管道相貫線切割機(jī)器人文獻(xiàn)綜述

管道相貫線切割機(jī)器人（綜述報告）管與管連接的形式在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，特別是鋼結(jié)構(gòu)、石化、造船、壓力容器等行業(yè)，更是達(dá)到了批量化，在這些行業(yè)中提高制作效率被放在了很重要的位置[1]一些高校及研究單位已經(jīng)開始對這一課題進(jìn)行研究，有的甚至已經(jīng)設(shè)計出了模型或者實體機(jī)床如，開元電器的“管道相貫線自動切割系統(tǒng)”（圖1）；宣邦科技的“STZQ-I型 管道切割機(jī)”（圖2） 圖1 開元電器設(shè)計的機(jī)床 圖2 宣邦科技的產(chǎn)品或者，如北京航空航天大學(xué)李曉輝、汪蘇提出的騎坐相貫線焊接機(jī)器人[2]他們提出了一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)對于軌跡運(yùn)動學(xué)方程做了研究和驗證然而，通過對比發(fā)現(xiàn)，以上的一些設(shè)備都有一定的不足之處STZQ-I管道切割機(jī)，雖然可以對空間曲線進(jìn)行加工，但是其加工后的效果和傳統(tǒng)意義上的相貫線并不一致騎坐相貫線焊接機(jī)器人模擬仿真的效果不錯，但是其機(jī)械結(jié)構(gòu)（圖3）可以類似到關(guān)節(jié)式機(jī)器人這類機(jī)器人不僅控制很復(fù)雜，造價也是相當(dāng)?shù)陌嘿F不值得推廣圖3 騎坐相貫線焊接機(jī)器人的機(jī)構(gòu)模型結(jié)合加工工藝，機(jī)械結(jié)構(gòu)就成為這類機(jī)器人的最關(guān)鍵部分合理的結(jié)構(gòu)不僅可以提高工作效率，還可以大大簡化運(yùn)動學(xué)的計算和分析。

對此，我們提出了一種2自由度的運(yùn)動方案——沿圓周方向和軸向進(jìn)給如果軌跡運(yùn)動的圓心能夠與圓型管道的軸線同軸，則在加工過程中，2個自由度的進(jìn)給足以保證相貫線輪廓的加工因結(jié)構(gòu)要求，機(jī)器人設(shè)計分為三大部分第一，執(zhí)行機(jī)構(gòu)軌跡要求為，工作頭周向轉(zhuǎn)動，并帶有軸向的移動由控制部分驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)對運(yùn)動軌跡進(jìn)行嚴(yán)格控制周向轉(zhuǎn)動采用齒輪傳動，工作頭安裝在大徑齒輪內(nèi)側(cè)，由一小齒輪配合驅(qū)動軸向的移動，由工作臺完成定位支撐系統(tǒng)安裝臺上，加工過程中，滾珠絲桿驅(qū)動工作臺前后位移，與大齒輪轉(zhuǎn)動同步第二，定位支撐機(jī)構(gòu)管道大多為圓形，一般考慮V型塊定位支撐定位的關(guān)鍵在于管道與工作頭即大齒輪的同心同軸問題在大齒輪工作頭的兩側(cè)，都放置有V型塊定位機(jī)構(gòu)，并且保證工件放置水平這樣，管道的軸線就與運(yùn)動軌跡的軸線平行在定位時，通過調(diào)節(jié)切割系統(tǒng)底部的螺旋支撐系統(tǒng)，改變加工軸線的高度借助機(jī)器人附帶的檢測裝置，調(diào)整至適合的高度然后，開始對管道進(jìn)行切割為滿足動作需要，合理的驅(qū)動方案也成為這個機(jī)器人設(shè)計的關(guān)鍵我們充分利用機(jī)器人的整體空間，把以上的一些驅(qū)動、調(diào)整體統(tǒng)放置在了合適的位置不僅能夠滿足運(yùn)動要求，還能使空間軌跡的運(yùn)算更為簡化第三，控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)根據(jù)功能要求，也分為定位部分和工作部分。

定位時，儀器自動檢測大齒輪與管道軸心的位置方法是測量齒輪內(nèi)徑到管道外壁的距離，并且通過多點(diǎn)測量來確定改變量然后由底部的電機(jī)驅(qū)動螺旋升降機(jī)構(gòu)，調(diào)整高度在軸線嚙合后，不再移動同樣，在開始切割之前，調(diào)整好噴槍到管道的距離工作部分，由程序控制，轉(zhuǎn)動和軸向移動同步進(jìn)行根據(jù)空間曲線的運(yùn)動軌跡，建立數(shù)學(xué)模型及運(yùn)動方程輸入必要的參數(shù)后，就能按要求對管道進(jìn)行加工了因為被加工管材設(shè)計為8-20mm，所以取用等離子切割機(jī)在大齒輪內(nèi)側(cè)設(shè)計有通用接口這樣，機(jī)器人就可以與切割設(shè)備方便連接并且有專用的機(jī)構(gòu)可以調(diào)整割炬與管道的距離考慮到切割工藝，加工過程中，割炬徑向不需要進(jìn)給且精度要求不高，所以采用手動調(diào)節(jié)的方式，在切割開始前準(zhǔn)備好機(jī)器人機(jī)床床身上除通用接口外，還有等離子切割機(jī)的安放位置和線路安排必要的時候，根據(jù)市場上不同型號的等離子切割機(jī)進(jìn)行改動總之，達(dá)到一體化設(shè)計的要求設(shè)計要求，對預(yù)計的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行三維建模，并裝配模擬按照功能的不同，細(xì)分為支撐機(jī)構(gòu)，主軸轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)（大齒輪），移動支撐工作臺，加緊機(jī)構(gòu)，通用接口對每一個結(jié)構(gòu)都進(jìn)行細(xì)微的設(shè)計和考慮符合動作要求的同時，對關(guān)鍵位置進(jìn)行強(qiáng)度分析和校核最后將所有機(jī)構(gòu)的三維模型裝備在一起，對其運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行模擬。

設(shè)計的同時，也考慮非標(biāo)準(zhǔn)件的制造工藝性和經(jīng)濟(jì)性力求功能針對性強(qiáng)，而又操作方便控制部分的設(shè)計也是這個機(jī)器人的關(guān)鍵，畢竟兩軸聯(lián)動而且軌跡是一個空間曲線但是由于時間和能力有限，此次項目中只提出大致的工作原理和設(shè)想切割進(jìn)行前的準(zhǔn)備工作可以單獨(dú)進(jìn)行，如大齒輪和管道的同軸，是一個閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)空間曲線的數(shù)學(xué)建模相對而言，是一個難題但也可以看到，通過我們的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，比起很多的一些多功能機(jī)械臂來說，計算已經(jīng)相當(dāng)簡化了運(yùn)動方程建立后，只需要輸入一些參數(shù)如被切割管道的直徑，相貫線投影圓的直徑，起始位置等條件允許的話，可以對割炬的位置進(jìn)行跟蹤和檢測，引入反饋結(jié)語我們設(shè)計的機(jī)器人不屬于開創(chuàng)先河但同時也因為現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備或者多功能機(jī)械臂造價昂貴，運(yùn)動方程復(fù)雜所以，我們在結(jié)構(gòu)方面下了很大的工夫，使設(shè)計出來的機(jī)器人對于管道的相貫線加工有很強(qiáng)的針對性并且經(jīng)濟(jì)性和使用性也得到了很大的提高在工業(yè)管道化廣泛應(yīng)用的今天，一個專用的相貫線加工機(jī)器人不僅將擁有市場，而且能進(jìn)一步推薦工業(yè)的現(xiàn)代化建設(shè)參考文獻(xiàn)[1]李漢宏. 管道自動等離子切割系統(tǒng)[J]. 機(jī)械工人.熱加工,2002,(10).[2]李曉輝,汪蘇,. 騎座相貫線焊接機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析及仿真[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2008,(8).[3]王耀華,劉萬中,楊久榮,. 不銹鋼管道坡口加工的新方法[J]. 石油工程建設(shè),2006,(6).[4]李偉旗. 管道切割技術(shù)的改進(jìn)[J]. 安裝,2005,(2). [5]孫軍,劉慶英,劉文清,. 淺談小管徑鋼管的相貫線切割[J]. 中國建筑金屬結(jié)構(gòu),2008,(7).[6] Jon Lindsay,David J.Cook. 機(jī)用等離子切割新技術(shù)[J]. 電焊機(jī) , 2005,(01) . [7] 孫梅,孫鈞,孫立星,葉振忠. 影響等離子切割機(jī)使用效果的幾個因素[J]. 電焊機(jī) , 2005,(01) .[8] 吳利明,李偉,趙海鷹,陳林,趙亞軍. 熱軋薄板自動切割取樣系統(tǒng)設(shè)計[J]. 包鋼科技 , 2003,(06) . [9] 孔德杰,張光先,喬立強(qiáng),齊兆亮. 數(shù)控等離子切割技術(shù)在我國的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 電焊機(jī) , 2005,(01) . [10] 蔣中范. 水下等離子切割技術(shù)的應(yīng)用[J]. 中國設(shè)備工程 , 2003,(12) .[11] Alexandre Campos , Christoph Budde, Ju rgen Hesselbach. A type synthesis method for hybrid robot structures. Mechanism and Machine Theory, 2007,(7).[12] Daniel Kanaan, Philippe Wenger, Damien Chablat. Kinematic analysis of a serial–parallel machine tool: The VERNE machine. Mechanism and Machine Theory[13] Alexander Yu, Ilian A. Bonev, Paul Zsombor-Murray. Geometric approach to the accuracy analysis of a class of 3-DOF planar parallel robots. Mechanism and Machine Theory, 2006(11)[14] 董積輝,張東來,秦海亮,王毅,. 一種直線位移傳感器設(shè)計[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2007,(1).[15] 張海龍,黃忠銀,齊化冰,郭亞英,王志強(qiáng),. 大口徑鋼管坡口加工質(zhì)量和進(jìn)度的控制方法[J]. 石油化工建設(shè),2008,(6).。