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1、大型管材相贯线切割机设计 目录目录1中文摘要2Abstract2第 1 章 绪论3第 2 章 数学模型及工艺分析42.1钢管典型相贯线数学模型的建立42.2 割炬运动分析52.3 焊接坡口工艺分析62.4 割炬的径向补偿6第3章 设备总体方案及布局73.1 机床总体方案73.2 切割机传动系统的简要说明73.3 功能和技术参数分析8第4章 机械系统设计104.1 Z轴工作滑台的设计104.2调整丝杠的设计174.3 齿轮齿数的确定与较核184.4 支架的设计18第 5 章 控制系统设计205.1系统方案设计205.2 控制系统的选用215.3 数控装置的部件结构和安装215.4.控制系统的硬件
2、设计225.5 图形交互人机界面23总 结25鸣 谢26参考文献27中文摘要本设计以相贯线数学参数模型的基础, 分析切割机的割炬的轨迹运动, 将切割运动分解为割炬回转、割炬平移、割炬摆角和割炬径向补偿四轴联动,对钢管相贯焊接坡口数控切割运动进行研究,并最终完成相贯线切割机的设计.该切割机采用数控原理进行轨迹控制，采用火焰切割方式工作.设计共分四部分:相贯线数学参数模型的建立,切割机总体方案设计,机械结构设计和控制系统设计.关 键 词:大型管材;相贯线;焊接坡口;数控火焰切割AbstractBased on the mathematical model of intersecting line
3、and the analysis of the track of cutting torch, the design studies NC cutting movement for welding groove of pipe intersecting and finishes the design of pipe intersecting line cutting device . The cutting movement was divided into four axis relative motions of cutting torch, i. e. rotate round the
4、pipe, shift along pipe, swing and compensate along radial direction. The device uses NC principle for intersecting line track control, the cutting method is flame-cutting. And the design contains four sections: the establishment of mathematical model of intersecting line, the design of the whole sch
5、eme, the design of mechanical structure and the design of NC control system.Keywords: Large-scale pipe; Intersecting line; Welding groove; NC flame-cutting大型管材相贯线切割机设计湖南工学院机械工程系数控0401,2000121509,黄俊指导教师：黄开有第 1 章 绪论随着海洋石油工业的发展,海洋工程结构建造将面对面大量的钢管相贯的加工.南海西部石油合众公司，主要以海上平台上部模块建造工程为主,而大型管材相贯是该海上平台加工制造过程中经常遇
6、见的切割焊接结构.相贯焊接前,管端相贯线需要加工,相贯线上每一点的焊接坡口也需要加工.根据石油天然气行业标准(SY/T 4802-92)和美国石油协会标准(API PI 2A),相贯线上每一点的焊接坡口取决于该点的局部两面角. 不同形式的钢管相贯,相贯线上每一点的局部两面角各不相同,局部两面角沿相贯线在不断变化.目前，该公司切割下料以人工作业为主，对于这种带坡口相贯线均采用人工放样等工艺方法来进行加工,因此下料工作进度与效率成为影响整个平台建造工程进度的主要因素，为改变工作强度大和效率低的现状,本课题尝试运用所学的机电一体化的相关知识进行大型管材相贯线切割机的设计.本课题所研究的大型管材相贯线
7、切割机是属于数控火焰切割机,它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-切割-熄火-返回原点的整套切割过程。但数控火焰切割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。目前这种数控火焰切割机仍依赖进口.因此,开发这种火焰切割机具有重要的意义.第 2 章 数学模型及工艺分析2.1钢管典型相贯线数学模型的建立 如图2-1所示,空间相贯线是一个复杂的空间曲线,描述其轨迹需要用空间坐标方程f(x,y,z)=0,其函数关系复杂,但由于相贯线是两
8、个圆柱的交线,所以,采用柱坐标可以把三维坐标转化为二维坐标方程f(h,)=0.以下相贯线均指支管内圆柱和主管外圆柱相贯. 图2-1 空间相贯线曲线如图2-2所示,在空间三维坐标系下两圆柱的相贯线方程为 (1) (2) 式中 r - 支管半径 (mm)R - 主管半径 (mm)坐标系与坐标系间存在以下坐标变换关系 图2- 2两圆柱的相贯线 (3)(4)(5)式中 - 坐标系旋转角,亦即两管交角.在平面内支管圆柱面的方程为 (6) (7) 图2- 3 支管圆柱面的方程 式中 - 支管上的旋转角. 由式(1)(7) 式得出两圆柱相贯线各点的参数方程如下 (8) (9) (10)取在坐标系下过相贯线上
9、x轴坐标值最大的点且垂直于x轴的平面为下料基准面.其在 坐标系下的方程为 (11)由此可得支管下料高度为 (12)即下料高度h是支管上的旋转角的函数: (13)以上讨论的是典型相贯线数学方程,即两圆柱轴线相交成一角度.在两圆柱轴线异面并有一偏心距e时,其相贯线方程为: 式中 - 支管壁厚 (mm) - 扭转角,标志主管相对于支管的扭转角度. 2.2 割炬运动分析 如图2-3所示,被切支管保持不动,割炬沿被切支管做R轴(旋转轴),T轴(摆动轴),A轴(纵向补偿轴)三轴和环架的Z轴(轴向移动)共四轴联动.正式切割前,手动完割炬和环架的径向运动,以调整割炬与被切管径向位置;在切割过程中, 割炬按照设
10、定速度绕被切管作回转运动, 被切管剖面的摆动和径向补偿运动,环架沿被切管轴向作轴向移动,其速度大小是由管壁厚和害炬回转速度决定. 割炬在被切管剖面的摆动角度按工艺规范切出坡口.四轴必须按照一定 的数学关系联动,才能切出所需的空间相贯曲面. 图2-4 割炬运动 注:1肖聚亮,王国栋.火焰数控切管机割炬轨研究及仿真2.3 焊接坡口工艺分析根据焊接工艺要求,为保证构件的强度和避免较大的焊缝尺寸,一般中厚板的接头都要进行开坡口焊接.因此,切管时不仅要切出相贯线,还要切出坡口角,切管机最后切出的管端形状是空间曲面.根据美国焊接学会AWS D1.1规范要求,所开焊接坡形式,根部间隙和钝边高度均取决于相交双
11、管相贯线上各部位的局部二面角.而支管下料时切割高度曲线的确定也与相贯线上的局部二面角相关.不同管径,不同厚度,不同交角的相交双管的相贯线上的各部位局部二面角各不相同.在工程实际中,焊接坡口角度是通过钝边和坡口切割高度来保证的. 图 2-5 焊接坡口参数及装配规范坡口角的取值是根据两面角的大小来决定.相贯线上任选两点两面角为: 根据石油天然气行业标准(SY/T 4802-92)和美国石油协会标准(API PI 2A)来确定坡口角.按API标准 当 90时,坡口角 = /2; 当 90时, = 45.2.4 割炬的径向补偿 在实际切割过程中是沿支管外表面进行的,在这一过程中不仅要完成相贯线的切割,也要完成坡口的切割.坡口
