1、关于管道相贯线自动切割机器人切割系统的研究摘要： 相贯线切割机器人是用于管道相贯线切割的自动化工业机器人。长期以来，由于相贯线数控切割设备成本太高，国内大部分企业仍旧停留在手工切割相贯线的阶段，效率低下，加工精度低，切割质量差。因此研究低成本的相贯线切割机器人具有十分重要的研究意义及工程应用前景。本文首先针对相贯线切割机器人的主体机构原理进行分析。而后应用大型工程软件PROE对相贯线切割机器人进行了三维建模和虚拟装配。接着简单介绍了一下等离子切割系统，并选择了一个市场上已有的等离子切割系统作为相贯线切割机器人的执行末端。使用通用有限元分析软件ANSYS对相贯线切割机器人切割系统的部分零件理论设
2、计进行了计算与校核。最后简单介绍了一下相贯线切割机器人控制系统的控制原理。总之，相贯线切割机器人必将会在未来工程中得到越来越多的应用。关键词：机器人；相贯线；等离子切割；有限元分析Cutting System of pipeline Intersection Line Auto-cutting RobotAbstract： Robot of Intersection line Cutting is an industrial robot for cutting intersection line on the surface of pipe-line. Ever since a long ti
3、me ago, most of companies are still cutting intersection line by hand because of Equipment costs are too high. So they have low efficiency, low machining accuracy and bad cutting quality. Therefore to find the Robot of Intersection line Cut with low costs have the extremely important research signif
4、icance and the project application prospect.Firstly, this paper studies the robots principle of its main body. And then, 3D models are built by PROE, a large-scale engineering software, and be virtual assembled. Next, Plasma Cutting System was simply introduced. Then, a Plasma Cutting System on sale
5、 was chose to be the implementation of the end of the robot. Also, theoretical results are validated using ANSYS software, a kind of Finite Element Analysis software. Last, the control system of the robot was simply introduced.In a word, Robot of Intersection line Cutting can be hopefully used in ma
6、ny fields.KEY WORDS: Robot; Intersection line; Plasma Cutting; Finite Element nalysis目 录第一章绪 论11.1相贯线切割的现状11.2自动化相贯线切割设备的介绍21.3工业机器人的介绍31.4工业机器人的分类31.5工业机器人的控制61.6工业机器人的使用现状71.7本文研究的内容8第二章相贯线切割机器人切割系统机构分析及三维建模92.1引言92.2相贯线切割机器人切割系统的机构分析92.3三维建模11第三章等离子切割系统的介绍193.1引言193.2等离子切割系统的介绍193.3产品详细介绍22第四章相贯线
7、切割机器人切割系统关键零件的有限元分析254.1有限元方法及ANSYS简介254.2各零件的有限元分析26第五章相贯线切割机器人的控制原理395.1引言395.2等离子切割系统的控制395.3切割系统机械部分的控制395.4定位系统的控制395.5控制系统原理图40第六章总结与展望416.1总结416.2展望41参考文献.43致 谢.45VI第一章 绪论第一章 绪 论1.1 相贯线切割的现状图1-1 多种类型的相贯线接头电力、水利、供水、石油、化工、冶金、建筑、钢结构、造船、压力容器等行业，经常要使用大量的管道，在大量使用管道过程中必然会出现管与管的相交。管与管相交所形成的曲线即为我们所说的相
8、贯线，相贯线的形状随着两管直径的不同、相交角度的不同、相交部位的不同会有很大变化，因此相贯线接头（图1-1）属于多品种、多规格、单件小批量生产，因此对切割机的切割功能、控制功能、工艺、调整和操作等都有非常严格的要求，以适应工厂、工地的恶劣环境。长期以来管道项管线的切割大都采用手工放样的方式，根据钢管之间的交角，以及钢管直径大小，计算相贯线线型的平面图(即根据相交形式，把钢管按平面展开)，根据相贯线的平面图形数据，用薄钢板制作模板，把模板紧贴钢管外壁在钢管上划线，然后按照划线路径使用手工气割。使用手工放样法浪费了大量的人力和时间，而制作的精度并不是很高，管与管的结合面不吻合，给下道的焊接工序带来
9、了很多不便。因此研究通过数控技术实现多轴联动以完成管道间相贯线的自动切割的管道相贯线切割机器人具有十分重要的研究意义及工程应用前景。1.2 自动化相贯线切割设备的介绍自动化相贯线切割设备利用图形的几何原理，根据输入的两管直径和两管轴线的夹角以及两管轴线的距离可以自动计算出相贯线的线形和方程。有了相贯线的方程以后就可以通过数控控制设备来控制相应电机沿相贯线的轨迹行走。再通过对切割装置的控制就可以达到相贯线切割的目的。 图1-2 ZLQ-13组合型数控相贯线切割机自动化相贯线切割设备具有很多传统方法所没有的优点。自动化相贯线切割设备效率比传统方法高。由于采用计算机数控技术，免去了手工放样制模的步骤
10、，因而效率较高。精度比传统方法高。因为采用计算机控制，可以把误差控制在较小范围内，相比手工控制，精度自然提高了。对操作者要求降低了。在手工放样中，要求操作者计算并绘制相贯线的线型平面图。这些工作要求操作者必须具备一定的数学和画法几何的基础。而自动化相贯线切割设备并不要求操作者具备这些基础，只要操作者能了解并输入两相交管的直径、夹角、轴线距离就能由计算机根据程序自动计算出相贯线方程，因此，对操作者的要求降低了。自动化相贯线切割设备能完成某些传统方法不能完成的任务。在钢结构顶棚中，有大量不同相贯线需要切割。自动化相贯线切割设备能完成大量不同相贯线的切割，而传统方法由于人力和时间的限制就无法胜任。自
11、动化数控相贯线切割设备在市场上已经出现了一部分产品，主要分为两种：一种是专用数控相贯线切割机；一种是数控相贯线切割部件（图1-2），可将其配置到相应的切割机上，来完成相贯线的切割。但总体来说，自动化数控相贯线切割设备的价格还太高，不适合推广使用。而成本较低的管道切割设备往往只能做到简单的管道切割和斜切，并不能切割处相贯线。所以研制出成本较低的管道相贯线切割机器人是很有工程应用前景的。1.3 工业机器人的介绍图1-4 白车身产线上数台工业机器人正在协同作业工业机器人也是一种自动化数控设备，并且由于机器人具有可编程性，可以在任意位置、任意方向和任意环境下独立地、协同地进行工作，组成一种柔性的、灵活
12、的、万能的、具有多目的的自动化系统。（图1-4白车身产线上数台工业机器人正在协同作业）1.4 工业机器人的分类工业机器人的分类方式有很多种，可以按功能分类，也可以按照结构类型来分，如串联机器人和并联机器人。下面就以按功能分类来对机器人进行一下介绍。1.4.1 焊接机器人焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人（图1-5）。根据国际标准化组织工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器
13、人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。图1-5 焊接机器人1.4.2 搬运机器人搬运机器人是可以进行自动化搬运作业的工业机器人（图1-6）。最早的搬运机器人出现在1960年的美国，Versatran和Unimate两种机器人首次用于搬运作业。搬运作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。搬运机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的搬运机器人愈10万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。部分发达国家已制定出人工搬运的
14、最大限度，超过限度的必须由搬运机器人来完成。图1-6 搬运机器人1.4.3 装配机器人图1-7 装配机器人装配机器人为完成装配作业而设计的工业机器人。装配机器人是柔性自动化装配系统的核心设备，由机器人操作机、控制器、末端执行器和传感系统组成。其中操作机的结构类型有水平关节型、直角坐标型、多关节型和圆柱坐标型等；控制器一般采用多CPU或多级计算机系统，实现运动控制和运动编程；末端执行器为适应不同的装配对象而设计成各种手爪和手腕等；传感系统又来获取装配机器人与环境和装配对象之间相互作用的信息。常用的装配机器人主要有可编程通用装配操作手(Programmable Universal Manipula
15、tor for Assembly)即PUMA机器人（最早出现于1978年，工业机器人的祖始）和平面双关节型机器人(Selective Compliance Assembly Robot Arm)即SCARA机器人两种类型。与一般工业机器人相比，装配机器人具有精度高、柔顺性好、工作范围小、能与其他系统配套使用等特点，主要用于各种电器的制造行业。1.5 工业机器人的控制1.5.1 对机器人控制的一般要求机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： 记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。 示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。 与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。 坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补
