空间钢管、封头球头等与管接头的相贯线多为空间曲线。在进行空间相贯线切割时,常需根据不同位置进行变坡口切割。在进行变坡口相贯线切割时,可采取人工切割及自动切割方式。人工切割难以保证空间相贯线轨迹及坡口角度的准确性,现有的空间相贯线切割设备又都比较大,在需要进行移动施工作业时不便于携带。针对上述需求,本课题研发一便携式空间相贯线四轴自动化切割机,其可直接在大管径圆管上进行作业,无需借助其他平台,即可实现变坡口相贯线的切割,提高切割效率,降低人工成本,提高坡口切割质量。为此本文从以下方面进行了研究:由空间相贯线类型及便携需求,确定了支撑机构与切割机一体化的总体方案。其中支撑机构采用多关节机械臂,各关节在确定安装位置后锁死;切割机具有旋转、伸缩、升降和摆动的四自由度,实现空间相贯轨迹的切割;利用D-H法建立了切割机的四个关节参数,完成其运动学的正解及逆解求解,确定末端割枪的空间位姿与各关节间的参数关系;对支撑架进行了强度校核,对整机进行了静力学分析,使主要零部件满足强度要求。对空间相贯线的拟合与插补算法进行了研究。根据两管相贯形成的理论相贯线,提取其中的关键点坐标,采用三阶NURBS曲线方程拟合出空间相贯线的轨迹,并确定了不同相贯线位置处的割炬速度和高度理论;完成了基于泰勒展开的三阶NURBS曲线的插补算法,并分析了弓高误差对于插补精度的影响,并对相贯线的轨迹、插补误差、插补弦长和割枪末端速度进行了仿真验证,为控制系统提供了理论计算基础。以末端位置为指标,基于控制变量法分别研究了单关节及多关节耦合状态下的配合误差、形位误差、关节转角误差以及传动链误差对空间相贯线切割机切割精度的影响;从热变形的角度分析了动态热源和铁氧燃烧热对切割工件实际厚度的影响;通过割枪末端的轨迹,研究了机械系统刚度对空间相贯线切割机切割精度的影响。空间相贯线轨迹切割实验结果表明,相贯线切割机切割出的主、支管的相贯曲线轮廓度较好、表面效果较好、误差很小,主、支管变坡口切割后准确匹配,与理论分析与仿真结果相一致。圆管的热变形测量结果表明,进行薄管件切割时,切割速度过慢会导致热变形很大;进行厚管件切割时,带坡口切割产生的热变形很大;此外,通过二次切割形成的相贯线和一次切割形成的坡口对比,二次切割的效果良好,热变形较小。