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管道相貫線切割機(jī)器人（綜述報(bào)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(duì)這一課題進(jìn)行研究，有的甚至已經(jīng)設(shè)計(jì)出了模型或者實(shí)體機(jī)床。如，開元電器的“管道相貫線自動(dòng)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(jì)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(duì)于軌跡運(yùn)動(dòng)學(xué)方程做了研究和驗(yàn)證。 然而，通過(guò)對(duì)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(duì)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(cuò)，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(jià)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(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算和分析。對(duì)此，我們提出了一種2自由度的運(yùn)動(dòng)方案——沿圓周方向和軸向進(jìn)給。如果軌跡運(yùn)動(dòng)的圓心能夠與圓型管道的軸線同軸，則在加工過(guò)程中，2個(gè)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(jì)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(dòng)，并帶有軸向的移動(dòng)。由控制部分驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行嚴(yán)格控制。周向轉(zhuǎn)動(dòng)采用齒輪傳動(dòng)，工作頭安裝在大徑齒輪內(nèi)側(cè)，由一小齒輪配合驅(qū)動(dòng)。軸向的移動(dòng)，由工作臺(tái)完成。定位支撐系統(tǒng)安裝臺(tái)上，加工過(guò)程中，滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)前后位移，與大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(wèn)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(dòng)軌跡的軸線平行。在定位時(shí)，通過(guò)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(cè)裝置，調(diào)整至適合的高度。然后，開始對(duì)管道進(jìn)行切割。 為滿足動(dòng)作需要，合理的驅(qū)動(dòng)方案也成為這個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)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(dòng)、調(diào)整體統(tǒng)放置在了合適的位置。不僅能夠滿足運(yùn)動(dòng)要求，還能使空間軌跡的運(yùn)算更為簡(jiǎn)化。 第三，控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)功能要求，也分為定位部分和工作部分。定位時(shí)，儀器自動(dòng)檢測(cè)大齒輪與管道軸心的位置。方法是測(cè)量齒輪內(nèi)徑到管道外壁的距離，并且通過(guò)多點(diǎn)測(cè)量來(lái)確定改變量。然后由底部的電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋升降機(jī)構(gòu)，調(diào)整高度。在軸線嚙合后，不再移動(dòng)。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(dòng)和軸向移動(dòng)同步進(jìn)行。根據(jù)空間曲線的運(yùn)動(dòng)軌跡，建立數(shù)學(xué)模型及運(yùn)動(dòng)方程。輸入必要的參數(shù)后，就能按要求對(duì)管道進(jìn)行加工了。 因?yàn)楸患庸す懿脑O(shè)計(jì)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(jì)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?？紤]到切割工藝，加工過(guò)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(dòng)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(shí)候，根據(jù)市場(chǎng)上不同型號(hào)的等離子切割機(jī)進(jìn)行改動(dòng)?？傊?，達(dá)到一體化設(shè)計(jì)的要求。 設(shè)計(jì)要求，對(duì)預(yù)計(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu)（大齒輪），移動(dòng)支撐工作臺(tái)，加緊機(jī)構(gòu)，通用接口。對(duì)每一個(gè)結(jié)構(gòu)都進(jìn)行細(xì)微的設(shè)計(jì)和考慮。符合動(dòng)作要求的同時(shí)，對(duì)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(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬。設(shè)計(jì)的同時(shí)，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(duì)性強(qiáng)，而又操作方便。 控制部分的設(shè)計(jì)也是這個(gè)機(jī)器人的關(guān)鍵，畢竟兩軸聯(lián)動(dòng)而且軌跡是一個(gè)空間曲線。但是由于時(shí)間和能力有限，此次項(xiàng)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(gè)閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)?？臻g曲線的數(shù)學(xué)建模相對(duì)而言，是一個(gè)難題。但也可以看到，通過(guò)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(lái)說(shuō)，計(jì)算已經(jīng)相當(dāng)簡(jiǎn)化了。運(yùn)動(dòng)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(duì)割炬的位置進(jìn)行跟蹤和檢測(cè)，引入反饋。 結(jié)語(yǔ) 我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人不屬于開創(chuàng)先河。但同時(shí)也因?yàn)楝F(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備或者多功能機(jī)械臂造價(jià)昂貴，運(yùn)動(dòng)方程復(fù)雜。所以，我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)方面下了很大的工夫，使設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)器人對(duì)于管道的相貫線加工有很強(qiáng)的針對(duì)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(gè)專用的相貫線加工機(jī)器人不僅將擁有市場(chǎng)，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(dòng)等離子切割系統(tǒng)[J]. 機(jī)械工人.熱加工,2002,(10). 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