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管道相貫線切割機器人（綜述報告） 管與管連接的形式在很多領域被廣泛應用，特別是鋼結(jié)構、石化、造船、壓力容器等行業(yè)，更是達到了批量化，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)開始對這一課題進行研究，有的甚至已經(jīng)設計出了模型或者實體機床。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”（圖2）。 圖1 開元電器設計的機床 圖2 宣邦科技的產(chǎn)品 或者，如北京航空航天大學李曉輝、汪蘇提出的騎坐相貫線焊接機器人。[2]他們提出了一種機械結(jié)構，并重點對于軌跡運動學方程做了研究和驗證。 然而，通過對比發(fā)現(xiàn)，以上的一些設備都有一定的不足之處。STZQ-I管道切割機，雖然可以對空間曲線進行加工，但是其加工后的效果和傳統(tǒng)意義上的相貫線并不一致。騎坐相貫線焊接機器人模擬仿真的效果不錯，但是其機械結(jié)構（圖3）可以類似到關節(jié)式機器人。這類機器人不僅控制很復雜，造價也是相當?shù)陌嘿F。不值得推廣。 圖3 騎坐相貫線焊接機器人的機構模型 結(jié)合加工工藝，機械結(jié)構就成為這類機器人的最關鍵部分。合理的結(jié)構不僅可以提高工作效率，還可以大大簡化運動學的計算和分析。對此，我們提出了一種2自由度的運動方案——沿圓周方向和軸向進給。如果軌跡運動的圓心能夠與圓型管道的軸線同軸，則在加工過程中，2個自由度的進給足以保證相貫線輪廓的加工。 因結(jié)構要求，機器人設計分為三大部分。 第一，執(zhí)行機構。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)動步進電機對運動軌跡進行嚴格控制。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，定位支撐機構。管道大多為圓形，一般考慮V型塊定位支撐。定位的關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型塊定位機構，并且保證工件放置水平。這樣，管道的軸線就與運動軌跡的軸線平行。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，開始對管道進行切割。 為滿足動作需要，合理的驅(qū)動方案也成為這個機器人設計的關鍵。我們充分利用機器人的整體空間，把以上的一些驅(qū)動、調(diào)整體統(tǒng)放置在了合適的位置。不僅能夠滿足運動要求，還能使空間軌跡的運算更為簡化。 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，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，并且通過多點測量來確定改變量。然后由底部的電機驅(qū)動螺旋升降機構，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行。根據(jù)空間曲線的運動軌跡，建立數(shù)學模型及運動方程。輸入必要的參數(shù)后，就能按要求對管道進行加工了。 因為被加工管材設計為8-20mm，所以取用等離子切割機。在大齒輪內(nèi)側(cè)設計有通用接口。這樣，機器人就可以與切割設備方便連接。并且有專用的機構可以調(diào)整割炬與管道的距離?？紤]到切割工藝，加工過程中，割炬徑向不需要進給且精度要求不高，所以采用手動調(diào)節(jié)的方式，在切割開始前準備好。機器人機床床身上除通用接口外，還有等離子切割機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進行改動。總之，達到一體化設計的要求。 設計要求，對預計的結(jié)構方案進行三維建模，并裝配模擬。按照功能的不同，細分為支撐機構，主軸轉(zhuǎn)動機構（大齒輪），移動支撐工作臺，加緊機構，通用接口。對每一個結(jié)構都進行細微的設計和考慮。符合動作要求的同時，對關鍵位置進行強度分析和校核。最后將所有機構的三維模型裝備在一起，對其運動狀態(tài)進行模擬。設計的同時，也考慮非標準件的制造工藝性和經(jīng)濟性。力求功能針對性強，而又操作方便。 控制部分的設計也是這個機器人的關鍵，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想。切割進行前的準備工作可以單獨進行，如大齒輪和管道的同軸，是一個閉環(huán)的控制結(jié)構?？臻g曲線的數(shù)學建模相對而言，是一個難題。但也可以看到，通過我們的結(jié)構優(yōu)化，比起很多的一些多功能機械臂來說，計算已經(jīng)相當簡化了。運動方程建立后，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行跟蹤和檢測，引入反饋。 結(jié)語 我們設計的機器人不屬于開創(chuàng)先河。但同時也因為現(xiàn)有的機械設備或者多功能機械臂造價昂貴，運動方程復雜。所以，我們在結(jié)構方面下了很大的工夫，使設計出來的機器人對于管道的相貫線加工有很強的針對性。并且經(jīng)濟性和使用性也得到了很大的提高。在工業(yè)管道化廣泛應用的今天，一個專用的相貫線加工機器人不僅將擁有市場，而且能進一步推薦工業(yè)的現(xiàn)代化建設。 參考文獻 [1]李漢宏. 管道自動等離子切割系統(tǒng)[J]. 機械工人.熱加工,2002,(10). [2]李曉輝,汪蘇,. 騎座相貫線焊接機器人運動學分析及仿真[J]. 北京航空航天大學學報,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,2006,(6). [4]李偉旗. 管道切割技術的改進[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,2008,(7). [6] Jon Lindsay,David J.Cook. 機用等離子切割新技術[J]. 電焊機 , 2005,(01) . [7] 孫梅,孫鈞,孫立星,葉振忠. 影響等離子切割機使用效果的幾個因素[J]. 電焊機 , 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)設計[J]. 包鋼科技 , 2003,(06) . [9] 孔德杰,張光先,喬立強,齊兆亮. 數(shù)控等離子切割技術在我國的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 電焊機 , 2005,(01) . [10] 蔣中范. 水下等離子切割技術的應用[J]. 中國設備工程 , 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計[J]. 儀表技術與傳感器,2007,(1). [15] 張海龍,黃忠銀,齊化冰,郭亞英,王志強,. 大口徑鋼管坡口加工質(zhì)量和進度的控制方法[J]. 石油化工建設,2008,(6).