带焊接坡口的主管孔切割过程等离子割枪高度的控制方法与流程

本发明涉及一种带焊接坡口的主管孔切割过程中等离子割枪高度的控制方法。

背景技术：

在石油、化工、水利、消防等管道工程应用中，管管相贯的切割与焊接是一项非常重要的任务，在一些工业应用中，往往管道会存储有液态或气态的物质，这些物质对管道的气密性和耐高压性要求很高，有些物质甚至具有腐蚀性，因此，在这些场合中，管道结合处的焊接质量是一项重要的考察目标。作为相贯线焊接的前期准备工作，相贯双管的切割与后期处理技术会直接影响到装夹误差以及焊接的质量。为了保证管道结合处的气密性和耐高压性，管道之间采用内插式的连接方式，该方式对切割的精度以及切面的处理技术要求较高，为了提高相贯线焊接的质量，一般会在主管或者支管开坡口，如果支管采取内插式连接，则需要在主管上开坡口。

等离子切割技术自应用以来获得了迅速的发展，凭借切割速度快、工件形变小等优点，能够满足高质量的切割要求。但与此同时，等离子切割不同于普通的刀具切割，等离子割枪与工件之间必须保持一定的间隙来保证弧压的稳定，当割枪高度偏大时，在工件较厚的部位会出现切割不透的现象；当割枪高度偏小时，很容易在工件的某一部位发生碰撞，损坏割枪甚至切割装备影响切割的精度。

因此，在切割过程中需要对等离子割枪的高度进行控制，尤其是坡口切割时割枪高度的规划，本发明公开了一种带钝边坡口的主管孔切割过程中等离子割枪高度的控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种带焊接坡口的主管孔切割过程中等离子割枪高度的控制方法，我们定义割枪末端(包含防护罩)与工件表面的垂直距离定义为割枪高度(如图2)，因为在坡口切割的过程中，理论的等离子割枪轨迹是复杂的相贯线(主管内壁与支管外壁形成的相贯线构成的空间曲线)，通过对相贯线轨迹进行齐次变换并对割枪高度进行规划控制，得到了割枪最终的位置和姿态，它根据用户期望的高度值以及相关的切割参数，自动的计算切割轨迹上各位置的割枪高度值，能够有效地保证等离子弧压的稳定并且避免了与工件之间的碰撞，提高切割的精度，降低工件的废品率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种带焊接坡口的主管孔切割过程中等离子割枪高度的控制方法，它的步骤为：

第一步：对等离子割枪进行抽象并建立割枪与工件的几何模型，确定相关的输入参数，包括等离子割枪的半径、割枪喷嘴的上下底半径及圆台锥角、等离子束的半径；

第二步：建立焊接坡口的几何模型，确定焊接坡口的参数和切割参数；

第三步：确定规划后的等离子割枪高度；

第四步：将规划后的等离子割枪高度整合到轨迹规划中去，进而生成切割控制程序；控制系统按照该切割程序对主管孔进行切割。

所述第一步中，给定期望的割枪高度d0(假设合适),为了防止碰撞，割枪与主管的最小间距g0(g0＜d0)，主管的外壁半径为ro，内壁半径为ri，钝边的高度为h，将等离子割枪等效为圆柱体，半径为rg，割枪末端的喷嘴等效为圆台，下底面半径与圆柱体的半径相同，上底面半径为rg，圆台锥角为ψ，等离子束的半径为m；

所述第二步中，建立焊接坡口的几何模型，如图1所示，模型参数包括坡口角γ和管壁间隙b，并确定相关的切割参数，包括在相贯线切割过程中相贯线上一点的二面角w。

所述第三步中，在坡口切割时，规划后的割枪高度为：

其中σ＝arcsin(sin(φ-γ))；

φ是支管在相贯线上一点的切平面与主管在该点的切平面的二面角，γ为切割参数中的坡口角。

具体的分析方法如下：

坡口切割的情况下，记规划后的割枪高度为d，等离子割枪与主管之间的实际间距为g，割枪的中心线与工件切面之间的夹角定义为割枪角σ(由直线与平面夹角的定义可知，始终成立)，割枪角的计算公式为：σ＝arcsin(sin(φ-γ))，其中，φ是支管在一点的切平面与主管在该点的切平面的二面角，γ为切割参数中的坡口角，二者均为已知参数。

下面，分情况讨论：当割枪角比较大时，即d0sinσ＞g0成立，此时，规划后的割枪高度d与期望的割枪高度相同，实际间距g大于割枪与主管的最小间距，不会发生碰撞；当割枪角在切割过程中逐渐减小时，会到达一临界点σ0，此时，d＝d0,g＝g0成立，即割枪与工件的距离刚好等于最小间距g0，恰好不会发生碰撞，通过示意图所示的方法，可计算得出临界点：

随着割枪角的继续减小，为了使割枪与工件的距离保持最小间距不变，只能增加实际割枪高度d，通过示意图所示的方法，可计算割枪的实际高度为综上所述，在坡口切割时，规划后的割枪高度为：

本发明基本原理是：根据输入的的切割参数，自动的计算出等离子割枪在切割轨迹上的割枪高度，进而计算出割枪末端的轨迹，由数控系统生成切割程序，最后按照生成的切割程序进行切割。

本发明的有益效果是：在生成加工程序之前，通过带焊接坡口的主管孔切割过程中等离子割枪高度的控制方法自动的计算出等离子割枪在切割轨迹上的割枪高度，并由数控系统生成加工程序，可以(1)等离子割枪与工件之间保持一定的间隙来保证弧压的稳定；(2)避免在切割过程中与工件的某一部位发生碰撞，损坏割枪甚至切割装备影响切割的精度；(3)保证了切割的精度，能够有效地提高后期的焊接质量。

附图说明

图1为焊接坡口的几何模型；

图2为等离子割枪模型及切割原理示意图；

图3、图4为等离子割枪高度规划示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1、2、3中，本发明的规划方法为：

第一步：对等离子割枪进行抽象并建立割枪与工件的几何模型，确定相关的输入参数，包括等离子割枪的半径、割枪喷嘴的上下底半径及圆台锥角、等离子束的半径等参数；

第二步：建立焊接坡口的几何模型，确定焊接坡口的参数，即坡口角和管壁间隙；

第三步：坡口切割时，等离子割枪高度的控制方法；

第四步：将规划后的等离子割枪高度整合到轨迹规划中去，进而生成切割控制程序；控制系统按照该切割程序对主管孔进行切割。

第一步中，给定期望的割枪高度d0(假设合适),为了防止碰撞，割枪与主管的最小间距g0(g0＜d0)，主管的外壁半径为ro，内壁半径为ri，钝边的高度为h，将等离子割枪等效为圆柱体，半径为rg，割枪末端的喷嘴等效为圆台，下底面半径与圆柱体的半径相同，上底面半径为rg，圆台锥角为ψ，等离子束的半径为m；

第二步中，建立焊接坡口的几何模型，如图1所示，模型参数包括坡口角γ和管壁间隙b，并确定相关的切割参数，包括在相贯线切割过程中相贯线上一点的二面角。

所述第三步中，坡口切割的情况下，记规划后的割枪高度为d，等离子割枪与主管之间的实际间距为g，割枪的中心线与工件切面之间的夹角定义为割枪角σ(由直线与平面夹角的定义可知，始终成立)，割枪角的计算公式为：σ＝arcsin(sin(φ-γ))，其中，φ是支管在一点的切平面与主管在该点的切平面的二面角，γ为切割参数中的坡口角，二者均为已知参数。

下面，分情况讨论：当割枪角比较大时，即d0sinσ＞g0成立，此时，规划后的割枪高度d与期望的割枪高度相同，实际间距g大于割枪与主管的最小间距，不会发生碰撞；当割枪角在切割过程中逐渐减小时，会到达一临界点σ0，此时，d＝d0,g＝g0成立，即割枪与工件的距离刚好等于最小间距g0，恰好不会发生碰撞，通过示意图所示的方法，可计算得出临界点：

随着割枪角的继续减小，为了使割枪与工件的距离保持最小间距不变，只能增加实际割枪高度d，通过示意图所示的方法，可计算割枪的实际高度为综上所述，在坡口切割时，规划后的割枪高度为：