畢業(yè)設計（論文）-管道相貫線自動切割機器人支撐定位系統(tǒng)設計.docx

全套圖紙加扣 3012250582目 錄第一章 緒論- 1 -1.1 概述- 1 -1.2 現(xiàn)狀- 1 -1.2.1 相貫線加工實例- 1 -1.2.2 各類型數(shù)控相貫線切割機的特點及其應用情況- 2 -1.2.3 現(xiàn)有相貫線設備及其工作原理- 3 -1.3 數(shù)控相貫線切割機發(fā)展趨勢- 6 -1.3.1 數(shù)控相貫線切割機的發(fā)展- 6 -1.3.2 專用數(shù)控相貫線切割機的發(fā)展- 7 -1.4 結語- 7 -第二章 相貫線切割機器人運動方案擬定- 9 -第三章 機器人的切割系統(tǒng)簡述- 13 -第四章 管道相貫線切割機器人的支撐系統(tǒng)- 15 -4.1 概述- 15 -4.2 該系統(tǒng)對于管道的支撐- 15 -4.3 管道夾緊機構- 17 -4.4 機器人支撐系統(tǒng)里的移動結構- 18 -4.4.1 概述- 18 -4.4.2 直線運動副的選擇- 19 -第五章 支撐系統(tǒng)中長支撐架的應力分析- 23 -5.1 前言- 23 -5.2 受力分析- 24 -5.3 ANSYS軟件分析步驟及結果- 25 -5.3.1 導入模型- 25 -5.3.2 參數(shù)確定- 26 -5.3.3 約束和載荷- 27 -5.3.4 分析結果- 29 -第六章 管道相貫線切割機器人的定位系統(tǒng)- 33 -6.1 定位原理- 33 -6.2 螺旋支撐的強度校核- 34 -6.2.1 初始條件- 34 -6.2.2 耐磨性計算- 34 -6.2.3 自鎖驗算- 35 -6.2.4 計算驅動轉矩- 35 -6.2.5 螺桿強度計算- 35 -6.2.6 螺紋牙強度計算- 35 -6.2.7 螺桿穩(wěn)定性計算- 36 -6.2.8 螺桿的剛度計算- 36 -6.2.9 計算橫向振動- 36 -6.2.10 效率計算- 37 -6.3 定位元器件- 37 -第七章 管道相貫線切割機器人控制原理描述- 39 -結 論41參考文獻- 43 -致 謝- 45 - 7 -全套圖紙加扣 3012250582第一章 緒論1.1 概述在機械加工過程中，管材切割常用方式有手工切割、半自動切割機切割及相貫線切割機切割。手工切割先在模板上畫出相貫線的橢圓輪廓，然后將模板包繞在管道表面，然后手持切割設備沿輪廓線對管道進行加工。這一方法靈活方便，但因為輪廓線無法精確計算，手持切割設備移動穩(wěn)定差，導致切割質量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后續(xù)加工工作量大，同時勞動條件惡劣，生產(chǎn)效率低。其它類型半自動切割機雖然降低了工人勞動強度，但其功能簡單，只適合一些較規(guī)則形狀的零件切割。相貫線自動切割機器人，取代這些手動和半自動切割方式，可有效地提高板材切割地效率、切割質量，減輕操作者地勞動強度。目前在我國的一些中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中使用手工切割和半自動切割方式還較為普遍。目前，我國機械工業(yè)鋼管使用量已達到3億噸以上，鋼管的切割量非常大；隨著現(xiàn)代機械工業(yè)的發(fā)展，對管材切割加工的工作效率和產(chǎn)品質量的要求也同時提高。因而亟需設計和退出自動化的工業(yè)機器人，即管道相貫線自動切割機器人，來提高工作效率，節(jié)約勞動成本。而且，這一類機器人必將有龐大的市場。101.2 現(xiàn)狀1.2.1 相貫線加工實例手工對管道相貫線加工的切割質量差、誤差大等缺點，在大型管道上尤為突出。圖1-1顯示的是一個手工加工的大型管道轉角。因為人工作業(yè)的限制性，在材料的分配以及角度的控制上都能很難達到精準。并且在圖示工作環(huán)境下進行作業(yè)，還存在很大的危險性。圖2-2里是由自動化機械完成的相貫線切割。從管道零件的切口可以看出空間曲線是非常齊整的。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 自動化機械完成的相貫線產(chǎn)品1.2.2 各類型數(shù)控相貫線切割機的特點及其應用情況經(jīng)過幾十年的發(fā)展，相貫線切割機在切割能源和數(shù)控控制系統(tǒng)兩方面取得了長足的發(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)控相貫線切割機控制系統(tǒng)已由當初的簡單功能、復雜編程和輸入方式、自動化程度不高發(fā)展到具有功能完善、智能化、圖形化、網(wǎng)絡化的控制方式； 驅動系統(tǒng)也從的步進驅動、模擬伺服驅動到今天的全數(shù)字式伺服驅動。數(shù)控相貫線切割機主要品種分為兩種：數(shù)控火焰相貫線切割機、數(shù)控等離子相貫線切割機。數(shù)控火焰相貫線切割機 ，切割具有大厚度碳鋼切割能力，切割費用較低，但存在切割變形大，切割精度不高，而且切割速度較低，切割預熱時間、穿孔時間長，較難適應全自動化操作的需要。它的應用場合主要限于碳鋼、大厚度板材切割，在中、薄碳鋼板材切割上逐漸會被等離子切割代替。數(shù)控等離子相貫線切割機，等離子切割具有切割領域寬，可切割所有金屬管材，切割速度快，效率高，切割速度可達10m/min以上。采用精細等離子切割已使切割質量接近激光切割水平，目前隨著大功率等離子切割技術的成熟，切割厚度已超過100mm，拓寬了數(shù)控等離子相貫線切割機切割范圍。1.2.3 現(xiàn)有相貫線設備及其工作原理市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)了一些已有的相貫線切割設備。它們中的一些可以作為典型結構來為本次任務的設計提供參考。同時，比較它們之間的優(yōu)缺點，也可以對我們設計有很大的幫助。（一） STZQ-I型管道切割機圖1-3 宣邦科技的管道切割機STZQ-I是由上海宣邦金屬新材料科技有限公司設計生產(chǎn)的。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，上海交通大學也參與了其中的設計。它在市場上的報價為10000元12120元，相對于同類產(chǎn)品，屬于價格較低的一種。圖1-4 STZQ-I型管道切割機的專用夾具從圖1-3中，可以看出，這是一個便攜式的切割機器。相對于其它固定式機床來說，外型尺寸是這個切割機的特點。因此，造價也相對較低。此機器工作時，運動軌道緊貼管道外壁，所以不需要額外的對心操作?？焖傺b夾的方式，也是它的一個亮點。雖然被展示的這類切割器可用于室外作業(yè)，但是對于管道切割這種特殊的加工方式，需要很多大型的附加設備如空氣壓縮機等。而且還需要電源，所以實行真正野外作業(yè)的可能性不大。通過實際演示的效果發(fā)現(xiàn)，用這個型號的切割機進行復雜相貫線軌跡的切割還不能符合使用要求。圖1-4 管道相貫線自動切割系統(tǒng)（二） 管道相貫線自動切割系統(tǒng)圖1-4是由唐山開元電器有限公司設計制造的管道相貫線自動切割系統(tǒng)。它可以被認為是典型的相貫線切割機床。雖然沒有直接獲得該機床的報價，但根據(jù)市場上的大致行情，這類專用機床約為30萬左右。管道工件被裝夾后，5個自由度被限制。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動下繞圓周方向轉動。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。其中兩個方向的平移是用來對管道工件進行定位對刀的，工作時不同步移動。數(shù)控系統(tǒng)控制工作狀態(tài)下，轉動與噴頭的進給量以及噴頭的角度姿態(tài)。而且這類機床加工范圍比較大，即適應不動大小直徑的管道。圖1-5 騎坐相貫線焊接機器人的機構模型很明顯的，價格昂貴和占用空間大成為了這類相貫線切割機的最大劣勢。而且，當被加工的管道有一些橢圓變形等外形變化時，只能靠控制方面來彌補。這就不是簡單兩軸或三軸聯(lián)動進行加工了。再加上相貫線空間曲線的建模，復雜的控制問題也將被計算入成本。（三） 騎座式相貫線加工機器人圖1-5中是由某高校設計的同樣用于管道相貫線切割和焊接的機器人模型。這類機器人十分類似于傳統(tǒng)意義上的關節(jié)機器人，即除管道相貫線加工外，還可以自由的做出很多復雜動作。它們相對的靈活性十分大，可用于各種不同的場合，并且復合的功能很多。3但是同樣的關節(jié)機器人，操作復雜，需要多重的數(shù)學模型才能計算出完成不同動作的參數(shù)。而且對控制驅動的精度要求很高，因此造價昂貴，使用繁瑣，不值得推薦。（四） 管道自動清洗機器人圖1-6 管外自動噴涂清洗機器人由江蘇大學智能機器人研究所設計的管道自動清洗機器人（圖1-6）也是一種典型的適用于管道產(chǎn)業(yè)的工業(yè)機器人。它的工作原理是，機器人環(huán)繞在管道表面，有電機驅動小輪沿軸向行走。機器人底部的特殊機構驅動噴槍等執(zhí)行機構沿管道圓周方向作往復擺動。這種特殊機構的名稱是“不完全鏈”，它可以使電機的單向輸入作為對稱的往復運動輸出。不完全鏈是多排不完整的鏈條，通過特定的組合排列，再在部分位置配以鏈輪和齒輪作為驅動和變向，行成一種全新的傳動方式。這個機器人以及其中的特殊結構已經(jīng)被作為發(fā)明專利列入了知識產(chǎn)權局。1.3 數(shù)控相貫線切割機發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代機械加工業(yè)地發(fā)展，對切割的質量、精度要求的不斷提高，對提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、具有高智能化的自動切割功能的要求也在提升。數(shù)控切割機的發(fā)展必須要適應現(xiàn)代機械加工業(yè)發(fā)展的要求。1.3.1 數(shù)控相貫線切割機的發(fā)展從現(xiàn)在幾種通用數(shù)控切割機應用情況來看，數(shù)控火焰相貫線切割機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，市場不可能有大的增加。等離子相貫線切割機具有切割范圍廣（可切割所有金屬材料），切割速度快，工作效率高等特點，未來的發(fā)展方向在于等離子電源技術的提高、數(shù)控系統(tǒng)與等離子切割配合問題，如電源功率的提升可切割更厚的板材；精細等離子技術的完善和提高可提高切割的速度、切面質量和切割精度；數(shù)控系統(tǒng)的完善和提高以適應等離子切割，可有效提高工作效率和切割質量。1.3.2 專用數(shù)控相貫線切割機的發(fā)展數(shù)控相貫線切割機適用于各種管材上切割圓柱正交、斜交、偏心交等相貫線孔、方孔、橢圓孔，并能在管子端部切割與之相交的相貫線。這種類型的設備廣泛應用于金屬結構件生產(chǎn)，電力設備、鍋爐業(yè)、石油、化工等工業(yè)部門。1.4 結語從各種數(shù)控相貫線切割機應用情況來看，國內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)控相貫線切割機的技術水平、整機性能等整體水平都取得了可喜的進步，逐步趕上國際先進水平，滿足用戶的需要，進一步提高了市場競爭力。國內(nèi)一些數(shù)控等離子相貫線切割產(chǎn)品在許多方面已形成自身獨有的特點，實現(xiàn)了“自動化、多功能和高可靠性”。在某些方面，產(chǎn)品的技術性能甚至超過了國外的產(chǎn)品。從發(fā)展趨勢來看，數(shù)控相貫線切割機市場上數(shù)控火焰相貫線切割機將保持其基本市場，而數(shù)控等離子相貫線切割機將成為板材切割市場中的主流力量。第二章 相貫線切割機器人運動方案擬定第二章 相貫線切割機器人運動方案擬定管道相貫線切割，是利用等離子（或火焰）噴射對管道表面進行切割加工。而此次任務設計的機器人，就是相對于相貫線這種復雜的空間曲線，提供精確的軌跡定位。提出一種新的合理有效的方案，使機器人結構簡單合理，使用方便，數(shù)學模型容易建立。圖2-1 被加工管道模擬圖充分利用管道的圓形結構，可以建立類似于極坐標系的工作空間。如圖2-1，在直徑280的圓管上切割直徑200的相貫線孔。在被加工圓管表面形成空間曲線。在極坐標系中，只需要兩個方向的移動，就可以完成這條軌跡：(1)圖中A1軸向移動；(2)沿圓周方向轉動。將這兩個主要運動的設計分配到機器人中，就可以達到加工的基本效果。本次設計的機器人相對的也分為兩個主要部分：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，可以帶動噴頭沿管道的圓周方向運動，其運動軌跡的中心與管道軸線重合。支撐系統(tǒng)一方面對圓形管道進行支撐和定位，同時還能引導管道沿軸線方向移動，使之產(chǎn)生和切割噴頭的相對位移。切割系統(tǒng)的轉動，由大小齒輪嚙合驅動。電動機連接小齒輪，使配合后的大齒輪輸出緩慢穩(wěn)定的轉動。由于大齒輪的直徑相對較大，可能會出現(xiàn)繞動現(xiàn)象。所以在其兩側安放固定軌道，以保證加工時的同軸度。這種情況下，切割系統(tǒng)自身的軸向移動就難以實現(xiàn)。軸向的相對移動就被設計在支撐結構中。由定位夾緊機構直接帶動管道軸向位移，而且能夠保證較好的同軸度?？紤]到被加工管道都屬于轉接的特殊部分，很少出現(xiàn)長度直徑比較大的情況。即使如此，可在機器人以外增添附加的支撐設備，并在上面安置滾輪，使摩擦力的影響減小。圖2-2 整機的三維模型結合以上所描述的工作原理，本文提出工作頭轉動，工作臺單一自由度移動的簡化結構。降低了空間曲線（面）數(shù)學建模的難度。同時，兩個工作軸的聯(lián)動，也降低了機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型的切割設備拿出來與本方案進行對比。同STZQ-I型切割機一樣，在工作狀態(tài)，被加工管道是不轉動的。在管道較長的情況下，不轉動管道可以避免管道自身繞度帶來的影響。另外在切割系統(tǒng)高度調(diào)整后，自動對心，不會因為管道自身的圓跳度變化而產(chǎn)生影響。而相比于另一種典型專用機床，本方案在空間位置的安排上更為合理，一些擴展設備可以在機器的側面放置。雖然沒有實體模型的建立，但可以預見其成本低于大多數(shù)同類產(chǎn)品。對于控制方面提出的設想也可以明顯看出，比很多先用的控制系統(tǒng)簡單方便。驅動器位置的合理巧妙分配是本機器人運動方案中的亮點。連接執(zhí)行器的機構可以固定圓周旋轉，不會受管道自身長度的繞度影響。管道被固定在V型塊上，隨支撐系統(tǒng)移動。這樣能夠保證切割系統(tǒng)旋轉中心不會跳動，提高加工精度。雖然軸線很長的管道仍然會對機器人的使用效果產(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，就可以把這個負面的影響降到最低。驅動結構如此放置，也減少了機器人占用的空間。但增加了對其的設計難度，因此需采用三維建模以避免可能的零件位置沖突。- 11 -全套圖紙加扣 3012250582第三章 機器人的切割系統(tǒng)簡述切割加工是在管道工件裝夾后開始工作的。為了保護傳感器，在機器開始切割前，要把傳感器從大齒輪的內(nèi)圈上拆卸下來。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參數(shù)，如管道直徑（可由位移傳感器測得）、相貫孔的直徑、起始位置、進給速度等。圖3-1 切割系統(tǒng)三維模擬圖大齒輪由連接電動機的小齒輪驅動，繞固定圓周轉動。數(shù)控系統(tǒng)同時控制等離子切割噴頭開關狀態(tài)。結合安裝在支撐系統(tǒng)中的滾珠絲桿驅動，即工作臺的軸向位移。形成了一個固定半徑的空間極坐標系。所以，從籠統(tǒng)的意義上來說，該套切割系統(tǒng)工作時只需要兩軸的支配。但是結合管道切割加工工藝等問題，在對管道進行切割時還要考慮切割坡口角度的問題。對于這種坡口采用以往的磁力管道切割機和等離子切割機切割坡口法，不能滿足焊接工藝規(guī)程對坡口形式的要求。根據(jù)實際施工的要求，采用坡口整形機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題，也滿足了坡口質量和焊接進度的要求。2圖3-2 坡口形式因此，對于坡口的加工在本機器人上的實現(xiàn)是不必要的。但仍然可以提出一些簡單的方案設想。在大齒輪內(nèi)側連接等離子噴槍的接口上放置旋轉電機，隨時改變噴頭對于管道的角度，即可產(chǎn)生坡口。但相對于實際的工藝，可能必然需要坡口加工的專用機床進行打磨。4- 13 -全套圖紙加扣 3012250582第四章 管道相貫線切割機器人的支撐系統(tǒng)4.1 概述圖4-1 機器人的支撐系統(tǒng)根據(jù)機器人的工作原理，在工作狀態(tài)下，管道應水平放置，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)的兩側放置固定高度的V型塊。裝夾時，將圓形管道從機器的一頭塞入，平穩(wěn)放置后，用專用的夾具對其夾緊。切割狀態(tài)下，支撐系統(tǒng)底部的絲桿傳動帶動這個系統(tǒng)作軸向移動，配合大齒輪的轉動，形成最終的相貫線軌跡。其三維結構如圖4-1。4.2 該系統(tǒng)對于管道的支撐如上所述，被加工管道由兩側的V型塊進行支撐。定位問題將在后面的部分被提出。考慮到管道外壁的圓柱形結構，以及常見管道的長徑比，設計了圖示中的V型塊支撐。兩側的V型塊，除左側的一個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稱的。V型塊之間的距離是固定的。每個V型塊架在兩個橫梁上，而橫梁固定連接在導軌上方的長支撐架上。以上，形成一固定的管道支撐結構。圖4-2 實體型V型塊V型塊的厚度設計成100 mm。而被加工管道的尺寸，V型塊結構的外形尺寸被設計為400400350 mmmmmm。見圖4-2。而通過三維建模。預設V型塊為鑄鐵材料。得出其質量約為130 kg。巨大的質量會對機器人的運轉帶來預想之外的麻煩。所以要對其進行結構優(yōu)化，在非受力集中的部分挖空材料，以減輕重量。因此，V型塊被設計成圖4-3所示形狀。具體結構尺寸見圖紙。圖4-3 結構優(yōu)化后的V型塊這個管道支撐結構底部有四個滑塊，連接著直線滾動軌道。軌道長2050 mm，兩端安裝擋塊。支撐系統(tǒng)可以通過在軌道上的滑動，在不改變相對距離的情況下沿直線方向移動。動力來自于左側V型塊下第一根橫梁連接的滾珠絲杠螺母。絲桿的位置是相對固定的，絲桿一端安裝電動機，帶動絲桿轉動，使螺母直線方向移動。從而帶動支撐系統(tǒng)及被加工管道工件隨之移動。4.3 管道夾緊機構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。一般的實體夾緊機構不適用與這類機器人。而在加工時，切割所產(chǎn)生的應力并不是很大。管道自身產(chǎn)生的重量，以及在V型塊表面產(chǎn)生的摩擦力對于加工過程都是有利的。因此夾緊工件的時候，不需要很大的夾緊力。針對此類圓柱形工件，可以選擇應用圖示的螺旋夾緊機構。在半圓形夾具體的頂部有一個M20的通孔，而夾緊手柄下部分是M20的螺紋。旋轉手柄，螺桿轉動，上下移動。對工件實施夾緊。此結構簡單，實用，十分適合作為管類零件的夾緊機構。原理見圖4-4。管道工件與夾具和V型塊之間形成了三點接觸，完全限制空間移動的自由度。兩側同時夾緊，管道除軸向轉動以外，其余5個自由度被完全約束。而因為空氣切割的特點，管道自身不會發(fā)生自轉。再加上夾緊手柄產(chǎn)生的摩擦力，在加工過程中，管道工件將不會有多余的移動。圖4-4 管道夾緊機構4.4 機器人支撐系統(tǒng)里的移動結構4.4.1 概述上文中已經(jīng)提到了機器人特別的驅動分配方案。其中工作臺沿軸向直線移動的驅動及傳動結構就被設計安放在支撐系統(tǒng)底部。支撐系統(tǒng)作為工作臺，帶動被加工管道在切割過程中沿軸向進給。與轉動副的設計相同，直線移動副也要符合使用精度要求。同時，要承受軸向的整個支撐系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦力。而設計任務要求的被加工管道范圍是從直徑200300 mm，因此其相貫線的輪廓線軸向投影應該也在300 mm以內(nèi)。所以增加一個預留行程后，絲桿的工作長度被設計為350 mm。同樣，如方案設計中提到的一樣，緊湊的空間位置增加了設計的難度。為了不與機器人的螺旋升降結構空間沖突，整個直線傳動的機構被設計在距離中心位置有一點偏移量的位置。在傾覆力矩允許的情況下，偏心的設計也是合理。4.4.2 直線運動副的選擇支撐系統(tǒng)的直線移動由滾動導軌支撐，滾珠絲桿傳動，控制系統(tǒng)控制步進電機驅動。這一系列直線運動機構在市場上已經(jīng)相當成熟，而本次任務設計的機器人在這一方面沒有相對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器人上，不需要額外的設計計算。目前，有很多著名的廠商提供整套到直線運動配置，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（導軌、絲桿、絲桿螺母以及支撐塊等），還為客戶提供技術指導以便根據(jù)設計要求進行選取。以絲桿螺母為例，在其產(chǎn)品信息內(nèi)找到“直線滾珠導套”。除根據(jù)需求選擇適合類型螺母以外，還能發(fā)現(xiàn)“支撐單元”等產(chǎn)品。系列化的產(chǎn)品庫為機器的設計省去很多工作量。跟據(jù)螺母在本機器上的安裝位置，可選擇“圓形切角法蘭 LMH型”，固定在橫梁底部的同時，減小橫梁至機器底座的距離。因為直線驅動所受載荷基本來自于支撐系統(tǒng)重力所產(chǎn)生的摩擦力，而兩側都是用滾動導軌，摩擦系數(shù)非常小。所以表4-1中，動載荷C510 N的產(chǎn)品都可以被考慮。參考機器人的整體外觀，最終選擇了LMH-25型圓形切角法蘭作為機器的直線傳動部件。滾動直線導軌、滾珠絲桿、支撐塊等，都可以用以上類似的方法從該公司網(wǎng)站的產(chǎn)品庫中選取。表4-1 YHK提供的LMH型圓形切角法蘭產(chǎn)品公稱型號主要尺寸基本額定負荷內(nèi)徑直徑外徑長度法蘭直徑動額定C靜額定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圖4-5 絲桿螺母的選擇圖4-7 BK 25支承座內(nèi)部結構圖4-6 LMH25的外型尺寸及配合示意以同樣的方法，可以選擇導軌、絲桿，特別是絲桿的支承座。絲桿的支撐座是一個組合型產(chǎn)品。它不僅起固定支撐絲桿高度的作用，內(nèi)部還要轉配特殊的軸承，不影響絲桿轉動的同時還要承受軸向的載荷。合理的對其選擇，不僅縮短設計周期，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)部組合見圖4-7。- 21 -第五章 支撐系統(tǒng)中長支撐架的應力分析第五章 支撐系統(tǒng)中長支撐架的應力分析5.1 前言圖5-1 橫梁三維模型從安全性的角度出發(fā)，機器人的設計部件，在不影響其使用性能的情況下，盡量采用安全可靠的設計方案。如橫梁對于V型塊的支撐，以及長支撐架對于以上部分的支撐。橫梁的橫截面積盡量放大，以滿足支撐力的要求，以及減小V型塊等相對重量較大的物體在重力作用下產(chǎn)生的應力形變。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)生應力集中或過大的現(xiàn)象。定向及支撐用的軌道在選擇的時候，已經(jīng)將這一因素考慮進去。因此，不需要對滾動直線導軌做更多的受力分析。且軌道的地面貼緊機床底座，軌道是能夠滿足設計使用要求的。圖5-2 長支撐架三維模型對比橫梁和長支撐架后，因為兩者不用的使用位置和外型尺寸，長支撐架受力更多一點。因此在這里對長支撐架進行受力和ANSYS分析。5.2 受力分析圖5-3 V型塊底座受力圖假設V型塊為鑄鐵材，密度為7.8510-6 kg/mm3。通過Pro/E三維建模，計算得體積為1.07107 mm3。最終得出其模擬后的質量為84.1 kg，以及V型塊重心的坐標值。綜合橫梁重量等，每側長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。通過公式： 12G=F1+F2F1400-50=12G400-50-142 (5-1)由式（5-1）得出： F1=347 NF2=153 N再對長支撐架進行受力分析，見圖5-4：圖5-4 長支撐架受力分析 F3=F4=500 N然后將長支撐架的Pro/E三維模型及以上分析數(shù)據(jù)，輸入ANSYS程序分析。得出以下結論。5.3 ANSYS軟件分析步驟及結果5.3.1 導入模型ANSYS的三維模型建立與Pro/E類似，而且用這兩種軟件建立的三維模型可以互相轉換。所以，直接將上圖5-2中的長支撐架三維模型導入ANSYS，見圖5-5：圖5-5 長支撐架三維模型導入ANSYS軟件5.3.2 參數(shù)確定單元類型：solid 45號單元 （8節(jié)點）材料屬性: 鑄鐵彈性模量：E=2.06105 MPa，泊松比=0.3單元格劃分見圖5-6：圖5-6 長支撐架單元劃分圖5.3.3 約束和載荷圖5-7 長支撐架載荷分布根據(jù)機器人的裝配方案，長支撐架的載荷被加載在凹下的四個平面內(nèi)。其受力分析已在上文中給出，而每個承載面得面積為A=10000 mm2。它的載荷見圖5-7：圖5-9 長支撐架的應力變形圖5-8 長支撐架所加約束而它的約束則來自于地面連接的兩個滑塊。所以，約束見圖5-8：5.3.4 分析結果變形量，見圖5-9：從圖中數(shù)據(jù)可以看出，最大變形量僅為0.001939 mm，完全符合使用要求。應力分布：X, Y, Z軸方向及等效應力分布見圖5-10，數(shù)據(jù)見表5-1：圖5-10(a) X軸方向應力應變圖5-10(b) Y軸方向應力應變圖5-10(c) Z軸方向應力應變圖5-10(d) 等效應力應變表5-1 應力分析表 方向（MPa）X軸Y軸Z軸等效SMN（最小應力）-2.447-2.381-1.1630.538E-03SMX（最大應力）0.8760480.1379290.1628472.867由以上分析得，長支撐架滿足使用要求。- 31 -全套圖紙加扣 3012250582第六章 管道相貫線切割機器人的定位系統(tǒng)6.1 定位原理長直管道水平放置以后，上下的移動會對工作狀態(tài)下的同軸度產(chǎn)生一定的影響。在如上方法對管道支撐夾緊后，可采用一些支撐系統(tǒng)外部的方法，對切割噴頭與管道進行定位。應用于本次設計任務的方法是，工件相對靜止，切割系統(tǒng)調(diào)整高度，即刀具對工件進行對刀。使切割系統(tǒng)大齒輪的轉動中心在圓柱形管道的軸線上。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)。電動機帶動齒輪旋轉。而支撐螺母被設計成外圈漸開線齒廓、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。螺母通過齒輪傳動，由電動機帶動旋轉，與之配合的螺桿可上下移動。而當切割系統(tǒng)達到要求的位置后，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。三維結構模擬如圖6-1。當管道工件裝夾后，就開始對其進行定位。管道的軸線和切割系統(tǒng)的軸線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)測量兩者的距離，就能計算并確定升降裝置最終停留的高度。而測量切割系統(tǒng)和管道之間距離的方法是，在切割系統(tǒng)的內(nèi)壁對稱的安裝兩個非接觸式位移傳感器。具體位置，參考切割系統(tǒng)結構。定位過程中，切割系統(tǒng)的大齒輪有一定的緩慢旋轉，或者懸停在對稱傳感器處于豎直狀態(tài)的位置。同時，傳感器從一組相對的方向，對管道外壁進行位移測量。然后得出需要調(diào)整高度的位移量。電機再驅動支撐梯形螺桿調(diào)整高度。最后停留在管道與切割系統(tǒng)同軸線的位置上。電動機經(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=SP=25.2 mm/min比較符合操作時的實際情況。6.2 螺旋支撐的強度校核6.2.1 初始條件軸向載荷F=1500N螺母形式為：整體式滑動速度范圍為：低速、潤滑良好螺桿材料為：45號鋼螺母材料為：ZCuSn10Zn26.2.2 耐磨性計算梯形螺紋，取=0.8，=2。許用強度p=20 MPa 1825d2=Fp=4.899 mm （6-1）由式6-1得，計算值為4.899 mm。選?。郝菁y中徑d2=58.5 mm（選取值）， 公稱直徑 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， 導程 L=3 mm。螺母高度 H=d2=117 mm旋合圈數(shù) z=HP=39 因為 z1012 取 z=12 。螺紋工作高度 h=0.5P=1.5 mm強度 p=Fd2hz=0.45 MPap 校核通過6.2.3 自鎖驗算螺旋副摩擦系數(shù) s=0.09 0.080.10牙型角 =30=arctanscos2=5.32 （6-2）螺紋升角 =arctanLd2=0.935 自鎖驗算通過6.2.4 計算驅動轉矩驅動轉矩 T=T1=Fd22tan+=21850 Nmm （6-3）6.2.5 螺桿強度計算許用應力 :71118.33 MPa=4Fd122+3T0.2d132=1.179 MPa （6-4）6.2.6 螺紋牙強度計算:3040 MPa b:4060 MPab=0.65P=1.95 mm （6-5）螺桿 =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）校核通過6.2.7 螺桿穩(wěn)定性計算螺桿最大工作長度 l=80 mm螺桿放置形式為：一端固定，一端自由。因此，長度系數(shù)=2li=11.228 i=IaA=d14=14.25 , Ia=d1464=8092 （6-10）材料的彈性模量E=207000 MPa li=11.228 85 取淬火鋼臨界載荷Fc=4801+0.0002li2d124=1194720 N （6-11）FcF2.54 校核通過6.2.8 螺桿的剛度計算螺桿材料的切邊模量G=83000 MPa軸向載荷與運動方向相反L=LT+LF=L2TLGIF+FLEA=16TL22Gd14+4FLEd12=110-5 mm （6-12）6.2.9 計算橫向振動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)1=1.875臨界轉速nc=12.310612d1lc2=129041.4 r/min （6-13）6.2.10 效率計算軸承效率取0.96 0.950.99=0.96tantan+=2.613% （6-14）6.3 定位元器件上面已經(jīng)提到使用非接觸式位移傳感器來作為定位的監(jiān)測裝置。在此簡述一下其結構及工作原理。位移傳感器又稱為線性傳感器，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的線性器件，接通電源后，在開關的感應面將產(chǎn)生一個交變磁場，當金屬物體接近此感應面時，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性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來完成無接觸檢測物體的目的。圖6-3 位移傳感器輸出特性曲線該位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。位移傳感器主要應用在自動化裝備生產(chǎn)線對模擬量的智能控制。圖6-4 百斯特電器科技有限公司提供的產(chǎn)品圖片另外，由于切割這類特殊的工作環(huán)境，特別是切割加工時產(chǎn)生的高溫，很容易使周圍的電子類產(chǎn)品如位移傳感器受到損壞。所以，在完成定位后，應把傳感器從大齒輪內(nèi)壁拆卸下來，以實施保護。- 37 -第七章 管道相貫線切割機器人控制原理描述第七章 管道相貫線切割機器人控制原理描述控制系統(tǒng)也是這個機器人的重要組成部分。特別是將其列入自動化機器人的范疇，智能和多元化的控制系統(tǒng)就要被運用在這個機器人中。根據(jù)使用要求，設計的控制系統(tǒng)應該包括以下方面內(nèi)容：（1）切割器械的控制。被選作該機器執(zhí)行系統(tǒng)的等離子切割機等，將它們的控制部分復制到機器人的控制面板上，并融入整個控制系統(tǒng)中。由此，可以直接通過機器人的操作部分對其進行控制，而不會因為需要操作多個器械造成不必要的錯誤。（2）定位系統(tǒng)的控制。定位系統(tǒng)需要被監(jiān)測和控制的是位移傳感器和底部驅動螺旋支撐的電機。位移傳感器將所測信號作為反饋數(shù)據(jù)，對電機進行自動化操作。在切割系統(tǒng)和被加工管道實現(xiàn)同心的條件后，自動停止。然后手動調(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)的控制被基本設定為兩軸聯(lián)動。（需要增加如坡口加工功能，可增設控制模塊）輸入?yún)?shù)，由程序部分計算出該空間曲線在極坐標軸上軌跡。大齒輪和底部直線位移的控制電機在程序控制下，使噴頭相對管道，沿軌跡方向移動。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 論結 論本次設計的主要任務是管道相貫線自動切割機器人的支撐定位系統(tǒng)的設計，特別是提出了一套新的方案。該方案區(qū)別于市場上的其他同類產(chǎn)品，在工作原理上提出新的方案，即工作頭旋轉，管道直線移動。而且，通過這種工作原理，使相貫線這類空間曲線的數(shù)學模型建立更為簡單。設計出的機器人最終能對管道進行360的整周進行等離子切割。本獨特方案已開始申請專利。整個設計過程，全部采用三維建模的方法，對方案的結構進行模擬分析。直接從空間結構上觀察每個零件的位置擺放，行程空間。避免了如果只使用二維圖紙可能帶來的位置沖突。另外，形成的三維模型也可以直觀的看出設計成果。另外，對關鍵零件進行了校核或軟件模擬分析。對切割系統(tǒng)起支撐定位作用的螺旋支撐結構，其中的螺母和螺桿都進行了設計校核計算。對比另外兩個對工作臺起支撐作用改的梁（架），選擇其中受力情況較多的長支撐架進行應力應變模擬計算。所得出的結果滿足使用要求。從而推斷，橫梁也滿足使用要求。但是，因為設計周期有限，在控制和執(zhí)行機構上未能最終完成。一些在機器人運行時可能受應力作用的螺栓等沒有全部進行校核。控制部分只是提出了原理，沒有進行詳細的設計和模擬實驗。雖然選取了外接的等離子切割設備，但是最終作為一體化的機器人，還需要經(jīng)過很多實驗分析。希望在未來能夠完善該機器人的所有組成部分，并最終成為合格機床類產(chǎn)品。- 45 -參考文獻參考文獻1 李金伴，馬偉民主編；陸一心，張健生副主編。實用數(shù)控機床技術手冊?；瘜W