CN119703181A - 一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控铣削加工制造技术领域，尤其是指一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法、系统及装置，所述方法包括：基于实际焊接筒体，构建焊接筒体的仿真模型，在所述仿真模型上进行铣孔；对实际待加工孔及其周边轮廓区域进行扫描，得到待加工孔的点云数据，基于所述点云数据，构建坡口曲面模型，根据所述坡口曲面模型，生成坡口仿形加工刀路；通过所述坡口仿形加工刀路对实际焊接筒体进行铣削加工。本发明能够减小焊接筒体开孔及坡口实际加工中的误差，满足不同形状和尺寸的坡口高精度加工需求。

Description

一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及数控铣削加工制造技术领域，尤其是指一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法、系统及装置。

背景技术

大型筒体开孔及坡口加工技术，在盾构机制造业、船舶建造业以及大型基础设施建设项目中扮演着举足轻重的角色。迄今为止，国内外普遍采用水切割(水刀切割)或火焰切割辅以人工精细打磨的传统工艺方法，以应对这加工挑战。尽管这些传统工艺在常规产品的制造过程中得到了广泛应用，但当面临新型材料的引入、对开孔及坡口加工精度要求极高、追求低残余应力等特定应用场景时，它们往往难以达到严格的工艺规范和质量标准。

相比之下，机械加工技术凭借其高效率、高精度的加工能力，以及对材料微观组织结构无不利影响的独特优势，正逐步成为大型筒体加工领域的重要发展趋势。特别是针对直径和高度均超过10米的大型筒体，由于其零部件在加工过程中极易产生显著变形，且结构复杂度高，若直接依据理论设计模型进行底孔和坡口的加工，极易引发底孔与坡口之间相对位置的偏差，进而对后续的焊接装配质量产生负面影响。

有实际数据表明，若采用传统方法直接依据理论模型进行加工，最终的坡口与底孔之间的偏移量可能高达3至10毫米，这将直接影响焊接装配的准确性和效果，甚至可能导致整个大型筒体的报废，造成重大的材料浪费和制造进度延误。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的技术问题，本发明提供了一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法、系统及装置，所述方法包括以下步骤：

S1：基于实际焊接筒体，构建焊接筒体的仿真模型，在所述仿真模型上进行铣孔；

S2：对实际待加工孔及其周边轮廓区域进行扫描，得到待加工孔的点云数据，基于所述点云数据，构建坡口曲面模型，根据所述坡口曲面模型，生成坡口仿形加工刀路；

S3：通过所述坡口仿形加工刀路对实际焊接筒体进行铣削加工。

在本发明的一个实施例中，S1中，构建焊接筒体的仿真模型的方法如下：

S11：基于实际焊接筒体，构建焊接筒体的初始仿真模型，获取实际焊接筒体内壁的顶部中心点和底部中心点，以这两个点作为基准点，调整所述初始仿真模型的位置；

S12：划出所述初始仿真模型的外侧母线，以所述外侧母线为基准，在所述初始仿真模型的下端外圆、上端外圆以及顶部环筋上划分等高线，修正同一外侧母线和等高线之间的所有交点的Y轴坐标值保持一致；

S13：获取所述初始仿真模型与工作台回转中心的偏心值，根据所述偏心值对所述初始仿真模型的中心进行修正，得到最终的焊接筒体的仿真模型。

在本发明的一个实施例中，S13中，获取所述初始仿真模型与工作台回转中心的偏心值的方法为：

获取工作台的回转中心、底部中心点、零度侧母线上任一点在机床坐标系下的坐标值，得到底部中心点到零度侧母线上任一特征点的第一向量，以及所述回转中心至零度侧母线上任一点的第二向量；

基于所述第一向量和所述第二向量，得到所述初始仿真模型与工作台回转中心的偏心值。

在本发明的一个实施例中，S1中，在所述仿真模型上进行铣孔的方法如下：

根据所述实际焊接筒体的孔位，在所述仿真模型上获取多个待加工孔的十字划线交点三维坐标值；

使所述仿真模型的中心轴和旋转工作台的中心轴保持一致之后，将所述十字划线交点三维坐标值映射到机床坐标系中，基于机床坐标系下的十字划线交点三维坐标值，划出待加工孔的底孔轮廓线和坡口的轮廓线，以在所述仿真模型上进行铣孔。

在本发明的一个实施例中，S2中，生成坡口仿形加工刀路的方法如下：

S21：基于待加工孔的点云数据，得到坡口的三角网格面模型，所述三角网格面模型由多个三角面组成；

S22：对所述三角网格面模型进行逆向处理，得到自由曲面模型，所述自由曲面模型通过调整参数来调整不同部位的形状和尺寸；

S23：基于所述自由曲面模型，对坡口的底孔、外坡口、内坡口区域设计不同的加工刀路。

在本发明的一个实施例中，所述加工刀路包括刀具类型、刀具路径和切削方式，所述刀具类型包括延长铣头、直角铣头、两坐标铣头和平旋盘。

在本发明的一个实施例中，所述切削方式包括插铣、等高铣和螺旋铣。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工系统，用于实现所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法的步骤，所述焊接筒体开孔及坡口自适应加工系统包括以下模块：

铣孔模块，用于基于实际焊接筒体，构建焊接筒体的仿真模型，在所述仿真模型上进行铣孔；

刀路规划模块，用于对实际待加工孔及其周边轮廓区域进行扫描，得到待加工孔的点云数据，基于所述点云数据，构建坡口曲面模型，根据所述坡口曲面模型，生成坡口仿形加工刀路；

坡口加工模块，用于通过所述坡口仿形加工刀路对实际焊接筒体进行铣削加工。

本发明还提供了一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工装置，包括所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工系统。

本发明还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机软件产品，所述计算机软件产品包括的若干指令，用以使得一台计算机设备执行所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、高精度加工：通过构建焊接筒体的仿真模型并在其上进行铣孔，可以精确模拟实际加工过程，减少误差；利用点云数据构建坡口曲面模型，能够更准确地反映待加工孔及其周边轮廓的实际形状，从而提高加工精度。

2、自适应性强：该方法能够根据实际焊接筒体的形状和尺寸进行仿真模型构建，具有较强的适应性通过对点云数据的处理，可以自动适应不同形状和尺寸的坡口加工需求，无需手动调整。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，

图1是本发明的实施例一中所提供的一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法流程图；

图2是本发明的实施例一中构建仿真模型及铣孔方法流程图；

图3是焊接筒体的中心未修正状态示意图；

图4是本发明的实施例一中生成坡口仿形加工刀路的方法流程图；

图5是本发明的实施例二中所提供的焊接筒体开孔及坡口自适应加工系统结构示意图；

说明书附图标记说明：100、铣孔模块；200、刀路规划模块；300、坡口加工模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例一

如图1所示，本发明提供了一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法，所述方法包括以下步骤：

S1：基于实际焊接筒体，构建焊接筒体的仿真模型，在所述仿真模型上进行铣孔；

S2：对实际待加工孔及其周边轮廓区域进行扫描，得到待加工孔的点云数据，基于所述点云数据，构建坡口曲面模型，根据所述坡口曲面模型，生成坡口仿形加工刀路；

S3：通过所述坡口仿形加工刀路对实际焊接筒体进行铣削加工。

由上述技术方案可知，本发明通过构建焊接筒体的仿真模型并在其上进行铣孔模拟，可以在仿真环境中预先规划和验证加工过程，从而减少实际加工中的误差，提高加工精度；通过对实际待加工孔及其周边轮廓区域进行扫描，获取精确的点云数据，并据此构建坡口曲面模型，生成定制化的坡口仿形加工刀路。这种方法能够适应不同形状和尺寸的焊接筒体，以及复杂的坡口要求，实现了加工过程的自适应性和灵活性，同时也提高了加工效率。

为验证筒体智能化开孔流程，单独制作一个8米直径试验筒体作为预验收试验件，此试验件外形尺寸为：Φ8776mm×5525mm，重量：45000kg，材料：Q235B，分圆柱、正锥及斜锥共3段，除直径比原正锥及斜锥筒体略小，其余外形保留原筒体特征，并从原来的两筒体上选出共8个孔(具体编号为3、4、17、18、20、27、28、29号孔)，按原尺寸大小及方位置于此试验件上。

如图2所示，在步骤S1中，基于实际焊接筒体，构建焊接筒体的仿真模型的方法如下：

S11：基于实际焊接筒体(即上述试验件)，构建焊接筒体的初始仿真模型，获取实际焊接筒体内壁的顶部中心点和底部中心点，以这两个点作为基准点，调整所述初始仿真模型的位置；

S12：采用划线装置编程划出所述初始仿真模型的外侧母线，以所述外侧母线为基准，在所述初始仿真模型的下端外圆、上端外圆以及顶部环筋上划分等高线，修正同一外侧母线和等高线之间的所有交点的Y轴坐标值保持一致；

S13：获取所述初始仿真模型与工作台回转中心的偏心值，根据所述偏心值对所述初始仿真模型的中心进行修正，得到最终的焊接筒体的仿真模型。

进一步地，在步骤S13中，获取所述初始仿真模型与工作台回转中心的偏心值的方法为：

S131：如图3所示，获取工作台的回转中心、底部中心点、零度侧母线上任一点在机床坐标系下的坐标值，得到底部中心点到零度侧母线上任一特征点的第一向量α，以及所述回转中心至零度侧母线上任一点的第二向量β；

S132：基于所述第一向量α和所述第二向量β，得到所述初始仿真模型与工作台回转中心的偏心值

在步骤S1中，在所述仿真模型上进行铣孔的方法如下：

S14：根据所述实际焊接筒体的孔位，在所述仿真模型上，由视觉测量模块测量得到8个待加工孔(具体编号为3、4、17、18、20、27、28、29号孔)的十字划线交点三维坐标值，这些坐标值代表了待加工孔在仿真模型中的精确位置；

S15：使所述仿真模型的中心轴和旋转工作台的中心轴保持一致，这是保证后续加工精度的关键一步。之后，将所述十字划线交点三维坐标值映射到机床坐标系(如G54)中。基于机床坐标系下的十字划线交点三维坐标值，利用专用编程软件自动划出待加工孔的底孔轮廓线和坡口的轮廓线。为了考虑加工过程中的材料去除量和可能的误差，各轮廓线按理论尺寸往外偏置3mm，以确保实际加工后的孔和坡口尺寸满足设计要求。

需要注意的是，为进一步提高加工精度的同时，增加了加工的灵活性和可控性，专用编程软件通过其提供的自动划线程序进行待开孔轮廓的划线后，用户可以在软件界面中直观地查看并确认轮廓线的位置和形状，确保无误后再进行后续加工及测量。

上述铣孔加工需要保证的相关精度条件对于焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法至关重要，它们确保了加工结果的准确性和可靠性。以下是这些精度条件的详细说明：

1)外坡口宽度尺寸，其公差要求为±1mm；2)外坡口深度尺寸，其公差要求为±1mm；3)加工孔位置度0.5mm；4)加工孔直径误差0.2mm；5)加工坡口角度误差0.2°；6)坡口留根位置偏差1mm；7)加工粗糙度Ra6.3。

参见图4所示，在步骤S2中，对实际待加工孔及其周边轮廓区域进行扫描，得到待加工孔的点云数据，基于所述点云数据，构建坡口曲面模型，根据所述坡口曲面模型，生成坡口仿形加工刀路的方法如下：

S21：基于待加工孔的点云数据，得到坡口的三角网格面模型，所述三角网格面模型由多个三角面组成；

S22：使用QJCAM软件对所述三角网格面模型进行逆向处理，得到自由曲面模型，所述自由曲面模型具有可编辑、可处理的特点，通过QJCAM软件在此曲面上进行参数化建模，通过调整参数来调整不同部位的形状和尺寸，形成可编辑、可编程的坡口三维模型；

S23：基于所述自由曲面模型，对坡口的底孔、外坡口、内坡口区域设计不同的加工刀路。

所述加工刀路包括刀具类型、刀具路径和切削方式。根据筒体的结构和每个孔的形状，所述刀具类型包括延长铣头、直角铣头、两坐标铣头和平旋盘；所述切削方式包括插铣、等高铣和螺旋铣。

上述加工方法还包括：针对每种孔型及其所生成的开孔加工刀路与坡口仿形加工刀路，实施仿真测试环节。此环节旨在严谨验证刀路轨迹的准确性、路径的最优化状态(即确保效率最大化且路径无冗余)、以及无干涉情况的发生，从而全面保障加工过程的可靠性与精确度。

此外，构建后处理模块，该模块能够接收并精细处理刀路轨迹数据。经过后处理模块的精确处理，数据将直接转化为数字控制程序(即NC程序)，随后无缝传输至数控系统(CNC系统)，驱动机床执行高效的加工任务。在此过程中，后处理模块尤为注重“工件调平及中心坐标偏移测量”环节所得出的工件中心坐标相对于工作台中心坐标的精确偏移量。这一考虑确保了在实际开孔加工与坡口仿形加工中，能够严格遵循预设的加工路径，进而实现加工结果的精准无误。

实施例二

基于和实施例一的同一发明构思，本发明还提供了一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工系统，用于实现实施例一中所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法的步骤。如图5所示，所述焊接筒体开孔及坡口自适应加工系统包括以下模块：

铣孔模块100，用于基于实际焊接筒体，构建焊接筒体的仿真模型，在所述仿真模型上进行铣孔；

刀路规划模块200，用于对实际待加工孔及其周边轮廓区域进行扫描，得到待加工孔的点云数据，基于所述点云数据，构建坡口曲面模型，根据所述坡口曲面模型，生成坡口仿形加工刀路；

坡口加工模块300，用于通过所述坡口仿形加工刀路对实际焊接筒体进行铣削加工。

本实施例提出的一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工系统，用于实现前述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法，因此同步响应式单点位移监测系统中的具体实施方式可见前述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法的实施例部分，例如，铣孔模块100、刀路规划模块200和坡口加工模块300，分别用于对应实现实施例一中的所述焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法中步骤S1，S2和S3，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，为了避免冗余，在此不再赘述。

实施例三

本发明还提供了一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工装置，包括上述实施例二中所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工系统。

实施例四

本发明还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机软件产品，所述计算机软件产品包括的若干指令，用以使得一台计算机设备执行上述实施例一中所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法。

综上，本发明对于易变形、筋板多、内部结构复杂的大型筒体开焊接孔和内外坡口具有一定的通用性，可以消除大型筒体加工时的各种加工误差，保证焊接底孔和坡口的一致性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于实际焊接筒体，构建焊接筒体的仿真模型，在所述仿真模型上进行铣孔；

S2：对实际待加工孔及其周边轮廓区域进行扫描，得到待加工孔的点云数据，基于所述点云数据，构建坡口曲面模型，根据所述坡口曲面模型，生成坡口仿形加工刀路；

S3：通过所述坡口仿形加工刀路对实际焊接筒体进行铣削加工。

2.根据权利要求1所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法，其特征在于，S1中，构建焊接筒体的仿真模型的方法如下：

S11：基于实际焊接筒体，构建焊接筒体的初始仿真模型，获取实际焊接筒体内壁的顶部中心点和底部中心点，以这两个点作为基准点，调整所述初始仿真模型的位置；

S12：划出所述初始仿真模型的外侧母线，以所述外侧母线为基准，在所述初始仿真模型的下端外圆、上端外圆以及顶部环筋上划分等高线，修正同一外侧母线和等高线之间的所有交点的Y轴坐标值保持一致；

S13：获取所述初始仿真模型与工作台回转中心的偏心值，根据所述偏心值对所述初始仿真模型的中心进行修正，得到最终的焊接筒体的仿真模型。

3.根据权利要求2所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法，其特征在于，S13中，获取所述初始仿真模型与工作台回转中心的偏心值的方法为：

S131：获取工作台的回转中心、底部中心点、零度侧母线上任一点在机床坐标系下的坐标值，得到底部中心点到零度侧母线上任一特征点的第一向量，以及所述回转中心至零度侧母线上任一点的第二向量；

S132：基于所述第一向量和所述第二向量，得到所述初始仿真模型与工作台回转中心的偏心值。

4.根据权利要求1所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法，其特征在于，S1中，在所述仿真模型上进行铣孔的方法如下：

S14：根据所述实际焊接筒体的孔位，在所述仿真模型上获取多个待加工孔的十字划线交点三维坐标值；

S15：使所述仿真模型的中心轴和旋转工作台的中心轴保持一致之后，将所述十字划线交点三维坐标值映射到机床坐标系中，基于机床坐标系下的十字划线交点三维坐标值，划出待加工孔的底孔轮廓线和坡口的轮廓线，以在所述仿真模型上进行铣孔。

5.根据权利要求1所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法，其特征在于，S2中，生成坡口仿形加工刀路的方法如下：

S21：基于待加工孔的点云数据，得到坡口的三角网格面模型，所述三角网格面模型由多个三角面组成；

S22：对所述三角网格面模型进行逆向处理，得到自由曲面模型，所述自由曲面模型通过调整参数来调整不同部位的形状和尺寸；

S23：基于所述自由曲面模型，对坡口的底孔、外坡口、内坡口区域设计不同的加工刀路。

6.根据权利要求5所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法，其特征在于，所述加工刀路包括刀具类型、刀具路径和切削方式，所述刀具类型包括延长铣头、直角铣头、两坐标铣头和平旋盘。

7.根据权利要求6所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法，其特征在于，所述切削方式包括插铣、等高铣和螺旋铣。

8.一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工系统，其特征在于，用于实现如权利要求1至7任一项所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法的步骤，所述焊接筒体开孔及坡口自适应加工系统包括以下模块：

铣孔模块，用于基于实际焊接筒体，构建焊接筒体的仿真模型，在所述仿真模型上进行铣孔；

刀路规划模块，用于对实际待加工孔及其周边轮廓区域进行扫描，得到待加工孔的点云数据，基于所述点云数据，构建坡口曲面模型，根据所述坡口曲面模型，生成坡口仿形加工刀路；

坡口加工模块，用于通过所述坡口仿形加工刀路对实际焊接筒体进行铣削加工。

9.一种焊接筒体开孔及坡口自适应加工装置，其特征在于，包括如权利要求8所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工系统。

10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有计算机软件产品，所述计算机软件产品包括的若干指令，用以使得一台计算机设备执行权利要求1至7任意一项所述的焊接筒体开孔及坡口自适应加工方法。