數(shù)控火焰切割機(jī)氣割割炬設(shè)計(jì)思路

　　針對(duì)金屬材料的氣割切割加工方式在我國(guó)由來(lái)已久，在以傳統(tǒng)手工作業(yè)方式向數(shù)控自動(dòng)化切割升級(jí)過(guò)程中，對(duì)于切割割炬的設(shè)計(jì)很大程度上決定了氣割加工的質(zhì)量與精度。國(guó)內(nèi)機(jī)械加工及相關(guān)下游行業(yè)中，年均材料切割需求已突破千萬(wàn)噸級(jí)別，其中有將近60%以上為碳鋼、普碳鋼以及低合金鋼，火焰氣割加工無(wú)疑是最主要的下料手段方式。至上世紀(jì)90年代開始，數(shù)控火焰切割機(jī)床開始逐步在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)得到普及，數(shù)控火焰切割機(jī)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(gè)百分點(diǎn)，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。但值得指出的是，無(wú)論是傳統(tǒng)手工切割還是數(shù)控機(jī)床加工，在氣割割炬設(shè)計(jì)方面一般只是兩軸聯(lián)動(dòng)控制的，只帶有一把垂直于鋼板平面的割炬，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(shí)際情況中，零件被切割以后往往需要焊接，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(zhì)量。
　　鑒于此情況，武漢嘉倍德科技提出了基于工業(yè)PC機(jī)的帶三割炬的數(shù)控火焰切割機(jī)。該切割機(jī)由X、Y和C三軸聯(lián)動(dòng)控制，其中X、Y軸控制三割炬的運(yùn)動(dòng)軌跡，C軸控制三割炬的轉(zhuǎn)角，它隨X軸和Y軸坐標(biāo)的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣就能使切割機(jī)在切割零件輪廓的同時(shí)連同零件的焊接坡口一起切出。切割后，只要將熔渣清除干凈即可焊接，避免了再開焊接坡口這道工序。
　　下面我們將基于工業(yè)PC機(jī)的帶三割炬的數(shù)控火焰切割機(jī)設(shè)計(jì)思路整理說(shuō)明一下：

一、數(shù)控火焰切割機(jī)割炬系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　基于工業(yè)PC機(jī)的帶三割炬的數(shù)控火焰切割機(jī)在設(shè)計(jì)上，對(duì)于割炬系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)可以參照以下思路：首先在硬件系統(tǒng)構(gòu)成上包括工業(yè)PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服系統(tǒng)。其中工業(yè)PC機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)的核心，它擔(dān)負(fù)著數(shù)控火焰切割機(jī)割炬運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算（粗插補(bǔ)）以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)管理的任務(wù)；運(yùn)動(dòng)控制卡插在工業(yè)PC機(jī)的擴(kuò)展槽中，它一方面與伺服系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)切割機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的控制（精插補(bǔ)）。另一方面與數(shù)控火焰切割機(jī)床操作面板及控制氣源的繼電器相連，通過(guò)操作面板，可以調(diào)整機(jī)床的位置，指令機(jī)床啟動(dòng)、暫?；蜓卦懈钴壽E返回，還能實(shí)現(xiàn)割炬切割速度的加速與減速；通過(guò)繼電器，可以控制氧氣和乙炔氣體的開關(guān)。伺服系統(tǒng)可以選擇步進(jìn)伺服系統(tǒng)或全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)。
　　嘉倍德科技迅鋒系列數(shù)控火焰切割機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡完全自主開發(fā)設(shè)計(jì)，它主要包括譯碼電路、振蕩電路、I/O端口電路、脈沖控制電路、中斷電路以及光電隔離輸入輸出電路。其中譯碼電路為運(yùn)動(dòng)控制卡提供一個(gè)接口地址段，通過(guò)撥碼開關(guān)可以更改該地址段的范圍；振蕩電路為運(yùn)動(dòng)控制卡上的脈沖控制電路提供固定頻率的脈沖源；I/O端口電路由兩片8255并行口芯片組成，其主要作用是輸出切割機(jī)氣源控制信號(hào)及輸入機(jī)床按鈕信號(hào)；脈沖控制電路由三片8254計(jì)數(shù)器組成，每片8254計(jì)數(shù)器分別控制一個(gè)軸的伺服電機(jī)；中斷電路是為控制程序提供硬件中斷信號(hào)而設(shè)計(jì)的；光電隔離輸出輸入電路將工業(yè)PC機(jī)電源和外界電源隔離，減少外界電源對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾。

二、數(shù)控火焰切割機(jī)割炬系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　數(shù)控火焰切割機(jī)割炬系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)需基于對(duì)CAD/CAM模塊實(shí)現(xiàn)圖形自動(dòng)編程功能；一般來(lái)看，垂直的數(shù)控火焰切割機(jī)割炬設(shè)計(jì)運(yùn)行軌跡完全遵照CAD的圖形自動(dòng)編程行走，但三割炬設(shè)計(jì)由于存在倒角切割需求，在割炬行走過(guò)程中，勢(shì)必需要考慮到不同切割邊緣的切割方向問(wèn)題，這一點(diǎn)則需要通過(guò)數(shù)控火焰切割機(jī)割炬系統(tǒng)基于CAD/CAM模塊的設(shè)計(jì)思路融合。
　　與傳統(tǒng)的自動(dòng)編程系統(tǒng)不同，數(shù)控火焰切割機(jī)割炬系統(tǒng)CAD/CAM模塊采用圖形自動(dòng)編程系統(tǒng)。編程時(shí)不需要編輯零件源程序，只要在AutoCAD環(huán)境中將要切割的零件排列好，系統(tǒng)能自動(dòng)將圖形轉(zhuǎn)化成數(shù)控代碼，從而避免了信息的重復(fù)輸入，提高了編程效率及可靠性。
　　1. 零件圖形的編輯
　　該模塊利用漢化AutoCAD圖形軟件，編程者在AutoCAD環(huán)境下進(jìn)行圖形輸入、編輯，按下料鋼板的大小設(shè)置圖框尺寸，將要切割的零件在圖框內(nèi)排列好，并加上切割引線。
　　2. 圖形數(shù)據(jù)的提取和切割路徑的規(guī)劃
　　AutoCAD系統(tǒng)提供了一個(gè)與其它高級(jí)語(yǔ)言的接口文件——DXF圖文交換文件，它將AutoCAD提供的數(shù)據(jù)以固定的格式輸出。從DXF文件我們可以提取零件的輪廓數(shù)據(jù)，它包含了設(shè)計(jì)零件的全部實(shí)體，但各個(gè)零件的實(shí)體夾雜排列在一起，所以必須對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使每個(gè)零件的實(shí)體放在一起，并且使零件的各實(shí)體首尾相連。
　　3. 火焰半徑補(bǔ)償及過(guò)渡圓弧的計(jì)算
　　在切割過(guò)程中，由于火焰噴嘴有一定的半徑，因此，火焰噴嘴中心的運(yùn)動(dòng)軌跡并不是零件的實(shí)際輪廓，必須對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行火焰半徑補(bǔ)償處理。且在切割過(guò)程中，火焰噴嘴是不允許暫停的，因此，在實(shí)體與實(shí)體之間須增加一段半徑為火焰噴嘴半徑的過(guò)渡圓弧，在切割完一個(gè)實(shí)體后，使三割炬的轉(zhuǎn)角逐步過(guò)渡到下一個(gè)實(shí)體。
　　4. 數(shù)控程序的生成
　　通過(guò)以上計(jì)算，已經(jīng)求得火焰噴嘴中心實(shí)際的運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)切割加工工藝的需要，該系統(tǒng)還增加了如下六條輔助指令：
　　M12——點(diǎn)火　M24——預(yù)熱　M13——熄火
　　M14——開切割氧　M15——關(guān)切割氧
　　M00——程序結(jié)束

三、數(shù)控火焰切割機(jī)割炬系統(tǒng)氣源控制功能設(shè)計(jì)
　　使用數(shù)控火焰切割機(jī)加工，對(duì)氣源控制是十分重要的一個(gè)細(xì)節(jié)，數(shù)控火焰切割機(jī)割炬系統(tǒng)氣源控制功能設(shè)計(jì)根據(jù)切割加工工藝的要求，同時(shí)又能充分發(fā)揮工業(yè)PC機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，該數(shù)控火焰切割機(jī)的割炬氣源控制設(shè)計(jì)可按以下幾個(gè)模塊來(lái)設(shè)計(jì)。
　　1. 程序檢驗(yàn)及圖形仿真模塊
　　程序運(yùn)行的第一步是檢驗(yàn)輸入的數(shù)據(jù)文件是否符合規(guī)定的要求，一旦發(fā)現(xiàn)指定的文件中有非法的指令，則退出控制程序，并提示編程人員哪一行出現(xiàn)哪一種類型的錯(cuò)誤，編程人員修改好數(shù)控代碼文件以后，可繼續(xù)進(jìn)入控制程序。圖形仿真模塊將讀入G代碼經(jīng)過(guò)處理畫出零件圖形，無(wú)論零件有多大或多小，系統(tǒng)都能自動(dòng)按比例縮放。
　　2. 轉(zhuǎn)角計(jì)算模塊
　　由于自動(dòng)編程系統(tǒng)生成的數(shù)控代碼文件只包含零件輪廓的信息，沒(méi)有包含三割炬轉(zhuǎn)角的信息，因此在該模塊中必須根據(jù)零件的輪廓計(jì)算出三割炬的轉(zhuǎn)角，并計(jì)算出切割每個(gè)零件前三割炬的初始轉(zhuǎn)角，為插補(bǔ)控制作好準(zhǔn)備。
　　3. 插補(bǔ)控制模塊
　　此模塊解釋數(shù)控代碼文件中的G00，G01，G02，G03類運(yùn)動(dòng)指令，由于運(yùn)動(dòng)控制卡沒(méi)有插補(bǔ)控制指令，因此在執(zhí)行這些指令前必須由工業(yè)PC機(jī)作一些數(shù)據(jù)處理。該模塊一方面根據(jù)數(shù)控代碼文件中的數(shù)值以及各軸的脈沖當(dāng)量，計(jì)算出X、Y和C軸的脈沖數(shù)；另一方面根據(jù)指定的切割速度，計(jì)算出各軸的分頻系數(shù)。并在上一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)，將計(jì)算出的脈沖數(shù)的分頻系數(shù)送到對(duì)應(yīng)8254計(jì)數(shù)器的對(duì)應(yīng)通道。
　　4. 軌跡的動(dòng)態(tài)跟蹤模塊
　　該模塊完成切割嘴位置的動(dòng)態(tài)跟蹤顯示，從顯示屏上，操作者可以清楚地看到當(dāng)前的切割位置。該模塊通過(guò)不停地讀回8254計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，得到剩余的脈沖數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到當(dāng)前切割位置的屏幕坐標(biāo)，并用小箭頭指示三割炬的位置，用指針指示三割炬的轉(zhuǎn)角。
　　5. 系統(tǒng)管理模塊
　　該模塊用來(lái)在切割過(guò)程中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理，包括暫停、啟動(dòng)、返回、退出、升降速的控制以及對(duì)限位信號(hào)的處理。