（机械电子工程专业论文）火焰自动切管机割矩轨迹控制的研究.pdf

摘要 ( 随着工业朝向自动化、现代化方向的发展，数控系统在工业设备中的 核心技术作用表现得越来越突出。，本课题的研究对象一一火焰自动切管机 是海洋采油平台导管架及平台制造工程中各种金属管材接头切割的关键 设备。本论文紧密结合火焰自动切管机数控系统的研究与开发，着手研制 具有自主知识产权的火焰自动切管机的数控系统。本文的主要成果包括： 一运用数学方法，对割矩路径运动学进行了分析，拟合多种切割轨迹的 数学表达方程，完成了切割轨迹的数学模型建立。 一通过对数控编程技术的研究，借助程序语言开发各种切割轨迹的控制 软件，轨迹控制程序的编制采用模块化设计。 _ 研制了轨迹切割控制器，新研制的轨迹控制器能自动进行轨迹和坡口 角的计算并自动控制割矩按计算所描绘的相贯线行走，回转，倾斜。 一研究了该火焰自动切管机的性能工艺要求，对切割坡口角的特殊要求 和特殊点的处理做出了具体的分析。 _ 结合本次具体研究开发对象一一火焰自动切管机，对整机伺服系统进 行了分析，对轨迹跟踪控制及控制误差处理等问题进行了探讨。 关键词火焰自动切管机 割矩数控系统切割轨迹 丞生厶兰墅： 鐾筵篓l 二： a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r yt o w a r da u t o m a t i o na n dm o d e r n i z a t i o n ， a st h ec o r eo fa l lt h e t e c h n o l o g y , n u m b e r c o n t r o l s y s t e m o f i n d u s t r y e q u i p m e n t s b e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h e s t u d yo u j e c t o ft h i s t a s k f l a m ea u t o m a t i eb u l bc 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 ，w h i c h a r eu s e dt oi n c i s ea l lk i n d so fm e t a lb u l bt i e i n s t h e s em e t a lp i p e sa r eu s e di n p i p e f l a m eo fs e ao i le x t r a c t i o nf i a tr o o fa n dm a n u f a c t u r ew o r k t h ep a p e r c o m b i n e sw i t ht h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mo f f l a m ea u t o m a t i cb u l bc u t t i n gm a c h i n e s ，f a l l st o d e v e l o p i n gi n d e p e n d e n t k n o w l e d g ep r o p e r t yr i g h t 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 ： u s i n gt h em a t h e m a t i cm e t h o d ，t om a k ea na n a l y s i s o ft h ea c to ft h e c u t t i n gt o r c h ，t oe s t a b l i s hm a n y a ni n c i s i o nt r a c k s m a t h e m a t i c se q u a t i o n ，t h e n t os e tu pt h e i r sm a t h e m a t i c sm o d e l b ym e a n so fs t u d y i n gt h en u m b e rp r o g r a m m et e c h n o l o g y , i te x p l o i t st h e c o n t r o l l i n gs o f t w a r eo f a l lt h ei n c i s i o nt r a c k s a n da l lp r o g r a m sh a v ea d o p t e d m o d u l a rp r o g r a m m i n g h a v i n g s t u d i e dt h en e wi n c i s i o n t r a c k s c o n t r o l l e r , w h i c h c o u l d a u t o m a t i c a l l y c a l c u l a t et r a c ka n ds l o p i n g a n g l e ，t h e n c o u l d a u t o m a t i c a l l y c o n t r o lc u t t i n gt o r c ht ot r e a d t ot u r na n dt oi n c l i n ea c c o r d i n gt ot h er e s u l t h a v i n gs t u d i e dt h ep e r f o r m a n c er e q u e s to ft h ef l a m ea u t o m a t i cb u l b c u t t i n gm a c h i n e s ，t h e ni ta n a l y s e st h ee s p e c i a l l yr e q u e s to fi n c i s i n gs l o p i n g a n g l ea n d t h ee s p e c i a l l yd i s p o s a lo ft h es p e c i f i cd o t c o m b i n i n gw i t ht h ei d i o g r a p h i cd e s i g no b j e c t - - f l a m ea u t o m a t i cb u l b c u t t i n gm a c h i n e s ，i th a sa n a l y z e dt h es e r v os y s t e mo fc u t t i n gm a c h i n e ，t h e n d i s c u s s e ds o m ei s s u e ss u c ha st r a c kc o n t r o l l i n ga n de r r o rd i s p o s i n g k e yw o r d s ：f l a m ea u t o m a t i cb u l bc u t t i n gm a c h i n e ，n u m b e rc o n t r o ls y s t e m o ft h ec u t t i n gt o r c h ，i n c i s i o nt r a c k s 区洼太堂殛：堂位监竖 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 随着海洋石油工业的迅猛发展，油、气用建设中有需要有大量的k 、 t 、y 等接头型号的钢管架。而随着钢管架结构的普及，管构件的焊缝准 备工作要求越来越高，焊接工作将面对大量多根钢管相交，管一板相交及 管一管、板相交等，这种多重相交对管端的切面轮廓线加工精度提出了很 高要求，以便保证良好的配合精度及焊接质量。为了精确加工这些管端切 割面，需要考虑一系列影响因素，例如焊接坡口角。在焊缝要求产生坡口 ( 当构件壁厚超过6 s m m 时，一概都要求进行焊缝坡口准备) 以及切面形状 呈任意平面或空间曲面形状时，热切割法的优点表现的最明显。对于管道 和容器制造中的厚壁构件，其昂贵的坡口角及切面轮廓线的加工，比较经 济的方法通常都是在数控机械上运用热切割法进行加工。 火焰式自动切管机是海洋采油平台导管架及平台制造工程中各种金 属管材t 、k 、y 等多种接头切割的关键设备。目前，在国内仅有3 台该 类进口火焰自动切管机，并均属海洋石油工程总公司。安装在海洋工程石 油股份有限公司的两台p i p e y m w l 0 0 0 型火焰自动切管机，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，另一台彻底 不能使用，严重影响了切管生产，制约了驶向“集约化”的两个车轮一一 质量与效率。若继续依赖进口，将使我国在该领域制造永远落后于先进工 业国家。 为了在制管领域赶上并且超过国际先进水平，本次研究课题瞄准国际 先进的切管水平，着手研制具有自主知识产权的火焰自动切管机的数控系 统。它的研制将使切管机的生产系统具有良好的人机界面及切割轨迹的动 态跟踪功能，使用操作方便，适合于工业现场使用，并提高了系统可靠性 及加工效率。 由于火焰自动切管机是典型的机电一体化研究范畴，故本次研究属机 电。体化高新技术领域。该项研究成果将使我国掌握了自动切管机的核心 技术可用于研制具有自主知识产权地火焰式自动切管机，填补了我因数 五韭厶堂熊= 匕堂位论盅= = = = = ：= = = ：= 一 控切管机在这一领域的技术空白。同时，通过对该项技术的研究，可生产 国产设备代替进口设备。另外，采用同类技术可开发相应的焊接机器人。 1 2 数控切割机概述 火焰自动切管机属于特殊的数控切割机，自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，挪威斯托德船厂1 9 6 0 年起就把数控切割 机应用于生产，随后不少造船工业发达国家都相继开始了数控切割机的研 制热潮。到了六十年代中、后期已有相当数量的数控切割机投产使用。我 国有关单位也先后于六十年代末七十年代初开始对数控切割机进行了大 量的研究工作，微电子技术和计算机应用技术的发展，特别是从8 0 年代 初以来随着对外开放政策的深入贯彻，加强了技术交流和技术引进，在造 船、机械制造等行业进口了各种型号时数控切割机，促进了国内数控切割 技术的发展，人们日益认识到先进的热切割设备是保证焊接产品质量的关 键之一1 。 但是，国内研制的数控切割机仅仅局限于数控切割板材的加工，而对 于火焰式数控切割管材，特别式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无研 究。国内在这一领域尚属空白，仍然要依赖于进口。 目前国内外应用最为广泛的数控切割机仍然为氧一乙炔火焰切割机， 这种机构与传统手工切割相比，具有下述优点： a ) 切割精度高。 b ) 自动化程度高。 c 1 切割速率高。 d ) 钢板利用率好。 e 1 适用范围广，经济效益好。 而火焰切割机的发展主要是自动编程等配套技术的发展。当前国内主 要有两种编程系统，一种是利用计算机辅助设计系统，运用其图形输入和 显示功能，通过人机会话编程出自动套料好的数控源程序；另一种是利用 区洼厶坐i 业：! 二兰位亚童：= ：= = ! = = = = = = = = = = = = = 一 简化了的计算机数控语言，人工输入零件图形或关键参数及零件品种和数 量，通过计算机图学、计算机数学运算、编辑，自动编排出个同套料方式 的数控程序，实现了自动编程套料，大大提高了编程速度和精度。两种方 案在生产实践中发挥了良好作用，正在推广应用“1 。 随着许多高科技应用于数控切割机，如高档微型计算机、可编程控器、 计算机图像处理技术、c a d 、高精度数字和伺服驱动技术、等离子弧技术、 激光技术、水射流技术及配套技术等等，数控切割机的技术性能、可靠性、 有效利用率、维修性、方便性及适用范围得到显著提高，几乎可以切割所 有金属材料和各种非金属材料，此外与氧一乙炔切割机配套的乙炔发生 器、回火防止器等配套设备和产品也得到相应发展，如回火防止器已达国 外八十年代初水平“”。 数控切割机的优点显著、品种繁多、应用面广、发展迅速，但技术要 求高，和一些工业发达国家相比，我国在品种规格、技术性能和稳定性、 外观造型、配套技术及人员素质等方面还存在一定的差距，我国近年来仅 引进3 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) ，2 台为日本制 造( 安装在海洋石油工程股份有限公司塘沽场地) ，我国目前尚无厂家生产、 制造该类设备。故应进一步加强消化吸收和国产化进程，研制出高档国产 化产品以取代进口，并扩大品种和规格，发展我国自己的新机型、新系统。 1 3 课题研究的主要内容 火焰自动切管机数控系统进行国产化研究与开发，其具体的技术内容 包括： 1 对割矩进行运动学分析，拟合多种切割轨迹( 空间曲线) 的数学表达方 程： 2 按照驱动部件运动参数及焊接工艺( 如焊接坡口角等) 要求，进行数控编 程技术研究，丌发各种切割轨迹软件。 3 研制轨迹切割控制器，新研制的轨迹控制器应能自动进行轨迹和坡口 角的计算并自动控制割矩按母管与支管计算所描绘的相贯线行走，回 五连厶芏丝土生筵i 金崔 转：按给定的坡口角倾斜。 4 新研制的数控系统应能实现以下功能： ( 1 )夹角小于3 0 0 的小角度管管相交，管板相交相贯接头； ( 2 )四管相交相贯接头； ( 3 )与m i t e r 一板相交相贯接头； ( 4 )与两管、一板相交相贯接头； ( 5 )实现微机操作数据软盘直接转换到数控系统电脑上等功能： ( 6 )短管两头切功能。 新研制的火焰自动切管机数控系统，其技术水平应达到，部分超过现 行国际同类产品技术水平。 本文从研究火焰自动切管机的性能特点入手，建立了完整的切割轨迹 的数学模型，填补了这一领域的理论空白，为完成正确的切割轨迹提供了 可靠的依据。在此基础上，对数控系统的软件进行了新的开发，从而为火 焰自动切管机智能化加工提供了保证。最后，针对本次开发研究，对火焰 自动切管机的一些具体问题做出了相应的分析。据此，全文安排如下： 第一章阐述了本课题的研究背景和意义，对课题研究对象的国内外 的状况做了概述，并提出本课题的主要研究内容。 第二章研究了该火焰自动切管机的性能工艺要求，在了解该切管机 基本参数的基础上，对切割坡口角的特殊要求和特殊点的处理做出了具体 的分析。 第三章通过运用数学方法，对割矩路径运动学进行了分析，同时完 成了切割轨迹的数学模型建立。 第四章借助程序语言完成系统软件的设计，系统的轨迹控制软件主 要是由t c 编制轨迹控制程序的编制采用模块化设计。 第五章结合本次具体研究丌发对象一一火焰自动切管机，对整机伺 服驱动进行了分析，对轨迹跟踪控制及控制误差处理等问题进行了探讨。 第六章对本文取得的成果作以总结，并对课题作以展望。 五洼厶堂熊量堂位论童。 一一 一一 ： 第二章火焰自动切管机的结构组成及工艺要求 2 1 火焰自动切管机结构组成 火焰自动切管机的切割轨迹和坡口角的生成是由轨迹计算器进行自 动计算并控制割矩行走、回转倾斜，使割矩按母管与支管计算所描绘的相 贯线及各线段给定的坡口角自动完成热切割，为了满足切管的工艺要求， 需掌握火焰自动切管机的结构组成，该机的基本结构如下： ( 1 ) 割矩部分t 割矩部分由割矩倾斜、升降、预热、行走台车及上、下跟踪传感部分 构成，割矩倾斜部分可顺时针、逆时针各倾斜7 5 0 ，是在支管上切出坡口 角的机构；切割割矩在倾斜时，由于切割厚度变大，为得到良好的切割面， 需要给予预热，预热割矩比切割割矩先行一步，以便在切割轨迹的附近得 到良好的预热效果，传感装置采用差动变压器的感应变化量，控制割矩的 传输臂升降。 割矩行走台车的驱动是由伺服马达通过减速装置输出轴上的小齿轮 与钢轨上的齿条相咬合，把马达的回转运动变成直线运动，用数字伺服方 式读取位置，由轨迹控制器计算切割轨迹自动控制割矩台车行走的距离。 割矩的回转是由伺服马达通过行星齿轮减速箱、再介入齿轮减速( 其总 速比l lb o o ) 使割矩的回转可以交替的进行j 下转或反转，但不能超过一转。 在割矩回转部分上，装有传输臂的东西，完成割矩的升降。割矩升降 可手动或点动，在自动切割时，通过差动变压器实现割矩的自动升降。在 升降的上下极限位置，装有限位了_ l ：关，使其在极限位鬻停止。 ( 2 ) 管承台车t 管承台车用来承托被切割管，具有升、降、行走、横移等功能。行走、 横行、升降等各种动作用手动操作，其数值可在操作盘上的测量仪表上显 乃弋。 ( 3 ) 废料台车t 废料台车是用来承接切下的废料管头，具有行走、升降、横移等功能。 其全部动作是手动操作。 区挫厶堂熊：! ：生皿监盅 ( 4 ) 回转供电装置t 电气控制部分包括工业控制p c 机、c n c 数控系统、o m r o n p l c ( c q m l ) 、驱动电路和保护电路。控制原理图如图2 1 所示，x 、r 、t 轴构成速度内环、位置外环的控制电路。保护电路包括过载报警、紧急停车、 行程限位等。 图2 1 回转供电控制原理图 2 2 火焰自动切管机控制系统 组成该火焰自动切管机数控系统的硬件主要包括工业p c 机、运动控 制卡和伺服系统。其中工业p c 机担负着切割机运动轨迹的计算f 粗插补) 以及对整个系统管理的任务。运动控制卡插在工业p c 机的扩展槽中，它 一方面与伺服系统相连，实现对切割机运动轨迹的控制( 精插补) ：另一方 面与机床控制面板及控制气源的继电器相连，通过控制面板，可以调整机 床的位置，指令机床启动、暂停或沿原切割轨迹返回，还能实现切割速度 的加速与减速；通过继电器，可以控制氧气和乙炔气体的开关。运动控制 卡由自己设计，它主要包括译码电路、振荡电路、i o 端口电路、脉冲控 制电路、中断电路以及光电隔离输入输出电路。其中译码电路为运动控制 6 五洼厶堂熊土坐焦监塞 卡提供一个接口地址段，通过拨码开关可以更改该地址段的范围；振荡电 路为运动控制卡上的脉冲控制电路提供一个固定频率的脉冲源；i o 端口 电路由两片8 2 5 5 并行口芯片组成，其主要作用是输出切割机气源控制信 号及输入机床按钮信号：脉冲控制电路由两片8 2 5 4 计数器组成，每片8 2 5 4 计数器分别控制一个轴的伺服电机；中断电路是为控制软件提供硬件中断 信号而设计的；光电隔离输出输入电路将工业p c 机电源和外界电源隔离， 减少外界电源对计算机的干扰。 伺服系统将会在第五章予以介绍。 图2 2 系统控制结构简图 图2 2 所示为系统控制结构简图。 工控机主要控制功能是各种切割形式选择、参数输入、计算、切割程 序生成和c n c 数据通讯。它由切割形式界面、参数输入界面、参数结果 界面和通讯界面等组成。 玉韭厶堂垂：l ! ；! ：坐位垃墓 1 ) c n c ( o m d ) 系统控制的三轴( x ，r ，t ) 是用来实现切割运动轨迹，x 一移 动轴，r 旋转轴，t 一摆动轴。所有伺服参数的调节全部在c n c 系统 中实现。 2 ) p l c 是用来实现c n c 系统与外界设备之间的联系，主要用来检测外设 的状态，如各轴的复位丌关，限位开关，操作面板的控制。 3 ) t 轴高度调节： 在第三章将有详细的阐述。 4 ) 外部设备的控制： 图2 3 为外部设备的控制原理图。所有外部设备的控制、状态、全部 由p l c 来实现，用p l c 的与、或、非指令取代继电器触点串联、并联及 其他各种逻辑连接，进行开关控制。输入信号、按键和限位的信号和输出 信号组成系统的输入输出。完成台车的升降、行走及平移，以及切割气体 的控制。 p l c ( c q m l ) 控制 面板 各台车 $ e 位 5 ) 控制面板： ( 1 ) 系统控制面板 图2 3 外部设备控制原理图 机机机机机机机机 五建塞堂蛔堂位监墼： 。：一 完成系统上电、 ( 2 ) 机床控制面板 完成机床复位、 ( 3 ) 外部操作盒 完成速度调节， 6 ) 控制柜： 断电、机床状态控制、急停控制。 点动、速度调节、各外部设备操作等。 各种设备操作等。 包括数控控制柜和i p c 控制柜。 2 3 火焰自动切管机的切割程序及基本切割参数 1 火焰自动切管机的切割程序 ( 1 ) 切割前的准备程序 a ) 调整割矩应处在轨迹线前( 料头方向) 约3 0 r a m ，并于垂直位置作开始g 燃点。 b ) 用高额火花引燃预热焰，待被预热工件发红打开切割机，如果顺利切穿， 则按“自动”运行键。 ( 2 ) 正式切割开始后的工作程序 切割机按如下规定进行自动运作( 各符号意义在3 1 节中有分析) ： a ) 沿z 轴方向，切割速度切割移动至轨迹线上： b ) 按给定实际切割角偏转r 轴，切割出坡口，与此同时r 轴转动，z 轴移动( 即每转单位0 角，如o 0 l o ，则有z 方向移动) ； c ) 按r 轴转动一目角变动决定妒，进而决定吵，最后可确定实际切割角 珊变动： d ) 按凡转动，0 角变动、角变动决定各轴相应的切割速度： e ) 切割过程应在屏幕上显示轨迹，显示割矩所在位置，一直到环转 3 6 0 0 ，回到丌始处，自动停止，关闭割矩，结束切割； f ) 如继续进行同样条件管子的切割，则可直接放入管子，继续进行切 割，不用重新计算： g ) 如切割过程中出现故障，可用“停止”键，割矩及动作都停止。排 除故障后，可从中断处继续切割，也可返回原点，重新切割。 厶建厶坐! 自：坐值监卫 2 火焰自动切管机基本参数： 火焰自动切管机是一种特殊的火焰切割机，除要求具备- - 一般切割机的 工艺性能外，还要求有其自身的工艺性能，并根据其加工工艺的要求，其 基本切割参数和运动参数如下： ( 1 ) 切割机部件参数 割矩行走： 行程：9 0 0 0 m m 速度：0 7 0 0 r a m r a i n 割矩回转： 行程：4 5 吒4 0 5 0 速度：0 0 7 5 r p m 割矩升降： 行程：6 0 0 r a m 速度：7 0 0m m m i n 割矩倾斜： 行程：1 5 0 】6 5 0 速度：2 r p m ( 2 ) 切割参数t 切割形状：平面切割，支管切割，偏心支管切割 发定母管外径：0 - 2 9 9 9 9 ( 设定值的单位0 1 m m ) 相交角度：3 0 0 9 0 0 15 0 0 坡口角：执行a p i 及a w s 规范 没定偏心量：0 9 9 9 9 ( 设定值单位0 1 m m ) ( 3 ) 加工管材参数 公称直径( i n c h ) ：1 0 4 0 管跃：( m m ) ：6 0 0 0 - 2 0 0 0 0 管壁厚( h i m ) ：3 5 6 0 最大重量( k g ) ：6 0 0 0 0 区注厶堂 照尘堂垡堂垒：一 2 4 火焰自动切管机的工艺要求 火焰自动切管机具有一般数控机床的特点，能根据数控加工程序，自 动完成从点火预热通切割氧气切割熄火- 返回原点的整套切割过程。但 火焰自动切管机又有别于一般数控金属切削机床，它利用氧- 乙炔火焰把钢 板割缝加热到熔融状态，用高压氧吹透钢板进行切割，而不像金属切削机 床那样，是用金属切削工具与工件刚性接触来进行切削加工。由于各种因 素的影响，有时会发生钢板未割穿的现象，此时割矩应暂停下来按原轨迹 准确地返回到未割穿点，再按原轨迹重新切割，因此火焰自动切管机必须 具有随时实现暂停及按原轨迹返回的功能。同时，针对热切割技术的特点， 对切割的坡口角度及其他加工工艺性提出了新的要求1 9 1 m 1 。 2 4 1 热切割技术的优越性 在机械工业领域中，热切割和焊接都是采用面很广的重要基础工艺。 随着机械工业的迅速发展，热切割技术也相应的获得了快速的发展。近2 0 年来，已从单一的火焰切割发展成为包括火焰切割、等离子弧切割、激光 切割、水射流切割等多种工艺方法在内的现代化切割技术。切割的材料由 通常的碳钢和低合金钢发展到高合金钢、不锈钢、多种有色金属和陶瓷、 塑料、橡胶、皮革及其他非金属材料。应用领域覆盖了机械、造船、石油、 化工、矿山、冶金、交通运输和轻工等许多工业部门。 热切割的应用有两个特点：一是与焊接生产的配套，二是用于物料的 分离。用于与焊接生产配套作为焊接生产的第一道加工工序，就是切割下 料加工，其切割的质量直接影响焊接构件的内在质量、尺寸精度、外观、 焊接生产的效率和结构件的成本等。用于物料的分离切割，热切割可代替 机械加工，如大截面铸锻件的分离切割、重大锻件的毛坯准备、连铸机的 热坯切割等。 随着计算机及微机技术的发展，切割领域罩产生了c n c 热切割技术。 它具有自动编程、套料和管理功能，还具有割缝自动补偿、喷粉划线、自 动点火、自动穿孔、自动调高、程序及故障显示、自动报警、自渗断、自 动进行任意平面曲线形状的直边及坡口切割等多种功能。它实现了切割生 产的高度自动化和高效率，而且由于其切割精度高，使切割从传统的两次 五洼占堂熊土堂壤堡甚 一一 加工( 即先切割下料，然后机械加工) 变为热切割一次成形。 随着钢管架结构的普及，管构件的焊缝准备工作要求越来越高，焊接 工作将面对大量多根钢管相交，管板相交及管管与板相交等，这种多重相 交对管端的切面轮廓线加工精度提出了很高要求，以便保证良好的配合精 度及焊接质量。为了精确加工这些管端切割面，需要考虑一系列影响因素， 例如焊接坡口角。在焊缝要求产生坡口( 当构件壁厚超过6 8 m m 时，一概 都要求进行焊缝坡口准备) 以及切面形状呈任意平面或空间曲面形状时，热 切割法的优点表现的最明显。 对于管道和容器制造中的厚壁构件，其昂贵的坡口角及切面轮廓线的 加工，比较经济的方法通常都是在数控机械上运用热切割法进行加工。 2 4 2 合理的焊接坡口 除了保证被切管被切断之外，在焊缝要求产生坡口以及切面形状呈任 意平面或空间曲面形状，如图2 4 所示。 图2 4 管端相贯曲面示意图 焊接接头设计时，为了保证构件的强度和避免过大的角焊缝尺寸，一 股中厚板的对接接头和t 型接头都要进行) 1 ：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、焊接成本等因素来决定。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，焊接成本也低。坡口精度差，易出现严重的焊接缺陷，焊接成本 也往往增加 1 2 3 1 。 用于焊接的主要坡口形式有：i 、v 、y 、x 、u 等。由于坡口角的存在， 故管端实际切割轨迹为相贯曲面。 2 4 3 特殊点的处理 按数控切管机的操作规程，切割开始时割矩中心应对准被切管内壁的 起始点，且割矩是由垂直于被切管轴线的位置转至初始点的切割角位置。 由于起始切割角的变化较大( 如可选1 2 0 以上时) ，转变成的电机驱动脉冲数 太大，以至系统下载驱动数据时产生溢出，致使读取脉冲数发生错误，从 而不能正确进行切割。解决办法是将初始点处切割角的一次转变为多次转 变。 这样初始切割过程是在割矩中心垂直对准起始点，启动后，割矩离开 初始点3 5 m m ，打火。割矩将工件预热并垂直割透后，割矩自动进入到初 始点，在进到初始点过程中，割矩偏转到规定的切割角，进行诈确的切割。 在切割管一管、板多次搭接时，被切管与各相贯管、板有各自的相贯线， 相贯线的交点处，同样会产生下载数据的溢出问题，而且可能分点间隔有 可能跨越相贯线的交点处，解决办法亦是将切割角的一次转变分多次进 行，从而获得满意结果。 五洼厶坐熊= ! ：坐位论窟 ：一 一一一一 第三章割矩路径运动学分析 及切割轨迹的数学模型建立 3 1 割矩路径的运动学分析 被切管保持不动，切割机本体完成切割过程的全部运动过程，即割矩 沿被切管做三轴联动与一轴手动。其运动关系描述如下： 正式切割前，割矩沿被切管径向做升降运动，以调整割矩相对于被切 管的位置关系，这项工作由操作人员来控制完成，即手动。正式切割丌始 后，根据已经调整好的各项参数，割矩自动完成切割全过程，即割矩按照 已经设定的速度要求绕被切管做回转运动，同时，割矩沿被切管轴线做轴 向移动，其速度大小由切割板的厚度及割矩的回转速度决定，这在第四章 有详细阐述。另外，在切割过程中，由于坡口角的要求，割矩要按要求倾 斜以便切出满足工艺要求的坡口角。这三者的运动必须按照一定的数学关 系同时进行，才能切出所需的相贯曲线或相贯曲面，故这三者的运动称为 三轴联动。其运动关系如图3 1 所示。 图3 1 割矩相对于被切管的运动关系 图中割矩沿被切管外围正转或反转形成回转运动，记为r 轴，行程 4 5 0 4 0 5 0 ；割矩沿被切管做轴向左移或右移，形成割矩的轴向运动，记为 丞韭厶鲎熊土堂i i 盈錾一一：一 z ( x ) 轴，行程9 0 0 0 r a m ；割矩在被切管上倾斜切出所需坡口角，记为t 轴， 行程15 0 1 6 5 0 ；割矩沿被切管径向升降形成割矩的径向运动，记为a 轴( 图 中未标出) ，行程6 0 0 m m 。 自动切割时，a 轴由跟踪控制单元t c u ( t r a c i n gc o n t r o lu n i t ) 控制以保 持割矩不偏离被切管表面，r x t 三轴联动使割矩沿相贯线预定轨迹切出坡 口。 i 厂 匦彝由砷亟亟匝卜哐煎垂巍一崾巍固_ 蠢 图3 2 图3 2 中所示为t 轴高度调节原理图，以此说明三轴运动原理。t 轴高度调 节是一个闭环控制系统，它由位移传感器检测位移量，再由p l c 中的模拟采集 模块进行数据采集、运算比较后，得出偏移量，输出给n c 系统，通过n c 控制 伺服电机带动机构动作达到调节高度的目的。 3 2 火焰自动切管机数学模型的建立 根据工程实际需要，被切管管端可能是管一管相贯，管一板相贯，或 多管相贯等多种相贯形式。所以应能根据不同的相贯形式，建立相应的数 学模型。虽然根据被切管相贯形式的不同，将被切管的数学模型分为l3 种，但是这13 种数学模型建立依据的原理是相同的，他们所遵循的数学 建模的方法也是相同的，即切管机的建模可以按照以下步骤进行： 一、求出相贯线方程： 二、计算两面角，决定焊接坡口角巾，求出实际切割角 三、计算纵向z ( x ) 补偿。 求出相贯相贯线方程，可以控制割矩的水平移动距离以及旋转位鼍： 通过焊接坡口角求出的实际切割角；可以控制割矩的摆动角度，求出纵向 鑫洼厶生! 吐上二生世冀望兰= 二= = = = = 二= = = = 竺= = = = 一 补偿，是为了弥补割矩偏转形成的误差。故这13 种数学模型的建立均是 围绕这三个方面展开进行的，现通过每一步具体的数学模型的建立分别加 以说明。 一、求出运动轨迹的相贯线方程 所有的数学模型均可分为管一管相贯和管一板相贯两大类。这里的相 贯线统一指支管内壁和主管( 板) 外壁相贯线。下面，按其分类求解各类模 型相贯线的方程。 ( 1 ) 管一管相贯的相贯线有： 图3 3 管一管相贯示意图 如图3 3 所示为管一管相贯示意图，由于割矩切割运动是三轴联动， 故对三轴的轨迹运算成为数学建模的重点，其中割矩沿被切管纵向的运动 坐标值的计算记为z ，通过图3 3 可以求出 z ：罢坐+ _ ( d - 2 t ) c o s o ( 1 ) 扛了一s i n a 卜f uj 式中各符号意义如下： d 一主管外径( m m ) ： d 一支管外径( m m ) ； t 一支管壁厚( m 卅) 6 1lq7 丑叉 、1，羚红，、变迹瑟 厶骂垒叁塑4 量兰些垒垒= = = = = = = = = = = = = = = = ：一 a 一管一管相费交角( 代入计算山3 0 0 9 0 0 ) ； 目一支管相贯线上任意点对应圆周角( o o 3 6 0 0 ) 口一主管相贯线上任意点对应圆周角， 同时还要求出弧坐标值，以控制割矩的行走，根据几何公式确 州罢卅移孟 在式中，根据图3 3 所示，可求出- t 管相。9 4 线上任意点对应的圆周角 嘞。 等s i n 口吲 ( 2 ) 管一板相贯线方程， 管一板相交形式较为简单，管板相贯形式如图3 4 所示， 图3 4 管一板相贯简图 山于相贯板的存在，故只需求出支管在径向上投影即可，有 z ：生里c o s p 2 怛a 一i ，各符号意义l 二j 自u 。 ( 2 ) 有 ( 3 ) ( 4 ) ( 3 ) 被切管与多管相贯的相贯线方程 通常形式为与两管相贯除主管外，与之棚贯的另一支管称一次搭接 如与另两支管斗 i 贯，则称二次搭接等。 厶婆厶堂熊l 生j 论堂 ： ：一一一 如果捌爨形式为一次搭接，棚贯线应分为两段，其槲贯形式如图35 图3 5 与多管相贯 面 其一为与主管相贯线，可用( 2 ) ( 3 ) 式解。其二为与搭接( 支) 管的相贯线 其纵坐标如( 5 ) 式，弧坐标如( 2 ) 式： z = 十坠型竺坠剑+ 。( 5 ) 2 t g a i 。 一 式中 d 一一为一次搭接支管外径： d ，一一被切管与次搭接支管的轴交角： 屈一一为被切管与一次搭接管的扭交角： p 一一错心： 其他符号与前式相同。 暇、l ，：( 1 ) ( 5 ) 式，可解出两条干f | 4 - 1 1 线的交点圆周角。可用计算机迭代解得 只岛，| = ! j 全部相贯线在0 为0 0 鼠及岛3 6 0 0 区m 为被切管( d ) 与搭接管 ( d 。) 槲熨线。0 在o o ：区问为被切管( d ) 与- 1 - 管( d ) 年目捌线。如多次搭接 f 僻) 钟j 贳，则将有更多分段柏刿线。 ( 4 ) 被切管与一管( 板) 相贯的相贯线方程 、- 1 做训计i - d i l , 川j 【上) 管，扳1 i i 舆，川_ j 线 j l 、分为两段。如阿36 所小 ，、 f f 伽、 汐 ， y i f 7 、 0 图3 6 与一管、板相贯 其一是支管与主管的相贯线，町用( 1 ) ( 2 ) 式解：其二是支管与板的相贯 线，可用( 2 ) ( 6 ) 式解。两条相贯线的交点圆周角可用( 1 ) ( 6 ) 式的联立解： z ：( d - 2 t ) c o s 0 2 t a i l a ， ( 6 ) a ，一一支管( 被切管) 与板的交角： e l 一一错心。支管与板表面的交点到支管与 i 管轴心交点的距离，其他符 号i 司前。 ( 5 ) 被切管与多板相贯的相贯线方程 当被切管同时与多板相贯，例如与两板( p 与p 1 ) 相贯，棚熨线亦分两 段。如图3 7 所示，其一是支管与扳p 的棚f ! ：f 线，可用( 2 ) ( 4 ) 式解：其一：是 吏销；与板p 1 的柏贯线可用( 2 ) ( 6 ) 式解。两条榭贯线的交点圆周角可i ：1 j ( 4 ) ( 6 ) 。州门i 攒晓解：化式中c 一一被切僻q ，心线弓p 、p 1 表而交，囊距离，当l jp l 投丽交点距切h 比与p 表面交j j i 距切 - i 更远州( 远离切管) ，此值为负。 图3 7 与两板相贯 二、计算两面角y ，决定焊接坡1 ：3 角中，求出实际切割角 焊接坡口角的取值根据两面角的大小决定，而实际切割角的大小又要 由两面角与焊接坡口角来决定，但坡口角与两面角之间的相对应关系是关 键。 ( 1 ) 焊接坡口角的设计与修正 设定与切割管相贯构件及形式：管一管、管一板、m i t e r 管等。设置 坡口角标准：通常有常坡口角、美国囡家标准美国焊接学会标准 ( a n s i a w s ) 、美国石油学会标准( a p i p i 2 a ) q b 华人民共和国石油天然 气行业标准( s y t4 8 0 2 9 2 ) ，多采用后两种，特别是a p i s y 标准，两种标 准皆依两面角决定坡口角1 2 0 1 1 2 5 1 。 a w s 标准( 坡l 1 角中，两面角) 1 8 0 0 矿13 5 0 = 9 0 0 4 5 0i l l 程e 司。取= 5 0 0 l 5 0 0 妒7 5 0 = 3 7 5 6 0 0 工程上可取= 5 0 0 ，i u = 7 5 0 5 5 0 7 0 。 妒 3 0 。妒= 4 0 。工程上可取= 4 0 。t t f f = 5 5 。3 0 。，妒= 4 0 。l 5 。 a p i 标准( 坡r 1 角，两面角) 一厶洼厶掌堡叁量垒皇：一 1 3 5 o = 4 5 0 i 1 3 5 ”， 9 0 。庐- 4 5 。 1 稃i i 门哪_ 4 5 。 j 1 3 5 。 9 0 。= 工程上可取2 4 5 。1 5 。 以上标准可见，坡1 3 角矽取决于两面角大小。 ( 2 ) 计算两面角y 在割矩沿相贯线运动的同时，割矩将在支管素线与轴线构成平面内偏 转某角度一称为实际切割角g o ，以便同时切割出所需坡1 3 角中。前已述 及，坡口角。由两面角矿决定。故先计算两面角缈才能确定坡口角巾，进 而决定实际切割角c o 。 根据标准( a w s 、a p i ) ，管状结构的局部两面角( l o c a lc l i h e d r a la n g l e ) 系指在垂直于焊缝线的平面内量得，在焊缝处所连接相贯管板外表面切线 问夹角。由空间解析几何可导出： 妒= c o s c o s o t c o s 8 - c o s p s i n 8 s i n p 】 凹= s i n 或 = c o s d - 2 t s j n 口十口 d f c o s 目c o s is i n 。 l i 生型s i n 目+ 日 d s i n 8 垡s j j 】口+ 订 口 ( 7 ) 式中a 、良扒d 、d 、d 同前。 ( 3 ) 求出实际切割角 根拊| f i 面珀和柏关标准确定的坡口角要门j 削矩相埘于垂直位背的偏转 憎 2 l s rji叫i s 来构成，该割矩的偏转角一即切割角a 。上述由两面角决定坡口角( 由缈 一决定巾) ，由。则可决定理论切割角a ，如图3 8 所示，则： 正理论切割角 图3 8 两面角、坡口角及理论切割角 彳= 9 0 - 抄+ o 式中西一一坡口角，由两面角决定。 一一在垂直于焊缝的两面角和坡口角所在平面内的切割角，又称理 论切割角。由此可见，上述坡口角， a 都是在两面角即与焊缝垂直的 平面内，切割角a 亦在此平面内，此平面随焊缝中心线一一即相贯线变动 而变，因此要切管机保证获得准确的理论切割角很困难。这给切割机设计 带来很大困难。 本切割机的切割面是在支管素线与轴心线所构成的径向平面内，由割 矩偏转构成切割角珊，此角称为实际切割角。 按经验公式，实际切割角m 与理论切割角a 有如下关系： t g ：堕 c o s ， 式中，一一为上述支管素线与支管轴形成的径向平面与两面角所在平 面央角为) ，则： 1 c o s a c o s 妒s i n p + c o s 口s i n p 舯。面5 _ 麦而i 万一 故尸侣i l c o s o t c o s 6 p s i 删n # + 。c 口o s # s i n6 pcoss i ) 、驴n f， 五洼厶堂必! ：堂也论窑 一一 故有实际切割角 = t g 式中： 一实际切割角，即瑚偏转角； 沙一由( 7 ) 式计算的两面角； o 一由确决定的坡口角，根据a w s ，a 规范 p 一由( r ) 式决定的圆周角；其他符合同前。 ( 8 ) 三、计算纵向z ( x 1 补偿 由割矩轴( 即r 轴) 偏转形成实际切割角，使割矩最初垂直对中支管内 壁与主管外表构成的相贯线位置改变。为保持切割后相贯线( 由支管内壁与 主管外壁相贯而成) 位置不变，割矩需沿支管表面z ( ) 轴向前( 负) 移动或后 ( 正) 移动，称为补偿，如图3 9 ： 图3 9 割矩补偿 = r t g c o 即 2 f t g ( 9 0 一一) c o s h 式中各符号同( 5 ) 式。 c o s ，a ，。c o s t p ，s ，i n 。o 。+ c o ，s o s i n 0 c o s c p s i n o 3 4 示例 3 4 1 被切管与两个m i t e r 管相交 被切管与两m i t e r 管相交的形式是典型的与多管相贯的形式，被切管 的相贯线分为两段，由于两个主管直径大小相等，故分割成的两段相贯线 有其一定的规律，在1 3 种相贯的数学模型中具有一定的代表性，如图3 1 0 所示 图3 1 0 被切管与两个m i t e r 管相贯示意图 从图中可以看出， 0 0 0 ，8 2s 0 3 6 0 0 b 0 以 管d 与管d 相贯： 管d 与管以相贯。 如d 与d 相贯，其内表面以0 为原点的z 坐标为 门川 。、。 弋萝 “矗1 _、，o钞 管叨放 小i爿lf | 心卜h k 。 。弋，|。 。，j。 獭卜一2 小m 郴 ，t ! j 如d 与d ：相贯，其内表面以。为原点的z 坐标为 特一( ( ”2 小州升蜘：) 在0 ，0 ：处，z ( 内) = z ( 内) ：，即： ( ( ) 2 一( ( 岫帅 m 2 ( ( ) 2 一(