分布：X, Y, Z軸方向及等效應(yīng)力分布見(jiàn)圖5-10，數(shù)據(jù)見(jiàn)表5-1： 圖5-10(a) X軸方向應(yīng)力應(yīng)變 圖5-10(b) Y軸方向應(yīng)力應(yīng)變 圖5-10(c) Z軸方向應(yīng)力應(yīng)變 圖5-10(d) 等效應(yīng)力應(yīng)變 表5-1 應(yīng)力分析表 方向 （MPa） X軸 Y軸 Z軸 等效 SMN（最小應(yīng)力） -2.447 -2.381 -1.163 0.538E-03 SMX（最大應(yīng)力） 0.876048 0.137929 0.162847 2.867 由以上分析得，長(zhǎng)支撐架滿(mǎn)足使用要求。 - 31 - 第六章 管道相貫線(xiàn)切割機(jī)器人的定位系統(tǒng) 6.1 定位原理 長(zhǎng)直管道水平放置以后，上下的移動(dòng)會(huì)對(duì)工作狀態(tài)下的同軸度產(chǎn)生一定的影響。在如上方法對(duì)管道支撐夾緊后，可采用一些支撐系統(tǒng)外部的方法，對(duì)切割噴頭與管道進(jìn)行定位。應(yīng)用于本次設(shè)計(jì)任務(wù)的方法是，工件相對(duì)靜止，切割系統(tǒng)調(diào)整高度，即刀具對(duì)工件進(jìn)行對(duì)刀。使切割系統(tǒng)大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心在圓柱形管道的軸線(xiàn)上。 圖6-1 切割系統(tǒng)的螺旋升降裝置 切割系統(tǒng)的升降采用螺旋傳動(dòng)原理。用梯形螺桿和螺母配合，垂直方向支撐切割系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)。而支撐螺母被設(shè)計(jì)成外圈漸開(kāi)線(xiàn)齒廓、內(nèi)圈梯形螺紋狀。螺母的高度不變，下面由推力調(diào)心滾子軸承（29416）支撐。螺母通過(guò)齒輪傳動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，與之配合的螺桿可上下移動(dòng)。而當(dāng)切割系統(tǒng)達(dá)到要求的位置后，梯形螺紋自身的自鎖性能可以使其固定在這一高度不發(fā)生變化。三維結(jié)構(gòu)模擬如圖6-1。 當(dāng)管道工件裝夾后，就開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行定位。管道的軸線(xiàn)和切割系統(tǒng)的軸線(xiàn)是肯定在同一豎直平面內(nèi)的，且平行的。因此，在該平面內(nèi)測(cè)量?jī)烧叩木嚯x，就能計(jì)算并確定升降裝置最終停留的高度。而測(cè)量切割系統(tǒng)和管道之間距離的方法是，在切割系統(tǒng)的內(nèi)壁對(duì)稱(chēng)的安裝兩個(gè)非接觸式位移傳感器。具體位置，參考切割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 定位過(guò)程中，切割系統(tǒng)的大齒輪有一定的緩慢旋轉(zhuǎn)，或者懸停在對(duì)稱(chēng)傳感器處于豎直狀態(tài)的位置。同時(shí)，傳感器從一組相對(duì)的方向，對(duì)管道外壁進(jìn)行位移測(cè)量。然后得出需要調(diào)整高度的位移量。電機(jī)再驅(qū)動(dòng)支撐梯形螺桿調(diào)整高度。最后停留在管道與切割系統(tǒng)同軸線(xiàn)的位置上。 電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器后輸入的速度約為8.4 r/min以上，所以螺旋升降的速度為VH=S?P=25.2 mm/min比較符合操作時(shí)的實(shí)際情況。 6.2 螺旋支撐的強(qiáng)度校核 6.2.1 初始條件 軸向載荷F=1500N 螺母形式為：整體式 滑動(dòng)速度范圍為：低速、潤(rùn)滑良好 螺桿材料為：45號(hào)鋼 螺母材料為：ZCuSn10Zn2 6.2.2 耐磨性計(jì)算 梯形螺紋，取ξ=0.8，φ=2。許用強(qiáng)度p=20 MPa 18~25 d2=ξFφp=4.899 mm （6-1） 由式6-1得，計(jì)算值為4.899 mm。 選取：螺紋中徑d2=58.5 mm（選取值）， 公稱(chēng)直徑 D=60 mm， 外螺紋小徑 d1=57 mm，內(nèi)螺紋大徑 d=60.5 mm， 螺距 P=3 mm， 導(dǎo)程 L=3 mm。 螺母高度 H=φd2=117 mm 旋合圈數(shù) z=HP=39 因?yàn)?z≤10~12 取 z=12 。 螺紋工作高度 h=0.5P=1.5 mm 強(qiáng)度 p=Fπd2hz=0.45 MPa≤p 校核通過(guò) 6.2.3 自鎖驗(yàn)算 螺旋副摩擦系數(shù) μs=0.09 0.08~0.10 牙型角 α=30° ρ'=arctanμscosα2=5.32° （6-2） 螺紋升角 ?=arctanLπd2=0.935° ?≤ρ' 自鎖驗(yàn)算通過(guò) 6.2.4 計(jì)算驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 T=T1=Fd22tan?+ρ'=21850 N?mm （6-3） 6.2.5 螺桿強(qiáng)度計(jì)算 許用應(yīng)力 σ:71~118.33 MPa σ=4Fπd122+3T0.2d132=1.179 MPa≤σ （6-4） 6.2.6 螺紋牙強(qiáng)度計(jì)算 τ:30~40 MPa σb:40~60 MPa b=0.65P=1.95 mm （6-5） 螺桿 τ=Fπd1bz=0.36 MPa≤τ （6-6） σb=3Fhπd1b2z=0.82 MPa≤σb （6-7） 螺母 τ=Fπdbz=0.34 MPa≤τ （6-8） σb=3Fhπdb2z=0.78 MPa≤σb （6-9） 校核通過(guò) 6.2.7 螺桿穩(wěn)定性計(jì)算 螺桿最大工作長(zhǎng)度 l=80 mm 螺桿放置形式為：一端固定，一端自由。因此，長(zhǎng)度系數(shù)μ=2 μli=11.228 i=IaA=d14=14.25 , Ia=πd1464=8092 （6-10） 材料的彈性模量E=207000 MPa μli=11.228 ＜85 取淬火鋼 臨界載荷Fc=4801+0.0002μli2?πd124=1194720 N （6-11） FcF≥2.5~4 校核通過(guò) 6.2.8 螺桿的剛度計(jì)算 螺桿材料的切邊模量G=83000 MPa 軸向載荷與運(yùn)動(dòng)方向相反 δL=δLT+δLF=L2π?TLGIF+FLEA=16TL2π2Gd14+4FLπEd12=1×10-5 mm （6-12） 6.2.9 計(jì)算橫向振動(dòng) 螺桿兩支撐間的最大距離lc=80 mm 一端固定，一端自由的系數(shù)μ1=1.875 臨界轉(zhuǎn)速nc=12.3×106?μ12d1lc2=129041.4 r/min （6-13） 6.2.10 效率計(jì)算 軸承效率取0.96 0.95~0.99 η=0.96tan?tanφ+ρ’=2.613% （6-14） 6.3 定位元器件 上面已經(jīng)提到使用非接觸式位移傳感器來(lái)作為定位的監(jiān)測(cè)裝置。在此簡(jiǎn)述一下其結(jié)構(gòu)及工作原理。位移傳感器又稱(chēng)為線(xiàn)性傳感器，它分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。 該位移傳感器是一種屬于金屬感應(yīng)的線(xiàn)性器件，接通電源后，在開(kāi)關(guān)的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，金屬中則產(chǎn)生渦流而吸取了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線(xiàn)性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來(lái)完成無(wú)接觸檢測(cè)物體的目的。 圖6-3 位移傳感器輸出特性曲線(xiàn) 該位移傳感器具有無(wú)滑動(dòng)觸點(diǎn)，工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長(zhǎng)壽命，可使用在各種惡劣條件下。位移傳感器主要應(yīng)用在自動(dòng)化裝備生產(chǎn)線(xiàn)對(duì)模擬量的智能控制。 圖6-4 百斯特電器科技有限公司提供的產(chǎn)品圖片 另外，由于切割這類(lèi)特殊的工作環(huán)境，特別是切割加工時(shí)產(chǎn)生的高溫，很容易使周?chē)碾娮宇?lèi)產(chǎn)品如位移傳感器受到損壞。所以，在完成定位后，應(yīng)把傳感器從大齒輪內(nèi)壁拆卸下來(lái)，以實(shí)施保護(hù)。 - 37 - 第七章 管道相貫線(xiàn)切割機(jī)器人控制原理描述 控制系統(tǒng)也是這個(gè)機(jī)器人的重要組成部分。特別是將其列入自動(dòng)化機(jī)器人的范疇，智能和多元化的控制系統(tǒng)就要被運(yùn)用在這個(gè)機(jī)器人中。根據(jù)使用要求，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)該包括以下方面內(nèi)容： （1）切割器械的控制。被選作該機(jī)器執(zhí)行系統(tǒng)的等離子切割機(jī)等，將它們的控制部分復(fù)制到機(jī)器人的控制面板上，并融入整個(gè)控制系統(tǒng)中。由此，可以直接通過(guò)機(jī)器人的操作部分對(duì)其進(jìn)行控制，而不會(huì)因?yàn)樾枰僮鞫鄠€(gè)器械造成不必要的錯(cuò)誤。 （2）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)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化操作。在切割系統(tǒng)和被加工管道實(shí)現(xiàn)同心的條件后，自動(dòng)停止。然后手動(dòng)調(diào)節(jié)噴頭距離管道外表面的面積。 （3）切割系統(tǒng)的控制。切割系統(tǒng)的控制被基本設(shè)定為兩軸聯(lián)動(dòng)。（需要增加如坡口加工功能，可增設(shè)控制模塊）輸入?yún)?shù)，由程序部分計(jì)算出該空間曲線(xiàn)在極坐標(biāo)軸上軌跡。大齒輪和底部直線(xiàn)位移的控制電機(jī)在程序控制下，使噴頭相對(duì)管道，沿軌跡方向移動(dòng)。 按照所描述的原理，可以得出圖7-1的控制原理： 圖7-1 控制原理圖 - 39 - 結(jié) 論 本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是管道相貫線(xiàn)自動(dòng)切割機(jī)器人的支撐定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，特別是提出了一套新的方案。該方案區(qū)別于市場(chǎng)上的其他同類(lèi)產(chǎn)品，在工作原理上提出新的方案，即工作頭旋轉(zhuǎn)，管道直線(xiàn)移動(dòng)。而且，通過(guò)這種工作原理，使相貫線(xiàn)這類(lèi)空間曲線(xiàn)的數(shù)學(xué)模型建立更為簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)出的機(jī)器人最終能對(duì)管道進(jìn)行360°的整周進(jìn)行等離子切割。本獨(dú)特方案已開(kāi)始申請(qǐng)專(zhuān)利。 整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，全部采用三維建模的方法，對(duì)方案的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。直接從空間結(jié)構(gòu)上觀察每個(gè)零件的位置擺放，行程空間。避免了如果只使用二維圖紙可能帶來(lái)的位置沖突。另外，形成的三維模型也可以直觀的看出設(shè)計(jì)成果。 另外，對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行了校核或軟件模擬分析。對(duì)切割系統(tǒng)起支撐定位作用的螺旋支撐結(jié)構(gòu)，其中的螺母和螺桿都進(jìn)行了設(shè)計(jì)校核計(jì)算。對(duì)比另外兩個(gè)對(duì)工作臺(tái)起支撐作用改的梁（架），選擇其中受力情況較多的長(zhǎng)支撐架進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變模擬計(jì)算。所得出的結(jié)果滿(mǎn)足使用要求。從而推斷，橫梁也滿(mǎn)足使用要求。 但是，因?yàn)樵O(shè)計(jì)周期有限，在控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)上未能最終完成。一些在機(jī)器人運(yùn)行時(shí)可能受應(yīng)力作用的螺栓等沒(méi)有全部進(jìn)行校核。控制部分只是提出了原理，沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和模擬實(shí)驗(yàn)。雖然選取了外接的等離子切割設(shè)備，但是最終作為一體化的機(jī)器人，還需要經(jīng)過(guò)很多實(shí)驗(yàn)分析。希望在未來(lái)能夠完善該機(jī)器人的所有組成部分，并最終成為合格機(jī)床類(lèi)產(chǎn)品。 - 45 - 參考文獻(xiàn) [1] 李金伴，馬偉民主編；陸一心，張健生副主編。實(shí)用數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊(cè)?；瘜W(xué)工業(yè)出版社。TG659-62。 [2] 李漢宏. 管道自動(dòng)等離子切割系統(tǒng)[J]. 機(jī)械工人.熱加工,2002,(10). 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