（机械电子工程专业论文）弯管相贯线切割运动仿真及控制系统设计.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着钢结构在建筑行业的大量应用和人们对建筑审美观念的提高，国内外新 建体育场馆、火车站、机场等建筑时，都采用了大量弯管相贯的流线性结构。由 于直接切割弯管相贯线还存在许多技术问题，目前钢构企业普遍采用变通方法进 行弯管相贯线切割，这样不但增加工时而且严重浪费钢材等资源。因此研究直接 在弯管上切割相贯轨迹的切割规律，并研制相应的切割设备，对降低能耗、提高 生产效率具有非常重要的现实意义。 本文首先从直管与弯管相贯的数学模型入手，通过对直管与弯管相贯规律的 研究，运用解析几何方法推导了圆柱体直管与圆环面弯管在正交和斜交情况下的 相贯线轨迹参数方程，通过m a t l a b 和三维造型软件对相贯线轨迹参数方程进 行仿真验证。由于在实际加工时，除了要切割出弯管相贯线外，还要切割焊接坡 口，因此通过建立定点坡口数学模型，经求解获得了弯管相贯线坡口向量矩阵 然后根据弯管相贯线轨迹参数方程和相贯线坡口向量，对割炬路径运动进行分 解，建立了割炬路径运动学模型，进而提出了一次成型切割弯管相贯线轨迹和焊 接坡口的理论解法和加工方法。 其次，为了满足割炬能准确切割出弯管相贯线的要求，提出一种新型s 曲线 加减速速度控制策略，并以该控制策略为基础确立了弯管相贯线切割五轴联动插 补算法，建立了弯管相贯线切割五轴联动控制模型，给出了弯管切割数控系统的 总体设计方案，并详细阐述了主要硬件的控制功能和软件的设计方法。 最后，以m a t l a b 为仿真平台，对弯管切割五轴机床加工过程的速度规划、 加减速控制和联动插补算法进行仿真计算，并仿真了弯管切割数控机床五轴联动 插补控制过程。仿真结果表明，所设计的插补算法能够完成五轴联动的线性连续 插补，曲线间能够平滑过渡，能够达到预期的轨迹，证明了算法是可行和合理的。 本文所建立的圆柱直管和圆环面弯管数学模型，为进一步研究任意弯管间的 相贯规律提供了一定的理论借鉴，根据该模型采用的五轴联动运动控制策略，能 在弯管上一次成型切割其相贯线轨迹和焊接坡口，不但节省工时，而且大大降低 能耗，从而为其工程应用及推广奠定基础。 关键词：弯管相贯线；数学模型，数控加工，数值仿真，五轴联动机床 a st h ei n c r e a s i n g a p p l i c a t i o n o fs t e e ls t r u c t u r ei nb u i l d i n gt r a d e sa n dt h e a s c e n d i n ga e s t l a e t i es t a n d a r d st oa r c h i t e c t u r e ，s t r e a m l i n es t r u e t t t r es u e l a 嬲e l b o w st h a t a r em u t u a u yi n t e r s e c t e da r e 诵d e l yu s e dw h e nb u i l d i n gg y m n a s i u m s ，m i l w a ys t a t i o n , a i r p o r t sa n ds oo na th o m ea n da b r o a d h o w e v e r , s om a n yt e c h n i c a lq u e s t i o n ss t i l l e x i s tw h e n c u t t i n ge l b o wi n t e r s e c t i o nl i n ed i r e c t l y t h ee x i s t i n gw a y so fc u t t i n ge l b o w i n t e r s e c t i o nl i n e ，w h i c ha l ec o m m o n l ya p p l i e di ns t e e lc o m p a n i e s ，a r ef l e x i b l e m e t h o d s t h i sk i n do fw a yi sn o to n l yt i m e - c o n s u m i n gb u ta l s ow a s t i n gs t e e lp r o d u c t s a n de n e r g y f o rt h i sr e a s o n , r e s e a r c h i n gt h ed i s c i p l i n eo fc u t t i n ge l b o wi n t e r s e c t i o n l i n ed i r e c t l ya n dd e v e l o p i n gr e l a t e dc u t t i n gd e v i c e s1 t 1 eo fg r e a tm e a n i n g st od e c r e a s e t h ew a s t eo fe n e r g ya n dm a t e r i a l s t h ep a p e rf i r s t l ye s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tt h ei n t e r s e c t i o no f s t r a i g h tp i p ea n de l b o w t h r o u g hs t u a y i n gt h er e g u l a t i o no ft h ei n t e r s e c t i o no fs t r a i g h t p i p ea n de l b o wa n da n a l y t i cg e o m e t r y , t h ep a p e rd e d u c e dp a r a m e t e re q u a t i o no ft h e i n t e r s e c t i o nl i n eo fs t r a i g h tp i p ea n de l b o ww h e nv e r t i c a l l yi n t e r s e c t e da n d 卸s i l y i n t e r s e c t e da n da l s os i m u l a t e dt h ep a r a m e t e re q u a t i o no ft h ei n t e r s e c t i o nl i n eo f s t r a i g h tp i p ea n de l b o wa n dv e r i f i e di tb ym a t l a ba n d3 dm o d e l i n gs o f t w a r e w h e l l a c t u a l l yp r o c e s s i n g ，b e s i d e sc u t t i n gt h ee l b o w i n t e r s e c t i o nl i n e ，w e l d i n gg r o o v e i ss t i l ln e e d e dt ob ec u t , t h e r e f o r e ，t h ep a p e ru s e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ff i x e d - p o i n t g r o o v et os o l v et h eg r o o v ev e c t o ro f t h ee l b o wi n t e r s e c t i o nl i n e a n dt h e na c c o r d i n g t ot h ee x i s t e dp a r a m e t e re q u a t i o na n dg r o o v ev e c t o ro ft h ei n t e r s e c t i o nl i n e ，t h ep a p e r d e c o m p o s e dt h em o t i o np a t ho ft h ec u t t i n gt o r c ha n ds e tu pt h ek i n e m a t i c sm o d e lo f t h em o t i o np a t ho ft h ec u t t i n gt o r c h , a n df i n a l l yp r o p o s e do n c e - f o r m i n gc u t t i n g m e t h o d o fe l b o wi n t e r s e c t i o nl i n ea n dw e l d i n gg r o o v e s e c o n d l y , i no r d e rt oi n s u r et h ea c c u r a c yo fc u t t i n gt o r c hw h e nc u t t i n gt h ee l b o w i n t e r s e c t i o nl i n e ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dai i c wk i n do fs p e e dc o n t r o l l i n gs t r a t e g y - - s c u ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n , a n db a s e do nt h i ss t r a t e g ye s t a b l i s h i n gf i v e - a x i s i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma n df i v e a x i sc o n t r o l l i n gm o d e lo fe l b o wi n t e r s e c t i o nl i n e ， p r e s e n t i n gt h et o t a ld e s i g np r o g r a mo fn cs y s t e mo fe l b o wc u t t i n ga n ds t a t i n gt h e c o n t r o l l i n gf u n c t i o no fm a i nh a r d w a r ea n dt h ed e s i g no fs o f t w a r ei nd e t a i l f i n a l l y , b a s e do i lt h em a t l a bs i m u l a t i o np l a t f o r m , t h ep a p e rs i m u l a t e dt h e 杭州电子科技大学硕士学位论文 s p e e dp l a n n i n g , a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nc o n t r o l l i n g , a n dl i n k a g ei n t e r p o l a t i o no f t h ef i v e a x i sm a c h i n et o o lp r o c e s s i n gt oc u t t i n ge l b o w , a sw e l la sf i v e - a x i sl i n k a g e i n t e r p o l a t i o nc o n t r o l l i n gp r o c e s so fn cm a c h i n et o o lo fe l b o wc u t t i n g i n d i c a t e db y t h es i m u l a t i o nr e s u l t , t h ed e s i g n e di n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mo ff i v e a x i sc a ni n t e r p o l a t e l i n e a r l ya n dc o n t i n u o u s l y , t h ec u r v ec a l lt r a n s i ts m o o t h l y , a n dt h ed e s i g nc a nf i n i s ht h e e x p e c t a n tp a t h s o ，t h ea l g o r i t h mi sf e a s i b l ea n d r e a s o n a b l ei nc o n c l u s i o n t h i sp a p e rs e t su pam a t h e m a t i c a lm o d e lo fs t r a i g h tc y l i n d e rp i p ea n dr i n gs u r f a c e w i n d i n gp i p e ，w h i c hp r o v i d e ss e v e r a lt h e o r e t i c a lr e f e r e n c e sf o rf u r t h e rs t u d yo fr u l e s o fp e n e t r a t i o nb e t w e e na n yw i n d i n gp i p e a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls t r a t e g yo ff i v e a x i sm o t i o nl i n k a g ea d o p t e db yt h em o d e l ，i t sn o to n l ys a v ea m o u n tw o r kt i m e ，b u t a l s og r e a t l yd e c r e a s et h ew a s t eo fs t e e l ，e n e r g ya n do t h e rs o u r c e sb yc u t t i n gt h e i n t e r s e c t i o nt r a c ka n dw e l d i n gg r o o v e si nt h ew i n d i n gp i p ei no n c et i m e s oi th a sa v e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：e l b o wi n t e r s e c t i o nl i n e ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，n cp r o c e s s ，n u m e r i c a l s i m u l a 五o n , f i v e - a x i sm a c h i n et o o l 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 在现代化体育场馆、建筑新型火汽车站候车室、机场候机楼和海洋平台 等含有金属管件结构的工程施工过程中，经常需要加工管与管或管与其它物体相 贯的结构。图1 1 和图1 2 分别为火车站侯车室和机场侯机楼弯管相贯结构。实际 施工时，常在管件结构的相互联结处，采用直接将支管焊接到主管上的方法，以 保证相贯结构的稳定性、密封性以及审美需求。显然，准确切割相贯管件的相贯 线是使管件相贯处焊缝均匀、焊接可靠的有力保证。另外，国家标准规定相互焊 接的管件壁厚大于6 r a m 时，焊接前必须预留焊缝坡口。如果在切割相贯线的同时 需要切割出焊接坡口，则在管子上切割的相贯结构，实际上就是在管子相贯处， 切割一个复杂的空间曲面。 图1 1 火车站侯车室弯管结构图1 2 机场侯机楼弯管结构 传统手工方法切割相贯管件的相贯线和焊接坡口，其工艺流程一般为：人工 放样、制作样板、划出相贯线、蒙皮相贯体、手工切割、人工打磨。这种人工结 合简单机械辅助的切割工艺存在一系列的问题：首先，如果两管件相贯部位的划 线与切割口即使存在微小误差，则焊接后也会产生很大的缝隙，对于高压管件是 绝对不允许发生这种质量问题，对于钢结构建筑也会因焊接不牢而存在安全隐 患；再者，如果相贯线切割质量不高、焊缝间隙和坡口准备不良，则难以实现相 贯缝隙的自动焊接，并导致工件报废率高、材料浪费、企业成本增加等一系列问 题。因此，手工切割远不能满足实际生产需要。当前企业生产中，一般采用机械 式切管机切割相贯线，但是机械式切管机只能切割直管与直管对心垂直相贯等简 单的相贯接头，不能根据焊接要求切割焊接坡口，更不能切割弯管相贯的相贯线 总之，手工和机械式切割管件相贯线的方法，存在切割自动化程度低、工人劳动 强度大、对工人的操作技能要求高、切割质量受制于操作者技能等问题。因此不 杭州电子科技大学硕士学位论文 但切割效率低，而且难以保证相贯线或焊接坡口的切割精度。 为提高切割管件相贯线的质量和效率，国内外众多研究机构和企业研发了多 种型号的数控相贯线切割机。然而现行数控相贯线切割机，只能在直管上而不能 直接在弯管上切割相贯线和焊接坡口。目前钢构企业只能采用变通方法切割弯管 上相贯线，即先在直管上切割对应于弯管上的相贯线，然后将该直管弯曲，人面 得到弯管上所需的相贯线。该方法，因其无法精确控制弯曲后直管上相贯线和焊 接坡口的空间位置与所设计的弯管上相贯线的位置一致，所以焊接弯管上这类相 贯缝隙时，常常因无法对齐相贯缝隙，而不得不截去已切割了相贯线的弯管，再 行切割相贯线和焊接，这样不但增加工时而且严重浪费钢材、能源等资源，相贯 线切割精度也相当低。 随着建筑审美水平提高，切割弯管相贯线的需求量越来越大，仅国内每年大 约需要切割1 0 0 万吨弯管相贯线和焊接坡口。浙江是钢结构加工大省，仅萧山就 有1 0 余家大型钢构企业，年产值数十亿，由于采用变通的方法切割弯管相贯线而 造成的直接经济损失高达数千万元。因此研究直接在弯管上切割相贯轨迹的切割 规律，并研制相应的切割设备，对降低能源、材料等资源浪费具有非常重要的现 实意义。 1 2 相贯线切割轨迹建模技术研究现状 1 2 1 手工放样 ， 在坡口相贯线采用手工加工方式时，放样是钢结构制作工艺中的第一道工 序，这项工作一般由铆工完成。手工放样基本过程包括绘制展开图和制作样板两 个步骤，对于不需要批量切割的场合，也可以在管件上直接放样。手工放样展开 图的绘制方法主要有作图法和计算法两种【l 】o 作图法是根据零部件施工图纸的规格尺寸用绘图工具如直尺、划归和划针按 投影原理和展开原理划出放样图的方法，在直接放样时，也采用石笔、喷粉等划 线工具。展开图一般采用平行线法、放射线法和三角形法进行展开划线。这种方 法对工人熟练水平要求极高，误差较大。 计算法是根据零部件施工图纸的规格尺寸，采用立体几何、解析几何等初等 数学的知识，通过计算求出相贯线的尺寸，然后直接在管件上划线或制作样板的 方法。由于管件一般为规则回转体，通过坐标法分析相贯线比较容易求得正确的 下料尺寸和形状，不需要作图展开，比作图法更为准确和节省时间。 近年来，随着国内计算机应用水平的迅速提高，二维、三维计算机辅助制图 软件和钣金下料软件己被广泛应用，在很多工程应用场合已经替代了手工放样方 法。 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 2 2 计算机放样 从2 0 世纪6 0 年代起，国外就已经开始研究如何利用计算机进行相贯线展开 放样【2 】。发展到今天，已经有大量成熟的商用c a d c a m 软件平台，如a u t o c a d 、 u g 、p r o e 、s o l i d w o r k 和f a s t c a m 等，具备丰富的二维、三维造型和展开功能， 可以快速进行相贯线的展开和放样。其中在管相贯线自动套料、编程软件中，以 f a s t c a m 最为先进。该软件主要针对数控切割机，包括火焰、等离子、激光和 水刀等数控切割机，用于任意形状零件的绘图、编程、套料、校验和数控切割。 但是，由于上述软件系统都是通用系统，往往价格昂贵，功能繁多，操作复杂， 难以在工程现场应用，如f a s t c a m 软件目前国内销量仅为1 0 0 0 0 套【3 】。 国内从2 0 世纪8 0 年代开始研究如何应用计算机进行相贯线展开。赵渭钧和 张宏勋分别提出一种将画法几何作图法和解析几何计算法相结合利用计算机求 解相贯线，并绘制展开图和投影图的方法降习；杨广茂利用解析法计算圆管与球 面直交、圆管与锥面直交、圆管与圆筒相交、椭圆封头与圆柱形接管相交、球形 封头与圆柱形接管相交、圆锥体与圆柱形接管侧直交、椭圆形筒与圆柱形接管相 交时的相贯线数学模型和计算机求解程序【6 刀；肖燕玉提出计算机求解两任意位置 三棱锥和三棱柱相贯线的一种方法，并提出将多棱锥和棱柱相贯问题分解为三棱 锥和三棱柱相贯问题进行求解【8 】；康国珍等提出利用辅助球面法、纬圆法的基本原 理，根据平面解析几何学关于几何交切的数量关系通过计算机求解圆柱与圆锥斜 交相贯法【9 】。叶继业提出了两圆柱面相交和圆柱面与圆锥面相交相贯线模型和计 算机绘制相贯线展开线的方法【l 伽；高丽华等和李志红分别提出了利用d x f 文件将 计算得到的相贯线展开图导入a u t o c a d 等c a d c a m 软件的方法 n - 1 2 】。 1 2 3 数控切割轨迹建模 到了2 0 世纪9 0 年代，随着数控切割设备在我国的逐渐应用，部分国内企业 开始进行多轴数控相贯线切割设备的研究和制造。无论是开放式数控系统，还是 传统的参数化数控系统，相贯线数学模型均是其设计和应用的技术关键。因此， 从1 9 9 0 年开始，国内学者在计算机放样技术研究的基础上，对相贯线及带坡口 相贯线切割轨迹的计算方法进行了广泛研究。 丁沃沂等提出了根据相贯线数学模型，通过曲柄连杆机构参数调整实现圆柱 相贯线切割的方法，并给出了割嘴误差补偿的数学模型【1 3 】。李宝清等利用三维空 间齐次坐标变换中的平移变换和旋转变换推导了圆柱体在直角坐标系中的一般 方程，求出一般条件下的多管、板相贯的相贯线方程。利用空间解析几何原理推 导了多管、板相贯坡口的两面角和实际切割角的表达式，建立了切割多管、板相 贯坡口的数学模型【悼1 5 1 。崔大妍提出了建立焊缝参数化方程实现两圆柱数控焊接 的方法【- 6 】。李莉提出了通过建立相贯线数控切割加工的数学模型，开发管件切割 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 的图形交互式自动编程系统的方法【1 7 】。季忠等提出了利用解析几何的原理建立两 管及多管相交问题的数学模型，通过数值分析方法求得相贯线的几何形状并考虑 管的厚度因素，将管接头的切割运动分解为管的旋转、割炬的平移及摆动三轴运 动，并给出了其几何学及运动学分量【l 叼。王令其提出了利用多段空间直线来逼近 相贯线，从而用连续有限的分段空间直线插补来替代全域内的空间曲线插补，以 实现相贯线切割轨迹插补控制及插补误差估算的方、法【1 9 】。肖会军等提出了根据相 贯线数学模型设计相贯线圆柱数控切割机床的方法刚；甄洪栋等利用空间解析几 何理论推导出了多管相贯接头中相贯线的数学方程，并根据切割需要，给出了用 参数方程表示的各相贯线上的点坐标、二面角、切割角以及切割轨迹线的表达式， 为等坡口或变坡口的管接头的自动切割和焊接建立了数学基础 2 1 】。李小刚等提出 基于相交双管相贯线上各点局部二面角的计算表达式开发相交双管焊接坡口的 数据化处理系统方法，该系统可计算出相交管子焊接装配所需要的所有参数【2 2 】 黄振山等根据空间解析几何的原理建立了管端相贯数学模型，并结合一种四轴联 动火焰数控切管机，分析了管端相贯焊接坡口数控切割运动，将切割运动分解为 割炬绕被切管的回转、沿管轴线的平移及在轴剖面内的倾斜、垂直于切割轨迹的 四轴联动，给出了数控切割所需相贯线、两面角、实际切割角等参数的参量表达 式瞄】。王国栋等利用空间解析几何原理，建立了管管，管板相贯带坡口切割时 割炬位姿控制数学模型。提出了最大z 坐标原则求管管、板相贯线坡口切割割 炬轨迹的方法。对管管、板相贯线坡口切割实例进行了割炬位姿控制仿真分析， 研究了在不同相贯段时割炬位姿和两面角、坡口角以及割炬姿态角等相关参数的 数学表达式，提出在拐点处割炬姿态的转变应分多步进行，以保证拐点处的切割 质量渊。肖聚亮等在对一种火焰数控切管机割炬进行运动分析的基础上，定义了 表达割炬轨迹所需的参考面和相关参数，建立了带坡口角的管管相贯、管板相 贯相贯线数学模型，提出了最大z 坐标原则求k 形接头相贯线的方法。对管一管 相贯、k 形接头相贯的切割实例进行了展开线分析，研究了割炬轨迹和相关参数 的关系【2 5 】。谭金涛等利用坐标变换方法计算相贯线，该相贯线上的点坐标可方便 转换为实际加工坐标 2 g j 。王晓鹏提出了利用相贯线数学模型实现正交相贯线坡口 数控加工g 代码的自动生成的方法【明。聂晓根等针对一种五轴数控切管机，用 参数方程描述切割相贯曲面的空间几何关系和运动关系，提出解决焊接坡口的方 法，并推导出切割过程中各运动分量的求解公式【2 8 】。 上述工作绝大多数停留在直管圆柱、板间的相贯，对弯管间的相贯线轨迹方 程的求解很少涉及，对弯管切割时的割炬运动分解研究基本上处于空白。 4 1 3 常见相贯线切割方法分析 近年来相贯线切割技术的开发和应用取得了长足的发展，其切割方法大致可 归纳为冷切割和热切割两大类。热切割是利用热能使材料分离，根据所使用的切 割介质不同，热切割可分为等离子弧切割、气体火焰切割和激光切割等。实际生 产中主要采用热切割法切割钢材管件。 ( 1 ) 等离子弧切割 等离子弧切割是将电弧和惰性气体强行穿过小直径孔，产生高温高速射流切 割材料的技术。切割时，电弧能量集中在一个小区域内，使材料熔化，高温膨胀 的气体射流迫使熔化金属穿过切口并吹掉熔融金属。等离子电弧温度一般在 1 0 0 0 - - - 1 4 0 0 0 c 之间，远远超过所有金属以及非金属的熔点，因此能切割绝大多 数的金属和非金属材料。等离子弧切割方法具有切割厚度大、机动灵活、装夹工 件简单及可以切割曲线等优点。与氧乙炔焰切割相比，等离子弧能量集中、切割 变形小、起始切割时不用预热、几乎能切割所有金属，而且切割碳钢的速度比火 焰切割高，但割口较宽、被熔化掉的金属较多、切口不如氧乙炔切割的光滑平整， 为了保证切口侧面平行，还需专用割嘴。目前，等离子弧主要用于切割各种有色 金属材料。 ( 2 ) 气体火焰切割 利用气体火焰热能分离金属材料的方法称为气体火焰切割法，简称气割。气 割是在纯氧中燃烧金属并借助高速流动的氧气排除熔渣的化学和物理作用过程， 所以除了必须使用氧气外，还必须使用可燃气体，如乙炔、液化石油气等。气割 技术的应用领域十分广阔，几乎覆盖了机械、造船、军工、石油化工、矿山冶金、 交通、能源等多种工业领域。目前，气体火焰切割主要用于切割各种碳钢和普通 低合金钢，其中淬火倾向大的高碳钢和强度等级高的低合金高强钢气割时，为了 避免切口处脆硬或产生裂纹，应采取适当加大预热火焰功率和放慢切割速度，甚 至切割前先对工件进行预热等工艺措施。厚度较大的不锈钢板和铸铁件冒口可以 采用特种气割方法进行气割。 与等离子切割比较，火焰切割温度比等离子切割温度低，因此其切割速率不 及等离子，而且无法切割不锈钢以及很多有色金属，但具有切割板材厚度大、切 割设备和切割成本相对低廉，污染较等离子切割小。与激光切割相比，火焰切割 机在切割速度、精度以及切割材质种类方面都远不及激光切割机，但是在切割厚 度和切割成本上都优于激光切割机。综合比较可知，火焰切割机生产投入小，加 工厚度大，适合精度要求不高的粗加工行业。 ( 3 ) 激光切割 激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束辐照工件，使被辐照的材料迅速熔 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 化、汽化、烧蚀或达到材料燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质， 从而割开工件。作为一种精密切割方法，激光切割几乎可以切割金属、非金属、 金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等所有材料。激光切割总的特点 是切割速度快，质量高，但由于受激光器功率和设备体积限制，激光切割只能切 割中、小厚度的板材和管材，而且随着被切割工件厚度增加，激光切割速度会明 显下降。此外，激光设备费用高，一次性投资大。 选择具体切割方法和切割设备，需要考虑被切割对象、切割质量要求、切割 效率、切割工作量大小、切割设备投资和切割成本、切割过程对环境的影响、自 动化切割的可行性等因素，同时需结合企业实际情况。目前，一般企业主要选择 火焰切割机切割管材相贯线及焊接坡口。 1 4 国内外数控切管机的研究现状 为提高切割管件相贯线质量和效率，国内外众多研究机构开展了数控切割管 件相贯线和焊接坡口设备研制工作。数控相贯线切割机作为一种数控机床，具有 切割效率高、割缝质量好、精度高、加工范围广等特点，已经成为圆管切割的主 要方法。 1 4 1 国外研究现状 随着计算机和微电子技术的发展，数控技术越来越深入到实际生产中。1 9 5 8 年英国氧气公司试制成功世界上第一台数控切割机，1 9 6 0 年挪威斯托德船厂就 开始把切割机应用于生产。随后越来越多的国家开始投入到切割机的研制和生产 当中。随着管材的大量应用于实际生产，对于数控切管机的研究也日益受到重视。 在数控技术比较发达的国家如德国、日本、美国，数控切管机技术发展也比较迅 速【2 9 】。 上个世纪八十年代初，日本首次展出了k o p c i 系列的数控切管机。这是数 控切管机发展史上的一次飞跃。该切割机采用圆柱坐标系三轴联动控制方式，能 够在管端切割相贯线，并可以切割变角度的焊接坡口面。美国w e l dt o o l i n g c o r p 生产的s e _ 4 、s e 5 马鞍形和弯头管切割机( s a d d l ea n de l b o wc u t t e r ) 能够在 直径较短管上切割管接头和“虾米节”。上述设备均采用机械凸轮或者连杆机构控 制，结构简单，切割范围窄。其控制软件功能较弱，只能求解切割支管轴线与主 管轴线垂直相交的主管相贯孔或支管相贯接头，而且切割精度较低，操作不方便。 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 图1 3 日本双日株式会社相贯线火焰切割机 图1 4 德国m u l l , r 公司六轴圆管切割机 日本双日株式会社( m a t s u m o t ok i k a il t d ) 生产的p c m 系列切管机，德国 m u l l e r 公司生产的数控管子火焰切割机( c n cp i p ef l a m ec u t t i n gm a c h i n e ) ，德 国k i s t l e r 的数控管子切割机( c n c - c o n 臼o l l e dp i p ec u t t i n gm a c h i n e ) ，美国 v e r n o nt o o lc o m p a n y 生产的m p m 一2 0 0 0 系列v e r n o nt u b ec u t t i n gm a c h i n e ，美国 j e s s ee n g i n e e r i n gc o 生产的支管和马鞍形孔切割机( p i p ec o a s t e rf o rb r a n c h a n ds a d d l eh o l ec u t t i n g ) 是比较高级的数控切割机。这些数控切管机的控制软件 均采用高级语言编写，功能齐全，操作方便，大部分能在管端上切割多种相贯接 头，能切割多管相贯接头，并能够沿相贯线开定角度或者变角度坡口。 1 4 2 国内研究现状 国内从上世纪8 0 年代开始研制数控切割机。随着社会经济发展，近几年国 内数控切割机发展迅猛，涌现出了武汉依德、无锡桥联、北京林克曼、上海通用 企业集团、宁波金风等多家数控切割机生产厂家，切管机由单纯的机械式切割机 发展为数控切割机，切割功能也由单一逐渐变为多功能，缩小了与发达国家的差 距，促进了工业发展，但从总体来看，与国外数控相贯线切割技术相比，国内技 术与可靠性方面仍然显得落后。 无锡桥联数控机床有限公司的q l m 8 5 系列数控相贯线切割机，无需操作者 计算、编程，只需输入管道相贯系统的管子半径、相交角度等参数，就能自动切 割出钢管和有色金属管子的相贯线及焊接坡口。北京林克曼数控技术股份有限公 司l m c , q 系列管子切割机不但可以切割管子相贯线，还可以在管子上切割各种 焊接坡口，同时该公司还开发了切割软件，其相贯线切割技术处于国内领先地位 上海通用企业集团c n c x g 系列数控管子相贯线切割机是一种对钢管与有色金 属管子的结合处相贯线孔、相贯线端部、弯头( 虾米节) 进行自动计算和切割的 设备。宁波金凤焊割机械制造有限公司2 0 0 2 年与日本田中t a n a k a 公司技术 合作，开发了性能优良的相贯线切割机。 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 图1 5 无锡桥联q l m 8 5 系列切割机 图1 6 宁波金凤公司数控相贯线切割机 除了企业界积极推出各种相贯线切割机外，国内天津大学、大连理工大学、 武汉理工大学、哈尔滨工程大学、武汉大学等院校也从相贯线切割原理、切割轨 迹仿真、切割设备研制及切割控制软件开发等多方面研究数控管子相贯线切割技 术。其中天津大学的王攀峰，在一般数控火焰切割机研究工作的基础上，已经开 始研究机器人切割管件相贯线技术【3 0 】；天津大学在对渤海石油公司两台日本进口 的数控切管机改造的工程中，自己研究了一种算法，利用该算法能够求解海洋平 台中常见的管管、管板相贯问题。该算法己经成功地应用到数控切割系统中，并 开发了相应的海洋平台管件专用的数控切管机。福州大学聂晓根及武汉大学的向 平，针对四轴火焰切割机，不能很好切割坡口孔，提出五轴火焰切割机技术 3 1 】。 综上所述，目前国内外的相贯线切割机，一般只能切割直管与直管相贯的相 贯线，而对弯管与弯管相贯或弯管与直管相贯，无论是理论研究还是设备研制很 少有实质性的报道。由于钢结构应用的广泛性以及对其外观要求的升高，弯管相 贯结构的出现也越来越频繁。为解决目前切割弯管上相贯线带来的能源及材料等 资源浪费问题，数控切割技术必将朝切割弯管相贯线等复杂曲线的方向发展。 1 5 数控加工仿真技术研究现状 数控加工的仿真是现代化制造中的一个重要过程，它为实际的生产过程提供 了可靠依据和质量的保证。虽然国外数控仿真技术已经发展到了一定的高度，形 成了技术垄断，进入该领域所需的技术门槛较高，但是在某些领域，如专用机床 仿真的应用和研究很大空间。目前，我国生产切割机的厂商很多，但大多停留在 仿制国外同类产品的水平上，产品附加值极低。针对数控切割机的加工特点，研 究数控切割机仿真所需的核心技术，在数控切割机配套专用软件中增加虚拟仿真 功能，可以提高我国数控切割机产品的层次，增加产品附加值。 1 5 1 基本仿真建模方法 根据建模方法的不同特点，可将n c 几何图形验证技术归纳为四类方法：直 接实体建模法、光线表达法、离散矢量法和空间分割法。 ( 1 ) 直接实体建模法：典型的是利用构造实体几何模型( c s c ) 或边界表达 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( b - r e p ) 实体建模系统实现的【3 2 】。这些实体建模系统具有良好的布尔集合运算的能 力，从理论上讲可以提供精确的n c 仿真和验证。但是，直接实体建模法在验证 过程中涉及大量直接布尔减运算，使该类方法的检验效率较低。 ( 2 ) 光线表达法：将物体的c s g 模型或b _ r 印表达转化为一组平行线段的集 合，使直接实体建模法中的直接布尔减运算简化为关于光线的一维布尔减运算， 显著提高了验证效率【3 3 】。 ( 3 ) 离散矢量求交法：主要不足是随着设计曲面复杂性的增加，离散点集也 会相应膨胀，从而加重了n c 验证的负担，降低了检验的效率【，叼。 ( 4 ) 空间分割法：通过将实体几何模型分解为若干三维形体的集合来实现 n c 验证f 3 5 】。 目前，国内外研究人员对数控加工仿真技术的研究和应用主要集中在数控 车、铣等加工领域，主要实现根据刀具运动的轨迹与刀具的外形对工件进行切除 的模拟过程，以实现对加工代码正确性的验证。对数控切割机加工仿真技术进行 专门性的研究极少。从研究方法和手段方面主要可分为平台相关和平台无关两 类。 1 5 2 平台相关的数控仿真方法 平台相关的数控仿真方法的特点是基于商用c a d c a m 软件平台进行二次 开发，仿真过程无法脱离开发平台独立运行。高峰等提出针对由两个回转运动构 成的新型多功能车铣复合数控机床，应用a u t o c a d 二次开发工具o b j e e t a r x ， 实现a u t o c a d 造型与c n c 仿真的有机结合，完成n c 代码驱动的实时加工过程 仿真的方法【3 叼：周立波等、李晓东等和吴小康等分别提出了在u g f l s & v 环境下数 控机床仿真模型的构建与加工仿真系统的建立过程【3 ”明；周仙娥给出了利用 c a t i a 基于c a a 的二次开发方式进行数控仿真的方法；伍红梅对基于p r o e 的 数控功能部件运动仿真方法进行了研究和分析【4 1 1 ；周四磊研究了基于v i r t u a ln c 的仿真模型建立技术和v i r t u a ln c 仿真控制器的二次开发技术嗍；陈修龙等分析 5 - u p s p r p u 并联虚拟轴机床机构的特点，建立虚拟轴机床的三维实体模型，根 据并联机构的运动学逆解表达式，基于三维c a d 软件s o l l d w o r k s 2 0 0 0 ，通过o l e 接口技术开发虚拟轴机床数控加工过程计算机模拟系统【4 3 】。 1 5 3 平台无关的数控仿真方法 平台无关的数控仿真方法基于o p e n g l 图形接口和程序开发工具( 如v c ) 进 行设计和开发，所开发的仿真系统可脱离开发工具独立运行。邬再新等针对数控 车削虚拟仿真系统，提出根据译码结果提取加工信息，然后运用插补运算得到加 工轨迹坐标从而控制刀具与工件的相对运动，进行刀具与毛坯的布尔运算，根据 运算结果利用o p e n g l 的双缓存技术在计算机屏幕上显示工件的动态切削过程 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 的方法m 。蒲志新等利用基于o p e n g l 的计算机仿真和动画技术，采用基于数控 代码的仿真方法，实现数控车削加工的三维仿真嗍。廖文和等提出适用于数控车 削加工仿真的毛坯细分方法和数据结构和一种快速计算圆弧刀轨数据的算法，给 出了一种基于o p e n g l 显示机制的用于数控车削仿真的快速真实感图形显示算 法。该算法可以在微机上动态显示高质量的车削加工过程刀具的运动，材料的去 除和毛坯形状的变化 4 6 1 。邢吉利等在l i n u x 下，利用q 和o p e n g l m e s a ，采用 面向对象技术和模块化的设计方式，实现零件加工的三维实体动态仿真【4 7 】。杨胜 宇等基于v c + + 和o p e n l n v e n t o r 进行数控铣削仿真系统开发，通过v r m l 接口 实现毛坯和刀具模型的导入，并运用s o l i d v m 模块进行布尔运算并实现动态切削 显示【4 8 】。国外学者在平台无关的数控仿真技术方面也作了许多工作。其中， l a u w e r s 等提出的“扩展c a m 系统( e x t e n d e dc a ms y s t e m ) ”具有极大参考价值e 4 9 1 其基本思想是将铣削过程中的刀具轨迹生成、后处理和n c 代码模拟功能整合在 一个系统中。该系统能够对产生的每个刀位点进行干涉检验。检验的内容还包括 刀具方向改变、运动轴配置改变和换刀。j a c o b 等提出了一种三轴数控仿真系统 模型，该系统由刀具路径生成器、参数曲面转换器、中间表面和动画模拟器构 成，采用o p e n g l 在w i n d o w s 平台上实现1 5 0 。r o b e r t 等采用离散曲面建模方法 利用o p e n g l 图形接口进行了数控仿真系统设计【5 1 】。 上述研究对象绝大多数集中在数控车、铣加工过程仿真的范围，对于数控相 贯线切割机加工过程仿真的研究和探讨基本属于空白，仅见冯兴财针对一种相贯 线切割机数控系统对其仿真过程进行了探讨【5 2 】。 1 6 论文主要内容 本文从直管与弯管相贯的数学模型入手，对弯管相贯线切割运动规律进行了 深入研究，其组织结构如图1 7 所示。论文主要研究内容如下： 1 0 杭州电子科技大学硕士学位论文 厂 、 i第一章绪论 l 上 嗣 第二章弯管相贯线切割数学建模j 上 第三章弯管数控加i 运动控制技术j i 上 i ”q 第四章弯管数控加工运动控制数值仿真 i 上 e 五章总结与展司 图1 7 本文的组织结构 第一章，阐述了课题的研究背景以及研究意义，对国内外数控切管机和数控 加工仿真技术进行了概述。 第二章，首先通过研究直管与弯管的相贯关系，建立了直管与弯管在正交和 斜交情况下的相贯线轨迹参数方程；然后总结了五轴联动数控机床的种类和结构 形式，通过对弯管相贯线切割规律的研究，选择双摆头机床中的zz z 五f 五 坐标联动机床；最后根据所选机床结构，求出割炬切割轨迹表达式，并根据选择 的切割方式将切割轨迹分解到各个轴的运动上。 第三章，首先根据割炬轨迹的数学模型，提出一种新型s 曲线加减速控制算 法，并详细阐述了该算法原理及关键技术，该算法可以对相应的短代码进行区域 规划，极大减少了加工时间；其次阐述了五轴联动数控插补算法的理论，为后面 数学仿真做好理论基础；最后给出了弯管切割加工数控系统的总体结构设计，并 且详细阐述了其硬件结构设计、硬件选型以及与硬件相对应的软件结构设计。 第四章，简要介绍弯管切割五轴数控加工运动控