（材料加工工程专业论文）数控切管机控制软件的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 在管道、桥梁，建筑等行业中，存在着大量的管材需要切割。为了保证结构 的美观和稳定性，对管子切割的时候一般要求沿其相贯线来进行，有时候还要留 出焊接坡口。为了开发出一种能够满足行业需求，切割出符合精度要求的数控切 管机，必须要有一种能够求解出各种情况下管接头切割的相关数据的软件来与之 配套。 本课题针对这种现状，首先分析了生产中常用到的管结构类型，根据切割特 点将其分成管端切割、短管两端切割以及主管开孔与槽，三大类二十二个小类。 通过对数控切管机切割理论的研究，选择了一种五自由度的切割机构。分析了在 此种切割机构下，切割各种管结构时，割炬需要的控制变量在此基础上结合空 间解析几何知识为每一种管结构类型建立了数学模型。利用这些数学模型能够求 解出管子与其它结构体的相贯线表达式，相贯线上任意点的两面角的表达式等切 割控制变量。本文针对各个行业对管切割中坡口要求的不同，给出了上述管切割 类型在不开坡口、开定角度坡口、a w s 和a p i 焊接坡口规则下，坡口角和切割角的 表达式。 基于上述理论，结合计算机图形学知识和o p e n g l 语言，利用c + + 编程语言编 制了一个o p e n g l 绘图类。该类集成了在w i n d o w s 环境下创建o p e n g l 绘图环境的 命令在v i s u a lc + + 编程环境下调用该绘图类编制了切割轨迹求解软件。利用 v i s u a lc + + 面向对象编程功能将各个切割类型的计算模块独立，增加了该软件 的可维护性。该软件具有切割数据求解和切割轨迹模拟两大功能。其数据求解功 能不仅能够根据切割类型选择合理的切割方式，求解出在该种切割方式下的切割 数据，而且能够将计算出的切割数据自动分解到割炬的各个运动方向切割轨迹 模拟功能可以通过输入相关几何数据显示相贯接头和切割效果图，并能够通过割 炬运动分析，模拟出切割过程的割炬运动轨迹。切割模拟功能减少了切割数据出 错的可能，也间接验证了相贯接头数学模型的确性。 关键词：管接头，相贯线，数学模型。切割，轨迹 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ns u c ht r a d e sa st h ep i p e l i n e ，b r i d g e ，b u i l d i n g ，e t c ，t h e r ee x i s ta l a r g en u m b e ro f p i p e sn e e dc u r i n g i no r d e r t oe n s u r et h es t a b i l i z a t i o na n db e a u t yo f t h es t r u c t u r e ，t h e s e p i p e ss h o u l db ec u ta l o n gt h ei n t e r s e c t i n gc u r v e i ns o m ec a s e s ，i n t e r s e c t i n gg r o o v e s h o u l db el e f ta tt h es a m et i m e as o f t w a r ei se s s e n t i a lt ow o r ko u tc u r i n gd a t af o r d i f f e r e n tp i p e j o i n t ss oa st od e v e l o pac n c p c m ( c o m p u t e rn u m e r i cc o n t r o l l e dp i p i n g c u r i n gm a c h i n e ) w h i c hc a nm c c tt h en e e do f t r a d ea n dc u to u ta l lk i n d so f p i p e s b a s e do nt h i sp r o b l e m , f i r s to f a l l ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e dp i p ej o i n t si np r o d u c t i o n f i e l d a c c o r d i n gt ot h e i rc u r i n gc h a r a c t e r s ，t h ep i p e st ob ec u tw e r ed i v i d e di n t ot h r e e k i n d sa n dt w e u t y - t w ot y p o s t h r o u g hs t u d y i n gt h et h e o r yo f p i p ec u t t i n gm a c h i n e ，a n m c h i n em o d e lw a ss e l e c t e dw h o s ec u t t e rh a sf i v ed i r e c t i o b so f f r e e d o mt oc o n t r 0 1 b a s e do nt h i sm a c h i n e ，n u m e r i c a lm o d e lo f a l lt h e s ej o i n t sw c r es e tu pw i t ht h eh e l po f t h ek n o w l e d g eo f a n a l y t i cg e o m e t r y u s i n gt h i sn u m e r i c a lm o d e l ，e x p r e s s i o no f i n t e r s e c t i n gc u r v eo f p i p e j o i n t sc a l lb eg i v e ne a s i l y ；e x p r e s s i o no f d i h e d r a la n g l ea n d o t h e rd a t ac a r lb eg i v e nt o o s i n c ed i f f e r e n tt r a d e sh a v ed i f f e r e n tr u l e so f i n t e r s e c t i n g a n g l ei np i p e j o i n t s ，t h i sa r t i c l eg i v e se x p r e s s i o nw h e nt h er u l e sa r ea sf o l l o w s ：a w s ， a p i ，a n du n a l t e r e di n t e r s e c t i n ga n g l e o nt h ef o u n d a t i o no f f o r e n a m e dt h e o r i e s ，i no r d e rt ov i s u a l l yd i s p l a yt h ec o u r s e d u r i n gc u r i n g ，u s i n gt h ek n o w l e d g eo f c o m p u t e rg r a p h i ca n do p e n g l p r o g r a m m i n g l a n g u a g et o g e t h e r , a no p e n g ld r a w i n g c l a s si nw i n d o w ss y s t e mi ss e tu pi nc + + i nv i s u a lc + + p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t ，u s i n gt h eo p e n g ld r a w i n gc l a s s ，s o r w a r ei s d e v e l o p e d 嘶t t lt h ev i s u a lc + + s t r o n gi n t e r f a c ep r o g r a m m i n gc a p a c i t y t h es o f t w a r e h a st w of u n c d o n s ：w o r k i n go u tc u r i n gd a t aa n ds i m u l a t i n gt h ec u r i n gt r a i l t h ef i r s t f u n c t i o nn o to n l yc a ns e l e c th o wt oc u tb yt h et y p eo f j o i n t s ，b u ta l s oc a nd i v i d et h e c u t t i n gd a t ai n t ot h eo r i e n t a t i o no f t h e c u r e rm o v e t h es e c o n df u n c t i o nc a nd i s p l a y t h e p i p e s j o i n t sb yr e a d i n gt h ed a t ao f t h e i rs t r u c t u r e sa n d c a ns i m u l a t et h ec u r e r st r a i lb y a n a l y z i n gt h em o v e m e n to f c u r e r 1 1 h ef u n c t i o no f s i m u l a t i o no f t h es o f t w a r en o to n l y c a nr e s t r a i nt h ec h a n c eo f m i s t a k e so f c u r i n gd a t a , b u ta l s oc a r t _ t e s t i f yt h ev e r a c i t yo f t h ep i p e j o i n t s n u m e r i c a lm o d e li n d i r e c t l y k e y w o r d s ：p i p e j o i n t , i n t e r s e c t i n gg r o o v e ，n u m e r i c a lm o d e l ，c u r i n g ，t r a i l 1 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 、日期：型姿：- 。、 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：瓣翮虢弘 脚年珏 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题提出背景及研究意义 在铁塔、桥梁、管道、建筑等有关钢结构的工程中，常常会遇到管管或者管与 其它物体相贯的情况。为了保证结构的稳定与美观，一般都需要沿着管子相贯线的 轨迹进行切割为了精确加工这些管端切割面，需要考虑一系列的因素，当为焊接 接头的时候，如果在切割相贯线的同时留出焊接坡口( 规定管壁厚度大于6 毫米的 时，要留出焊缝坡口) ，管端切口就成为一个复杂的曲面，增加了加工的难度而 切口质量却是影响整个工程质量的重要因素之一“ 在国内，传统的切割方法是先人工放样画出相贯线，然后对相贯体蒙皮，按照 相贯线轨迹手工进行切割，最后人工打磨成型。这种切割方式工作强度大，自动化 程度低，对工人的熟练程度有严格的要求，加工质量受限于操作者的技能，加工精 度得不到保证，存在着工件报废，造成巨大的材料浪费和增加企业成本的可能，远 远不能适应实际生产的需要也有不少单位采用机械式切管机，但是这种切管机只 能用来切割管管对心垂直相贯等简单情况下的管接头或者对主管开孔，不能根据要 求留出焊接坡口，而且切割过程过于麻烦，切割精度得不到保证，因此没有大范围 的应用刨崎。 出于对于建筑安全的方面的考虑，由中华人民共和国建设部和中华人民共和 国国家质量监督检验检疫总局联合制订的钢结构设计规范( g b5 0 0 1 7 - 2 0 0 3 ) 中 规定钢结构中的钢管接头应该使用数控切管机切割。该规定以于2 0 0 3 年1 2 月1 日 开始实施，由此可见数控切管机的推广应用是大势所趋。因此开发一种应用范围 广，操作界面灵活，拥有完整知识产权的数控切管机迫在眉睫。 、轨迹控制系统是数控切管机的中枢部分，它决定了数控切管机的功能和应用范 围川操作者通过人机交互输入被切管的几何数据，通过轨迹控制软件计算求得切 割数据，然后传给数控系统来控制割炬的运动因此要开发一种功能强大的数控切 管机，必须有一个与之配套的轨迹控制软件 山东大学硕士论文 1 2 国内外数控切管机及控制软件的现状和发展 1 2 1 国外的研究状况睁 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 年英国倪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 数控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。 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 gc o r p 生产 的s e 一4 、s e 一5 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 小的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。 日本松本株式会社( m a t s u m o t ok i k a il t d ) 生产的p e 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 生产的数控管子切割机( c n c - c o n t r 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 n t 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 e e a n g i n e r 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 ha n d s 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 2 2 国内研究状况 我国也于七十年代初开始对数控切割机进行了大量的研究工作，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 发达国家的距离，促进了工业的发展。 山东大学硕士学位论文 西北工业大学研制了一种悬臂式四坐标切管机。它采用直角坐标系四轴联动 微机数控，切割时钢管固定不动，采用机械头在钢管上移动的方式进行切割，该 切割机只能在主管上切割两轴线垂直相交的相贯孔，不能切割支管管端相贯线， 更不能在相贯线处切割焊接坡口面 武汉大学( 原武汉水利电力大学) 是国内较早从事数控切管机研究的单位，他 们在各种简单管子相贯的数学建模，割炬的运动分析方面提供了不少新的理论并 在九十年代末期研制出了g g k w 和g g k l 系列数控管子火焰切割机n 2 1 钔这些数控切 割机能切割两管相贯的支管相贯线，及在主管开孔和简单的三管相贯结构( 虾米节， 轴心线相交且有一支管轴心线垂直主管轴心线的情况，以及三管组成的“工字型” 结构) 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。 该算法已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n 5 1 n 町 综上所述，我国数控切管机的研制还在起步阶段，其数控软件功能不够强大， 要么只能满足单一行业的要求，要么只能切割几种简单情况；而且操作复杂，也不 能满足切割精度要求。国内数控切管机要发展，无论是从数控切管机的机构设计上， 还是数控软件的编写上，都有很长的路要走 随着计算机图形学技术的不断发展，c a d 技术也逐渐被应用到数控切管机的控 制软件的编制上n 7 1 脚嘲c a d 技术的应用使数控切管机的操作更加简单，为切割 精度和准确性的提高提供了很好的保障应用c a d 技术编制的数控切割软件，具有 良好的交互性，操作者仅仅通过在轨迹控制软件中输入设计参数，就可以观察到切 割后的效果图，检查自己的设计是否合理，避免了因为设计失误而造成的工件报废 等损失在i c a d | j 技术与数控切割结合方面，f a s t c a - h 4 公司做的比较好，他们的数控软 件, f a s t s h a p ；不仅能够控制数控切管机切割出合理的相贯线。而且还能在输入资料的， 同时，显示出相贯接头，以及切割后的效果图，能够在二维图形上实现对切割路线 的设计，使计算机数控切割与计算机c a d 技术统一起来大大提高了操作的灵活性 啪】 山东大学硕士论文 1 3 课题研究的主要内容 本次课题着眼于开发一种具有自主知识产权的数控切管机轨迹控制软件。将 工业中常见的管相交的情况分类，分别建立数学模型。利用空间解析几何知识求出 相贯线的数学表达式，并根据行业要求，分析出相贯线上任意一点的坡口角，从而 计算出切割角，分析计算出切割路径曲线，并将切割路径曲线数据分解到割炬的各 个运动方向，利用割炬在各个方向的运动配合来完成切割过程。该轨迹控制软件能 够自动进行管件相贯线和坡口角的计算，能按照要求控制割炬运动。该软件不仅能 够显示出切割效果图，切割线展开图，而且能够进行切割运动仿真，提高了系统的 可靠性和应用方便性。 该软件从理论上解决了数控切管机只能求解和切割几种简单的管子相贯接头 的问题，扩大了数控切管机的应用范围。该软件可以应用数控切管机地配套，也可 以用于焊接机器人的开发本文主要从以下几个部分展开论述： 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及其控制 软件的研究状况做了概述 第二章：通过对带坡口的圆管相贯线切割理论的描述，对生产中常见的管接头 按照切割方式进行分类，并对不同情况下的管接头的坡口规则及切割情况做了分 析。选择了一种合理的切管机机构，并在此种机构下，为各个切割类型选择了合理 的切割方式 第三章：按照切割类型，分别对管端切割、主管开孔与槽、短管两端切割三种 情况，建立了各自的数学模型。分别利用空间解析几何知识求出其相贯线表达式， 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割炬在各个运动方 向上 第四章：介绍o p e n g l 形语言以及在w i n d o w s 系统下的绘图原理以及动画制作 原理。分析了如何在v i s u a lc + + 编程环境创建o p e n g l 图形环境。 第五章：介绍轨迹控制软件的编制以及功能。利用v i s u a lc + + 与o p e n g l 语言编 制数控切割机的轨迹控制软件。介绍了该控制软件的操作界面以及图形显示和动画 模拟功能，并给出了多管相贯情况下，管接头的切割效果图以及运动模拟图 第六章：总结全文。 4 山东大学硕士学位论文 第二章带坡口的圆管相贯线数控切割原理 钢管与其它型材相比，具有材质较轻、强度高、韧性好，可以承受较高内压， 制造使用灵活，并且能适应复杂或恶劣的地质情况的特点。而且管状体近似流线 型结构，抗风压，水压能力比较强。加之管状结构造型美观，因此钢管被广泛的 应用到桥梁、建筑、输电塔、塔式起重机、电视信号发射塔、石油、冶金，造船 等行业。尤其是海洋石油钻井平台、高层铁塔等承受很大水压或者风压的结构， 几乎全部是由钢管和钢板搭建而成的 在这些钢架结构中都存在着管管相贯、管与其它形状的结构体相贯的情况。由 于行业的要求不同，这些钢管接头的形式也不尽相同。这样就存在着多种形式多种 规格的相贯接头，给切割加工带来了不便。为了方便、高效、简单的加工这些形态 各异的相贯接头，我们有必要先将这些相贯接头进行分类，然后再根据分类特点， 选择合理的切割方式。 2 1 圆管相贯接头切割加工的分类 在焊接结构中常用到的圆管相贯接头有两类：马鞍型相贯接头与圆管三通相贯 相贯接头马鞍型接头的相贯线为支管内壁和主管外壁的交线，三通接头的相贯线 一般为支管外壁和主管内壁的交线。 2 1 1 马鞍型相贯接头 马鞍型相贯接头( 图2 1 ) 是一种承载结构，能够承受各种轴向荷载，所受应 力多为压应力。钻井平台、船舶、建筑、铁塔、桥梁等钢管结构属于此种焊接结 构。在国标g b5 0 0 1 7 - 2 0 0 3 中对此类接头做了以下规定胁1 ： 1 ) 主管的外部尺寸不应小于支管的外部尺寸，主管的壁厚不应该小于支管壁 厚，在支管与主管连接处不得将支管插入主管内。 2 ) 主管与支管或者两支管轴线之问的夹角不宣小于3 0 3 ) 支管与主管的连接点处，除搭接型节点外，应尽可能避免偏心 4 ) 支管与主管的连接焊缝，应沿全周连续焊接并平滑过渡。 5 ) 支管端部宜使用自动切管机切割，支管壁厚小于6 m 的时候可以不开坡 山东大学硕士论文 口。 图2 一l 马鞍型相贯接头 2 1 2 三通式相贯接头 图2 - 2 马鞍型主管开孔 三通式相贯接头是一种承受内压结构。该结构可以承受内压作为液体或者气 体的流通管道，常用于输油管道、压力容器等行业。此种结构需要在主管上开孔 当支管直径与主管直径相比很小的时候，可以选择马鞍型主管开孔的形式( 图2 2 ) ；当主管直径很大，但是壁厚与支管相差不大时，可以用插入式相贯接头1 ( 图 2 3 ) ；当主管直径很大且管壁很厚时，可以用插入式相贯接头2 ( 图2 4 ) 主管 开孔时应注意满足下述四个条件倒2 3 1 ： 1 ) 切割孔的最大轮廓线就是支管外壁与主管外壁的相贯线 2 ) 切割孔的腹部应保证足够的强度，特别是切割等径三通时，要保证腹部有足 够的强度 3 ) 切割方向应出于切割表面法线方向，或相对切割表面法线方向倾斜不大。 4 ) 尽量减少腹部内壁割孔后产生的形状对流线形状的影响，使结构对流体不产 生太大的阻力。 6 山东大学硕士学位论文 图2 - 3 插入式相贯接头i ： i 图2 4 插入式相贯接头2 上述相贯接头的分类虽然清晰，只是焊接结构的一种划分方法，不能满足切 割行业的需要。因此人们把圆管相贯接头切割类型又按照下列方式划分：根据相 贯体的形状来分，可分为管管相贯，管板相贯、多管相贯、管球向贯、管锥相贯 等；根据相贯管接头的用途来分，可分为承压式管接头和承载式管接头；根据行 业的不同可分为压力容器、管道、建筑等每种分法都有自己的优缺点，也都 不能涵盖各个切管类型的要求 2 5 】。 本次课题把相贯体形状和相贯接头类型关联起来一起考虑，把所有圆管接头 切割类型分成三类： ( 1 )管端切割 此中切割类型在管一端切割相贯线，同时留出定角度或者变角度坡口。其类型 包括：管管接头，管与多管接头，管板接头，管球接头，管锥接头，管与椭圆柱接 头，虾米节，管与虾米管接头九种类型。基本囊括了工业中常见的各种管端切割类 型。 ( 2 ) 圆管上开槽与开孔 开槽包括开圆形槽，矩形槽，半矩形槽。圆管开孔即为相交圆管的主管开孔， 可按照三通管相贯类型再分为贴接式三通接头，和插接式三通接头 ( 3 ) 短管两端接头切割 短管两端接头切割是指管的两端分别与其它结构相贯，切割的时候分别在管 子的两端切割。短管两端的接头可以分别是上面两种相贯接头中的任意一种类型。 7 山东大学硕士论文 这种切割主要用在钢架结构、建筑等领域。 2 2 相贯线的求解方法 数控切管机对管件的切割过程是切管机的割炬沿着圆管相贯线轨迹的运动过 程。如果同时要留出坡口的话，还要通过割炬的摆动来形成坡口面因此切割之前 必须要知道相贯线的轨迹。求解圆管相贯线常用的方法有下面两种： ( 1 ) 通过c a d 软件求解汹一冽 首先在c a d 软件中建立管件实体模型，然后利用软件的提取交线功能，把相贯 线的数据从实体中提取出来，将这些数据转化成数控软件能够识别的数据 a u t o c a d 、p r o e 等大型c a d 软件都具备这个功能。但是使用这种方法造型、提取 相贯线数据比较麻烦，对c a d 软件依赖性较高，而且这种方法难以得到坡口的数据， 不能对管件加工坡口。 ( 2 ) 利用数学模型求解3 0 1 建立管子相贯的数学模型，利用空间解析几何的知识求出相贯线轨迹表达式， 利用计算机求出离散数据。结合计算机图形学知识，画出该结构几何图形。这种方 法中将管相贯问题进行分类，每一个模型都代表了一类管子相贯的问题。因此可以 方便地利用相贯线的数据，得到相贯线上坡口的数据，应用到数控加工中。 上述两种相贯线的求解方法各自有其优点。前者和c a d 软件结合，造型简单， 能够直观地观察相贯结构，但是不能方便求解相贯线上的坡口数据，不能应用于对 相贯管的坡口加工。后一种方法通过对相贯线的表达式的求解，根据焊接要求很容 易得出坡口切割数据。因此本次课题采用第二种方法来求解相贯线，以及其它切割 数据 2 3 圆管相贯线上坡口角的求解 焊接工艺中规定当焊接的物体厚度较大的时候，为了避免产生焊接缺陷，要对 焊件开坡口。焊接坡口的规定是有一定的规范的，一般坡口角的大小跟焊件之间两 面角的大小有关。而且对于圆管来讲，由于相贯线是一个圆弧，因此圆弧一周上在 s 山东大学硕士学位论文 相贯线上各点处的两面角是不尽相同的 b 图2 - 5 两面角示意图 图2 - 5 所示，平面a 与平面b 相交于直线a b ，则直线a b 与平面a 、b 组成的图 形被称为二面角。直线a b 上任取一点c ，在平面a ，b 过c 点做垂直a b 的两条直线 d c ，e c 则我们称直线d c ，e c 组成的角为二面角的平面角，并用二面角的平面角来 度量二面角的大小在圆管相贯接头中，规定相贯线上任意一点的二面角为过该点 圆管的切平面与另一个相贯体的切平面的二面角。 2 3 1 马鞍型相贯接头的坡口角口矧l 对于马鞍型相贯接头，定义为在支管内壁与主管外壁处相贯，所有的几何关系 都是根据支管内壁和主管外壁定义的。图2 - 6 为两管轴线对心垂直相交的马鞍型相 贯接头的参考平面和空间几何关系m 为相贯线上任意一点所求得参考平面和几 何角度都是在支管内壁和主管外壁相贯线处定义的。 支管轴剖面p - ：相贯线上任选点m 处的支管轴剖面，是通过该点并包括支管轴线的 平面。 支管切平面p 2 ：相贯线上任选点m 处的支管切平面，是通过该点并切于支管内壁表面 的平面。 主管切平面见：相贯线上任选点m 处的主管切平面，是通过该点并切予主管外壁表 面的平面。 两面角甲：相贯线上任选点m 处的两面角，是通过该点的支管切平面和主管切平面 9 山东大学硕士论文 的夹角，此夹角在支管外部度量。 主切面法向单位矢叠，： 面的法线向量。 支切面法向单位矢磊： 的方向向量 1 l t 2 - b 参考平面的几何关系 相贯线上任选点l l l 的主切面单位向量，是过点m 的主管切平 相贯线上任选点 l 的支切面单位向量是过点m 的支管切平面 焊接坡口面预加工角口：在支管上切割焊接坡口面时，相贯线上任选点m 处的焊接 坡口面预加工角，是通过该点的焊接坡口面和支管切平面的夹角，此夹角在支管 外部度量 焊接坡口角由：相贯线上任选点m 处的焊接坡口角，是能过该点的焊接坡口面和主 管切平面的夹角，此角在支管外部度量。 在焊接工艺中规定，两面角等于焊接预加工角和焊接坡口角之和：1 i r = + 巾从焊接工艺考虑，希望两管相贯处的坡口由不变或者变化较小为此在切割 支管端部相贯线和焊接坡口面时，要用改变焊接预加工角的方法，使由不变或 者交化较小。 2 3 2 承压式接头的坡口角 承压式结构的管接头主要包括马鞍型主管开孔接头和三通式插入相贯接头两 种。承压式相贯接头都要对主管开坡口。其中前者的相贯线定义为支管内壁与主 管外壁相贯，而三通式插入相贯接头的相贯线定义为支管外壁与主管内壁相贯 1 0 山东大学硕士学位论文 其几何关系与骑座式相贯接头类似但是其两面角、坡口角、切割角之间的关系 有自己的规律。 ( 1 ) 插接式焊接坡口角 插接式焊接坡口角为过相贯线上任选点m 的支管轴剖面与坡口曲面的交线的 切线与支切面的夹角 ( 2 ) 马鞍型主管开孔焊接坡口角 相贯线上任选点l l 的焊接坡口角是过该点的支管轴剖面与坡口曲面的交线之 切线与主切面之夹角 在加工插接式焊接坡口时，应使割炬与支管轴线的夹角等于切割要求的焊接 坡口角加工骑座式主管开孔焊接坡口角，其切割角等于通过该点的两面角与坡 口角的差因为相贯线上任意一点的两面角不尽相同，所以后者的割炬要不断发 生变化，但是在加工插接式焊接坡口的时候，只要给定焊接坡口角就可以得到切。 割加工角。焊接坡口角的大d a p 为焊接预加工角 2 3 3 焊接坡口角的选择 在支管端部相贯线处切割变角度焊接坡口面时，常用到的设置坡口角的规范 如下：常坡口角、美国国家标准美国焊接学会标准( a n s i a w s ) 、美国石油协会标 准( a p ip i2 a ) 9 华人民共和国石油天然气行业标准( s y t4 8 0 2 9 2 ) ，后面 的两种标准皆依照两面角决定坡口角。 a w s 焊接标准( 坡口角由，两面角v ) 1 3 5 s 甲 1 8 0 。o = 9 0 。 9 0 主甲 1 3 5 o