（机械电子工程专业论文）新型数控火焰切管机acs软件系统的研究.pdf

新型数控火焰切管机a c s 软件系统的研究 s t u d y o nt h es o f t w a r eo fa u t o m a t i cc u t t i n g s y s t e m ( a c s ) f o r n e wc n cf l a m ec u t t i n g m a c h i n e 学科专业：机械电子工程 研究生：王兆拮 指导教师：王国栋教授 天津大学机械工程学院 二零零八年六月 摘要 数控火焰自动切管机在各种管材，板材等金属构件切割和焊接工业中应用十 分广泛，是制造海上平台导管架构件的关键设备。随着制造海洋平台导管架过程 中对金属构件切割的效率与精度要求越来越高，切割样式越来越丰富，旧有的切 管机自带软件系统已经满足不了要求。因此，本课题通过对中国海洋石油平台制 造公司进口的新型火焰自动切管机自带软件系统的研究，针对其操作系统使用不 便，相贯线模型不全面等弊端，结合天津大学数控液压研究所多年来在数控切割 相贯线及坡口模型等方面的研究成果，着手开发国内具有自主知识产权的智能 化、自动化软件控制系统。目的在于为进口新型火焰数控自动切管机配备操作方 便、相贯线计算模型完备，带有信息管理数据库的自动化、智能化软件系统。主 要成果包括： 采用模块化设计思想，运用v l i s p 语言编程实现软件系统各功能模块，主 要包括：零件信息生成模块；零件、及相贯类型判断模块；零件几何参数、位置 关系参数计算模块；相贯曲线计算模块；数据处理模块；工程图绘制模块；重量、 重心计算模块。 开发了形式更为丰富相贯线数学模型，包括直管开槽，管板斜插相贯，开方 孔、圆孔，切割皇冠板等，并与原有的管管、板管、环管、锥管相贯模型进行整 合，为软件系统建立了完备的相贯线数学模型库，同时也便于以后的模型扩展。 软件系统通过现场测试和使用，很大程度的提高了切割导管架构件的精度和 可靠性，操作方便，适用于多种切割类型，大大提高了加工生产效率。 关键词：火焰自动切管机自动切割系统相贯线模型c a d c a m 模块化 a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o lf l a m ea u t o m a t i cp i p e c u t t i n gm a c h i n e sa r ew i d e l yu s e di nt h e c u t t i n ga n dw e l d i n gi n d u s t r yo fv a r i o u sp i p ea n ds h e e tm e t a lc o m p o n e n t s ，a n dt h e y a l ep i v o t a le q u i p m e n t si np r o d u c i n go c e a np l a t f o r mj a c k e tc o m p o n e n t s a st h e r e q u i r e m e n t st ot h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo ft h em e t a ls t r u c t u r e sc u t t i n gh a v e b e c o m em o r ea n dm o r es t r i c t ，a n dt h ec u t t i n gs t y l eh a sb e c o m em o r ea n dm o r e c o m p l i c a t e d ，t h es o f t w a r es y s t e mo ft h eo l dp i p ec u t t i n gm a c h i n ec a nn o tm e e tt h e t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s s oa f t e rs t u d yo nn e wi m p o r t e df l a m ea u t o m a t i cm a c h i n ei n c h i n ap e t r o l e u mp l a t f o r mm a n u f a c t u r i n gc o m p a n y , t h er e s e a r c hf a l l st od e v e l o p i n g i n d e p e n d e n ti n t e l l i g e n ta n da u t o m a t i cs o f t w a r ec o n t r o ls y s t e m ，w h i c hg e t sr i do f d e f e a t so fi n c o n v e n i e n c ea n di n c o m p l e t e n e s so f j a c k e tj o i n ti n t e r s e c t i n gc u r v em o d e l s i ns o f t w a r es y s t e me n c l o s e dw i t ht h ei m p o r t e dm a c h i n e w ea l s ot a k eu s eo ft h e r e s e a r c hr e s u l t so fi n t e r s e c t i n gl i n e sa n dg r o o v em o d e lt h a tt h eh y d r a u l i ci n s t i t u t eo f t i a n j i nu n i v e r s i t yh a v ea c h i e v e df o ry e a r s t h er e s e a r c ha i m sa te q u i p p i n ga n i n t e l l i g e n ta n da u t o m a t i cs o f t w a r es y s t e mw h i c hi se a s yt oo p e r a t e ，w i t hc o m p l e t e i n t e r s e c t i o nm o d e la n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n td a t a b a s ef o rt h en e wn u m e r i c a l c o n t r o lf l a m ea u t o m a t i cp i p e c u t t i n gm a c h i n e s t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e r a r e ： t h i sp a p e ra d a p t sm o d u l a rd e s i g nt h o u g h t ，a n du s e st h ev l i s pp r o g r a ml a n g u a g e t oi m p l e m e n ta l lf u n c t i o nm o d u l e so ft h es o f t w a r es y s t e m ，i n c l u d i n gt h eg e n e r a t i o n m o d u l eo fp a r t si n f o r m a t i o n , j u d g m e n tm o d u l eo fi n t e r s e c t i n gl i n et y p e ，c o m p u t i n g m o d u l eo fb a rg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n dl o c a t i o np a r a m e t e r s ，c o m p u t i n gm o d u l eo f i n t e r s e c t i o n c u r v e ，d a t a - p r o c e s s i n gm o d u l e ，d e s i g n i n gm o d u l e o f e n g i n e e r i n g d r a w i n g sa n dc o m p u t i n gm o d u l eo fw e i g h ta n dc e n t r eo fg r a v i t y m a t h e m a t i c a lm o d e li n c l u d i n g o p e n i n g r o u n do ft h e t r o u g h , b o a r d - p i p e n o n - v e r t i c a li n t e r s e c t i o n , c u t t i n gs q u a r eh o l e ，c u t t i n gh o l e ，c u t t i n gc r o w nc h iv ea n ds o o n t h e ni n t e g r a t e st h e s ew i t h t h ei n t e r s e c t i n gc u r v em o d e lo f p i p e - p i p e ，b o a r d p i p e ， c o n e - - p i p ea n dr i n g p i p et oe s t a b l i s ht h ei n t e g r a t e di n t e r s e c t i o nc a lv em a t hm o d e lb a s e a n dd e v e l o pt h em o d e li nf u t u r e t h r o u g ht e s t i n ga n da p p l i c a t i o no nt h es p o t ，t h en e ws y s t e mh a si n c r e a s e dt h e a c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo f j a c k e tc o m p o n e n t sc u t t i n gp r o c e s s a ss u c h , t h ep r o d u c i n g e f f i c i e n c yh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l y k e yw o r d s ：f l a m ea u t o m a t i cp i p e c u t t i n gm a c h i n e ，a u t o m a t i cc u t t i n gs y s t e m ， i n t e r s e c t i n gl i n em o d e l ，c a d c a m ，m o d u l a r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞苤茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：互多匕苔盖 签字日期： 2 ，p 。扩年占月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权一丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 到孳考导师签名：翻目馋 签字日期：2 。6 7 年 月1 日签字日期：知。罗年 y 7 5 。( o = 3 7 。5 。 - 6 0 ”，工程上可取驴= 5 0 。 7 5 。 y 3 0 。a p - - - 4 0 。昨。 工程上可取 g = 7 5 。5 5 。q - - 4 0 。j v = 5 5 。3 0 。a p - - - - 4 0 。1 5 。 a p i 标准： g - , 1 3 5 。 妒= 4 5 。工程上可取缈- - 4 5 。 1 0 第二章新型火焰自动切管机及其软件系统概述 1 3 5 。 炉- 9 0 。缈- - 4 5 。工程上可取伊- - - - 4 5 。 9 0 。 炉3 0 。9 一啦 工程上可取o = 4 5 。1 5 6 4 ) 割炬运动轨迹计算、两面角、实际切割角计算、纵向补偿计算。 计算机完成计算后可编制数据文件，由数据文件指导割炬按规定轨迹和坡口 角运行，同时，根据需要，切割轨迹曲线可以在计算机屏幕上显示。 5 ) 设置运行速度 割炬沿相贯轨迹的运行速度，即为切割速度，它又取决于工件的厚度。一般 情况下，当工件厚度为t ，有切割速度v ，经验公式n7 】： v c ：1 4 f 0 0 , ( r r a n m m )( 2 1 )v c = 下l z 。l j 、，t 由于存在切割坡口，实际切割厚度随板厚增加，并且是随坡口角变动而变。 即有实际切割厚度t ： t = j _ ( 2 2 ) c o s c o 因此，切割速度v 应为： v 。：半坠( m m m i m m m l n ) ( 2 3 ) v = 7 = = 一 jz jj 志 式中t 一被切管厚度( 删 n ) 。 一实际切割角( 。) 。 切割速度由纵向运动y 与环向x 运动速度合成。当切割机本体旋转速度n 一定，切割速度v 决定于纵向y 运动速度。因此当被切管厚度已知，切割机本 体旋转速度n 一定，随实际切割角变化，纵向运动速度变化，此过程可由计算机 计算并自动运行。 另外，配有速度增加、速度降低按钮，随时可进行切割速度的增减调整。 2 手动试运行 1 ) 各轴动作检查 使用操纵台上各按钮可进行y 轴左右高速、低速运动，x 轴正反方向( 逆、 顺时针) 旋转，c 轴正负( 角为正负) 偏转和z 轴升高与降低等动作的检 查。各方向的运动都设有限位开关。在清零和自动切割进行时，上述按钮被 锁而不能动作。 2 ) 割炬、氧和乙炔压力检查 切割前应进行割炬、预热割矩喷嘴等的检查；割炬应垂直于工件表面，割炬 前端距工件高度约为3 0 - - 3 5 m m 。 氧压力为0 7 m p a ； 第二章新型火焰自动切管机及其软件系统概述 乙炔压力为0 0 3 一o 0 4 m p a ； 点火后调整预热焰为中性，火焰应对准切割起点； 以上操作兼手动进行。 3 ) 被切管安装与对中情况检查 操纵三个测量基，检查管子对中情况。 3 自动运行 1 ) 割炬对准相贯线起始点，开机后，割炬向料头方向移动3 5 r a m ，并处于垂 直位置，准备引燃切割焰； 2 ) 按点火钮，高频火花引燃预热焰，待被预热工件达到开始切割温度，打 开切割氧，工件顺利割穿后，按自动运行钮，切割机按下列步骤运行： a ) 割炬自动沿y 向移动并按规定实际切割角偏转，到相贯轨迹线( 角 已到位) 后沿相贯轨迹线运动并进行切割； b ) 切割过程中，切割机自动按计算机指令不断修正相贯轨迹和偏转角； c ) 当切割至特厚( 坡口角特大) 处，手动点燃辅助割炬，以保证切透， 并视情况随时调整切割速度； d ) 视切割进行情况，启动料头( 废料) 台车至料头下； e ) 当割炬一圈回转至起始位，料头落下；但回转未停，直至回转3 6 5 。时， 自动停车； 0 关闭割炬，结束切割，切割机反向回转，回到初始位置，为下一次切 割作准备。 如继续进行同样参数管子切割，可直接继续进行而不用重新进行计 算。如切割过程中出现故障，可按停止钮，切割中断。故障排除后， 可从中断处继续切割，也可返回始点，重新切割。 2 4 新型火焰切管机软件系统介绍 新型火焰切管机自带一套独立的软件控制系统，基本工作流程是： 1 选择相贯类型，由人工输入参数； 2 计算相贯数据，生成数控文件 3 根据数控文件自动或手动控制切管机进行切割。 新型火焰切管机的主界面如图2 3 所示： ( 1 ) s a d d l e ：为马鞍口切割( 管管相贯) ( 2 ) t r a n s i t i o n ：为开圆孔切割 ( 3 ) m i t e r ：为m i t e r 口切割( 板管相贯) ( 4 ) s t r a i g h t - 为管端开坡口切割 1 2 第二章新型火焰自动切管机及其软件系统概述 图2 3 新型火焰切管机的主界面 ( 5 ) c r o w n ：为皇冠曲线切割 ( 6 ) e n ds l o t s ：端部切槽 ( 7 ) e l b o ws u p p o r t ：弯头支撑切割( 直管交圆环) ( 8 ) p i p e t o c o n e ：( 锥管相贯) 图2 - - 4 中，在红色方框内选择相贯类型，所支持的相贯类型有 旦竺兰_ j 旦上生一旦生剑旦哇三一_ j 三旦型生_ j 旦_ 竺：竺_ ! ! ! 苎! ! ! i 苎! 竺竺i 竺j 匝 亘三： ! ! ! ：! 塑堂! 生! i ! ! ! 坠!f 第二章新型火焰自动切管机及其软件系统概述 腰2 4 支持的相贯类型 圈2 - - 5 所示为马鞍口切割( 管管相贯) 形式的参数输入界面( 需要输入的参 数入红框中所示) ，其中i n t e r s e c t i o na n g l e - - 轴交角，c e n t e r l i n eo f f s e t - - 偏心， b a s e l i n e o f f s e t - - 错心，a x i a l a n g l e - - 扭转角，这四个参数均需要人工计算。 型型型型型型 图2 - - 5 马鞍1 2 i 切割( 管管相贯) 形式的参数输入界面 图2 6 所示为m i t e rr n 切割( 板管管相贯) 形式的参数输人界面，其中 i n t e r s e c t i o n a n g l e 一轴交角- b a s e l i n e o f f s e t 一错心，a x i a la n g l e 一扭转角这三 个参数均需要人工计算。 警擎罂亭墨皿殂瞳窜日一 “ 匠五= e - j 竺型也坐! 也! = ：! ! ! 型恒坚：! ：也! ! ：! 坐i 第二章新型火焰自动切管机厦其软件系统概述 图2 - 6 m i t e r 口切割f 扳管管相贯) 形式的参数输入界面 图2 7 所示为皇冠曲线切割形式的参数输入界面，但是切割形式受到了极 大的限制，皇冠曲线的上下圆弧必须为半圆。 图2 - - 7 皇冠曲线切割形式的参数输入界面 图2 8 所示为端部切槽形式的参数输入界面但是只能切直槽，对于切斜 槽，或者偏心切槽却无能为力。 图2 - - 8 端部切槽形式的参数输入界面 图2 9 为弯头支撑切割( 直管交圆环) 形式的参数输入界面，其中e l b o w b e n d o f f s e t ，e l b o w c e n t e d i n e o f f s e t 两个参数均需要人工计算。 第二章新型火焰自动切管机及其软件系统概述 罔2 - - 9 弯头支掉切割 直管交圆环) 形式的参数输入界面 图2 一1 0 为( 锥管相贯) 形式的参数输入界面，其中a p e x a n g l e - - 追项角， c e n t e r l i n e i n t e r s e c t i o n - 顶点与轴交点距离，i i l t e r s e e t i o n a n g l e - 轴交角，这三个 参数都需要人t 计算，并且切割形式受限，不能切割存在偏心的形式( 即圆锥轴 线管轴线不在同一平面上) ，无法切割圆台与管柏贯形式。 阿2 1 0 ( 锥管相贯) 形式的参数输入界面 综上所述，新型火焰切管机自带软件系统，需要人工计算的参数繁多，大大 的增加技术人员的工作量，降低了工作效率，并且其可以切割样式已经不能满足 海洋平台中切割形式多样性的要求。因此，原系统急需更新和扩展，以满足日益 复杂的技术需要。 一一旷一 翔 第三章新型数控火焰切管机a c s 软件系统 3 1 引言 第三章新型数控火焰切管机a c s 软件系统 本章主要介绍新型火焰自动切管机a c s 软件系统的主要模块结构，阐述各 模块功能以及实现方法。 3 2 系统总体功能简介 海洋平台a c s 系统是针对新型火焰数控切管机开发的系统软件，系统输入 为海洋平台的结构单线图，系统输出为技术人员用以控制操作切管机切割的单件 图，样板图，脚印图。在海洋平台自动编程a c s 系统中，采用c a d 软件作为支 撑平台的图形自动编程系统，可兼容a u t o c a d2 0 0 0 、2 0 0 2 、2 0 0 4 、以及更高版 本。它具有速度快、精度高、直观性好、使用方便、便于检查等优点。极大的提 高了数控切管的自动化，并提供了丰富的切割形式扩展功能。 3 3 模块化设计思想 本系统功能和结构都比较庞大和复杂，因此系统的结构和功能都采用了模块 化思想设计。以下先介绍一些模块化的概念。 模块化：即按适当的原则把一个情况复杂、规模较大的程序系统划分为一个 个较小的、功能相关而又相对独立的模块 1 8 】。 模块：模块是一个具有独立功能的程序，可以单独设计、调试与管理。 模块的种类：分为功能模块和控制模块。 设计软件采用模块化设计思想，有如下优点【1 9 】： ( 1 ) 复杂系统化大为小，化繁为简，提高代码重复利用率，避免程序开发的重 复劳动。 ( 2 ) 各模块相对独立、功能单一、结构清晰、接口简单，易于后期的系统维护 和功能扩充。 ( 3 ) 提高系统设计效率，缩短开发周期。 软件按系统开发过程中，还需要遵守以下三个设计准则口o 】： 第三章新型数控火焰切管机a c s 软件系统 1 ) 模块独立：包括把一个较大的尽量分解成几个功能独立的子功能模块； 2 ) 模块之间关系简单：每个模块都使用独立变量。 3 ) 模块规模适当：分解模块要注意层次，对问题抽象化，设计时细化。 以下便是采用模块化思想，将a c s 系统实现的功能划分7 大功能模块，分 别加以介绍，另外还有几个重要辅助控制模块，后面也会加以介绍。如图3 1 所示为a c s 系统总体功能模块图。 1 零件信息生成模块 由于海上平台制造中所使用的零件均由a u t o c a d 设计，结果一般为三维图 形，但由于海洋平台是一个庞大、复杂的体系，如果用三维图形来表示平台的整 体结构，必然会使图形变的异常复杂，降低了直观性和操作性。因此本系统所直 接处理的是单线图，即每一个零件都用一维图形表示，几乎所有的零件都抽象为 线段，而零件的其它信息则通过人工输入的方式加入到为该零件所配备的数据库 中，只需要通过一次性输入便可以一劳永逸，其它的工作全部由软件自动完成， 与目前使用在中海石油平台制造公司的软件需要每次加工零件输入零件信息相 比，其自动化的程度和效率大大的提高。 2 零件、及相贯类型判断模块 单独提出这个模块，是因为此模块贯穿整个系统始终，下面所有的模块都要 调用这个模块，根据不同的零件类型，及其组合，判断不同相贯类型，调用不同 的参数计算程序，相贯线计算程序，进行相应的数据处理，绘制应的工程图等等。 另外以后对程序进行相贯类型的扩展与升级也非常方面。 3 零件几何参数、位置关系参数计算模块 几何参数和位置关系参数是进行相贯线计算的重要依据，因此在计算相贯线 之前完成。根据相贯类型不同，主要的几何、位置参数可大体分为以下几类： ( 1 ) 管管相贯、直管开槽、板管相贯：杆件间的轴交角、扭转角、偏心、错心。 ( 2 ) 环管相贯：环的旋转半径、管轴线径向偏移、管轴线轴向偏移。 ( 3 ) 锥管相贯：管的轴线偏移、管的轴线沿y 轴方向对锥顶点的偏移、锥顶角 ( 4 ) 其它模型参数，由于各个模型参数不同，这里省略，在后面会详细介绍。 4 相贯曲线计算模块 通过编程使单件图保存了所有的零件信息，便可以由软件来计算各种相贯形 式下每根杆件在切割时的相贯线数据。 5 数据处理模块 提取计算所得的几何参数数据，特征相贯线数据；并提取特殊点( 如0 度， 9 0 度，1 8 0 度等) ；通过分析比较，提取最值点；根据y 纵坐标最大原则，拟合 几组相贯线数据，求取混合搭接相贯线等。 6 工程图绘制模块 第三章新型数控火焰切管机a c s 软件系统 输出 图3 - 1a c s 系统总体功能模块图 根据存储的相贯线数据将相贯线展开图绘制出来，转化为单件图、样板图、 脚印图。其中单件图为支管切割后的内壁展开图( 根据比例进行了缩放) ，还包 括各种几何参数、位置参数、特殊点、相关数据等标注；样板图为比例为l ：1 的单件图；脚印图是支管在主管上的交线( 相贯线) 。 。 ，7 重量、重心计算模块 平台制造中需要计算平台整体的重量以及重心，这部分计算在一张单线图中 所有的管件加工完毕后完成，所得的数据用在工程上以保证施工安全。 综上所述，a c s 的功能即c a d 系统在零件单线图( 包括管、板、锥体、型 环等) 中配备数据库，通过直接识别和提取加工所需要的参数信息，计算生成切 1 9 第三章新型数控火焰切管机a c s 软件系统 管机自动切割所需的输入参数，并同时绘制管件切割后的坡口样式单件图、样板 图和脚印图；并且同时扩展了切管机的可切割类型( 生成其样板图) ，能够切割 一部分特殊形状和要求的零件。该系统属于基于图形的智能化自动编程系统，同 时具有良好的可扩展性和可维护性，是c a d c a m 一体化技术的一种应用。 3 4 智能化语言的选择 a u t o c a d 二次开发语言包括：a u t o l i s p 、a d s 、v i s u a ll i s p ( v l i s p ) 、a r x 。这 几种语言都属于人工智能语言，都是进行二次开发的有力工具。根据本课题所要 完成的任务和各个开发语言的特点，选用v l i s p 作为开发语言，v l i s p 语言具有 如下特点： 1 v l i s p 是一种计算机的表处理语言，是人工智能学科领域广泛使用的一种 程序设计语言。它嵌套于a u t o c a d 内部，是将l i s p 语言和a u t o c a d 有 机结合的产物。 2 使用v l i s p 可以直接调用几乎全部a u t o c a d 命令，即具有一般高级语言的 基本结构和功能，又具有一般高级语言所没有的强大图形处理功能。 3 v l i s p 是a u t o l i s p 的换代产品。它与a u t o l i s p 完全兼容，并提供它所有 的功能，是新一代的a u t o c a dl i s p 语言。v l i s p 对语言进行了扩展，可 以通过m i c r o s o f ta c t i v e xa u t o m a t i o n 接口与对象交互。同时，通过实现反 应器函数，还扩展了a u t o l i s p 响应事件的能力。作为开发工具，v l i s p 提供了一个完整的集成开发环境( i d e ) ，包括编译器、调试器和其他工 具，可以提高二次开发的效率。另外，v l i s p 还提供了工具用于发布独 立的应用程序。 下面依次介绍各个功能模块的实现方法。 3 5 零件信息生成模块的功能实现 海洋平台导管架的制造包括多种构件，有管、板、锥体、环等结构，要将这 些结构参数分类输入到单线图中，必须通过合理的人机交互信息界面即对话框来 实现，并将输入的信息永久的保存在单线图中，并且要求将特定的信息赋予特定 的结构，点击某个结构就可以调用出它的各项信息，以便于查看或修改。导管架 单线图如图3 - 2 所示，输入的界面如图3 - 3 所示。 由于在系统操