焊接坡口角 、
局部两面角 、
割炬倾角的定义均
是在法剖面内
,
由于相贯线是不断变化的
,
法剖面
也在不断变化。
为了使割炬倾角始终处于法剖面
内
,
即割炬倾角始终和相贯线垂直
,
割炬倾角应随
法剖面的变化而旋转。
割炬倾角旋转角是指法剖面
与轴剖面之间的夹角。
法剖面的法向量为
h = n
×
m = ( -
cos
φ
sin
α
sin
θ
,
cos
φ
sin
α
cos
θ
,
-
cos
φ
cos
α
sin
θ
+
sin
φ
cos
θ
)
轴剖面的法向量为
k = (
sin
θ
, -
cos
θ
,
0)
所以法剖面与轴剖面之间的夹角即割炬倾角旋转
角为
γ
=
arctan (
sin
φ
cos
θ
-
cos
φ
cos
α
sin
θ
cos
φ
sin
α
)
(8)
3
切割实例仿真分析
实例如图 1 所示
,
管环相贯
,
各参数如下
:
环旋
转半径为 1000mm、
环截面圆直径为 800mm、
管直
径为 400mm、管 壁 厚 为 15mm、管 径 向 偏 移 为
50mm 、
管轴线偏移为 - 205mm ,由 API标准决定焊
接坡口角。
按式
(
3
)
～ 式
(
8
)
编制计算机仿真程序
,
得如图 3 所示的管端相贯线及焊接坡口内剖单件
图。
其横坐标是
Z
轴
,
即割炬沿
Z
轴移动距离
,
纵坐
标对应于相贯线上每一点的圆周角即
R
轴坐标
;
相
贯线上每一点的割炬倾角和割炬倾角旋转角见图
4
,
其横坐标表示角度大小
,
纵坐标对应于相贯线上
每一点的圆周角 。图 5 为切割后管端焊接坡口
形状。
图
3
单件图
仿真结果分析如下
:
①从图 3 可知
,
对同一圆
周角
,
其所对应的内壁相贯线和外壁切割线的
z
坐
标是不一定相等的
,
这是由于焊接坡口的存在。
当
外壁切割线大于内壁相贯线时
,
坡口向外
;
当内壁
相贯线大于外壁切割线时
,
坡口向内 。②在圆周角
θ
1
附近
,
割炬倾角达到负向最大值
,
见图 4
,
这时坡
口面向内倾斜最大
,
见图 3
;
在圆周角θ
2
附近
,
割炬
倾角达到正向最大值
,
见图 4
,
这时坡口面向外倾斜
图
4
割炬倾角和割炬倾角旋转角图
图
5
管端焊接坡口
最大
,
如图 3 所示。③
从图 3 、
图 4 可知
,
在
θ
2
附近
,
切割厚度达
到最大值
,
切割速度
在这一点自动调整
,
避 免 切 不 穿 现 象。
④
T
轴 的 行 程 是
-
70°～ 70°
,
针对本例
,
从图 4 可知割炬的倾角范
围是
-
42°～ 67°
,
在
T
轴的行程内
,
即该例可顺利
地切割 。
4
结论
本文利用空间解析几何的原理建立了管环相
贯数学模型
,
研究了管环相贯焊接坡口数控切割运
动
,
将切割运动分解为管的回转 、
割炬平移 、
割炬倾
斜和割炬倾角旋转四轴运动
,
给出了数控切割所需
相贯线 、
两面角 、
割炬倾角和割炬倾角旋转角等参
数的参量表达式。
通过切割实例仿真
,
分析了各参
数对切割运动的影响 。
经工程实践检验
,
其数学模
型是正确的
,
在工程中应用显著提高了切割质量和
生产效率。
参考文献
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,
夏炳仁
.
海洋平台建造工艺
.
北京
:
人民交通
出版社
,1993
[ 2 ]
杨文茂
,
李全英
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武汉
:
武汉大学出版
社
,1997
[ 3 ]
李小刚
,
吕碧峰
,
姚伟伟
,
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据化处理
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中国机械工程
,2004 ,15 (4) :355
～
357
[ 4 ]
沈嘉琦
.
火焰自动切管机割炬轨迹控制研究
: [
硕士学
位论文
].
天津
:
天津大学
,2002
(
编辑 周本盛
)
作者简介
:
王国栋
,
男
,1964
年生。天津大学机械工程学院博士研
究生、
副教授。主要研究方向为机器人理论与技术 、
数控技术等。
获省部级科技进步三等奖
2
项。发表论文
10
篇。阎祥安
,
男
,1943
年生。天津大学机械工程学院教授、
博士研究生导师。肖聚亮
,
男
,1977
年生。天津大学机械工程学院博士研究生。
・
3
6
5
・
管环相贯焊接坡口数控切割研究 —
——王国栋 阎祥安 肖聚亮
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