（机械电子工程专业论文）网络数控切管系统关键技术研究.pdf

中文摘要 数控切管机是制造海上平台导管架构件的关键设备，通过对中国海洋石油平 台制造公司进口的新型数控切管机的研究，针对新型切管机自带软件系统使用不 便、接头相贯线模型不全面等弊端，本课题着手于研究开发自主的自动化软件系 统以及数控切管机的远程软件控制系统。目的在于为进口新型数控切管机配备操 作、计算方便的软件系统并增加新的导管架接头相贯线计算模型。 首先，通过对国内外数控技术现状的分析，结合切管机自身的特点，提出了 应用d c l 和v i s u a ll i s p 编程语言开发控制系统，并对其实际意义进行了详尽的 叙述。此系统可以直接从a u t o c a d 图形文件中提取数据，准确、快捷地完成相 贯线展开图的绘制，并最终能自动生成数控代码。该系统大大地提高了编程的自 动化程度和效率，提供了一种全新的编制程序方法，从而使得c a d 和c a m 之 间结合的更加紧密，为切管机的网络数控实现提出了全新的软件实现方法。 其次，通过v c h 提供的c s o c k e t 类的应用和i n t e r n e t 的传输，实现文件远 程传输与控制，这样可以实现设计和制造的异地化，大大节约成本，促进资源的 最有效利用。完成了在保留原有机械结构的情况下，对控制系统进行改造的目的。 提出了该控制系统的软件体系结构。 本课题是结合海洋石油行业生产实践的具体情况而提出的，随着课题的进一 步深入展开，其优越性与实用性将得到更充分的体现，展示出此研究非常广阔的 应用前景。 关键词t 数控切管机相贯线远程控制套接字 a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o lp i p e - c u t t i n gm a c h i n e sa r ep i v o t a le q u i p m e n t si np r o d u c i n g o 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 f t e rs t u d yo nn e wi m p o r t e dm a c h i n eo fc h i n a p 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 o c u s e s0 1 1d e v e l o p i n ga n a u t o m a t i cs o f t w a r es y s t e mo fa u t o n o m o u si n t e l l e c t u a lp r o p e r t ya n dar e m o t ec o n t r o l s y s t e m ，w h i c hg e t s r i do 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 fj a c k e tj o i n t i n t e r s e c t i n gc u r v em o d e l si 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 t h er e s e a r c ha i m sa te q u i p p i n gac o n v e n i e n ta n da u t o m a t i cs o f t w a r es y s t e mt ot h e n e wi m p o r t e dn cp i p e - c u t t i n gm a c h i n e f i r s t l y , t h r o u g ha n a l y s i so fo v e r s e a sa n d d o m e s t i ca c t u a l i t yo fn u m e d c a lc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dc h a r a c t e r i s t i c so fp i p ec u r i n gm a c h i n e s ，c o n c e p t i o na n dp r a c t i c a l m e a n i n g so fd e v e l o p i n gc o n t r o ls y s t e mb yd c l a n dv i s u a ll i s pa r ep u tf o r w a r di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h es y s t e mc a l le x t r a c td a t ad i r e c t l yf r o md r a w i n gf i l e so f a u t o c a d ，d r a wt h ep l a c ee x p a n s i o nm a po fi n t e r s e c t i n gl i n e s ，a n dt h e ng e n e r a t en c c o d e sa u t o m a t i c a l l y t h es y s t e mp r o v i d e san e wp r o g r a m m i n gm e t h o d ，w h i c hg r e a t l y i n c r e a s e sa u t o m a t i o nd e g r e ea n de f f i c i e n c yo ft h ec o d i n ga sar e s u l t t h es y s t e ma l s o d r a w sam u c hc l o s e rc o n n e c t i o nb e t w e e nc a da n dc a m ，a n dp r o p o s e sab r a n d - n e w s o f t w a r er e a l i z a t i o nm e t h o df o rn u m e r i c a lc o n t r o l l e ro ft h ep i p ec u t t e r 。 s e c o n d l y , t h ef i l e sa r ec a r d e df r o mf a ra w a yo ni n t e r n e tb ya p p l i c a t i o no fc l a s s c s o c k e ts u p p l i e db yv c + + t h i sm i g h tf u l f i l lt h es e p a r a t i o nb e t w e e nd e s i g na n d m a n u f a c t u r e ，s a v et h ec o s tg r e a t l y , a n dp r o m o t eu t i l i z i n gr e s o u r c e se f f e c t i v e l y t h e s t u d yf u l f i l l sa l t e r a t i o no fc o n t r o ls y s t e mw h i l ek e e p i n gt h eo r i g i n a lm e c h a n i c a l s t r u c t u r eu n c h a n g e da n dt h e np r e s e n t st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n f i g u r a t i o n so f c o n t r o ls y s t e m t h i sp r o j e c ti sf r o ma c t u a lm a n u f a c t u r i n gp r o b l e m so fo c e a na n dp e t r o l e u m i n d u s t r y i t sa d v a n t a g e sa n dw i d ef o r e g r o u n d sa r et ob ee x h i b i t t e dw i t hd e e p e r r e s e a r c h k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o lp i p e - c u t t i n gm a c h i n e ，i n t e r s e c t i n gc u r v e , r e m o t ec o n t r o l ，s o c k e t 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，也不包含为获得墨盗盘堂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。 学位论文作者签名姝而房签字嗍j 卵7 年厂月2 斗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼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) 学位论文作者签名诲扔麂 签字日期：2 们年，月2 竿日 导师签名：荨诽 签字日期：，月2 - 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论弟一早瑁t 匕 竞争和合作的国际化，促使企业开拓市场，充分利用各地资源优势，从而使 企业呈现出分布化、集团化和专业化的趋势，企业间的合作越来越紧密，出现了 远程产品开发、远程产品制造等新的基于网络的制造方式。在远程产品制造环境 中，人员、设备、资源和活动都分布于整个网络中。随着计算机网络技术和信息 技术的发展，产品制造者需要从更加广泛的范围获取资源并进行远程制造一 6 1 。 目前，国内中小企业所拥有的数控机床设备绝大多数比较落后，与外界的通 信大多数均采用r s 2 3 2 串行口。这种通信方式的最大缺点是通信线路不能太长， 无法实现远程控制的需求；另外中小企业短期内无法获得大量的资金去全部更新 所有设备，故迫切需要寻求一种经济和可行的方法改造现有数控机床，使其适应 网络化制造的需要【7 h l o l 。 计算机和网络通信技术的迅猛发展，i n t e m e t 技术的兴起和广泛应用，极大地 促进了网络环境下的研究和应用。当前，激烈的全球市场竞争迫使现代制造企业 更加注重对市场需求的快速反应和对各种资源的合理利用，尤其是基于网络环境 的信息获取与资源共享。为了充分、有效地利用现有的资源，提高现代制造系统 的效益并减少风险，现代制造业更加注重企业内部( 系统级) 、企业与外部各企业 之间( 企业级) 各种形式的集成与合作，以及网络资源的共享，以求快速响应市场 变化，同时，减小企业的投资风斟1 1 卜【阍。 研究网络制造技术已成为当前研究的一个重点和热点。在当今社会，世界各 国之间在经济上越来越多地相互依存，经济的全球化、市场的国际化、贸易和投 资的自由化，以及服务的世界化，促进了竞争，提高了效率，鼓励了革新，促进 了国际资本投资和加快了经济增长速度。随着全球自由贸易体制的逐步建立和完 善，世界大市场的逐步形成以及全球交通运输系统和通讯网络的建立，国际间的 经济贸易交往与合作更加频繁和紧密，竞争愈来愈激烈。这促使制造产业、制造 技术和产品逐步走向国际化，导致制造业在全球范围内重新分布、联合和组合。 这也使得竞争对手尽可能地利用一切可以利用的制造资源和信息。国家或企业之 间的联合设计、联合制造已经成为全球经济下的一种新趋势。无论是产品设计、 物料供应还是产品制造都可以也应该分散在全球范围内进行，从而降低产品成 天津大学硕士学位论文第一章绪论 本，提高产品质量，加快新产品开发速度，敏捷地响应和适应客户多样化的消费 需求，高质量地为全球顾客服务，从而获得规模经济，促进企业的发展与壮大。 由于客户化市场的形成，任何企业，即使非跨国或地域的企业也不得不去适应由 于用户全球化而形成的世界范围的网络制造。 随着科学技术的迅猛发展，尤其是以计算机、信息技术为代表的高新技术的 发展，机械制造技术发生了深刻的变化为了提高生产制造的效率、保证产品的 质量以及产品的多样化，传统的制造技术已经难以适应市场竞争的需求。以计算 机技术为基础，将传统的机械制造技术与数字控制技术及网络通信技术有机结合 起来而构成的现代制造技术，如c a d c a m ，f m s ，w e s 以及全球化制造、虚拟制 造技术等，正在使机械制造业发生一场巨大的革命1 4 j 。 近几年，由于环境意识的普遍加强，“生产环境的优化”以及“操作者与制 造系统的分离”等问题受到高度重视和广泛研究。基于以人为核心的思想，创造 宜人化的生产环境，成为制造系统发展的一个基本方向。因此，在智能制造系统 中创造宜人化的生产环境显得尤为重要【1 1 】f 1 2 1 【1 5 】。 作为实现宜人化生产环境的途径之一，远程操作与控制系统将生产加工的操 作者与被操作对象在物理上进行分离，而在信息、逻辑上进行集成，因此，远程 操作与控制系统不仅指操作的物理距离远，更为重要的是操作者与被操作对象通 过通信媒介进行大量、全面、实时的信息交互，并基于信息交互为实现加工过程 的分布式智能控制提供操作与控制的实时通信平台。 1 2 数控切管机国内外研究现状 火焰自动切管机属于特殊的数控切割机，自1 9 5 8 年英国氧气公司试制成功 世界上第一台数控切割机，挪威斯托德船厂1 9 6 0 年起就把数控切割机应用于生 产随后不少造船工业发达国家都相继开始了数控切割机的研制热潮。到了六十 年代中、后期己有相当数量的数控切割机投产使用。我国有关单位也先后于六十 年代末七十年代初开始对数控切割机进行了大量的研究工作，微电子技术和计算 机应用技术的发展，特别是从8 0 年代初以来随着对外开放政策的深入贯彻，加 强了技术交流和技术引进，在造船、机械制造等行业进口了各种型号时数控切割 机，促进了国内数控切割技术的发展，人们日益认识到先进的热切割设备是保证 焊接产品质量的关键之- - 卜1 2 。 但是，国内研制的数控切割机仅仅局限于数控切割板材的加工，而对于火焰 式数控切割管材，特别是火焰数控切割空间多管、板相贯曲线，以及有焊接坡口 角的多管、板相贯曲面等形式的火焰式数控切管机尚无研究，国内在这一领域尚 天津大学硕士学位论文第一章绪论 属空白，仍然要依赖于进口。 目前国内外应用最为广泛的数控切割机仍然为氧乙炔火焰切割机，这种切 割机与传统手工切割相比，具有下述优点： a ) 切割精度高。 b ) 自动化程度高。 c ) 切割速率高。 d ) 钢板利用率好。 e ) 适用范围广，经济效益好。 而火焰切割机的发展主要是自动编程等配套技术的发展。当前国内主要有两 种编程系统，一种是利用计算机辅助设计系统，运用其图形输入和显示功能，通 过人机会话编程出自动套料好的数控源程序；另一种是利用简化了的计算机数控 语言，人工输入零件图形或关键参数及零件品种和数量，通过计算机图学、计算 机数学运算、编辑，自动编排出不同套料方式的数控程序，实现了自动编程套料， 大大提高了编程速度和精度。两种方案在生产实践中发挥了良好作用，正在推广 应用【2 】【3 1 。 随着许多高科技应用于数控切割机，如高档微型计算机、可编程控制器、计 算机图像处理技术、c a d 、高精度数字和伺服驱动技术、等离子弧技术、激光技 术、水射流技术及配套技术等等，数控切割机的技术性能、可靠性、有效利用率、 维修性、方便性及适用范围得到显著提高，几乎可以切割所有金属材料和各种非 金属材料。此外与氧乙炔切割机配套的乙炔发生器、回火防止器等配套设备和 产品也得到相应发展，如回火防止器已达国外八十年代初水平。 数控切割机的优点显著、品种繁多、应用面广、发展迅速，但技术要求高， 和一些工业发达国家相比，我国在品种规格、技术性能和稳定性、外观造型、配 套技术及人员素质等方面还存在一定的差距，我国近年来仅引进5 台大型火焰自 动切管机，并均属海洋石油工程总公司。其中三台为美国制造( 一台安装在海洋 石油工程股份有限公司深圳赤湾基地，一台安装在海洋石油工程股份有限公司塘 洁场地，一台安装在青岛海洋平台上) ，两台为日本制造( 安装在海洋石油工程股 份有限公司塘沽场地) ，我国目前尚无厂家生产、制造该类设备。故应进一步加 强消化吸收和国产化进程，研制出高档国产化产品以取代进口，并扩大品种和规 格，发展我国自己的新机型、新系统 3 1 。 在国内外，目前对于此类系统，v e m o nt o o l 公司以及武水公司也在进行研究 开发，不过，它们采用的主要是设计人员设计管( 或者板、锥、环之类) 的各种 参数，然后进行相贯线的计算，得到各个坐标点坐标，最终再由操作工将各数据 逐个输入至数控切管机，以实现对其自动切割。这种方法尽管很好，但是其效率 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 受到一定的限制，另外，在操作工输入数据过程中也存在因为各种原因而引起的 数据输入错误的可能【1 7 1 2 2 h 2 9 1 。 1 3 数控切管机存在的问题 随着海洋石油工业的迅猛发展，油、气田建设中有需要有大量的k ，t ，y 等接 头型号的钢管架。而随着钢管架结构的普及，管构件的焊缝准备工作要求越来越 高，焊接工作将面对大量多根钢管相交，管一板相交及管一管、板相交等，这种 多重相交对管端的切面轮廓线加工精度提出了很高要求，以便保证良好的配合精 度及焊接质量。为了精确加工这些管端切割面，需要考虑一系列影响因素，例如 焊接坡口角。在焊缝要求产生坡口( 当构件壁厚超过6 - 8 m m 时，一概都要求进行 焊缝坡口准备) 以及切面形状呈任意平面或空间曲面形状时，热切割法的优点表 现的最明显。对于管道和容器制造中的厚壁构件，其昂贵的坡口角及切面轮廓线 的加工，比较经济的方法通常都是在数控机械上运用热切割法进行加工【1 8 】【1 9 】【3 0 l 。 火焰式自动切管机是海洋采油平台导管架及平台制造工程中各种金属管材 t ky 等多种接头切割的关键设备。目前，在国内仅有3 台该类进口火焰自动 切管机，并均属海洋石油工程总公司。安装在海洋工程石油股份有限公司的两台 p i p e y m w1 0 0 0 型火焰自动切管机，系日本安川公司1 9 7 9 年制造的产品，由于 严重老化，一台故障不断发生，另一台彻底不能使用，严重影响了切管生产，制 约了驶向“集约化 的两个车轮：质量与效率。若继续依赖进口，将使我国在该 领域制造永远落后于先进工业国家。 为了在制管领域赶上并且超过国际先进水平，本次研究课题瞄准国际先进的 切管水平，着手研制具有自主知识产权的火焰自动切管机的数控系统。它的研制 将使切管机的生产系统具有良好的人机界面及切割轨迹的动态跟踪功能，使用操 作方便，适合于工业现场使用，并能进行远程的控制使用，而且还提高了系统可 靠性及加工效率，使中间可能存在环节的错误率降到最低。 由于火焰自动切管机是典型的机电一体化研究范畴，故本次研究属机电一体 化高新技术领域。该项研究成果将使我国掌握了自动切管机的核心技术，可用于 研制具有自主知识产权地火焰式自动切管机，填补了我国数控切管机在这一领域 的技术空白。同时，通过对该项技术的研究，可生产国产设备代替进口设备，使 得提高生产效率的同时，其成本进一步降低p 1 1 - 4 ”j 。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 本文主要研究内容 对网络数控切管系统进行比较详细的研究，使之在目前市场基础上，改进当 前存在的各种不完善的地方，使网络数控切管系统与国际上先进的技术接轨，并 在学习吸收国外先进技术的同时，将之改良，达到更为优秀的系统，具体内容包 括： 第一章：绪论，本章主要介绍网络数控切管系统国内外概况，并由此引出研 究网络数控切管系统的必要性和可行性，使之对当前的网络数控切管系统进行改 善； 第二章：网络数控基本思想和作用，本章将简要介绍网络数控的结构和原理， 基本特征和基本作用，从而为以后几章中为实现网络数控切管机提供一个平台打 下基础； 第三章：数控切管机的特点，本章将结合实际情况，以管一管相贯和管一环 相贯为例子，介绍管件类相贯线数控加工数学模型的建立，并针对以往的研究主 要是针对四轴联动的数控切管机的基础上，又增加一个轴，以保证切割坡口角所 在平面总是垂直于相贯线，从而切割更精确； 第四章：网络数控切管机的基本结构及关键技术研究，本章将在以前几张的 基础上，简要介绍网络数控切管机的整体结构，并对所用到的软件进行详细的说 明； 第五章：网络数控切管机的实现，本章将在前几章的基础上着重介绍网络数 控切管机的实现过程，在本章中，将以例子的形式，对数控切管机的实现做出详 细说明，并对通过网络实现数控切管机的远程控制操作的软件系统进行简要的分 析和介绍其所用到的基本技术； 第六章：结论及展望，对本文的一个小结，并对此系统未来的发展做出展望。 天津大学硕士学位论文第二章网络数控的基本思想和作用 2 1 引言 第二章网络数控的基本思想和作用 计算机网络技术和信息技术的飞速发展带来了制造业的不断变革，网络数控 技术作为未来先进制造技术的核心之一，正朝着开放化、网络化、柔性化和智能 化的方向发展，数控装备产品的设计制造和应用开发都日益显示出基于开放接口 标准的模块形态。网络数控已经成为制造技术研究的新宠。网络数控的基本思想 就是从系统的角度出发，以集成为手段，以数控技术、计算机和网络技术、通讯 技术等先进技术为支援，通过网络将车间设备、资源加以集成，最终形成一个开 放的、具有一定功能的网络数控制造单元。例如在本课题中，通过网络将相距很 远的数控自动火焰切管机与设计中心加以集成，使得设计地点与生产地点能够在 分离的同时还保持着时刻的联系，更好的提高总体效率以及提高各种资源的利用 率【3 6 】 【4 0 1 。 2 2 网络数控的基本思想 2 2 1 网络数控的组成结构 网络数控的控制结构一般包括三层【l 】：企业( 公司) 层、车间层( 工作站层) 和设备层，其组成如图2 1 所示。 2 2 2 网络数控的调度层次 网络数控系统通过信息和资源共享，可实现系统的自我协调，使系统运行于 最优状态。根据上图的系统组成结构框图，可以把网络的调度层次分为三级，如 图2 2 所示。 天津大学硕士学位论文 第二章网络数控的基本思想和作用 图2 1网络数控的组成结构 图2 - 2 网络数控系统调度层示意图 7 天津大学硕士学位论文第二章网络数控的基本思想和作用 ( 1 ) 企业层调度：主要负责车间与本企业内部其他部门之间的联系或与动 态联盟中其他企业之间的联系，以便传递任务，在网上发布信息和进行数据查询 等。 ( 2 ) 车间层调度：完成服务器到数控系统的任务分配，以及车间内数控系 统之间的有感请求，负责车间内资源共享。 ( 3 ) 设备层调度：主要负责加工过程的调整、故障诊断处理等，是传统数 控系统的功能的扩充，运用多a g e n t 技术，把每台机床构造成a g e n t ，使他们自 主协调地工作。 在本文中，将主要针对各个阶层中的软件进行研究，其中将以企业调度层为 主，建立企业间的网络动态联盟，以便实现数控切管机的网络利用，使得设计和 使用进行地理分离的同时，保持密切的网络通信联系，使设计方能对数控切管机 进行实时的监控，从而对其设计进行必要的改进，这样将大大提高设计生产效率， 并降低整体成本。 2 2 3 网络数控系统功能的实现 网络数控系统功能的实现主要是在数控系统的操作平台上，实现各种信息的 传递和交换。网络数控系统平台上的信息包括：基本信息、控制信息和系统状态 信息。 基本信息：它是在系统开始运行时建立的，并在运行中逐渐补充，包括系统 配置信息( 主要指用以初始化通信端口的加工设备通信参数的设置) 和系统加工 设备信息，如加工设备编号、类型、数量等； 控制信息：反映控制系统的运行状态，特别是有关零件加工的数据，包括工 程控制数据：主要指n c 加工程序信息，如n c 编程序号、零件工艺路线、n c 加工程序代码等；计划控制数据：主要指加工任务信息，如加工任务编号、零件 的加工批量和交货期等。 状态信息：反映系统资源的利用情况，它包括设备的状态信息：该类信息在 系统运行过程中会发生变化，如：加工设备入网序列号、入网时间、运行时间等： 加工状态信息：它反映设备加工状态，操作方式、主轴转速、主轴速率等；加工 程序信息：如当前工件号、当前工序号等；刀具信息：如当前刀具号刀具进给量 等f 4 1 1 - 4 4 7 1 。 2 2 4 网络数控的关键技术 ( 1 ) 集成技术：网络数控系统的集成是将原来独立运行的多个单元系统集 成为一个协调工作和功能更强大的新系统。集成不是简单的连接，而是在分析员 天津大学硕士学位论文第二章网络数控的基本思想和作用 单元系统的作用和相互关系并进行优化组合的基础上，经过统一规划设计来实现 的。集成的目的在于制造企业组织结构和运行方式的合理化和最优化，以提高企 业对市场变化的快速响应能力，并追求最高的效果和长期利益。集成要借助现代 管理技术、计算机技术、自动化技术、信息技术和行业的专业技术实现技术的集 成，同时还要强调入的集成。计算机是集成的工具，计算机辅助单元技术是集成 的基础，信息交换是桥梁，信息共享是关键。 ( 2 ) 接口技术：统一标准的接口是数控系统开放化的基础，数控系统中的 各个功能模块就是通过标准的接口和通信协议连接起来。 ( 3 ) 网络技术：网络技术的发展是网络数控的前提和必要条件，完善的网 络系统和先进的网络技术是数控网络化的基础 ( 4 ) 信息管理技术：信息管理是整个系统运行的保证，对于数控系统来说 信息管理是至关重要的。机床加工的所有信息需要建立数据库，数据采集、处理 和维护都是通过相应的信息管理系统完成的1 4 8 卜f 5 2 1 。 在此文中将以接口技术和网络技术为主来介绍网络数控的关键技术，即，将 设计与制造以利用网络技术为基础，使之能在地理上分离的同时而保持信息的实 时交换，技术上结合的更加紧密，而在网络上的这些信息的交换又将时时用到接 口技术。 2 3 网络数控的基本作用 2 3 1 网络数控的基本特征 网络数控可以从其结构特征、功能特征和过程特征3 个方面来进行描述。 结构特征：网络数控把与制造过程有关的设备( 如数控机床) 、主控计算机、 通信设施等按一定的结构和层次组合起来成为一个整体，具有层次化的结构特 征。 功能特征：网络数控系统通过d n c 主机实现对制造车间的数控机床等制造 设备的集中控制管理，并可实现与上层计算机的信息集成，具有与 c a d c a m c a p p 等系统的信息接口。 过程特征：网络数控系统只涉及与产品制造相关的活动，不包括市场分析、 产品设计、销售服务等环节f 1 孔。 2 3 2 网络数控的基本作用 作为各种先进制造环境中网络制造的基本单元，网络数控系统的研究与应用 天津大学硕士学位论文 第二章网络数控的基本思想和作用 尤为重要。网络数控系统将为网络制造、远程制造、远程诊断与维护及机床与各 种网络资源的相互共享等提供了最基本的支持。 ( 1 ) 网络数控可以充分地利用现有的资源。随着计算机辅助设计制作系统 越来越快地进入实际加工过程，越来越多的信息需要方便快捷地与数控系统进行 通信和交换，这样，数控系统本身所使用的高可靠性、高价位、低容量的电子盘 就很难满足实际的需要。如果具备联网功能，处于恶劣环境的数控机床就可以共 享环境清洁的办公用高容量硬盘，然后数控系统通过局域网读取c a d c a m 系 统产生的加工代码，并进行零件加工。 ( 2 ) 数控系统网络化将为远程监控及网络制造提供坚实的基础。数控系统 可以通过通讯网络及时地向远程监控点提供当前加工状态信息，并接收远程监控 命令，为真正的全球制造提供最基本的支持。甚至，我们可以把整个数控机床象 办公网络中的共享打印机一样共享到网络上。当然，这些功能对数控系统的开放 性及自诊断性都提出了更高的要求。 ( 3 ) 网络数控系统不但能大大加强工厂加工信息的传递与管理，提高机械 加工自动化程度及远程监控水平，而且当数控系统产生故障时，还可以为数控系 统生产厂家提供远程诊断与维护，减少维护的盲目性及相关费用p j 。 2 3 3 网络数控管理信息的组成 网络数控系统的实现离不开机床的信息管理，基于网络的数据库管理称为网 络数控研究的关键技术之一。信息管理就是对实现机床物理数据的管理，以有效 地利用资源，提高系统的整体性能，实现机床加工数据。网形数据、任务调度数 据和企业经营规划数据等的相互协调。一个管理系统的核心功能，一是对外部数 据的采集、处理、存储：二是向外部传送数据，如图2 3 所示。对于网络数控系 统，基础数据库管理功能模块总体结构如图2 4 所示i i l j 图2 - 3 管理系统的核心功能 天津大学硕士学位论文 第二章网络数控的基本思想和作用 图2 - 4 基础数据库管理功能模块总体结构 2 3 4 基于w w w 的信息共享 网络数控系统把车间内的设备有机地联系在一起， 网络信息共享是整个系 统平稳可靠运行的重要环节。它也使得数控系统的运行模式由原来单机工作模式 变成了联网运行模式，加工的同时，可以查询网上的信息，共享网上的资源。信 息共享是资源共享的一部分。信息共享包括数据共享和信息发布与查询，是建立 在i s o o s i 互连协议的基础上的，用i p 协议，通过数据库服务技术来完成，在网 络数控系统和服务器上均建立数据库，并建立相互之间的对应关系。系统上的数 据库负责维护本系统所有的加工数据，对于每台机床的当前加工数据、历史加工 数据和加工结果统计数据等。每台数控机床加工时，当前数据定时直接保存到本 数据库中，并修改相应服务器的历史数据，以便其他工序对这些数据进行查询。 服务器数据库记录这个车间内的任务分配，各个机床当前状态、加工结果统计等， 数控系统要把自身数据库中的部分内容定期地复制到服务器数据库中，以供网上 信息查询和服务器对系统进行调度p 十p 引。 天津大学硕士学位论文第二章网络数控的基本思想和作用 2 4 小结 制造业正以飞快的速度迅速发展，智能化、集成化和网络化是今后开放式数 控发展的必然趋势。现在网络化数控技术还不成熟，因此针对网络化数控的研究 还有待进行更深更广的研究。 天津大学硕士学位论文 第三章数控切管机的技术特点 3 1 引言 第三章数控切管机的技术特点 本章结合工厂实际情况，为管件类相贯线数控加工提供了完整数学模型的建 立，以往的研究主要是针对四轴联动的数控切管机，这样不能保证割炬在对管进 行切割时其切割距离最短，因此，需要再增加一个轴，实现五轴联动的数控切管 机，以保证切割坡口角所在平面总是垂直于相贯线，这样才有可能使切割距离最 短，从而体现出切割工艺的精确性。 数控氧乙炔自动切管机主要用于海洋石油导管架及海上采油平台制造工程 中的各种金属管材t 、k 、y 等多种接头形式的自动切割，系海洋石油导管架及采 油平台制造工程中的关键设备【1 8 l 【1 9 1 。但是此系统在主要为海洋石油导管架及采 油平台制造工程的关键设备的同时，也适用于普通数控切管机的应用，适用范围 比较广。 3 2 管端相贯线的自动切割 3 2 1 新型火焰切管机的数据定义及限制范围 在建立数学模型、编制切割程序中，采用的各术语、数据定义是根据新型的 火焰自动切管机说明书与海洋石油工程股份有限公司提供的术语、数据定义拟 定，全部数据采用法定计量单位，输入长度为毫米( m m ) 、角度为度 o ) | 2 2 2 6 1 2 7 1 5 9 h 删。 为分析方便，首先定义了几个参考平面，如图3 1 所示： ( 1 ) 支轴剖面：相贯线上任选点的支轴剖面是过该点并包含支管轴线的平面。 ( 2 ) 主切面：相贯线上任选点的主切面是过该点并切于主管表面的平面。 ( 3 ) 支切面：相贯线上任选点的支切面是过该点并切于支管内表面的平面。 ( 4 ) 法剖面：相贯线上任选点的法剖面是过该点并垂直于相贯线的平面。 天津大学硕士学位论文第三章数控切管机的技术特点 图3 - 1 参考面及参数定义图 经常用到的参数定义如下，如图3 1 所示： ( 1 ) 坡v l 角叩：相贯线上任选点的坡口角是过该点的法剖面与坡1 ：3 曲面的交 线之间的夹角。对于插接式( 在主管上加工坡口) 坡口角，是过该点的法剖面与 坡口曲面的交线与支切面之间的夹角：对于贴接式( 在支管上加工坡口) 坡口角， 是过该点的法剖面与坡口面的交线与主切面之间的夹角。 ( 2 ) 两面角v ：相贯线上任选点的两面角是支切面与主切面在支管以外的夹 角。 ( 3 ) 理论切割角p ：在法剖面内割炬倾角。 ( 4 ) 实际切割角c o ：为切出坡口，割炬在支轴剖面内( c 轴) 的倾角，割炬 处于垂直位置时其角度为0 度，在图3 - l 中，割炬顺时针偏转为正，反之为负。 ( 5 ) 割炬旋转角0 ：切割时，割炬绕支管( x 轴) 旋转的角度，割炬开始切割 时那一点为0 度，如图3 1 所示，顺时针方向为正。 ( 6 ) 轴交角t t ( a 1 ) ：支管轴线与主管l 轴线之间的夹角，多次搭接条件下( 如 三次搭接) 0 2 、a 3 、a 4 为被切管与一、二、三次搭接的主管的轴线之间的夹角， m i t e r 接头a 定义为被切管轴线与相交面的交角，它是两管轴线交角的1 2 。 当主管为板时，a 为支管轴线与板的夹角。 ( 7 ) 扭转角b ( p 1 ) ：主管轴线用于计算轴交角的那一端在支管横截面( 即截 面圆) 上的投影与0 度线( 起始切割时，割炬正下方支管上的那一点与过该点的 天津大学硕士学位论文 第三章数控切管机的技术特点 截面圆圆心的连线) 的夹角；多次搭接条件下( 如三次搭接) 各搭接主管轴线并 不在支管轴与主管l 轴形成的平面内，胆、p 3 、肛为各次搭接时，支管与各主 管形成的扭转角。 若主管为板时，p 为支管轴线在板面上的投影然后再投影到支管横截面上时 与0 度线的夹角。该角度标定主管( 板) 相对于支管的扭转角度，有正负之分， 顺时针为正，反之为负。 ( 8 ) 偏心a ( a 1 ) ：主管轴线与支管轴线之间的垂直距离，有正负之分，当主 管轴线靠近操作者时偏心为正，当主管轴线远离操作者时偏心为负。多次搭接条 件下( 如三次搭接) a 2 、a 3 、a 4 为支管轴心与各搭接主管轴心的偏心，定义与 a l 相同。( 操作者位置如图3 1 所示) ( 9 ) 工作点偏移( 错心) e ( e 1 ) ：指多次搭接时各主管轴线与支管轴线相交 点( 节点) 的距离，以第一主管相交节点为主节点。在主节点内侧各节点的工作 点偏移为负，反之为正。可以有e 2 、e 3 、“。 ( 1 0 ) 支管直径d ：被切管的外径。， ( 1 1 ) 支管壁厚t ：被切管的壁厚。， ( 1 2 ) 主管直径d ( d 1 ) ：主管外径，d d ；在多次搭接条件下( 如三次搭 接) 1 ) 2 、d 3 、1 ) 4 为与支管一、二、三次搭接的主管2 、主管3 、主管4 的外径； 3 2 2 新型火焰切管机的参考坐标的定义 在以往的研究中主要是关于三轴和四轴的数控切管机的研究，为了保证切割 坡口所在平面总是垂直于相贯线，本文在四轴的基础上增加了a 轴，即为五轴数 控切管机。如图 图3 3 五轴数控切管机示意图 轴 天津大学硕士学位论文第三章数控切管机的技术特点 x 轴：割炬沿支管( 被切管) 的回转运动。 y 轴：割炬沿支管( 被切管) 的轴向移动。 z 轴：控制割炬到支管表面的距离，从管平面向上方向为正。 c 轴：令割炬相对支管倾斜的轴，为了能保证切割出坡口角。在四轴中，切 割出的为实际切割( 坡口) 角；在五轴中，切割出的则是理论切割角。 a 轴：维持与行进( 轨迹) 方向垂线相倾斜角的。 3 3 管端相贯线的数学模型 随着海洋石油工业的迅速发展，海洋工程结构建造中将面对大量的钢管相 贯，常见的类型包括管一管相贯、管一板相贯、小角度管一管相贯、管一管多次 搭接、m i t e r 型接头、环一管相贯、锥一管相贯等等。本节将以管一管相贯为例 对各种典型接头类型相贯线数学模型的建立展开讨论【2 5 】【3 5 1 。 3 3 1 管一管相贯 两管相贯，一种马鞍切割：即与任意一个主管相贯支管的切割( 相贯线呈马 鞍形) ，主管穿透，这是应用最多的一种情况。 需要输入的数据和范围： d 一被切管直径( 外径) ( m m ) 。 t 一被切管壁厚( m m ) ，决定于垂直切割厚度( 8 0 r a m ) ，即t 8 0 c o s a ) 当在 此条件时c om a x = 6 0 0 ，则t m a x = 4 0 ( m m ) ；新机器定为0 0 - - - 2 5 5 o ( m m ) ，可同样计 算得出可切厚度。 d l 一主管直径( 外径) ( m m ) ，一般情况下，d l d ； 坡口角一如果不采用a p i 或a w s 规范的自定义坡口角d i y ( 。度) ； l e n g t h 一切割长度( 距离) ，说明书虽给定义，填为0 ： 在此，程序中将定义，第一根主管( 无论是左主管还是右主管) 均是穿透管，而 除第一根主管以外均是不穿透管。 编程过程和数学模型： 先求局部两面角一指相贯线上任一点，作相贯线的垂直面，该平面和主、支管表 面相交，其交线的夹角，相贯线上各点的局部两面角都是不同的。 = a c o s c o s ( a 1 ) c o s ( o - 仞c o s ( 妒1 ) - s i n ( o - 励s i n ( q , ) 】 ( 3 - 1 ) 式中e 一为x 轴旋转角( o ) ，初始值0 0 0 ( o ) ； 一为与e 值相对应的主管上的圆周角，可用下式计算： 天津大学硕士学位论文第三章数控切管机的技术特点 矽：a r c s i n e ( d - 2 t ) s i n 筹- f 1 ) - 2 a 净2 ， 当采用a p i 规范： 假如沙9 0 0 ； 9 = 4 5 0 否则；矿= 少2 。 式中一如前，是对应割炬旋转角0 的主管圆周角( o ) ； 缈一是对应两面角少的坡口角或坡1 2 1 面角( o ) ； 当采用a w s 规范： 假如沙7 5 0 ； 伊= 5 0 0 否则；9 = 4 0 ( o ) 。 假如自定义角度： 9 = d i y ( o ) ( 自定义的角度) 。 ( 3 - 3 ) 则实际切割角决定于c 轴转角c ( o ) ， c ：口t a 咀f t a n ( 9 0 - 缈- , 8 ) c o s al a n ( t a m p ) 】 当c 6 8 ( o ) 时 c 取6 8 ( 0 ) 。 式中t a m p 一为过c 一轴回转平面( 过支管轴线) 与局部两面角所在平面的夹角( o ) 的 正切值。有： 帅：cos(a1)-cos-sin(0-,8)+cos(0-,6)-sin多, ( 3 4 ) c o s 矿s i n a l 在5 轴机中，a 轴旋转是为了保证切割破口角所在平面总是垂直于相贯线。 所以a ( o ) 应是被切割管通过轴线的垂直平面与局部两面角所在平面的夹角( o ) ，则 有： 彳= a t a n ( t a m p ) ( 3 5 ) 则与0 值相对应的y 值可计算如下： 】，：d - c o s , 8 + 2 s i n a l ( d - 2 t ) c o s o - 3 + 办圮j ，一s 1 2 t a n ( a o 式中i n e y 一为考虑到开坡口y 的修正量： 砌c 】，= 型 c o s 彳 ( 3 - 6 ) 天津大学硕士学位论文第三章数控切管机的技术特点 3 3 2 环一管相贯及其他典型接头类型 管件与环状结构相贯也是海洋平台中常见的结构，如图3 4 所示，为环管相 贯的一般形式 务 、 _ i 一- - 岔 一 口 y y 图3 4 环管相贯 以下讨论环管相贯线数学模型的建立： 如图3 - 4 所示，建立适当的坐标系： 环面参量方程为 x = ( 兄+ 旦2c 。s 多) c o s 口l 少= 罢s i l l z 一( 尺+ i d c 。s ) s 岫 ( 3 7 ) 式中，r 为环的旋转半径；d 为环横截面圆直径；为环横截面圆圆周角；位 为环的旋转角。 柱面参量方程为 x = ( 尺+ 足d ) 一丁d - 2 t c 。s 口 1 ，：一丝s i n 0 + c o j ，2 一_ 一sn + ( 3 8 ) 天津大学硕士学位论文 第三章数控切管机的技术特点 式中，d 为管直径； t 为管壁厚； 0 为管横截面圆圆周角； r o 为管轴线径向偏移； c o 为管轴线轴向偏移。 由( 3 - 7 ) 、( 3 8 ) 得痧、a 、z 细咖f 学d - 2 t 灵+ 导c 。s 矽 2 z = 一( r + 詈c 。s 妒) s i n 口 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) 式中，z 为管端相贯线沿管轴线方向的坐标，其是0 的参量方程。 这种用0 和z 表示相贯线的参量方程便于应用于数控切割。 相贯线上任一点的局部两面角是指管切面与环切面在管以外的夹角，其范围 是0 0 1 8 0 0 。随着相贯线的变化，局部两面角也在不断变化。 环切面的法向量为 履= 【c o s c o s 口，s i n ，一c o s s i n 口) 管切面的法向量为 朋= (