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數控火焰切割係統 Z 軸高度（dù）補償功能的實現

2018-6-11 來源：武漢工（gōng）程大學材料科學（xué）與工程學院作者：馬凡傑，王學華，王華龍，李安翼，劉蘇

摘要：采用（yòng）工業（yè）計算機和運動控製卡等硬件構建開放式數控火焰（yàn）切割係統，以 Visual Basic 6.0 為開發工具（jù），開發了提高異（yì）形工件火焰切割過程（chéng）平（píng）穩性的係（xì）統（tǒng）控製（zhì）軟件. 采用激光位（wèi）移傳感器對被加工件進行非接觸式掃描，獲取工件在加工路（lù）徑上的高度信息（xī），並以此為依據進行切（qiē）割軌跡的規劃和高度補償. 試運行結果表明，當工件表麵高度發生變化時，由伺服係統進行三軸直線插補或三軸螺旋插補，能夠在切割過程中使割（gē）炬與工件表（biǎo）麵（miàn）之間（jiān）的距離始終保持一致，位置（zhì）精度±0.02 mm，重複定位精度±0.05 mm. 整個係統保證了良好的切割質量（liàng），達到了切割過程平（píng）穩高效（xiào）的目的。

關鍵詞：火焰切割（gē）；數控係統；Z 軸補償；異形件切割

1、引言

數控火（huǒ）焰切割機是一（yī）種（zhǒng）利用燃氣的熱能對金屬板材進行切割（gē）加工並（bìng）利用數控裝置控製機床的切割軌跡的特種加工設備. 因具有切割（gē）質量高、割麵垂（chuí）直度好、切割厚度大（dà）以及成本低廉等優點，成為機械、壓力容器、造船、車輛、金屬結構等（děng）行業的重要裝備。目前主流數控（kòng）火焰切割設（shè）備都是以平麵切割控製（zhì）係統為主. 當工件存在高低不平、傾斜、彎曲、凸瘤、深坑等特征時，傳統的控製方式會影響切割質量和平穩性. 因此，在切割過程中采（cǎi）用合適的控製方式保持割炬與被切割工件（jiàn）之間的（de）距離恒定（dìng）對完成平（píng）穩（wěn）切割加工有重要意義. 王春、宋凱雲等人（rén）研究的電容式自動調高係統是目前解決此（cǐ）類問題的主要手段，其中蔣翔俊等人設計了基於模糊控製方法的自動調高控製係統，使電容式自動調高係統（tǒng）工作過程有了更好的穩定性和精（jīng）度. 黃金花等人（rén）引（yǐn）入結構和（hé）參數自適應思想對（duì）標準遺傳算法進行了改進，利用爬（pá）山法對 PID 調節器進行最佳參數辨識（shí），使電容式自動調高係統的動態性能有了大幅提高，精度和魯（lǔ）棒性好. 但是當工件在厚度方向上發生有一定程（chéng）度（dù）的翹曲時，安（ān）裝有電容式自動調高係統（tǒng）的火焰切割機的切割效果（guǒ）並不理想，而且（qiě）由於（yú）電容的性能受到溫度、濕度以及寄（jì）生電容的影響，設備對溫（wēn）度、濕度、屏蔽和接地均有一定要（yào）求.本文采用環境適應性更強的激光位移傳感器作為（wéi） Z 軸高度補償的數據來源，采用 Visual Basic6.0 開發了數控火焰切割係統的圖形處理和運動控製軟（ruǎn）件。

通過激光位移傳感器獲取（qǔ）被割工件高度信息，並根據被加工對象的輪廓進行空間切割（gē）軌跡規劃，實時自動沿 Z 軸方向的高度補（bǔ）償（cháng），實現了切割過程的穩定控製.

2 、係統結構

根據數（shù）控火焰切割機的加工工藝（yì）要求（qiú）和工作環境惡（è）劣的特點（diǎn），采用工控機+運動控製卡為（wéi）控製單元構建 NC 嵌入 PC 的開放式數（shù）控係統（tǒng）. 主要硬件（jiàn）有 IPC510 型工業控（kòng）製計算機、PCI-1245 型運動控製卡、8622 型多功能數據采集卡、CD33-250NA型激（jī）光位移傳感器、伺服係統等. 采用這種控製方式，不僅結（jié）構簡單，而（ér）且係統有良好的穩定性和拓展性. 係統的硬件結構示意圖如圖 1 所（suǒ）示.

圖 1 係統硬件結構示意圖

工業計算機（IPC）作為數控火焰切割係統的上位機（jī），運行（háng）所開發的數控火焰切割係統上位機控製軟（ruǎn）件，通過調用係統（tǒng）資源，驅動機床完成切割（gē）加工，同時 IPC 還作為係統的人機界麵，具有設置係統工作參數、顯示運行狀態、跟蹤切割軌跡等功能. 激光位移（yí）傳感器（qì）輸出的模擬量信號傳送至多功（gōng）能數據采集卡，經過（guò） A/D 轉換後（hòu），數控火（huǒ）焰切割係統即可得到工件在切割方向上的（de）輪廓高度，作為 Z 軸自動補（bǔ）償的數據來源. PCI-1245 作為 4 軸通用 PCI 步（bù）進/脈（mò）衝型伺（sì）服電機控（kòng）製卡，用於（yú）驅動伺（sì）服（fú）係統進行 XYZ 三（sān）軸（zhóu）直線插（chā）補或三軸螺旋插補（bǔ），實現預定軌跡的運動（dòng）控製功能.

3 、Z 軸高（gāo）度補償功能

3.1 加工路徑的預處理

在對工件進（jìn）行加工之前，數控係統需要先獲取切割路徑中工件表麵的輪廓高度，為後續加工過程中控製割炬沿 Z 軸方向進行高度補償提供數（shù）據源. 因此，CD33-250NA 激光位移傳感器需要固定在機床的 Z 軸（zhóu）上，采用垂直於 XY 平麵的方式進行安裝. 加（jiā）工路徑預處理流程見圖 2.

圖2 加工路徑預（yù）處理流程圖

首先係統（tǒng）根據（jù）輸入的幾何圖形，獲取圖形（xíng）中的要（yào）素，生成 XY 平麵的運（yùn）動路徑，伺（sì）服係統沿上述（shù）路徑進行插補運動，同（tóng）時開啟 Z 軸激光位移傳感器的連續檢測. 係統可以獲取工件在切割路徑中沿（yán）高度（dù）方（fāng）向的（de）輪廓信息，並將其離散化，變為（wéi）一係（xì）列的空間點坐（zuò）標. 但其中（zhōng）大部分為冗餘信息，需要從中提取出關（guān）鍵的刀位點坐標（x，y，z）. 當工件表麵存在高度（dù）變化時，X 軸和 Y 軸沿運動路（lù）徑插補過程中，係統將當前位置的 Z 坐標與鏈表中上一個結點裏所存儲的刀位點的 Z 坐標進行比較，當兩者差值不在（zài）割炬的有效範圍內（nèi）時，則向鏈表中添（tiān）加一個新結點，記錄當前刀位點的 X、Y 坐標，以及同步的 Z 軸坐標.

圖（tú）形路徑的生（shēng）成過程代碼（mǎ）如下：

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

3.2 Z 軸高度（dù）補償

通過對加工路徑的（de）預處理，完成對鏈表中路徑結點信息的添加後，在加工過程中，數控火焰切割係統（tǒng）通過讀取鏈表結點（diǎn）中存（cún）儲的關鍵刀位點的（de）坐標，即可控製伺服係統沿 Z 軸方向進行高度補償，與 X 軸（zhóu）、Y 軸實現三軸（zhóu）聯動，沿空間軌跡進行插補（bǔ），完成（chéng）工件切割過程. 以 PCI-1245 運動控製卡為（wéi）接口，實現（xiàn）數控係統的（de） XY 軸直線插補與割炬沿 Z軸方向實時進行高（gāo）度補償（cháng）的代碼如（rú）下：

當 XY 軸進行（háng）圓弧插補時，可以通過調用PCI-1245 運動控製卡中提供（gòng）的三軸螺旋插補函數Acm_Gp Move Helix Abs，控製伺服係統執行螺旋（xuán）插補，實（shí）現圓（yuán）弧（hú）切割過（guò）程中 Z 軸（zhóu）方（fāng）向的高度補償. 由於任（rèn）意的平麵幾何（hé）圖形均可離散為直線和圓弧，因此，通過三軸直線插補和三軸（zhóu）螺旋插補可以實現任何複雜幾（jǐ）何圖形的切割.

4 、加工實例

以（yǐ）圖 3（a）所示的弧形零件切割過程為例，根據輸（shū）入的圖形文（wén）件進行平麵投影得到在 XY 平麵上的（de）輪廓［圖（tú） 3（b）］為（wéi）加工路徑的數據來源，由激光位移傳感器（qì）采集工件（jiàn）在參考平麵高度（設（shè）為 50mm）上的數據，作為高度調整的數據來源（yuán）.

首先，在上位機中（zhōng）輸入零件的幾何圖形，投（tóu）影得到如（rú）圖 3（b）所示的輪廓. 根（gēn）據加工工（gōng）藝要求，在（zài）零件的輪廓（kuò）上選定（dìng）切割起點，並以切割起點（diǎn）為終點，確定方向和（hé）長度，繪製切割引入線和點火點.本例中選（xuǎn）取的切割（gē）起點為 A，OA 段為切割引入線，O 點為點火（huǒ）點（diǎn）.

圖3 加工軌跡生成實例

數控係統根（gēn）據輸入的零件的幾何圖形，控製伺服（fú）係（xì）統的 XY 軸（zhóu）按如圖 3（a）所示 O→A→BF→→A→O 的順（shùn）序執行高速插補. 其中 GA 段為圓弧插補，其餘均為直線插補. 在此過程中，係統根據輸入的幾何圖形的要素以及激光位移傳感器的采集數據，將 O 點、A 點、B 點、C 點、D 點、E 點、F 點、G點、H 點、I 點作為關（guān）鍵刀位點，將（jiāng）其坐（zuò）標存入（rù）加工（gōng）路徑鏈表中. 當伺（sì）服係統按照 500 mm/min 的速度（dù）執行切割時，預處理（lǐ）前後數控係統（tǒng）的理論坐標和實際運動軌跡坐標見表 1，可以看出當工件（jiàn）高度發生變化時（shí），關鍵（jiàn）刀位點的坐標被成功加入到加工路徑數據鏈表.

在（zài）完（wán）成對鏈表中結點的添（tiān）加後（hòu），火焰切割數控係統控製割炬下降到指定高度位置，並在 O 點位置進行點火，對工件（jiàn）表麵進行預熱後，伺服係統按正常的切割（gē）速度，沿空間切割軌跡執行插補. 首先（xiān），伺服係統沿切割引線（xiàn） OA 段進行插補，到達零件（jiàn）切割起點 A 處，隨後沿 AB 段進行插補（bǔ）. 在（zài）此過程中，由於 OA、AB 所在位置（zhì）的零件表麵高度一致，因此割炬此時無需進行高度補償. 隨後，係統通過BC、CD、DE、EF 四段連續的三軸直線插補，逼近工件的（de）表麵輪廓，實（shí）現 Z 軸方向的高度補償和零件的（de）切割。FG 段的插（chā）補（bǔ）與 AB 段類（lèi）似. 最後，伺服係（xì）統通（tōng）過 GH、HI、IJ、JA 四段連續的三軸螺旋插補，完成圓（yuán）弧形工（gōng）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，見表 1 的實際運動坐（zuò）標，可見運（yùn）動精度（dù）較高，位置精度均（jun1）在±0.02 mm 以內，與激光位移（yí）傳感器的測量精度一致.

表 1 特征點坐標與（yǔ）實際運動結果

5 、結語

針對實際生產的需要，開發的開放式數控（kòng）火（huǒ）焰切割係統（tǒng）實現了對於（yú） Z 軸方向的高度補償功（gōng）能，試運（yùn）行結果表明該係（xì）統具有良好（hǎo）的穩定性和較高的運動精度，其位置精（jīng）度±0.02 mm，重複定位精度達到±0.05 mm. 該係統在工件表麵存在翹曲、凹陷（xiàn）、凸瘤、深坑等特征的情（qíng）況下，依然能夠進行（háng）有（yǒu）效地切割，並保證良好的切（qiē）割（gē）質（zhì）量，擴大了火焰切割係統的（de）應用範圍，同時有效地彌補了現有數控火焰（yàn）切（qiē）割（gē）係統不能很（hěn）好完成異形工件加工（gōng）的不足.

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