火（huǒ）焰/等離子鋼（gāng）管切割機係統插補算法（fǎ）研究（jiū）

    隨著自動化新時代的（de）到來，受數字計算機的（de）刺激，人們開始接觸計算機（jī）火焰/等離子鋼管切割機（jī）床。尤其是針對大型管材的相貫切割加工技術和高性（xìng）能微（wēi）處理器技（jì）術，使鋼管切割機（jī）床控製係統的設計（jì）變（biàn）得更為靈活。因此，它們能適應產品的各種發（fā）展變化要求，能在短期（qī）內生產出（chū）符合要求的新產品。另外，在模擬控製係統中不能解決的功能和（hé）性（xìng）能（néng）的限（xiàn）製也在（zài）數控中得到解決。對此武漢嘉倍徳科技技術部率先在（zài）行業內引入插補算法技術介（jiè）入鋼（gāng）管切割機的控製係統設（shè）計及相（xiàng）關切割（gē）工藝處理並（bìng）取得顯著成效（xiào）。
    在鋼管切割機插補算法係統加工處理中，首先要給出加工的誤差範圍（wéi）。為滿足這一要求，在加工中二維或三維的特征點應該由插補（bǔ）算（suàn）法（fǎ）算出。為了算出給定值，除（chú）了基（jī）本的直（zhí）線插補，圓弧插補外，螺旋線插補、軸線（xiàn）插補、極坐標（biāo）插補等可以在更複雜的二維或三維特征值下使用（yòng）。插補算法一般由插入器和升降（jiàng）速（sù）算法組成（chéng）。插補算（suàn）法的最終結果是以良好的內插值替換的，然後（hòu）譯（yì）成指令對位置進行循環（huán）控製（zhì），控製機床軸心的運動，對未加工材料進行加工（gōng）。
    在鋼管切割機常規的插補算法中，每個單位時間內的移動距離是沿（yán）著X,Y,Z軸計算，通過升降（jiàng）速實（shí）現（xiàn）進給運動的。在這種情況下，路徑誤差由插補生成的理想曲（qǔ）線輪廓和實際（jì）沿X,Y,Z軸升降速的步（bù）進間距。最終這種路徑誤差會在實際的數控加工中體現出來。另外，路徑誤差呈現出的不同誤差情況取決於不同的升降速方法。在拋物（wù）線升降速運動（dòng）中（zhōng）路徑誤差最小，而在指數（shù）方式下誤（wù）差最大。有（yǒu）鑒（jiàn）於此，武漢嘉倍徳科技曾做了很多嚐（cháng）試，希望能找到更好插補運算算法以減（jiǎn）小誤差。在2010-2011年期（qī）間，公（gōng）司（sī）技術部針對國外（wài）相關資料中提到的插補（bǔ）算法就（jiù）是通過插入（rù）器控製進給速度達到可以消除路徑誤差的目的。考慮鋼管切割機精加工速度的同時，也要考慮升降速和插入器的靈活時變性，微處理器的處理性能在計算機數控中成為一（yī）個重要的因素。這種（zhǒng）實際需求需要用到數字信號（hào）處理和高性能微處理器（qì）執行。
    在本文中，嘉倍徳科技將（jiāng）探討鋼管切割機常規插補算法以及線性（xìng）插補、指數插補、拋物麵升降速（sù）技術各自在路徑誤（wù）差中的算法。此外，我們還將提出一種新（xīn）的插（chā）補算法，該算法能克服常規插補算法（fǎ）中的一些缺點。該算法采用升降（jiàng）速，補償沿（yán）理想插補曲線生成的參數，尤其是在現有的圓形、螺旋插補中。同時我們將（jiāng）介紹鋼（gāng）管切割機係統中已被推出的插（chā）補算法的硬件（jiàn）和軟件的控製結構（gòu）。最後我們（men）還提供了一（yī）部分由加工中心（xīn）產生的實驗數（shù）據，這些數據與此前嘉倍徳科技迅鋒G係列多款鋼管切割機中提到的理（lǐ）論相吻合（hé）。
    實驗表明，在拋物線運動中的加工性能（néng）是最佳的，而在指數運動中是最糟的。本文提出（chū）的新插補算法比常規的插補算法能獲得更（gèng）好的加工精度。

一、鋼（gāng）管切割機插補算法軟件結構
    鋼管切割機插補算法係統軟件開發環境是基（jī）於MSDOS和擴展DOS上的，這種擴展DOS支持80486上的實地址。顯示了成熟的數控軟件開（kāi）發環境。在這樣環境下，如果一段程（chéng）序要（yào）求有（yǒu）640KB的運行空間，係統將被調用（yòng），DOS擴展器將把（bǎ）80486的操（cāo）作模式從被保護的（de）地址模式變為（wéi）實（shí）地址模式。然後，處理（lǐ）器由MS-DOS控製。如果程序執行完畢，80486的操作模式將變回受保護模式，處理器也將有DOS擴展器（qì）控製 。
    一般，成熟的鋼管切割機數控軟件由以下幾（jǐ）個部分組成：
    1. 用（yòng）戶界麵程序（xù），可（kě）以（yǐ）刪除/記錄/修改NC程序，參數，刀具偏移量（liàng），零點誤差等。
    2. 運動控製程序，程序命令（lìng）接受來自譯碼，插值，增速/減速以便（biàn）控製機器手的運動。
    3. 圖像仿真程序，程序提（tí）供了2維和（hé）3維線框/實體的原（yuán）材料外形輪（lún）廓的圖像模型（xíng）仿真。
    4. 與內部PLC有關的程（chéng）序，這（zhè）些（xiē）程序驅動著主軸電機，ATC及其他外部元（yuán）件的運動。除了這些（xiē）程序外，NC操作係統也是數控軟件很重要的一個部分。它（tā）翻譯與機（jī）器運轉有關的重要輸入，計算（suàn）出自動處理操作命令，進料/運行操作，人工數（shù）據輸入（rù）/自動處理操作等等。
    雖然鋼管切割機加工一塊管（guǎn）件是一個程序化的工作，但是鋼管切割（gē）機數控係統必須監督機器的動作，或者計算出原料在加工過程中的一些外形輪廓（kuò）的變化。為（wéi）了提供這些功能，行業內發展了（le）一套可以管理任務的多核係統（tǒng）。為（wéi）了在多重任（rèn）務環境下執行（háng），含有數控軟（ruǎn）件的程序被（bèi）重組以便分配明確的（de）任務（wù）。如本文中所（suǒ）描繪的（de），成熟的鋼管切割機數控軟件由4個任務係統和一個中斷服（fú）務組（zǔ）成。NC操（cāo）作係統（tǒng）分配任務T1，2維和3維線框/實體圖像仿真分配任務T2。另外，有關（guān）內部PLC的程序和用戶（hù）界麵程序分配任（rèn）務T3。任（rèn）務T3控製著包括用戶界麵和（hé）內部PLC在內的7個菜單，不包（bāo）括圖像仿真。
    最後的任務T4是控製鋼管切割機的運行時間。除了這些任務和中斷服務以外，成熟的鋼管切割機數控軟件包括數據庫管理/儲存刀具偏（piān）移，零點偏移，機器（qì）運轉最（zuì）優參數，傾斜誤差等（děng）。如果需要（yào），運行時每個任務都涉（shè）及這（zhè）個數據庫（kù）。

二、鋼管切割機插補算法實測分析
    由（yóu）三個坐標軸及一個主軸的運動組（zǔ）成的鋼管切割機加工設備可以測試改進的（de）數控係統及評估插補（bǔ）算法性能。割炬軸線的運動由永磁鐵交流伺服電機控製，電機分辨率為2000脈衝/圈。交流伺服電機由模（mó）擬驅（qū）動（dòng）器控製。
    實驗中，鋼（gāng）管切割機加工半徑和深度（dù）分（fèn）別為29.7mm和3mm，它們由鋁工件在直徑12mm的銑床上以200mm/min的進料速度加工而成（chéng）。實際加工過程由（yóu）測量工具RTHTR250控製。RTHTR250隻能檢查出已加（jiā）工部分整體的路線錯誤，因為它沒有能力區分（fèn）伺服係統造成的路徑錯（cuò）誤和整個測量（liàng）的錯誤。
    通過實驗我們發現，傳統插值法對具有線性（xìng），指數（shù）及拋物線型加速度工件的測試路徑。迅鋒G係列鋼管切割機標準的圓代表加（jiā）工路徑（jìng）。線性，指數及拋物線型加速度的（de）最大路徑錯誤分別為8.75微米，11.20 微米和7.65微米。這表明，傳統插值法的路徑錯誤大小受加速度的種類影響。拋（pāo）物線型加速度的路（lù）徑（jìng）錯誤最小，而指數型的最大。
    如果我們認為路徑錯誤是由（yóu）於伺服控製係統造成的實（shí）驗結果與那些數學分析十分吻合，不管它是線性，指（zhǐ）數型還是拋物線型的加速度。另一方麵（miàn），實驗也顯示了拋物線形加速度的改（gǎi）良插值法測試（shì）路（lù）徑。這是由（yóu）於路徑（jìng）錯誤相同導致的，不管加速度是哪一種，如（rú）前文中討論的。與傳統（tǒng）插值法最優的結果，改良插值法具有更高的加工精度。

三（sān）、鋼（gāng）管切（qiē）割機插補算法發展方（fāng）向
    鋼管切割機的插補算法具有較好的交互處理界（jiè）麵，針對我們討論了一種CNC係統，它（tā）將高性能的微處理器和DSPs作為動力控製，圖像仿真塊和內（nèi）部PLC的CPU。成熟的CNC係統（tǒng）被應用於鑽孔當中以便研究其加（jiā）工精度。
    我們設計了能達到更高加工精度的鋼管切割機插值算法，並通過實驗（yàn）證明了它的優（yōu）秀特性。實驗結果表（biǎo）明改良（liáng）插值法可（kě）以得到更（gèng）高的加（jiā）工精度。
    我們也研究了傳統插值法中（zhōng）加速度和插值方法對（duì）加工精度（dù）的影響。加工結果表明拋物線型加速度最好而指數型最差。
    進一步的研究方向應該是CNC加工工具上數（shù）碼伺（sì）服電機驅動器的應（yīng）用。這些應用掌控著離散時域裏電機的轉速及位置。並且要將實驗結果與已得到的模擬伺服電（diàn）機的結果進行對比。

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