（机械电子工程专业论文）海洋平台导管架构件自动切割系统研究与开发.pdf

中文摘要 数控火焰自动切管机是切割制造海上平台导管架构件的关键设备，通过对中 国海洋石油平台制造公司进口的新型火焰自动切管机的研究，针对新型切管机自 带软件系统使用不便、接头相贯线模型不全面等弊端，本课题着手于研究开发自 主的智能化、自动化软件控制系统。目的在于为进口新型火焰数控自动切管机配 备操作方便、自动计算的软件系统并增加新的导管架接头相贯线计算模型。主要 成果包括： 编制输入并保存加工零件信息的程序。将零件的结构属性附加到给定的单线 图中，并为每个构件配备小型的数据库，以便于调用和修改。 编制计算构件间几何参数、相互位置参数的程序，使整个参数计算过程完全 智能化。 对割炬路径运动学进行分析，拟合多种切割轨迹的数学表达方程，为新切管 机建立新型接头形式的数学模型，如环管相贯、锥管相贯等。 根据不同的轨迹相贯形式所建立的数学模型，编制计算机计算程序：编制程 序绘制单件图、样板图、列样板数据。 计算导管架的重量、重心。 研究火焰自动切管机的加工过程，对加工过程中的特殊点处理和过渡切割进 行了分析。 新型开发系统通过现场测试和使用，很大程度的提高了切割导管架构件的精 度和可靠性，从而提高了加工生产效率。 关键词：火焰自动切管机相贯线导管架割炬 a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o lf l a m ea u t o m a t i cp i p e - c u t t i n gm a c h i n e sa r ep i v o t a le q u i p m e n t s i np r o d u c i n go c e a np l a t f o r mj a c k e tc o m p o n e n t s a f t e rs t u d yo nn e w i m p o r t e df l a m e a u t o m a t i cm a c h i n ei nc h i n ap e t r o l e u mp l a t f o r mm a n u f a c t u r i n g c o m p a n y , t h e r e s e a r c hf a i l st od e v e l o p i n gi n d e p e n d e n ti n t e l l i g e n ta n da u t o m a t i cs o f t w a r ec o n t r o l s y s t e m ，w h i c hg e t sr i do fd e f e a t so fi n c o n v e n i e n c ea n di n c o m p l e t e n e s so f j a c k e tj o i n t i n t e r s e c t i n gc u r v em o d e l si ns o f t w a r es y s t e me n c l o s e dw i t ht h ei m p o r t e dm a c h i n e t h er e s e a r c ha i m sa te q u i p p i n gac o n v e n i e n ta n da u t o m a t i cs o f t w a r es y s t e mt ot h e n e wi m p o r t e dn cf l a m ea u t o m a t i cp i p e - c u t t i n gm a c h i n e t h em a i na c h i e v e m e n t so f t h i sp a p e ra r e ： c o m p o n e n ti n f o r m a t i o ni n p u t t i n ga n ds a v i n gc o d e sa r ep r o g r a m m e da n dt h e c o m p o n e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r s a r ea p p e n d e dt ot h eg i v e n d r a w i n g s a sw e l l m e a n w h i l e ，e v e r yc o m p o n e n ti se q u i p p e dw i t has m a l ld a t a b a s e ，w h i c hi se a s yf o r s e a r c h i n ga n dm o d i f i c a t i o n b a s e do nt h ea c t so ft h ec u t t i n gt o r c h ，m a t h e m a t i ce q u a t i o n so fm a n yi n c i s i o n t r a c k sa r ee s t a b l i s h e d i na d d i t i o n ，m a n ym o d e l so fn e wi n t e r s e c t i n gj o i n t ss u c ha s ： r i n g p i p ei n t e r s e c t i n gc u r v e m o d e la n dc o n e p i p ei n t e r s e c t i n gc u r v em o d e la r es e tu p c a l c u l a t i o nc o d e so fd i f f e r e n ti n t e r s e c t i n gm o d e l sa r ep r o g r a m m e da c c o r d i n gt o d i f f e r e n ti n t e r s e c t i n gt y p e s s e c t i o nd r a w i n g s ，t e m p l a t ed r a w i n g sa n dt e m p l a t ed a t a l i s t i n ga r ec o m p l e t e da tt h es a m et i m e w e i g h ta n dc go f t h ew h o l ej a c k e ta r ec a l c u l a t e d b a s e do nt h ep r o d u c i n gp r o c e s so ft h ea u t o m a t i cp i p e c u t t i n gm a c h i n e ，s o m e s p e c i f i cd o t sa n dt r a n s i t i o nc u t t i n ga r ea n a l y z e d t h r o u g ht e s t i n ga n da p p l i c a t i o no nt h es p o t ，t h en e ws y s t e mh a si n c r e a s e dt h e a c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo f j a c k e tc o m p o n e n t sc u t t i n gp r o c e s s a ss u c h ，t h ep r o d u c i n g e f f i c i e n c yh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l y k e yw o r d s ：f l a m ea u t o m a t i cp i p e c u t t i n gm a c h i n e ，i n t e r s e c t i n gc u r v e ， j a c k e t ，t o r c h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：旁l 斜 签字日期： 埘年1 月i f t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 纠料 导师签名 签字日期：埘年1 月i 口签字日期：对年1 月曰 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着人类对海洋认识的深入和开发的加速发展，人类对海洋的探索正逐渐由 近海岸浅水海域向深水海域过渡，作为人类认识和研究海洋资源的工作平台一海 洋平台，在人类开发和利用海洋资源的过程中得到了广泛的应用。 海洋平台的制造是一项庞大、复杂、技术含量高的工程，导管架是海洋平台 中的关键结构，导管架建造质量的好换将直接影响到平台结构的整体质量。因此， 高效、精确的完成对导管架构件的加工是建造海洋平台的必要前提，而平台金属 导管架构件的组织、加工必须要求有一套自动化、智能化的系统来操作”。 目前，在中国海洋石油工程总公司制造海上平台的过程巾，金属导管架构件 的数据资料主要依靠图纸来人为管理，并没有列入计算机的智能化管理范畴，因 此，在每一次对构件的加工之前，都要按照图纸人为输入构件的各种参数到控制 加工机器的软件中，这无疑增加了制造过程的繁琐性，并且降低了生产效率；其 次，安装在中海石油平台制造公司的两台p i p e y m w l 0 0 0 型数控乙炔自动切管 机，系日本安川公司1 9 7 9 年制造的产品，由于严重老化，一台故障不断发生， 另一台则彻底不能用，严重影响了切管生产，急需引进新的设备，新的系统来投 入生产；再次，随着海洋工业的发展，海上平台对所使用的金属构件的多样性以 及工艺性能提出了更高的要求。金属构件接头由原来单一的管管、管板结构发展 为大量的k 、t 、y 接头、多重相贯接头、锥管相贯、环管相贯以及型钢管相贯 等结构。同时，为保证高质量的焊接性能，各种相贯对管端的切面轮廓加工精度 也提出了很高的要求，而目前安装在中海石油平台制造公司的切管机其切割形式 已经远远不能满足生产的需要，因此，迫切需要扩展使用功能，更新控制系统”1 。 1 2 数控火焰切割技术国内外发展现状 1 9 5 8 年英国氧气公司试制成功了世界上第一台数控切割机，开创了数控切 割的新纪元。随后，发达国家都相继开展了对数控切割的技术、工艺、相关配套 软件和设备的深入开发研究工作，经过多年的不懈努力，已向市场推出了各种类 型、功能齐全的系列化数控切割产品。我国数控火焰切割技术起步于2 0 世纪8 0 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着人类对海洋认识的深入和开发的加速发展，人类对海洋的探索币逐渐由 近海岸浅水海域向深水海域过渡，作为人类认识和研究海洋资源的t 作平台一海 洋平台，存人类开发和利用海洋资源的过程中得到了广泛的应_ _ | j 。 海洋平台的制造是一项庞大、复杂、技术含量高的工程，导管架是海洋平台 中的关键结构，导管架建造质量的好换将直接影响到平台结构的整体质量。因此， 高效、精确的完成对导管架构件的, 自t l x 是建造海洋平台的必要前提，而平台金属 导管架构件的组织、加工必须要求有一套自动化、智能化的系统来操作i l l 。 目前在中国海洋石油工程总公司制造海上平台的过程中，金属导管架构件 的数据资料主要依靠图纸来人为管理，并没有列入计算机的智能化管理范畴，园 此，在每一次对构件的加工之前，都要按照图纸人为输入构件的各种参数到控制 加工机器的软件叶1 ，这无疑增加了制造过程的繁琐性，并且降低了生产效率；其 次，安装在中海石油平台制造公司的两台p i p e y m w l 0 0 0 型数控乙炔自动切管 机，系日本安川公司1 9 7 9 年制造的产品，由于严重老化，台故障不断发生， 男一台则彻底不能用，严重影响了切管生产，急需引进新的设备，新的系统来投 人生产；再次，随着海洋工业的发展，海上平台对所使用的金属构件的多样性以 及工艺性能提出了更高的要求。金属构件接头由原来单一的管管、管板结构发展 为大量的k 、t 、y 接头、多重相贯接头、锥管相贯、环管相贯以及型钢管相贯 等结构。同时，为保证高质量的焊接性能，各种相贯对管端的切面轮廓加工精度 也提出了很高的要求，而目前安装在中海石油平台制造公司的切管机其切割形式 已经远远不能满足生产的需要，因此，迫切需要扩展使用功能，更新控制系统【3 。 1 , 2 数控火焰切割技术国内外发展现状 1 9 5 8 年英国氧气公司试制成功了世界上第一台数控切割机，开创r 数控四 割的新纪元。随后，发达国家都相继开展了对数控切割的技术、工艺、相关配套 软件和设备的深八开发研究工作，经过多年的不懈努力，已向市场推出了各种类 型、功能齐全的系列化数柠切割产品。我国数控火焰剀割技术起步于2 0 世纪8 0 型、功能齐全的系列化数控切割产品。我国数控火焰切割技术起步于2 0 世纪8 0 天津大学硕士学位论文第一章绪论 年代中期，进入9 0 年代后，国内的一些公司瞄准世界先进水平，不断开发研制 数控切割机的新产品，而且有些产品的主要技术指标已达到国外同类设备的先进 水平，但是国内研制的数控切割机多数限于切割板材的加工，而对于火焰式数控 切割管材，特别是火焰数控切割空间多管、板相贯曲线，以及有焊接坡口角的多 管、板相贯曲面等形式的火焰式数控切管机尚属空白，主要依赖进口。 目前国内外应用最广泛的数控切割机主要为数控火焰切割机，与传统切割机 比较，具有下述优点： a 功能全，自动化程度高； b 配置多个割炬工作，且有效切割时间长、生产效率高： c 切割信息易于准备、修改和保存； d 加工精度高，切割质量好； e 机器运行稳定可靠，操作方便。 我国近年来仅引进了三台大型火焰自动切管机，并均属海洋石油工程总公 司。其中一台为美国制造( 安装在海洋石油工程股份有限公司深圳赤湾基地) ， 两台为日本制造( 安装在海洋石油工程股份有限公司塘沽基地) ，并且严重老化， 不断发生故障。 为了更新设备，提高生产率，中海石油从美国v e r n o nt o o l 公司引进了 新型五轴数控火焰自动切管机，投入生产。 1 3 带坡口相贯线模型研究现状 在导管架管件焊接时，为了保证构件的强度和避免过大的角焊缝尺寸，一般 都要求开坡口焊接。坡口形式要综合考虑接头强度、焊接方法、焊接效率、焊接 成本等。如果坡口精度( 坡口面角度、钝边尺寸、坡口面光洁度、平直度等) 高， 则焊缝质量就能保证，焊接成本也就降低。坡口精度差，则易出现严重的焊接缺 陷，焊接成本也往往增加。为此，必须要求在一次同时切割内外相贯线的过程中 必须给予各轴准确的指令数据，这就要求非常准确的建立带坡口的相贯线模型。 对于带坡口相贯线的研究，目前国内外仅限于一般的管管或管板相贯，而很少涉 及锥体或者圆环与管相贯。在本课题l p 不仅研究了管管、管板带坡e l 的相贯线模 型，更增加了多重相贯接头、锥管相贯、环管相贯等带坡口的相贯线模型，满足 了海上平台对所使用的金属构件的多样性以及工艺性能的要求。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 课题意义 在通过对进口切管机自带系统的研究之后，发现存在如下弊端：1 系统人 机交互界面复杂，需要人为输入的参数太多。2 系统的智能化程度不高，如相贯 线的类型和几何参数都需要通过人为计算输入。3 涉及的相贯线类型有限，无法 切割形状复杂的锥管相贯、环管相贯等坡口。在通过调查和对日j 行方案的研究之 后，本课题决定自主开发高智能化的软件系统服务于新型火焰自动切管机，把零 件的信息管理，几何参数计算，以及各种相贯线类型的计算都包含到新的软件系 统中，使制造过程向更高的智能化、自动化、精确化发展，将制造过程的各个环 节纳入规范化、智能化的体系，将对金属构件数据的管理和加工操作联系起来， 将构件的几何属性和结构属性联系起来，从而提高生产的质量和效率。 1 5 课题研究的主要内容 海洋平台a c s 系统研究，其具体的技术内容包括： 1 运用v i s u a l i s p 语言编制输入并保存加工零件信息的程序。将零件的结构属性 附加到给定的单线图中，以备后续加工过程读取。 2 几何计算，利用数学推导编程求出各杆件的参数和相互位置关系夹角、偏心、 错心、扭转角等参数。 3 为新切管机建立以下接头形式的数学模型： 1 ) 管一管相贯的一种马鞍口接头 2 ) 管一板相贯和同径管一管相贯的一种m i t e r 接头 3 ) 轴交角小于3 0 “小角度管一管相贯 4 1 支管与管、板相交 5 ) 支管与四管( 可以至n 管) 相贯 6 ) 环管相贯 7 ) 锥管相贯 8 1 主管上制作脚印图 4 根据不同的轨迹相贯形式所建立的数学模型，编制计算机计算程序；编制程 序绘制单件图、样板图、列样板数据。 5 计算导管架的重量、重心。 根据课题的研究内容和步骤，本论文安排如下： 第一章阐述了课题的研究背景和意义，课题研究方法的选择和主要研 究内容。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 对新型火焰自动切管机进行介绍，分析其工艺性能要求。 介绍海洋平台a c s 系统的主要模块结构，阐述各模块所实现的 功能以及实现方法。 运用解析几何方法进行构件之间坡口的计算，根据不涮的相贯 形式，推导出数学模型 绘制出相应形式的单件图，脚印图，样板图，并给予分析。 对课题取得的成果作出总结，并对课题加以展望。 天津大学硕士学位论文第二章新型火焰自动切管机概述 第二章新型火焰自动切管机概述 2 1 新型火焰自动切管机结构组成 新型火焰自动切管机如图2 1 所示，是由下列各功能部件所组成的4 c 轴 y 图2 1新型火焰自动刨管机简图 ( 1 ) 切管机底座 机床底座是所有部件在其上安装的基础。 ( 2 ) 切管机运输带 切管机运输带将管件在切割时传送到特定的位置上，或者在管件切割完成后 将其卸离。操作者只需按下控制面板上的“m a c h i n ec o n v e y o ru p ”按钮， 便会启动液压系统，传送带即时将管件送上。在此位置，传送辊子和送入和卸离 的传送带在同一高度，这样可以直接把管件送入机器，避免了与转动辊子碰撞。 传送系统由电机控制器、直流电机和齿轮变速箱构成。连续的驱动用来校正 辊子。利用控制面板，操作者可以通过控制传动速度将管件放成任意姿态。 当管件装载到机器上，操作者将传送带降低，这样管件就停留在转动辊子上。 ( 3 ) 转动辊子 转动辊子在切割管件时通过旋转来转动管件。通常在外表面裹一层复合橡胶 材料，或者完全由金属制成。对于体积大的机器，当产生间隙时，使用前者来吸 震、防滑。 天津大学硕士学位论文第二章新型火焰自动切管机概述 转动辊子间的距离取决于机器的长度，当切割长度较短的管件时，辊子间的 间隔较为近。 ( 4 ) 液压系统 系统既简单又可靠。液压泵开启后，打开适当的电磁阀。当设备完全启动， 压力不断上升，直到液体回流到水箱为止。系统压力大约为6 9 1 0 3 5 m p a 。 ( 5 ) 割炬部分，如图2 - 2 所示 1 y 轴 y 轴由伺服电机、编码器、转速计、变速箱和小齿轮构成。y 轴是车架沿管 件放置方向移动的方向。 2 垂直车架 垂直车架使得沿y 轴移动的竖杆上下移动。由装在杆端的伺服电机来驱动， 调整下列部件的姿态。 3 c 轴 由电机、编码器、转速计组成，用来旋转割炬切出坡口角。 4 z 轴 z 轴安装在c 轴上，利用电机、编码器、转速计和线性齿轮变速箱使割炬在 沿与坡口角正交的方向上移动，以调节割炬与工件距离。 5 a 轴 a 轴利用电机、编码器、转速计旋转带动c 轴和z 轴的部件，使得在垂直 于行程的方向上形成坡口，以便在管件上切孔。 6 车架控制箱 车架控制箱装有传感控制器、点火系统。 7 传感系统 传感系统由装在割炬两侧的两个传感器构成。传感器提供的信号显示割炬到 管件的距离。这个信号通过竖直车架上的p l c 回馈给安装在车架控制箱的伺服 放大器，最后传到竖直车架电机上。作用为车架通过上下调整位置来补偿割炬远 离或靠近管件。 ( 6 ) 控制面板 控制面板集成了所有的切管操作命令。 2 2 新型火焰自动切管机基本参数 ( 1 ) 设备总体参数 管径：l o o 一1 3 7 0 m m 天津大学硕士学位论文第二章新型火焰自动切管机概述 管长：1 5 一l5 m 最大重量：2 2 7 0 0 k g 切割速度：3 1 r d m i n 管件传送速度：0 1 0 m m i n 电压：2 2 0 4 4 0 v a c6 0 h z 3 p h 功率：2 0 k v a 温度：4 0 1 0 0f ( 1 - 3 8 。口 湿度：o 一8 0 图2 - 2 新型火焰自动切管机割炬 ( 2 ) c p u 及运动控制参数 显示器：彩色v g a 键盘：9 6 键、文字数字混合编排 处理器：p e n t i u mm m xp c i i s a 总线 r a m 寄存器：1 2 8 m b 硬盘驱动器：1 0 g b c d r o m ：2 4 x 运动控制：u m a c8 轴 电机：直流伺服电机 p i ，c ：g ef a n u c - 7 天津大学硕士学位论文第二章新型火焰自动切管机概述 控制精度： 1 3 5 。t p = 9 0 。4 5 3 工程上可取护= 5 0 。 1 5 0 ”l f ，7 5 。 q = 3 7 5 。6 0 。工程上可取够= 5 0 7 5 。 v 3 0 。6 p = 4 0 。叫2 。工程上可取 v = 7 5 。5 5 。p = 4 0 。g c = 5 5 。3 0 。p = 4 0 。1 5 。 a p i 标准： p 1 3 5 9 口= 4 5 。工程上可取妒= 4 5 “ 1 3 5 炉9 0 。妒= 4 5 。工程上可取伊= 4 5 。 9 0 、 炉3 0 。妒一2工程上可取9 = 4 5 。1 5 。 4 ) 割炬运动轨迹计算、两面角、实际切割角计算、纵向补偿计算。 计算机完成计算后可编制数据文件，由数据文件指导割炬按规定轨迹和坡口 天津大学硕士学位论文第二章新型火焰自动切管机概述 角运行，同时，根据需要，切割轨迹曲线可以在计算机屏幕上显示。 5 ) 设置运行速度 割炬沿相贯轨迹的运行速度，即为切割速度，它又取决于工件的厚度。一般 情况下，当工件厚度为t ，有切割速度v ，经验公式： v 。：下1 4 0 0 ( m m m i n ) ( 2 - 1 ) 由于存在切割坡口， 即有实际切割厚度t t t3 o o s ( o 实际切割厚度随板厚增加，并且是随坡口角变动而变。 ( 2 2 ) 因此，切割速度v 应为： 。：半竺( r a m m l 。) ( 2 - 3 ) j t i 面 式中t 一被切管厚度( r a m ) ； 一实际切割角( 。) 。 切割速度由纵向运动y 与环向x 运动速度合成。当切割机本体旋转速度n 一定，切割速度v ，决定于纵向y 运动速度。因此当被切管厚度已知，切割 机本体旋转速度1 1 一定，随实际切割角变化，纵向运动速度变化，此过程可 由计算机计算并自动运行。 另外，配有速度增加、速度降低按钮，随时可进行切割速度的增减调整。 2 手动试运行 1 ) 各轴动作检查 使用操纵台上各按钮可进行y 轴左右高速、低速运动，x 轴正反方向( 逆、 顺时针) 旋转，c 轴正负( ( 0 角为正负) 偏转和z 轴升高与降低等动作的检 查。各方向的运动都设有限位开关。在清零和自动切割进行时，上述按钮被 锁而不能动作。 2 ) 割炬、氧和乙炔压力检查 切割前应进行割炬、预热割矩喷嘴等的检查；割炬应垂直于工件表面，割炬 前端距工件高度约为3 0 一3 5 m m 。 氧压力为o7 m p a ； 乙炔压力为o 0 3 一o 0 4 m p a ； 点火后调整预热焰为中性，火焰应对准切割起点； 以上操作兼手动进行。 天津大学硕士学位论文 第一二章新型火焰自动切管机概述 3 ) 被切管安装与对中情况检查 操纵三个测量基，检查管子对中情况。 3 自动运行 1 ) 割炬对准相贯线起始点，开机后，割炬向料头方向移动3 5 r a m ，并处于垂 直位置，准备引燃切割焰； 2 ) 按点火钮，高频火花引燃预热焰，待被预热工件达到开始切割温度，打 开切割氧，工件顺利割穿后，按自动运行钮，切割机按下列步骤运行： a ) 割炬自动沿y 向移动并按规定实际切割角偏转，到相贯轨迹线( o ) 角 已到位) 后沿相贯轨迹线运动并进行切割； b ) 切割过程中，切割机自动按计算机指令不断修正相贯轨迹和偏转角： c ) 当切割至特厚( 坡口角特大) 处，手动点燃辅助割炬，以保证切透， 并视情况随时调整切割速度； d ) 视切割进行情况，启动料头( 废料) 台车至料头下： e ) 当割炬一圈回转至起始位，料头落下；但回转未停，直至回转3 6 5 时， 自动停车； f ) 关闭割炬，结束切割，切割机反向回转，回到初始位置，为下一次切 割作准备。 如继续进行同样参数管子切割，可直接继续进行而不用重新进行计 算。如切割过程中出现故障，可按停止钮，切割中断。故障排除后， 可从中断处继续切割，也可返回始点，重新切割。 1 0 天津大学硕士学位论文第三章海洋平台a c s 系统 第三章海洋平台a c s 系统 3 1 系统总体功能简介 海洋平台a c s 系统服务于新型火焰数控切管机切割管件，系统输入为海洋 平台的结构单线图，系统输出为用以驱动切管机运动的n c 数控代码。在海洋平 台自动编程a c s 系统中，采用c a d 软件作为支撑平台的图形自动编程系统，它 具有速度快、精度高、直观性好、使用方便、便于检查等优点。以下将a c s 系 统实现的功能划分为几个层次，分别加以介绍： 1 零件信息生成模块 由于海上平台制造中所使用的零件均由a u t o c a d 设计，结果一般为三维图 形，但由于海洋平台是一个庞大、复杂的体系，如果用三维图形来表示平台的整 体结构，必然会使图形变的异常复杂，降低了直观性和操作性。因此本系统所直 接处理的是单线图，即每一个零件都用一维图形表示，几乎所有的零件都抽象为 线段，而零件的其它信息则通过人工输入的方式加入到为该零件所配备的数据库 中，只需要通过一次性输入便可以一劳永逸，其它的工作全部由软件自动完成， 与e t 前使用在中海石油平台制造公司的软件需要每次加工零件输入零件信息相 比，其自动化的程度和效率大大的提高。 2 零件几何参数、位置关系参数计算模块 几何参数是进行相贯线计算的重要依据，因此在计算相贯线之前完成。主要 的几何参数包括：杆件问的轴交角、扭转角、偏心、工作点偏移( 错心) 。 3 计算并绘制相贯线模块 通过编程使单件图保存了所有的零件信息，便可以由软件来计算每根管件在 切割时的相贯线，同时将相贯线展开图绘制出来，转化为单件图、样板图、脚印 图。其中单件图为支管切割后的内壁展开图，样板图为比例为1 ：1 的单件圈， 脚印图是在主管上形成的支管在其上的轮廓线。 4 几何数据向驱动数据转化模块 在生成相贯线的同时，程序记录了切管机各轴的运动位置，包括x 轴、a 轴、c 轴以及y 轴。将这些c a d 数据通过标准接口方式传递给数控编程系统， 便可以指挥切管机割炬运动，切出需要的相贯线。 5 重量、重心计算模块 天津大学硕士学位论文第三章海洋平台a c s 系统 平台制造中需要计算平台整体的重量以及重心，这部分计算在一张单线图中 所有的管件加工完毕后完成，所得的数据用在工程上以保证施工安全。 综上所述，a c s 的功能即c a d 系统在零件单线图( 包括管、板、锥体、型 钢、环) 中配备数据库，通过直接识别和提取加工所需要的参数信息，计算生成 切管机所需的各轴运动参数，并转换为切管机能够识别的数控代码，同时画出管 件切割后的坡口样式即单件图。该系统属于基于图形的自动编程系统，是 c a d c a m 一体化技术的一种应用。如图3 1 所示为a c s 系统总体功能模块罔。 输入 零件单线图 u 臣寸 瞄= = 爿杆件形式l 零件信息 生成模块l 一 臣p 母= 刊杆件几何参数l i 。一 ! 系统 竺翌l 仁零件几何参数、 = = 纠偏心l 1 - | 位置参数 计算模块 i 兰塑p 一j 回 飞一 爵j 回 计算并绘制 相贯线模块 陌砧 陌百一 剖各轴i l 数据1 l f 。嚣霈 转换模块 i t ， 数控代码 输出 图3 - 1a c s 系统总体功能模块圈 天津大学硕士学位论文 第三章海洋平台a c s 系统 3 2 智能化语言的选择 a u t o c a d 二次开发语言包括：a u t o l i s p 、a d s 、v i s u a ll i s p ( v l l s p ) 、a r x 。这 几种语言都属于人工智能语言，都是进行二次开发的有力工具。根据本课题所要 完成的任务和各个开发语言的特点，选用v l i s p 作为开发语言，v l i s p 语言具有 如下特点： 1 v l i s p 是一种计算机的表处理语言，是人工智能学科领域广泛使用的一种 程序设计语言。它嵌套于a u t o c a d 内部，是将l i s p 语言和a u t o c a d 有 机结合的产物。 2 使用v l i s p 可以直接调用几乎全部a u t o c a d 命令，即具有一般高级语言的 基本结构和功能，又具有一般高级语言所没有的强大图形处理功能。 3 v l i s p 是a u t o l i s p 的换代产品。它与a u t o l i s p 完全兼容，并提供它所有 的功能，是新一代的a u t o c a dl i s p 语言。v l i s p 对语言进行了扩展，可 以通过m i c r o s o f ta c t i v e xa u t o m a t i o n 接口与对象交互。同时，通过实现反 应器函数，还扩展了a u t o l l s p 响应事件的能力。作为开发工具。v l i s p 提供了一个完整的集成开发环境( i d e ) ，包括编译器、调试器和其他工 具，可以提高二次开发的效率。另外，v l i s p 还提供了工具用于发布独 立的应用程序。 下面依次介绍各个功能模块的实现方法。 3 3 零件信息生成模块 海洋平台导管架的制造包括多种构件，有管、板、锥体、环、型钢等结构， 要将这些结构参数分类输入到单线图中，必须通过合理的人机交互信息界面即对 话框来实现，并将输入的信息永久的保存在单线图中，并且要求将特定的信息赋 予特定的结构，点击某个结构就可以调用出它的各项信息，以利于查看或修改。 单线图例图如图3 - 2 所示，输入的界面如图3 - 3 所示。 由于在系统操作的过程中，系统所处理的文件均为d w g 文件，是a u t o c a d 在图形生成和编辑中使用的数据库，它存放的主要内容是所生成图形的几何信息 和其他有关信息 7 1 。d w g 这种数据库相当别致，数据库的结构允许用户建立自 己的、许多种可能结构的“非图形信息”数据。这种数据的建立主要是用“属性”、 “扩展的对象数据库”和“词典”三大类功能。在编制程序的工程中，选择图形 词典来管理数据库。在用户操作过程中，只要找到了相关的图形对象，就能找到 这些与此图形相关的非图形数据记录。图形词典可用的数据类型相当丰富，几乎 天津大学硕士学位论文第三章海洋平台a c s 系统 图3 - 2平台导管架单线图 图3 - 3 信息输入对话框 天津大学硕士学位论文第三章海洋平台a c s 系统 所有的v i s u a l i s p 数据都可以使用，简化了程序编写难度，几乎能做到用户怎么 想就可以怎么写数据结构，而且数据量可以相当大。一个单线图可以存储多个图 形词典，即给每根管件都配备一个图形词典，一个图形词典可以并存多个记录。 在程序中用到的最主要函数有8 】： ( v l a x l d a t a p u t )将数据存入实体图形词典 ( v l a x l d a t a l i s n 显示实体图形词典数据库 ( v l a x l d a t a d e l e t e )消除实体图形词典某条记录 如某一管件在单线图中表示为一条线段，将管件其他信息输入到该实体图形 词典中，输入语句如下： ( p r o g n ( v l a x - l d a t a p u te n ”n o ”( g e t _ t i l e ”n o ”) ) ( v l a x l d a t a - p u te n ”l e f t n o d e ”( g e t _ t i l e ”l e f t n o d e ”) ) ( v l a x - l d a t a - p u te n ”l e f t b o a r d “( g e t _ t i l e ”l e f t b o a r d ”) ) ( v l a x l d a t a - p u te l l ”r i g h t n o d e ”( g e t _ t i l e ”r i g h t n o d e ”) ) ( v l a x - l d a t a - p u te n ”r i g h t b o a r d ”( g e t _ t i l e ”r i g h t b o a r d ”) ) f v l a x - l d a t a p u te n ”p a r t ”l i s t l ) ( v l a x - l d a t a p u ta n 。s u b t i m e ”s u b t i m e ) ) 用( v l a x l d a t a l i s te n ) 可查询该管件信息： ( ( ”s u b t i m e ”1 ) ( ”r i g h t n o d e ”a ”) ( ”r i g h t b o a r d ”n ”) ( ”p a r t ”( ”6 0 9 6 ” ”1 9 0 5 ”) ) ( ”o l d c o l o r ”7 ) ( ”n o “”1 ”) ( ”l e f t n o d e ”“b ”) ( ”l e f t b o a r d ” ”无”) ( ”b a r t y p e ”p i p e ”) ) 所表示的含义为：杆件段数：1 ，右节点：a ，右包板：无，管径：6 0 9 6 m m ， 壁厚：1 9 0 5 m m ，杆件原颜色号：7 ，杆件号：1 ，左节点号：b ，左包板：无， 杆件类型：管。 杆件的几何信息则通过d x f 组码形式存储。在c a d 系统间传递数据所用的 数据交换标准中，d x f 为应用最为广泛的文件之一，在各个模块问传递的描述构 件特性的数据均采用d x f 组码格式。下面对这种常用交换标准的数据格式进行 分析。 d x f 是a u t o c a d 图形数据库中信息表达的一种索引标记和数据表达规则， d x f 组码，则是数据的索引项，不同的数据结构中有各自的组码系列，表达不 同的数据结构含义。在d w g 数据库中，有“命名对象”和“图形对象”两种大 的数据结构分类，其区别在于：图形对象一定有相关几何图形，而命名对象则只 有数据结构，因此，各种不同的类别有各自的d x f 规则，而同一类别的数据表 达也有各自独立的部分。在本系统的程序设计中，均采用与图形相关的d x f 组 天津大学硕士学位论文第三章海洋平台a c s 系统 码格式。 d x f 文件的结构分成5 段，即标题段、表格段、块段、实体段和结束段。 每个段均由若干个组组成，组是段的最小书写单位，每个组在d x f 文件中占两 行，第一行为组代码，第二行为组值。其中，组代码代表该组数据的意义。如组 代码标志一个实体、图层、段、表及文件分隔符等说明的开始。组代码的具体赋 值取决于图形的内容。 对单线图中的构件来说，所需要的实体数据都存储在实体段( e n t i t i e s ) 中， 下面对实体段的内容进行说明。实体段中，每个实体以一个标志该实体名称的组 开始，组值即实体的名称，如：a r c ，l i n e ，c i r c l e 等。在每个实体的说明 中，用组值与组码说明实体的几何数据。如圆弧( c i r c l e ) 用1 0 ，2 0 ，3 0 组来说 明实体的圆心，用4 0 组来说明半径，用5 0 ，5 1 组来说明起始角和终止角；直线 ( l i n e ) 用1 0 ，2 0 ，3 0 组说明起始点坐标，用1 l ，2 1 ，3 1 组说明终点坐标。其它 还有对点( p o i n t ) 、轨迹线( t r a c e ) 、多义线( p l i n e ) 等的说明。 单线图中除了圆环，几乎所有的构件都用直线表示，可以查看某根管件用 d x f 组码表示的几何信息： 1 1 ( 一i ) 2 ( 0 ”l i n e ”)说明实体是直线 3 】( 1 0 2 ” a c a dx d i c t i o n a r y ”)说明实体为图形词典对象 4 1 ( 3 6 0 1 5 】( 1 0 2 ”) ”) 6 ( 6 7 0 )颜色为0 7 】( 4 1 0 “m o d e l ”)在模型空间 8 ( 8 ”0 ”)图层为0 【9 】( 1 0 0 ”a c d b l i n e ”)线型实体 1 0 】( 1 04 6 6 5 1 92 5 2 0 5 40 0 )直线起点 【1 1 ( 1 14 5 1 0 1 21 9 2 7 7 70 0 )直线终点 1 2 】( 2 1 00 0 0 01 o )直线法矢 程序编制完成之后，将其加载到a u t o c a d 启动组中，这样在每次运j t a u t o c a d 之后，该程序将完成自动加载。在输入零件信息时，键入程序编制的输入命令 i n p u t ，开始捕捉杆件，每捕捉一根杆件( 当捕捉靶区有误、或误敲其他键盘时， 进行循环捕捉，直至捕捉成功) ，杆件加亮，显示图3 - 3 所示输入对话框，图3 3 中，高亮显示的编辑框内容是有关管结构的信息，其它编辑框为不可用。如点击 单选框中的其它零件结构，如板，则与板相关的编辑框如坡口角、夹板则高亮显 示，其它编辑框为不可用。同理，其它的零件结构分别对应于相关的零件信息。 天津大学硕士学位论文第三章海洋平台a c s 系统 数据输入完毕后，则杆件亮度恢复正常，但杆件颜色变色( 但是变量须记住原颜 色) 。此外，当一幅单线图中的所有模型信息都输入完成之后，恢复每根杆件的 原颜色，并且存档，如有需要，可以随时将输入的信息写入数据文件中。 3 4 零件几何参数、位置关系参数计算模块 几何参数是进行相贯线计算的重要依据，因此在计算相贯线之前完成。主要 的几何参数包括：杆件间的轴交角、扭转角、偏心、工作点偏移( 错心) 。其定 义见4 2 。 以求管件间的扭转角为例，说明几何参数的程序计算法。 两管之间的扭转角为0 度。若有第三根管，也就是存在二次搭接，主管2 如 果不在主管l 与支管构成的平面内，则存在扭转角。该角度是在支管端平面测得 的主管1 于主管2 投影的交角。程序设计的步骤如下： 1 提取主管1 两端点p 1 1 1 , p 1 2 1 ： 2 提取支管两端点p 1 2 ，p 2 2 ，计算支管法矢( m 2 ，n 2 ，p 2 ) 3 调用求投影点子程序，求p 1 1 1 ，p 1 2 1 在支管端面上的投影m d l a ，m d l b ： 4 使用a u t o c a d 命令( c o m m a n d ”u c s ”n ”z a ”p 2 2p 1 2 ) 将构造平面转到支管 端面上； 5 用函数( t r a n sm d l a01 ) ，( t r a n sm d l b01 ) ，计算m d l a ，m d l b 在新构造平 面上的坐标m d l a a ，m d l b b ； 6 函数( a n g l e m d l a a m d l b b ) 求主管1 相对于固定坐标轴角度f 1 1 ； 7 命令( c o m m a n d ”u c s ”w ”) 转换为世界坐标系： 8 用以上的步骤求主管2 相对于固定坐标轴角度f 1 2 ； 9 f 1 2 一f l1 即为主管i 与主管2 在支管端平面上的夹角，即扭转角。 其中子程序点到面的投影设计如下： ( d e f u np r o j e c t p o i n t ( p o i n tmnpd x oy oz oxyzr e t u r n ) ( s e t qx 0 ( c a rp o i n t ) y 0 ( c a d rp o i n t ) z 0 ( c a d d rp o i n t ) ) ( s e t qx ( ( - ( + ( 4nnx 0 ) ( + ppx o ) ) ( + ( + i t iny 0 ) ( + mpz 0 ) ( + md ) ) ) ( + ( 。m m ) ( 4nn ) ( 4p p ) ) ) y ( ( - ( + ( + m my o ) ( 8p py 0 ) ) ( + ( 4n pz 0 ) ( 4 mn x 0 ) ( 4nd ) ) ) ( + ( + m m ) ( + n n ) (