数控切管机一次完成多次搭接相贯坡口切割的方法.pdf

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1、焊接学报1999年12月December1999HANJIEXUEBAO数控切管机一次完成多次搭接相贯坡口切割的方法贾安东　李宝清　闫祥安　郑　玮(天津大学)摘　要　在实现数控切管机国产化的工作中,研究并建立相贯线的数学模型是至关重要的,这不仅包括常用的管-管、管-板的相贯,构成Miter接头的相贯线,包括多个管、板相贯线的数学模型,而且包括完成与两面角有关的坡口角切割的数学模型,其依据为SY/T4802-92(等同采用APIRP2A1989)标准和AWS标准。本文在建立上述模型基础上,设计了相应的计算机程序,该程序实现了管-管、管-板的相贯、Miter

2、接头的相贯的切割,包括小角度的相贯切割,而且拟定了一次完成原需要多次切割才能完成的多管、板相贯及其坡口的切割———所谓搭接接头的切割的计算机程序,实现了搭接接头的快速切割。上述数学模型和计算机程序稍作改动也可用于导管架,以及类似的管桁架节点,自行车架节点等相贯焊缝的机器人焊接程序。关键词:相贯线　两面角　坡口角　切割角0　序　　言在进行日本引进的数控火焰切管机的数控系统改造工作中,在建立管-管、管-板相贯、Miter接头相贯的数学模型之后,遇到需建立多次搭接相贯线的数学模型的要求。过去该机对多次搭接相贯线,按每一次搭接进行一次切割,即多次切割完成多次搭接

3、相贯线的切割。当导出统一的相贯线数学模型之后,采用最大Z坐标原则,则研制出一次切割完成多次搭接相贯线坡口切割的计算机程序。[1]1管-管、管-板、Miter接头等一次相贯的数学模型1.1　管-管相贯线的解析式如图1所示被切管(支管)直径d与相贯管(主管)D的相贯线方程如下:z=DcosΦ/(2sinα)+(d-2t)cosθ/(2tgα)(1)s=[(d-2t)/2]θπ/180(2)式中z,s———相贯线的Z坐标和弧坐标;Φ———主管圆心角;Φ=arcsin[(d-2t)sinθ/D+2A/D];θ———被切管弧线的圆心角;d,t———被切管的直径,壁

4、厚;α,A———相贯管的轴交角,偏心值;2将cosΦ=1-sinΦ代入式(1)则得到无中间变量的相贯线方程:22z=(D/2)-[(d-2t)sinθ/2+A]/sinα+(d-2t)cosθ/2tgα(3)式中符号如前所述。1.2　相贯线上的两面角两面角即为垂直于焊缝线的平面内量得的两根管材的外表面切线间的夹角,如图1所示。相贯线上任一点M通过该点作两曲面(即两圆柱面)的切平面,此两平面的交角,即可作为两面角的数控切管机一次完成多次搭接相贯坡口切割的方法31解。设为Ψ则有:Ψ=arccos(cosθcos

5、两面角;θ、φ、α同前。根据能源部SY标准《海上固定平台规划,设计和建造的推荐标准法》的规定,管-管相处焊缝的坡口角取决于此处的两面角。1.3　坡口角和实际切割角的确定根据SY/T4802-92(APIRP2A)和美国标准学会/焊接学会(ANSI/AWS)有关规范,依Ψ决定坡口角ρ。如按SY/T4802-92(APIRP2A)当两面角较小时,如Ψ<90°则坡口角ρ取Ψ/2;Ψ>90°时ρ取45°等。在两面角Ψ和坡口角ρ都决定后,理论切割角B亦决定了,如图2所示,则:图1　管-管相贯图B=90°-Ψ+ρFig.1Schematicoftheintersec

6、tionofpipe-pipe式中B———理论切割角;Ψ、ρ如前。但上述两面角、理论切割角都在垂直于焊缝(即相贯线)的平面内,该平面沿相贯线不断地改变方向,这给实现机械切割带来很大困难。一般切割机的切割面都是在被切支管素线与其轴线所构成的径向平面内,因此必须根据理论切割角B求出割炬所在径向平面内的切割角,称为实际切割角。上述径向平面与理论切割角、两面角所在平面的交角设为γ,则可以解出γ:tgγ=(cosαcosΦsinθ+cosθsin<)/cos

7、线由式(1)(2)决定的相贯线是被切支管内表面与相贯主管外表面相贯的相贯线,初始割炬垂直于被切支管表面,割炬中心对准相贯线,当割炬偏转出实际切割角时,是绕外表面相贯线进行偏转的,其偏转结果不应使被切管内表面的切割线偏离被切管内表面与主管外表面的相贯线。如图3所示,沿Z轴移动Δ值,获得被切管外表面的切割线。Δ=t·tgω(6)式中t———管壁厚度,tgω如式(5)所示。1.5　管-板(包括Miter管接头)相贯解设被切支管中心轴与板平面交点为坐标原点O,d为管内径,管-板交角α,管壁厚t,则相贯线方程:32焊　接　学　报Z=(d-2t)cosθ/2tgα(

8、7)S=(d/2-t)θπ/180(8)式中　Z、S———相贯线以O为原点的z坐