帶旋轉三割炬火焰切割機數控系統的研究

我國的工廠企業，每年要把千萬噸的鋼材通過熱切割設備分解成各種形狀的零件。對於碳鋼，氧焰切割是最主要的手段。數控火焰切割機的推廣使用，不僅使切割效率大為提高，而且使材料的利用率上升了幾個百分點，其社會經濟效益相當可觀。但目前使用的數控火焰切割機一般只是兩軸聯動控制的，只帶有一把垂直於鋼板平面的割炬，因此它只能切割出任意輪廓的零件，而不能切割出這些零件上的焊接坡口。而實際情況中，零件被切割以後往往需要焊接，因此必須再增加開焊接坡口這一道工序，否則不能保證焊接質量。針對這一情況，本文提出了基於工業PC機的帶旋轉三割炬的數控火焰切割機。該切割機由X、Y和C三軸聯動控制，其中X、Y軸控制旋轉三割炬的運動軌跡，C軸控制旋轉三割炬的轉角，它隨X軸和Y軸坐標的變化而發生轉動（圖1）。這樣就能使切割機在切割零件輪廓的同時連同零件的焊接坡口一起切出。切割后，只要將熔渣清除乾淨即可焊接，避免了再開焊接坡口這道工序。

圖1　旋轉三割炬的示意圖

2　數控系統硬體的設計

該數控火焰切割機數控系統的硬體框圖如圖2所示，主要包括工業PC機、運動控制卡和伺服系統。其中工業PC機是數控系統的核心，它擔負著切割機運動軌跡的計算（粗插補）以及對整個系統管理的任務；運動控制卡插在工業PC機的擴展槽中，它一方面與伺服系統相連，實現對切割機運動軌跡的控制（精插補）。另一方面與機床操作面板及控制氣源的繼電器相連，通過操作面板，可以調整機床的位置，指令機床啟動、暫停或沿原切割軌跡返回，還能實現切割速度的加速與減速；通過繼電器，可以控制氧氣和乙炔氣體的開關。伺服系統可以選擇步進伺服系統或全數字交流伺服系統。

圖2　數控系統硬體框圖

運動控制卡由自己設計，它主要包括解碼電路、振蕩電路、I/O埠電路、脈衝控制電路、中斷電路以及光電隔離輸入輸出電路。其中解碼電路為運動控制卡提供一個介面地址段，通過撥碼開關可以更改該地址段的範圍；振蕩電路為運動控制卡上的脈衝控制電路提供固定頻率的脈衝源；I/O埠電路由兩片8255并行口晶元組成，其主要作用是輸出切割機氣源控制信號及輸入機床按鈕信號；脈衝控制電路由三片8254計數器組成，每片8254計數器分別控制一個軸的伺服電機；中斷電路是為控制程序提供硬體中斷信號而設計的；光電隔離輸出輸入電路將工業PC機電源和外界電源隔離，減少外界電源對計算機的干擾。運動控制卡設計的原理如圖3所示。

圖3　運動控制卡的原理圖

3　數控系統軟體的設計

數控系統的軟體由兩部分組成：第一部分CAD/CAM模塊實現圖形自動編程功能；第二部分CNC模塊實現切割機運動軌跡以及氣源控制功能。兩部分的模塊框架如圖4所示。

圖4　系統軟體框圖

3.1　自動編程系統設計

與傳統的自動編程系統不同，本文採用圖形自動編程系統。編程時不需要編輯零件源程序，只要在Auto?CAD環境中將要切割的零件排列好，系統能自動將圖形轉化成數控代碼，從而避免了信息的重複輸入，提高了編程效率及可靠性。

3.1.1　零件圖形的編輯

該模塊利用漢化Auto?CAD圖形軟體，編程者在Auto?CAD環境下進行圖形輸入、編輯，按下料鋼板的大小設置圖框尺寸，將要切割的零件在圖框內排列好，並加上切割引線。

3.1.2　圖形數據的提取和切割路徑的規劃

Auto?CAD系統提供了一個與其它高級語言的介面文件。