本發(fā)明涉及彎曲圓管累積誤差控制方法，尤其涉及一種空間大型彎曲圓鋼管多工序累積誤差控制方法。

背景技術：

隨著現代工業(yè)的發(fā)展各種彎管零部件不僅在氣液體運輸、機械、化工、核電中廣泛應用，在現代建筑行業(yè)中應用也越來越廣泛，特別是大跨度空間彎曲圓管鋼結構，越來越多的應用于大型博覽會館、交通樞紐、奧運會運動場等。

空間彎曲圓管鋼結構在彎曲加工時，采用的是分段逐點近似逼近法，在空間圓弧部分，選取一個空間坐標系，在這個空間坐標系中，把空間圓弧進行分段合成，簡化成近似平面的圓弧，按平面圓弧的彎曲方法進行彎制，然后將一段一段彎制好的圓弧管件拼裝焊接起來，完成整段空間彎曲鋼管的制作。大跨度空間彎管施工階段多、工況復雜，制造誤差和拼接誤差不可避免，最終導致空間彎管難以精確合龍。

大跨度空間彎管施工階段多，工況復雜，且與設備、材料、人員、方法、測量及環(huán)境等多種影響誤差因素相關，誤差是無法避免的?？臻g彎曲圓管鋼結構最終拼接完成產生的累積誤差可用下式表示，其中在管材彎曲過程中由于回彈等造成圓鋼管的制造矢高和設計矢高的偏差，制造長度和設計長度的偏差，這里將其定義為制造誤差，用f₁表示；各段圓管通過對接焊縫連接，焊接成一個整體，這里將焊縫變形和殘余應力的影響而會引起的誤差，定義為拼裝誤差，用f₂表示；f_Δθ表示分段彎管端面與其中心軸線的夾角Δθ所產生的誤差；f_etse表示其他因素產生的誤差；k_n(n＝1，2，3，4)表示相應權重因子。

f＝k₁f₁+k₂f₂+k₃f_Δθ+k₄f_etse

目前空間彎管制作工藝流程中對于彎管加工制造之后產生的誤差主要采取兩種控制方法：第一種，進一步提高工程中每個分段彎管的制造精度并控制焊接變形。但是彎管制造時每增加一個精度等級，加工的難度會呈幾何級增長，對加工設備和工具的要求就會更高。第二種，對加工誤差過大的空間彎管采取施工完畢后的機械矯正和火焰矯正的方法來達到允許的誤差范圍?？墒沁@會增加多余的時間成本和人力成本，而且會造成管內產生殘余應力，影響空間彎管線形。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種空間大型彎曲圓鋼管多工序累積誤差控制方法，無需提高彎管制造精度等級，適用于大跨度、大直徑空間彎曲圓鋼管加工累積誤差的控制。

為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案的步驟如下：

1)根據國家標準規(guī)范中對管端面與軸線垂直度的要求，定義管端面與軸線的夾角Δθ為調整角；

在彎曲圓鋼管拼裝平面加工出一個調整角Δθ，對待拼裝彎管的空間位置進行調整，使得累積誤差減小并滿足國家標準規(guī)范中的要求；

加工出調整角Δθ后，下一段待拼裝彎管空間上表現為繞局部拼裝坐標系原點旋轉一個調整角Δθ；

所述調整角Δθ是繞拼接平面的軸旋轉的，在國家標準規(guī)范中，它同時能繞軸和軸旋轉；

空間坐標變換的旋轉公式為：

式中：為繞軸在面旋轉角度；為繞軸在面旋轉角度；為繞軸在面旋轉角度；

當很小時，坐標變換公式簡化為：

式中，(x″,y″,z″)^T為實際拼裝后的坐標，(x′,y′,z′)^T為經過調整角優(yōu)化后的坐標，Δx,Δy,Δz為原點坐標增量。

將經過調整優(yōu)化后的實際三維坐標點與設計三維坐標點的距離偏移量作為優(yōu)化目標，建立精度優(yōu)化的目標函數：

f＝min{(x′-X)²+(y′-Y)²+(z′-Z)²}

其中：(X，Y，Z)^T為設計點三維坐標；精度優(yōu)化的目標函數約束方程為國家標準規(guī)范中對調整角Δθ的技術要求，則：

式中：d為彎管外徑；

結合上式，為以調整后的三維坐標與設計三維坐標的距離作為目標函數，以規(guī)范中的要求作為約束條件，建立累積誤差優(yōu)化的數學模型。

2)應用空間彎曲圓管累積誤差控制參數檢測系統(tǒng)，獲得空間大型彎曲圓管的每一段實際加工模型的中心軸線點坐標和端面與中心軸線的相對位置等三維坐標參數。

結合空間大型彎曲圓管設計模型三維坐標參數，以(X，Y，Z)^T為設計點三維坐標和(x″,y″,z″)^T為實際拼裝后的坐標的兩組參數作為目標函數，代入空間彎曲圓管累積誤差控制數學模型，計算得到調整角Δθ的最優(yōu)解。

當調整角Δθ最優(yōu)解值過大或調整后空間結構不滿足G1連續(xù)，在保證大型空間結構整體符合設計要求的基礎的上，將調整角Δθ分配到幾個彎管拼裝平面上進行調整，最終實現減少甚至消除累積誤差的目的。

所述在拼裝平面加工出一個調整角Δθ，通過火焰切割拼裝平面加工出一個調整角Δθ，對待拼裝彎管的空間位置進行調整。

所述在拼裝平面加工出一個調整角Δθ，通過調整管段之間坡口間隙、橫截面形狀，來控制管件端面與軸線的垂直度Δ1和管端面與軸線夾角Δθ，來實現對待拼裝彎管的空間位置進行調整，使得累積誤差減小甚至消除累積誤差的目的。

所述國家標準規(guī)范，是根據《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范GB 50205-2001》中指出，管件端面與軸線的垂直度Δ1推薦為3mm以內，最大為5mm以內，即管端面與軸線夾角Δθ允許規(guī)定范圍內的偏差，定義管端面與軸線的夾角Δθ為調整角。

本發(fā)明具有的有益效果是：

1)不過于限制每段彎管的制造精度等級。

2)不過于控制焊接變形。

3)任意兩端彎管拼接只要達到規(guī)范要求誤差控制范圍內即可。

4)通過在拼裝時從技術上使加工誤差相互抵償，降低加工技術難度，降低生產成本。

5)通過在拼裝平面加工出一個調整角，對待拼裝彎管的空間位置進行調整。

6)如果調整角Δθ最優(yōu)解值過大或調整后空間結構不滿足G1連續(xù)，在保證大型空間結構整體符合設計要求的基礎的上，將此控制參數合理分配到幾個彎管拼裝平面上進行調整。

7)通過調整管段之間坡口間隙、橫截面形狀等，來控制管件端面與軸線的垂直度Δl和管端面與軸線夾角Δθ，進而實現控制誤差，降低操作難度，且管內不會產生殘余應力，不影響空間彎管線形。

本發(fā)明適用于大型博覽會館、交通樞紐、奧運會運動場等大跨度、大直徑空間彎曲圓鋼管加工累積誤差的控制。

附圖說明

圖1是空間大型彎曲圓鋼管結構示意圖。

圖2是空間大型彎曲圓鋼管加工誤差控制示意圖。

圖3是管件端面與軸線的垂直度Δl和管端面與軸線夾角Δθ示意圖。

圖4是總體坐標系與拼接平面局部坐標系。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明。

空間彎曲圓鋼管制作方法，按以下步驟進行：

第一步放樣：在計算機建模的基礎上，從模型上截取構件實際形狀，借助計算機進行放樣在計算機上把所劃分的構件單獨取出，測出弦長和矢高，作為加工數值。放樣檢驗合格后,按工藝要求制作必要的角度、槽口、制作樣板和胎架樣板。

第二步彎曲成形：利用大型油壓機在專用模具上進行機械冷加工或者采用中頻彎管機進行熱加工的加工方法，將每段彎管加工成型。

第三步分段預組裝：把制備完成的半成品和零件按圖紙規(guī)定裝配成構件或者部件(如圖1所示)。

一種空間大型彎曲圓鋼管多工序累積誤差控制方法，該方法的步驟如下：

1)根據國家標準規(guī)范中對管端面與軸線垂直度的要求，定義管端面與軸線的夾角Δθ為調整角；

在彎曲圓鋼管拼裝平面加工出一個調整角Δθ，對待拼裝彎管的空間位置進行調整，使得累積誤差減小并滿足國家標準規(guī)范中的要求；

加工出調整角Δθ后，下一段待拼裝彎管空間上表現為繞局部拼裝坐標系原點旋轉一個調整角Δθ；

所述調整角Δθ是繞拼接平面的軸旋轉的，在國家標準規(guī)范中，它同時能繞軸和軸旋轉(如圖4所示)；

空間坐標變換的旋轉公式為：

式中：為繞軸在面旋轉角度；為繞軸在面旋轉角度；為繞軸在面旋轉角度；

當很小時，坐標變換公式簡化為：

式中，(x″,y″,z″)^T為實際拼裝后的坐標，(x′,y′,z′)^T為經過調整角優(yōu)化后的坐標，Δx,Δy,Δz為原點坐標增量。

將經過調整優(yōu)化后的實際三維坐標點與設計三維坐標點的距離偏移量作為優(yōu)化目標，建立精度優(yōu)化的目標函數：

f＝min{(x′-X)²+(y′-Y)²+(z′-Z)²}

其中：(X，Y，Z)^T為設計點三維坐標；精度優(yōu)化的目標函數約束方程為國家標準規(guī)范中對調整角Δθ的技術要求，則：

式中：d為彎管外徑；

結合上式，為以調整后的三維坐標與設計三維坐標的距離作為目標函數，以規(guī)范中的要求作為約束條件，建立累積誤差優(yōu)化的數學模型。

2)應用空間彎曲圓管累積誤差控制參數檢測系統(tǒng)，獲得空間大型彎曲圓管的每一段實際加工模型的中心軸線點坐標和端面與中心軸線的相對位置等三維坐標參數。

結合空間大型彎曲圓管設計模型三維坐標參數，以(X，Y，Z)^T為設計點三維坐標和(x″,y″,z″)^T為實際拼裝后的坐標的兩組參數作為目標函數，代入空間彎曲圓管累積誤差控制數學模型，計算得到調整角Δθ的最優(yōu)解。

當調整角Δθ最優(yōu)解值過大或調整后空間結構不滿足G1連續(xù)，在保證大型空間結構整體符合設計要求的基礎的上，將調整角Δθ分配到幾個彎管拼裝平面上進行調整.最終實現減少甚至消除累積誤差的目的。

所述在拼裝平面加工出一個調整角Δθ，通過火焰切割拼裝平面加工出一個調整角Δθ，對待拼裝彎管的空間位置進行調整。

如圖2所示，所述在拼裝平面加工出一個調整角，通過調整管段之間坡口間隙、橫截面形狀，來控制管件端面與軸線的垂直度Δ1和管端面與軸線夾角Δθ，來實現對待拼裝彎管的空間位置進行調整，使得累積誤差減小甚至消除累積誤差的目的。

如圖3所示，加工出調整角后，下一段待拼裝彎管空間上表現為繞局部拼裝坐標系原點旋轉一個調整角。以兩段空間彎管拼接為例，圖3中虛線所示，為空間彎管的理想位置，A1為理想拼接平面，B1為理想空間位置；實線為實際空間彎管位置，A2為未使用本發(fā)明方法所示拼接平面，B2為未使用本發(fā)明的實際空間彎管拼接后位置；A3為使用本發(fā)明方法加工出的調整拼接平面，Δθ為調整角，B3為使用本發(fā)明的實際空間彎管拼接后位置。使得誤差減小，拼接后實際三維坐標更趨向于理想設計坐標。

所述國家標準規(guī)范，是根據《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范GB 50205-2001》中指出，管件端面與軸線的垂直度Δ1推薦為3mm以內，最大為5mm以內，即管端面與軸線夾角Δθ允許規(guī)定范圍內的偏差，定義管端面與軸線的夾角Δθ為調整角。