數(shù)控火焰切割系統(tǒng)Z軸高度補(bǔ)償功能的實(shí)現(xiàn)

馬凡杰，王學(xué)華，王華龍，李安翼，劉　蘇武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074

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數(shù)控火焰切割系統(tǒng)Z軸高度補(bǔ)償功能的實(shí)現(xiàn)

馬凡杰，王學(xué)華*，王華龍，李安翼，劉蘇
武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074

摘要：采用工業(yè)計(jì)算機(jī)和運(yùn)動控制卡等硬件構(gòu)建開放式數(shù)控火焰切割系統(tǒng)，以Visual Basic 6.0為開發(fā)工具，開發(fā)了提高異形工件火焰切割過程平穩(wěn)性的系統(tǒng)控制軟件.采用激光位移傳感器對被加工件進(jìn)行非接觸式掃描，獲取工件在加工路徑上的高度信息，并以此為依據(jù)進(jìn)行切割軌跡的規(guī)劃和高度補(bǔ)償.試運(yùn)行結(jié)果表明，當(dāng)工件表面高度發(fā)生變化時(shí)，由伺服系統(tǒng)進(jìn)行三軸直線插補(bǔ)或三軸螺旋插補(bǔ)，能夠在切割過程中使割炬與工件表面之間的距離始終保持一致，位置精度±0.02 mm，重復(fù)定位精度±0.05 mm.整個系統(tǒng)保證了良好的切割質(zhì)量，達(dá)到了切割過程平穩(wěn)高效的目的.

關(guān)鍵詞：火焰切割；數(shù)控系統(tǒng)；Z軸補(bǔ)償；異形件切割

1　引　言

數(shù)控火焰切割機(jī)是一種利用燃?xì)獾臒崮軐饘侔宀倪M(jìn)行切割加工并利用數(shù)控裝置控制機(jī)床的切割軌跡的特種加工設(shè)備［1-2］.因具有切割質(zhì)量高、割面垂直度好、切割厚度大以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，成為機(jī)械、壓力容器、造船、車輛、金屬結(jié)構(gòu)等行業(yè)的重要裝備［3］.

目前主流數(shù)控火焰切割設(shè)備都是以平面切割控制系統(tǒng)為主［4-5］.當(dāng)工件存在高低不平、傾斜、彎曲、凸瘤、深坑等特征時(shí)，傳統(tǒng)的控制方式會影響切割質(zhì)量和平穩(wěn)性.因此，在切割過程中采用合適的控制方式保持割炬與被切割工件之間的距離恒定對完成平穩(wěn)切割加工有重要意義.王春［6］、宋凱云［7］等人研究的電容式自動調(diào)高系統(tǒng)是目前解決此類問題的主要手段，其中蔣翔?。?］等人設(shè)計(jì)了基于模糊控制方法的自動調(diào)高控制系統(tǒng)，使電容式自動調(diào)高系統(tǒng)工作過程有了更好的穩(wěn)定性和精度.黃金花［9］等人引入結(jié)構(gòu)和參數(shù)自適應(yīng)思想對標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法進(jìn)行了改進(jìn)，利用爬山法對PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行最佳參數(shù)辨識，使電容式自動調(diào)高系統(tǒng)的動態(tài)性能有了大幅提高，精度和魯棒性好.但是當(dāng)工件在厚度方向上發(fā)生有一定程度的翹曲時(shí)，安裝有電容式自動調(diào)高系統(tǒng)的火焰切割機(jī)的切割效果并不理想，而且由于電容的性能受到溫度、濕度以及寄生電容的影響，設(shè)備對溫度、濕度、屏蔽和接地均有一定要求.

本文采用環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)的激光位移傳感器作為Z軸高度補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)來源，采用Visual Basic 6.0開發(fā)了數(shù)控火焰切割系統(tǒng)的圖形處理和運(yùn)動控制軟件.通過激光位移傳感器獲取被割工件高度信息，并根據(jù)被加工對象的輪廓進(jìn)行空間切割軌跡規(guī)劃，實(shí)時(shí)自動沿Z軸方向的高度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了切割過程的穩(wěn)定控制.

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)數(shù)控火焰切割機(jī)的加工工藝要求和工作環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，采用工控機(jī)＋運(yùn)動控制卡為控制單元構(gòu)建NC嵌入PC的開放式數(shù)控系統(tǒng).主要硬件有IPC510型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PCI-1245型運(yùn)動控制卡、8622型多功能數(shù)據(jù)采集卡、CD33-250NA型激光位移傳感器、伺服系統(tǒng)等.采用這種控制方式，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且系統(tǒng)有良好的穩(wěn)定性和拓展性.系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1　Structural diagram of system hardware

工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC）作為數(shù)控火焰切割系統(tǒng)的上位機(jī)，運(yùn)行所開發(fā)的數(shù)控火焰切割系統(tǒng)上位機(jī)控制軟件，通過調(diào)用系統(tǒng)資源，驅(qū)動機(jī)床完成切割加工，同時(shí)IPC還作為系統(tǒng)的人機(jī)界面，具有設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)、顯示運(yùn)行狀態(tài)、跟蹤切割軌跡等功能.激光位移傳感器輸出的模擬量信號傳送至多功能數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)控火焰切割系統(tǒng)即可得到工件在切割方向上的輪廓高度，作為Z軸自動補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)來源. PCI-1245作為4軸通用PCI步進(jìn)/脈沖型伺服電機(jī)控制卡，用于驅(qū)動伺服系統(tǒng)進(jìn)行XYZ三軸直線插補(bǔ)或三軸螺旋插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定軌跡的運(yùn)動控制功能.

3　Z軸高度補(bǔ)償功能

3.1加工路徑的預(yù)處理

在對工件進(jìn)行加工之前，數(shù)控系統(tǒng)需要先獲取切割路徑中工件表面的輪廓高度，為后續(xù)加工過程中控制割炬沿Z軸方向進(jìn)行高度補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)源.因此，CD33-250NA激光位移傳感器需要固定在機(jī)床的Z軸上，采用垂直于XY平面的方式進(jìn)行安裝.加工路徑預(yù)處理流程見圖2.

圖2　加工路徑預(yù)處理流程圖Fig. 2　Flowchart of pretreatment of cutting path

首先系統(tǒng)根據(jù)輸入的幾何圖形，獲取圖形中的要素，生成XY平面的運(yùn)動路徑，伺服系統(tǒng)沿上述路徑進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動，同時(shí)開啟Z軸激光位移傳感器的連續(xù)檢測.系統(tǒng)可以獲取工件在切割路徑中沿高度方向的輪廓信息，并將其離散化，變?yōu)橐幌盗械目臻g點(diǎn)坐標(biāo).但其中大部分為冗余信息，需要從中提取出關(guān)鍵的刀位點(diǎn)坐標(biāo)（x，y，z）.當(dāng)工件表面存在高度變化時(shí)，X軸和Y軸沿運(yùn)動路徑插補(bǔ)過程中，系統(tǒng)將當(dāng)前位置的Z坐標(biāo)與鏈表中上一個結(jié)點(diǎn)里所存儲的刀位點(diǎn)的Z坐標(biāo)進(jìn)行比較，當(dāng)兩者差值不在割炬的有效范圍內(nèi)時(shí)，則向鏈表中添加一個新結(jié)點(diǎn)，記錄當(dāng)前刀位點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)，以及同步的Z軸坐標(biāo).

圖形路徑的生成過程代碼如下：

Public sub Go_L（Line L1）’定義直線路徑函數(shù)

Dim startX#：Dim startY#

Dim endX#：Dim endY#

Dim plusCount（2）#

startX＝L1.sx：startY＝L1.sy’獲取直線起始點(diǎn)坐標(biāo)

endX＝L1.ex：endY＝L1.ey’獲取直線終止點(diǎn)坐標(biāo)

plusCount（0）＝（endX-startX）*1600’計(jì)算X軸方向的脈沖數(shù)

plusCount（1）＝（endY-startY）*1600’計(jì)算Y軸方向的脈沖數(shù)

Acm_GpAddPath h_Group，1，0，6000，2000，PlusCount（0），0，2’添加路徑緩存

End Sub

……

Public sub Go_R（Arc arc1）’定義圓弧路徑函數(shù)

Dim arcCenterX#：Dim arcCenterY#

Dim arcStartX#：Dim arcStartY#

Dim arcEndX#：Dim arcStartY#

Dim centerArray（2）#：Dim endArray（2）#

arcCenterX＝acr1.cx：arcCenterY＝arc1.cy’獲取圓弧圓心坐標(biāo)

arcStartX＝arc1.sx：arcStartY＝arc1.sy’獲取圓弧起點(diǎn)坐標(biāo)

arcEndX＝arc1.ex：arcEndY＝arc1.ey’獲取圓弧終點(diǎn)坐標(biāo)

centerArray（0）＝Abs（arcStartX -arcCenterX）* 1600’計(jì)算起點(diǎn)與圓心在X軸的脈沖數(shù)

centerArray（1）＝Abs（arcStartY -arcCenterY）* 1600’計(jì)算起點(diǎn)與圓心在Y軸的脈沖數(shù)

endArray（0）＝Abs（arcStartX -arcEndX）* 1600’計(jì)算起點(diǎn)與終點(diǎn)在X軸的脈沖數(shù)

endArray（1）＝Abs（arcStartY -arcEndY）* 1600’計(jì)算起點(diǎn)與終點(diǎn)在Y軸的脈沖數(shù)

If arc1.acrDir＝1 then

Acm_GpAddPath（h_Group，3，0，6000，2000，EndArray（0），CenterArray（0），2）’添加順時(shí)針路徑緩存

Else

Acm_GpAddPath（h_Group，4，0，6000，2000，EndArray（0），CenterArray（0），2）’添加逆時(shí)針路徑緩存

End If

End Sub

預(yù)處理過程中添加關(guān)鍵刀位點(diǎn)坐標(biāo)的代碼如下：

……

While XYMoving’伺服XY軸執(zhí)行插補(bǔ)時(shí)

If Abs（CurPos（Z）- Z_Recorded）＞FireArea Then’當(dāng)超出割炬當(dāng)前范圍時(shí)

Set PresentNode＝HeadNode’定位到鏈表的首結(jié)點(diǎn)

While Not PresentNode.X Is Nothing’遍歷鏈表，定位到尾結(jié)點(diǎn)

Set PresentNode＝PresentNode.NextNode

Wend

Set TailNode＝New PathNode’PathNode為定義的鏈表結(jié)點(diǎn)

TailNode.X＝CurPos（X）’記錄當(dāng)前X軸坐標(biāo)

TailNode.Y＝CurPos（Y）’記錄當(dāng)前Y軸坐標(biāo)

TailNode.Z＝CurPos（Z）’記錄當(dāng)前Z軸坐標(biāo)

Z_Recorded＝TailNode.Z

Set PresentNode.NextNode＝TailNode’將新結(jié)點(diǎn)加入鏈表

End If

Wend

……

此外，鏈表中還需要加入直線的起止點(diǎn)、終止點(diǎn)，圓弧的起始點(diǎn)、終止點(diǎn)、圓心等圖形要素的坐標(biāo)，使鏈表中包含完整的加工路徑信息.

3.2Z軸高度補(bǔ)償

通過對加工路徑的預(yù)處理，完成對鏈表中路徑結(jié)點(diǎn)信息的添加后，在加工過程中，數(shù)控火焰切割系統(tǒng)通過讀取鏈表結(jié)點(diǎn)中存儲的關(guān)鍵刀位點(diǎn)的坐標(biāo)，即可控制伺服系統(tǒng)沿Z軸方向進(jìn)行高度補(bǔ)償，與X軸、Y軸實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動，沿空間軌跡進(jìn)行插補(bǔ)，完成工件切割過程.以PCI-1245運(yùn)動控制卡為接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的XY軸直線插補(bǔ)與割炬沿Z軸方向?qū)崟r(shí)進(jìn)行高度補(bǔ)償?shù)拇a如下：

……

Acm_GetAvailableDevs CurAvailableDevs（0），1，DeviceCount’獲取可使用的設(shè)備

DeviceNumber＝CurAvailableDevs（0）. dwDe?viceNum’獲取設(shè)備序號

Result＝Acm_DevOpen（DeviceNumber，h_Device）’打開運(yùn)動控制卡并獲取句柄

If Result＜＞0 then

Acm_AxOpen h_Device，0，h_X_Axis '打開X 軸

Acm_AxOpen h_Device，1，h_Y_Axis '打開Y軸

Acm_AxOpen h_Device，2，h_Z_Axis '打開Z 軸

Acm_GpAddAxis h_Group，h_X_Axis’向群組中加入X軸

Acm_GpAddAxis h_Group，h_Y_Axis’向群組中加入Y軸

Acm_GpAddAxis h_Group，h_Z_Axis’向群組中加入Z軸

End If

……

While Not Moving

Set CurrentNode＝CurrentNode.NextNode’

Postion（0）＝CurrentNode.X’獲取下一結(jié)點(diǎn)的X坐標(biāo)

Postion（1）＝CurrentNode.Y’獲取下一結(jié)點(diǎn)的Y坐標(biāo)

Postion（2）＝CurrentNode.Z’獲取下一結(jié)點(diǎn)的Z坐標(biāo)

Acm_GpMoveLinearAbs（h_Group，Postion （0），3）’執(zhí)行三軸直線插補(bǔ)

Wend

……

當(dāng)XY軸進(jìn)行圓弧插補(bǔ)時(shí)，可以通過調(diào)用PCI-1245運(yùn)動控制卡中提供的三軸螺旋插補(bǔ)函數(shù)Acm_GpMoveHelixAbs，控制伺服系統(tǒng)執(zhí)行螺旋插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)圓弧切割過程中Z軸方向的高度補(bǔ)償.由于任意的平面幾何圖形均可離散為直線和圓弧，因此，通過三軸直線插補(bǔ)和三軸螺旋插補(bǔ)可以實(shí)現(xiàn)任何復(fù)雜幾何圖形的切割.

4　加工實(shí)例

以圖3（a）所示的弧形零件切割過程為例，根據(jù)輸入的圖形文件進(jìn)行平面投影得到在XY平面上的輪廓［圖3（b）］為加工路徑的數(shù)據(jù)來源，由激光位移傳感器采集工件在參考平面高度（設(shè)為50 mm）上的數(shù)據(jù)，作為高度調(diào)整的數(shù)據(jù)來源.

首先，在上位機(jī)中輸入零件的幾何圖形，投影得到如圖3（b）所示的輪廓.根據(jù)加工工藝要求，在零件的輪廓上選定切割起點(diǎn)，并以切割起點(diǎn)為終點(diǎn)，確定方向和長度，繪制切割引入線和點(diǎn)火點(diǎn).本例中選取的切割起點(diǎn)為A，OA段為切割引入線，O點(diǎn)為點(diǎn)火點(diǎn).

數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的零件的幾何圖形，控制伺服系統(tǒng)的XY軸按如圖3（a）所示O→A→B→F→G→A→O的順序執(zhí)行高速插補(bǔ).其中GA段為圓弧插補(bǔ)，其余均為直線插補(bǔ).在此過程中，系統(tǒng)根據(jù)輸入的幾何圖形的要素以及激光位移傳感器的采集數(shù)據(jù)，將O點(diǎn)、A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)、E點(diǎn)、F點(diǎn)、G點(diǎn)、H點(diǎn)、I點(diǎn)作為關(guān)鍵刀位點(diǎn)，將其坐標(biāo)存入加工路徑鏈表中.當(dāng)伺服系統(tǒng)按照500 mm/min的速度執(zhí)行切割時(shí)，預(yù)處理前后數(shù)控系統(tǒng)的理論坐標(biāo)和實(shí)際運(yùn)動軌跡坐標(biāo)見表1，可以看出當(dāng)工件高度發(fā)生變化時(shí)，關(guān)鍵刀位點(diǎn)的坐標(biāo)被成功加入到加工路徑數(shù)據(jù)鏈表.

在完成對鏈表中結(jié)點(diǎn)的添加后，火焰切割數(shù)控系統(tǒng)控制割炬下降到指定高度位置，并在O點(diǎn)位置進(jìn)行點(diǎn)火，對工件表面進(jìn)行預(yù)熱后，伺服系統(tǒng)按正常的切割速度，沿空間切割軌跡執(zhí)行插補(bǔ).首先，伺服系統(tǒng)沿切割引線OA段進(jìn)行插補(bǔ)，到達(dá)零件切割起點(diǎn)A處，隨后沿AB段進(jìn)行插補(bǔ).在此過程中，由于OA、AB所在位置的零件表面高度一致，因此割炬此時(shí)無需進(jìn)行高度補(bǔ)償.隨后，系統(tǒng)通過BC、CD、DE、EF四段連續(xù)的三軸直線插補(bǔ)，逼近工件的表面輪廓，實(shí)現(xiàn)Z軸方向的高度補(bǔ)償和零件的切割. FG段的插補(bǔ)與AB段類似.最后，伺服系統(tǒng)通過GH、HI、IJ、JA四段連續(xù)的三軸螺旋插補(bǔ)，完成圓弧形工件的切割.在切割過程中通過伺服編碼器獲取運(yùn)動位置坐標(biāo)，見表1的實(shí)際運(yùn)動坐標(biāo)，可見運(yùn)動精度較高，位置精度均在±0.02 mm以內(nèi)，與激光位移傳感器的測量精度一致.

圖3　加工軌跡生成實(shí)例Fig. 3 Example of cutting path generation. （a）Processing object and its path；（b）Plane path

表1　特征點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)際運(yùn)動結(jié)果Tab. 1　Coordinates of feature points and practical motion results

5　結(jié)　語

針對實(shí)際生產(chǎn)的需要，開發(fā)的開放式數(shù)控火焰切割系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對于Z軸方向的高度補(bǔ)償功能，試運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和較高的運(yùn)動精度，其位置精度±0.02 mm，重復(fù)定位精度達(dá)到±0.05 mm.該系統(tǒng)在工件表面存在翹曲、凹陷、凸瘤、深坑等特征的情況下，依然能夠進(jìn)行有效地切割，并保證良好的切割質(zhì)量，擴(kuò)大了火焰切割系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，同時(shí)有效地彌補(bǔ)了現(xiàn)有數(shù)控火焰切割系統(tǒng)不能很好完成異形工件加工的不足.

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本文編輯：龔曉寧

Realization of Z Axis Interpolation Function in Numerical Control for Flame Cutting System

MA Fanjie，WANG Xuehua，WANG Hualong，LI Anyi，LIU Su
School of Materials Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

Abstract：We built an open numerical?control?flame cutting system for improving the stability of special?shaped workpiece cutting processing by using industrial computer and motion control card as hardware，and Visual Basic 6.0 as control software. The height information of workpiece surface along cutting path through non?contact measurement was obtained by using a laser displacement sensor，by which the cutting path planning and alti?tude compensation could be performed. The trial operation results indicate that，when the surface height of work?piece changes in processing，the distance between the cutting torch and the workpiece surface could be kept almost the same through three axis linear and spiral interpolation，and the positional accuracy is about±0.02 mm and the repeat positioning accuracy is about±0.05 mm. The whole system could ensure a better cutting qual?ity，realizing a smooth and efficient cutting process.

Keywords：flame cutting；numerical control；height compensation，special?shaped workpiece cutting

*通訊作者：王學(xué)華，博士，教授. E-mail：31393288@qq.com

作者簡介：馬凡杰，碩士研究生. E-mail：mfjmafanjie@foxmail.com

基金項(xiàng)目：武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金（CX2014068）

收稿日期：2015-11-19

文章編號：1674 - 2869（2016）01 - 0040 - 06

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10. 3969/j. issn. 1674?2869. 2016. 01. 007