等离子切割相贯支管Y形坡口的自适应补偿方法及系统技术方案

本发明专利技术属于自动切割控制技术领域领域，提供了一种等离子切割相贯支管Y形坡口的自适应补偿方法及系统。该方法包括，获取空间变换参数、坡口参数、等离子割枪参数和相贯参数；构建相贯支管带单边Y形坡口的数学模型，以此构建等离子割枪、等离子弧和工件的数学模型；根据空间变换参数、坡口参数、等离子割枪参数和相贯参数，采用等离子割枪、等离子弧和工件的数学模型，计算工件的切割厚度，并根据切割厚度自适应调整等离子弧的半径；根据相贯支管带单边Y形坡口的数学模型，构建等离子弧半径与锥度补偿模型；基于切割厚度和等离子弧的半径，采用等离子弧半径与锥度补偿模型，得到等离子割枪的末端轨迹及姿态信息。本发明专利技术提高了加工效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
等离子切割相贯支管Y形坡口的自适应补偿方法及系统


[0001]本专利技术属于自动切割控制
领域，尤其涉及一种等离子切割相贯支管Y形坡口的自适应补偿方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]在油气输送、消防等管道工程应用中，管道相贯接头的切割与焊接是一项非常繁重的任务。作为相贯接头焊接的前期准备工作，相贯支管的切割精度会直接影响到装夹误差以及接头焊接的质量。为了保证相贯接头的气密性和耐高压性，主支管之间通常采用“骑坐式”的连接方式，该方式对支管坡口切割的精度要求较高。
[0004]由于坡口工艺与加工轨迹的复杂性，当前支管相贯线的切割主要依赖人工，其切割精度低、操作要求高，进而导致相贯线切割普遍存在精度差、效率低等问题，给相贯接头的焊接带来了巨大的挑战。随着智能制造及机器人技术的发展，机器人在各个加工行业迅速普及，机器人切割具有精度高、适应恶劣的生产环境等优点，在上述行业应用中具有广阔的前景。
[0005]根据加工成本、焊接质量以及是否易于实现自动化加工等因素，单边Y形坡口是相贯接头最理想的表面处理技术。钢管的切割方式主要有机械、激光、等离子弧等，其中等离子弧切割在精度、工件厚度、成本等综合指标上具有优势，能够满足高质量的切割需求。等离子弧作为机器人末端切割工具，不需要单独进行机械结构的设计，成本较低。不同于传统的机械刀具，等离子弧的半径不是固定的(与切割厚度相关)，并且在切割过程中等离子弧由于能量损失并不是标准的圆柱体，存在一定的锥度。因此，在加工之前需要对等离子弧的半径和锥度进行精确建模，准确规划出等离子割枪的姿态和末端位置。

技术实现思路

[0006]为了解决上述
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提供一种等离子切割相贯支管Y形坡口的自适应补偿方法及系统，其根据用户输入的等离子割枪参数、空间变换参数以及坡口参数，自适应地计算并补偿等离子弧的半径和锥度，最后给出等离子割枪姿态以及末端位置信息，从而降低工件切割的轮廓误差，有效避免二次加工，提高加工精度与效率。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]本专利技术的第一个方面提供一种等离子切割相贯支管Y形坡口的自适应补偿方法。
[0009]等离子切割相贯支管Y形坡口的自适应补偿方法，包括：
[0010]获取空间变换参数、坡口参数、等离子割枪参数和相贯参数；
[0011]构建相贯支管带单边Y形坡口的数学模型，以此构建等离子割枪、等离子弧和工件的数学模型；
[0012]根据空间变换参数、坡口参数、等离子割枪参数和相贯参数，采用等离子割枪、等
离子弧和工件的数学模型，计算工件的切割厚度，并根据切割厚度自适应调整等离子弧的半径；
[0013]根据相贯支管带单边Y形坡口的数学模型，构建等离子弧半径与锥度补偿模型；
[0014]基于切割厚度和等离子弧的半径，采用等离子弧半径与锥度补偿模型，得到等离子割枪的末端轨迹及姿态信息。
[0015]进一步地，所述相贯支管带单边Y形坡口的数学模型包括坡口角和钝边高度。
[0016]进一步地，所述等离子割枪、等离子弧和工件的数学模型包括等离子弧的半径、等离子弧的锥度、割枪高度和待切割工件的厚度。
[0017]进一步地，在切割过程中的等离子束被抽象为圆台，上圆半径及下圆半径分别为R
t
(R
b
)和r
t
(r
b
)，锥度分别为1:k2和1:k1，其定义为
[0018][0019]根据锥度的定义，切口母线与等离子束轴线的夹角β1表示为：
[0020][0021]割枪喷嘴母线与中轴线的夹角β2表示为：
[0022][0023]其中，参数h
n
定义为喷嘴长度，参数h
d
定义为切割厚度，其中变量R
b
是变量h
d
的函数，R
b
＝f(h
d
)。参数h
t
定义为割枪高度。
[0024]进一步地，所述计算工件的切割厚度包括：
[0025]线段M1N1代表坡口母线，线段O
c
O
g
代表钝边母线，线段O
w
M1代表等离子束半径R
b
，线段O
t
O
w
代表割枪高度h
t
；定义割枪路径包括点O
t
代表的位置信息和单位向量代表的方向信息；由于锥度的存在，线段M1N1的长度并不是切割厚度；假设线段M1O
g
的长度为δ1，点M1在支管坐标系{O
b
}中的齐次坐标为根据条件：点M1在支管外表面上并且在标架{O
c
}中的坐标为(0,
‑
h
r
sinγ,h
r
cosγ+δ1)，得到以下方程组：
[0026][0027]求解上述方程组计算出变量δ1，在三角形ΔO
c
O
g
N1中，
[0028][0029]故坡口切割时，切割厚度h
d
的计算公式为：
[0030][0031]钝边切割时切割厚度h
d
的计算公式为：
[0032]h
d
＝h
r
cosβ1。
[0033]所述得到等离子割枪的末端轨迹及姿态信息包括：
[0034]坡口切割时，根据点O
w
与点M1的几何关系，计算出点O
w
在标架{O
c
}中的坐标为：
[0035][0036]根据点O
t
与点O
w
的几何关系，计算出点O
t
在标架{O
c
}中的坐标为：
[0037][0038]路径矢量由轴Z
c
绕轴X
c
顺时针旋转π
‑
β1得到
[0039][0040]符号Rot
X
表示绕轴X的空间旋转矩阵。
[0041]进一步地，所述得到等离子割枪的末端轨迹及姿态信息包括：
[0042]钝边切割时，根据点O
w
与点O
g
的几何关系，计算出点O
w
在标架{O
c
}中的坐标为：
[0043][0044]根据点O
t
与点O
w
的几何关系，计算出点O
t
在标架{O
c
}中的坐标为：
[0045][0046]路径矢量由轴Z
c
绕轴X
c
顺时针旋转π
‑
γ
‑
β1得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.等离子切割相贯支管Y形坡口的自适应补偿方法，其特征在于，包括：获取空间变换参数、坡口参数、等离子割枪参数和相贯参数；构建相贯支管带单边Y形坡口的数学模型，以此构建等离子割枪、等离子弧和工件的数学模型；根据空间变换参数、坡口参数、等离子割枪参数和相贯参数，采用等离子割枪、等离子弧和工件的数学模型，计算工件的切割厚度，并根据切割厚度自适应调整等离子弧的半径；根据相贯支管带单边Y形坡口的数学模型，构建等离子弧半径与锥度补偿模型；基于切割厚度和等离子弧的半径，采用等离子弧半径与锥度补偿模型，得到等离子割枪的末端轨迹及姿态信息。2.根据权利要求1所述的等离子切割相贯支管Y形坡口的自适应补偿方法，其特征在于，所述相贯支管带单边Y形坡口的数学模型包括坡口角和钝边高度。3.根据权利要求1所述的等离子切割相贯支管Y形坡口的自适应补偿方法，其特征在于，所述等离子割枪、等离子弧和工件的数学模型包括等离子弧的半径、等离子弧的锥度、割枪高度和待切割工件的厚度。4.根据权利要求1所述的等离子切割相贯支管Y形坡口的自适应补偿方法，其特征在于，在切割过程中的等离子束被抽象为圆台，上圆半径及下圆半径分别为R
t
(R
b
)和r
t
(r
b
)，锥度分别为1:k2和1:k1，其定义为根据锥度的定义，切口母线与等离子束轴线的夹角β1表示为：割枪喷嘴母线与中轴线的夹角β2表示为：其中，参数h
n
定义为喷嘴长度，参数h
d
定义为切割厚度，其中变量R
b
是变量h
d
的函数，R
b
＝f(h
d
)。参数h
t
定义为割枪高度。5.根据权利要求1所述的等离子切割相贯支管Y形坡口的自适应补偿方法，其特征在于，所述计算工件的切割厚度包括：线段M1N1代表坡口母线，线段O
c
O
g
代表钝边母线，线段O
w
M1代表等离子束半径R
b
，线段O
t
O
w
代表割枪高度h
t
；定义割枪路径包括点O
t
代表的位置信息和单位向量代表的方向信息；由于锥度的存在，线段M1N1的长度并不是切割厚度；假设线段M1O
g
的长度为δ1，点M1在支管坐标系{O
b
}中的齐次坐标为根据条件：点M1在支管外表面上并且在标架{O
c
}中的坐标为(0,
‑
h
r
sinγ,h
r
cosγ+δ1)，得到以下方程组：
求解上述方程组计算出变量δ1，在三角形ΔO
c
O
g
N1中，故坡口切割时切割厚度h
d
的计算公式为：钝边...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘燕，唐秋，田新诚，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：