一种切割机器人的管径相贯线控制方法技术

本发明专利技术公开了一种切割机器人的管径相贯线控制方法，该方法包括步骤：(1)建立相贯线方程；(2)根据相贯线方程建立焊接坡口的数学模型；(3)根据数学模型计算焊接坡口角，获得二面角和坡口角关系。本发明专利技术的相贯线控制方法使得在切割过程中能够减少切割设备的自由度，只需要3个自由度即可，大大降低设备成本，切割质量精确稳定。精确稳定。精确稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种切割机器人的管径相贯线控制方法


[0001]本专利技术涉及一种切割机器人的管径相贯线控制方法，属于管切割相贯线设备


技术介绍

[0002]钢结构在我国现代化建设中发挥着极其重要的作用，如桥梁、塔桅、油气输送管道、大型公共建筑等随处可见。行业报告显示，到2035年，我国钢结构建筑在新建建筑面积中占比达到40％。
[0003]钢结构的施工中，切割是非常关键的环节，是保证焊接质量的必要前提。尤其是圆管切割，因为两圆管相贯线是一条复杂的空间曲线，高精度的相贯线能保证焊接时两管良好的贴合度；对于较厚的管件，为了使焊接材料深入到焊缝根部，管件相贯处要预留恒定的焊接坡口角，支管上的切割角则随着相贯位置的改变而改变。
[0004]总用钢量6万吨的广州地标建筑“小蛮腰”，相贯线切割约6000次，管件直径从400
‑
2000mm，厚度从20
‑
50mm，1104个斜撑相贯形式各个不相同，这些也是钢结构共有的特点，即切割量大、管径差异大、相贯形式多。因此，高性能的切割设备是保证施工质量和施工效率的关键。
[0005]目前，面向大型钢结构企业的大型五轴数控相贯线切割装备已趋于成熟，但高昂的成本让中小钢构企业望而却步。近年来，面向低成本的微型数控相贯线切割装备的研发获得行业广泛关注，对于我国150多万中小钢构企业，市场规模达百亿元！
[0006]市场上现有两种类型的微型切割机，不管是三爪卡盘和重型直线导轨结合的形式还是链条爬管式，可切割直径范围都受到夹具装夹范围限制，适配性差；装夹时间远大于实际切割时间，导致切割效率低下；由于自动化程度降低，切割参数的设置完全依赖于操作工人经验，频繁参数试错导致大量切割废品。
[0007]中国专利申请(申请号为200920313873.2)公开的一种三自由度数控相贯线切割机，专利中并未披露具体的相贯线切割控制方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的技术问题是：提供一种切割机器人的管径相贯线控制方法，以解决上述现有技术中存在的问题。
[0009]本专利技术采取的技术方案为：一种切割机器人的管径相贯线控制方法，该方法包括以下步骤：
[0010](1)建立相贯线方程
[0011]设两相交管轴线成α角，两相交管轴线为空间内异面直线，以通过管件轴线的公垂线为Y轴，取Y和Y1两轴线方向一致且共线，以垂直于公垂线且通过两相交管各自轴线的平面分别建立对应的XOZ和X1O1Z1平面，其交点在各自平面内分别为O和01，平面XOZ和平面X1O1Z1在空间中是相互平行的关系，根据空间解析几何相关知识可以得出两坐标的关系如
下：
[0012][0013]即
[0014][0015]式中，A为齐次坐标的变换矩阵；
[0016]对于管件相贯线的切割过程选择为逆时针，在该坐标系下完成坐标变换，XYZ坐标系绕Y轴逆时针旋转角α，并且将原点O从(0，0，0)移动至(0，e，0)，使得其与O1重合就得到X1O1Z1坐标系，这种变换是相对于固定坐标系进行的，得坐标变化矩阵A如下：
[0017][0018]依据线性代数知识求出A矩阵的逆矩阵
[0019][0020]将其带入式(2)中可得
[0021][0022]则
[0023][0024]支管圆柱坐标为
[0025][0026]相贯线在主管圆柱方向的投影方程为
[0027][0028]将式(4)，式(5)代入式(6)，得到被切割管内壁和主管外壁的相贯线数学表达式，即
[0029][0030](2)建立焊接坡口的数学模型
[0031]a、两相交管相贯二面角的计算：
[0032]用∠DCE大小表示二面角的大小由解析几何的知识可得：
[0033]平面a表达式：A1x+B1y+C1z+D1＝0
[0034]平面b表达式：A2x+B2y+C2z+D2＝0
[0035]两平面的夹角
[0036][0037]在两相交管件的马鞍型焊接接头中，管件相贯线上每个点的二面角是过该点两相交管各自切平面之间的夹角；
[0038]支管圆柱面的方程为S1：
[0039]F1(x,y,z)＝x2+y2‑
(r
‑
t)2＝0；
[0040]在任意一点M处的法向量为
[0041][0042]易得
[0043][0044]主管圆柱面的方程S2：
[0045]F2(x,y,z)＝u2+v2‑
R2＝0；
[0046]式中，
[0047]u＝xcosα
‑
zsinα,v＝y
‑
e，
[0048]在任意点M处法向量
[0049][0050]由
[0051][0052]得
[0053][0054]又因
[0055]F2(x,y,z)＝u2+v2‑
R2＝0
[0056]得
[0057][0058]式中，￠是点M处在主管上的圆周角；
[0059][0060]由式(4)，(9)
‑
(11)计算可得
[0061][0062]b、焊接坡口角的计算
[0063]二面角与焊接坡口角关系如下：
[0064]ψ>90
°
时,
[0065]ψ≤90
°
时,
[0066]任意点处二面角和坡口角在法剖面内，由图得在该平面内理论切割角：
[0067][0068]依据理论切割角ρ根据经验公式求出割炬所在被切割管轴剖面内实际切割角ω；二面角和坡口角关系用下列等式表示：
[0069][0070]式中，γ为相贯线上该点处被切割管轴剖面与法剖面所组成的二面角；
[0071]设该点坐标为(x,y,z),在这一点处的法向量用极坐标表示为：
[0072][0073]两管件相贯其二面角所在法剖面的法向量用极坐标表示为：
[0074][0075][0076]割炬在支管轴剖面内偏转产生的被切割管内表面切割线应沿着被切割管内壁与另一相交管件外壁的相贯线，被切割管外壁的切割线计算式：
[0077]Z
外
＝Z+Δ(19)
[0078]式中，Δ＝t
·
tanω，t为壁厚。
[0079]本专利技术的有益效果：与现有技术相比，本专利技术的相贯线控制方法使得在切割过程中能够减少切割设备的自由度，只需要3个自由度即可，大大降低设备成本，切割质量精确稳定。
附图说明
[0080]图1为相贯线切割机器人的立体结构示意图；
[0081]图2为相贯线切割机器人的前视结构示意图；
[0082]图3为相贯线切割机器人的环绕磁性行走机构与机体分离结构示意图；
[0083]图4为伸缩机构安装前视结构示意图；
[0084]图5为伸缩机构安装左视结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种切割机器人的管径相贯线控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)建立相贯线方程设两相交管轴线成α角，两相交管轴线为空间内异面直线，以通过管件轴线的公垂线为Y轴，取Y和Y1两轴线方向一致且共线，以垂直于公垂线且通过两相交管各自轴线的平面分别建立对应的XOZ和X1O1Z1平面，其交点在各自平面内分别为O和01，平面XOZ和平面X1O1Z1在空间中是相互平行的关系，根据空间解析几何相关知识得出两坐标的关系如下：即式中，A为齐次坐标的变换矩阵；对于管件相贯线的切割过程选择为逆时针，在该坐标系下完成坐标变换，XYZ坐标系绕Y轴逆时针旋转角α，并且将原点O从(0，0，0)移动至(0，e，0)，使得其与O1重合就得到X1O1Z1坐标系，这种变换是相对于固定坐标系进行的，得坐标变化矩阵A如下：依据线性代数知识求出A矩阵的逆矩阵将其带入式(2)中得则
支管圆柱坐标为相贯线在主管圆柱方向的投影方程为将式(4)，式(5)代入式(6)，得到被切割管内壁和主管外壁的相贯线数学表达式，即(2)建立焊接坡口的数学模型a、两相交管相贯二面角的计算：用∠DCE大小表示二面角的大小由解析几何的知识得：平面a表达式：A1x+B1y+C1z+D1＝0平面b表达式：A2x+B2y+C2z+D2＝0两平面的夹角在两相交管件的马鞍型焊接接头中，管件相贯线上每个点的二面角是过该点两相交管各自切平面之间的夹角；支管圆柱面的方程为S1：F1(x,y,z)＝x2+y2‑
(r
...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦佳辰，任利娟，张广鹏，李永昌，王天乐，王雄辉，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：