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浙江工业大学硕士学位论文 四轴联动开放式数控切割机控制系统研究 摘要 网架钢结构建筑被誉为2 1 世纪的“绿色建筑 ，具有自重轻、抗震性能好、灾后易修 复、基础造价低、材料可回收和再生、节能、省地、节水等优点。钢结构在国民经济建设 的应用范围很广，可以说遍及各个行业，是我国建筑行业中蓬勃发展的一个既古老又崭新 的行业。在钢结构工程中，管管相贯是最普遍的现象。要保证工程有良好的质量，首先必 须切割好管管相贯的相贯线及焊接坡口，该项切割工序是对网架和钢结构的质量产生影响 的关键的环节。 管管相贯线切割时，由于切割机割炬的切割角度在不断变化，被切支管的切割厚度也 在跟着随之变化。现有的数控切割机是按保证被切支管的最大切割厚度能被切穿为原则设 定切割速度，所以切割效率较低。为此，本文针对管管相贯的数控切割机控制系统展开了 研究，通过建立管管相贯的相贯线，提出了相贯线数控切割的数学模型和变步长插补控制 算法，实现了四轴联动控制的数控切割机以提高数控切割效率。本文的主要工作如下： 第一章是绪论部分，综述了数控切割机加工的现状和发展以及开放式数控系统体系， 介绍了本文研究的背景及主要研究内容。 第二章分析了四轴联动数控切割机的运动与结构，介绍了所构建的基于p m a c 卡的数 控切割机控制系统的硬、软件组成，对p m a c 多轴运动控制器卡的功能和应用做了简要的 介绍。 第三章提出了管管相贯的相贯线及切割坡口的数学模型和相贯线切割的运动控制算 法。 第四章介绍了切割机伺服系统及基于p m a c 卡的p i d 参数的整定。 第五章对系统控制软件的模块化设计和系统原型机的开发做了介绍。 最后，作者对本文的研究内容进行了总结，并对数控切割机的发展进行了展望。 关键词：开放式数控系统，相贯线，焊接坡口，数控切割，割炬，变步长 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo nc n cs y s t e mf o rc u t t i n gm a c h i n e w i t hm u i r i c o o r d i n a t e da x i s a b s t r a c t n e tr a c ks t e e ls t r u c t u r eb u i l d i n g sa r e b e i n gp r a i s e df o r ”t h eg r e e nb u i l d i n g ”o ft h e2 1s t c e n t u r y , i th a sa d v a n t a g e so fr e n o v a t i o n ，l i g h ts e l f - p o s s e s s i o n ，e x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo f a n t i k n o c k i n g ，b e i n ge a s yt ob er e p a i r e da f t e rd i s a s t e r , l o wc o s to ff o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o n ，t h e m a t e r i a lm a yb er e c y c l e da n dr e g e n e r a t e d ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，p r o v i n c ef i e l d ，s a v i n gw a t e r a n ds oo n t h es t e e ls t r u c t u r ei sw i d e l yu s e di nn a t i o n a le c o n o m i cc o n s t r u c t i o n a l m o s te v e r y i n d u s t r y i ti sn o to n l ya na n c i e n tb u ta l s oab r a n d - n e wi n d u s t r yw h i c hi sd e v e l o p i n gv i g o r o u s l y i no u rc o u n t r yb u i l d i n g s i ti sai m p o r t a n tl e a d e rw h od r i v e st h et r a d i t i o n a lb u i l d i n gi n d u s t r yt o d e v e l o pi nh i g ha n dn e wt e c h n o l o g y i nt h ep r o c e s so fm a n u f a c t u r i n gt h ef a b r i c a t i o n ，c u t t i n ga n d w e l d i n gh a v et h em a x i m a lw o r k i n gl o a d t h e ya l ea l s ot h em o s te s s e n t i a lw o r kw h i c hw i l lh a v e i n f l u e n c ei nt h en e tr a c ka n ds t e e ls t r u c t u r e i nt h ep r o je c t ，t h et u b ep a s s e st h r o u g ht h et u b ei st h em o s tc o m m o np h e n o m e n o n i no r d e rt o e n s u r et h ep r o j e c th a sg o o dq u a l i t y , t h ea p p e a r a n c ep l a c eb e t w e e nt w ot u b e sm u s tb ec u tw e l l f i r s t c u t t i n gi sf i r s tb eo b l i g e dt oe a s yt om a n a g et h ea p p e a r a n c eb i r t h p l a c el i n el o o k i n ga ta n d a p p r a i s i n gab i r t h p l a c ea n dt os o l d e rt h es l o p em o u t h , t h e r e f o r ec u t t i n gi se x t r a o r d i n a r yk e yj o b ， k e yl i n kb e i n ga l s ot h a tt h em a s st ot h en e tr a c ka n ds t e e ls t r u c t u r ew e i g h s t h ek e yp o i n to ft h i s a r t i c l ei sa sf o l l o w i n g ： t h ef i r s tc h a p t e r sa r ei n t r o d u c t i o np a r t s c u r r e n ts i t u a t i o no ft h ea d v a n c e df a b r i c a t i o n t e c h n o l o g yi sh a v i n gb e e ni n t r o d u c e d ，a n de l a b o r a t et h eb a s i ck n o w l e d g eo fs c r o l l so ff o u rg e a r s n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e 。o p e nt y p en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y a n da l s oi n t r o d u c et h e c u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o pd i r e c t i o no ft h en u m e r i c a lc o n t r o lc u t t i n ga n dp r o c e s s e s s e c o n dc h a p t e r ，i tb r i e f l yi n t r o d u c e 也em a k i n gu p ，c h a r a c t e r i s t i c ，f u n c t i o ne t co fs c r o l l so f f o u rg e a r sn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e ，m a k i n gu pa n ds t r u c t u r eo fh a r d w a r es y s t e ma r ea l s o h a v i n gb e e ni n t r o d u c e d ，a n dh a v i n gm a i n l yi n t r o d u c e dr e p r e s e n t a t i v ep r o d u c to fm o d e mm o t i o n c o n t r o lt e c h n i q u e ：p o l y a x i so fu s ad e l t at a uc o m p a n ym o t i o nc o n t r o l l e rp m a cg e t ss t u c k ； h a v ei n t r o d u c e dt h es y s t e m a t i cf u n c t i o no fs o f t w a r es i m p l e l y t 1 1 i r dc h a p t e r sa l em a i nc o n t e n to ft h ea r t i c l e h a v i n gb r o u g h tf o r w a r dt h em a t h e m a t i cm o d e l o fm a n a g i n gt h ea p p e a r a n c eb i r t h p l a c el i n ea n dc u t t i n gs l o p em o u t hw h e nt u b e sa r ep u tt h r o u g h , h a v i n gi n t r o d u c e dt h em o t i o nc o n t r o la l g o r i t h mo fb i r t h p l a c el i n ec u t t i n ga n ds oo n f o u r t hc h a p t e r sh a v ei n t r o d u c e dt h a ts e r v os y s t e ma n dt h ep a r a m e t r i ca d j u s t m e n to fp i d 、i t l l u s eo fp 队cc a r d f i 劬c h a p t e rt h em o d u l a r i z a t i o nh a v i n gb e e nd e s i g n e di np r o g r e s st ot h es o f t w a r e ，a n dh a s g i v e nah o s tt oh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nh a n d l i n g f i n a l l y ，t h ea u t h o rh a sc a r r i e do nt h es u m m a r yt ot h er e s e a r c ho ft h i sa r t i c l e ，a n dh a sc a r r i e d o nt h ef o r e c a s tt ot h en u m e r i c a lc o n t r o lb u r n i n gm a c h i n e sd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：o p e nc n c ，i n t e r s e c t i n gc u r v e ，w e l d i n gg r o o v e ，n cc u t t i n g ，t o r e 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：一q 问午 日夥呷年r 月力 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，一允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：饲、习午日期妒律 聊獬：渺御醐：u 下 日日 砂口刀1(仉1 月月 p 5 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 切割加工技术现状 第1 章绪论 随着国内制造业在规模和技术方面的进展以及“以焊代铸”趋势的加速，切割材料的 总量在不断增加，切割加工的优势正在逐渐为人们所认识。在金属切割技术中，激光切 割、电子束切割、等离子切割、磨料水射流切割技术被称为现代工业切割的四大高新技术， 形成工艺互补坦。 激光技术是在2 0 世纪六七十年代开始应用的。激光束经聚焦后，其光斑最小能达 0 0 1 r a m ，相应的功率密度可达0 1 0 - - 1 0 3 m w c m 2 ，比一般的切割热源高几个数量级，激 光切割正是利用这种高密度的热能来进行的。激光切割的优点是：既能切割金属材料， 又能切割非金属材料；切割薄板时，速度较快；切割质量好，切割缝小，切割表面光 洁美观，热影响区小，热变形小；切割时很少需要更换消耗品，易于实行自动化，无噪 声、少烟尘，对环境基本无影响。激光切割的缺点是：受输出功率的影响，切割速度比 等离子弧切割要慢( 约为等离子切割速度的1 3 ) ，切割板材的厚度不能太厚；切割板 料的边框至少需留5 m m 以上的余量，才能保证切断面的质量和精度良好；价格较贵口。 电子束加工是利用高功率密度的电子束冲击工件时所产生的热能使材料熔化、气化的 特种加工方法，简称为e b m 。电子束加工是由德国的科学家k h 施泰格瓦尔特于1 9 4 8 年发明的，加工的主要特点是：电子束能聚焦成很小的斑点( 直径一般为0 0 1 - - - 0 0 5 毫 米) ，适合于加工微小的圆孔、异形孔或槽；功率密度高，能加工高熔点和难加工材料如 钨、钼、不锈钢、金刚石、蓝宝石、水晶、玻璃、陶瓷和半导体材料等；无机械接触作 用，无工具损耗问题；加工速度快，如在o 1 毫米厚的不锈钢板上穿微小孔每秒可达3 0 0 0 个，切割1 毫米厚的钢板速度可达2 4 0 毫米分。主要缺点是：由于使用高电压，会产 生较强x 射线，必须采取相应的安全措施；需要在真空装置中进行加工；设备造价 高等h 1 。电子束加工广泛用于焊接( 见电子束焊) ；其次是薄材料的穿孔和切割，穿孔直 径一般为0 0 3 - 1 0 毫米，最小孔径可达0 0 0 2 毫米。切割o 2 毫米厚的硅片，切缝仅为 0 0 4 毫米，因而可节省材料。 磨料水射流切割技术是在水射流技术和高速磨削技术的基础上发展起来的一种技术。 磨料水射流切割技术的主要特点是：磨料水射流切割具有“冷、软”的加工特性，无需 机械切削力，切割时工件温度较低，无热影响区和热变形；切割质量好。水切割是一种 无接触冷切割，切口处材料组织结构性能不发生变化，切缝窄且切割表面光滑；切割用 水及磨料来源充足，绿色环保。但磨料水射流切割目前也存在一些制约市场推广的问题： 一1 一 浙江工业大学硕士学位论文 水射流在切割厚的材料时需要消耗功率。由于功率是恒定的，材料厚度加大时就会产生 锥度。尽管降低加工速度可以控制锥度，但会增加部件的造价并牺牲切割效率；磨料水 射流切割受材料耐磨性的限制。材料的耐磨性越强，其精度越低，产生的锥度越大，水喷 射拖尾也更多；切割精度和效率与机械加工、电加工相比稍差，且速度较慢；机床比 普通机械昂贵哺1 。 等离子切割技术自2 0 世纪5 0 年代中期在美国研制成功以来，得到迅速发展。等离子 切割种类有：普通等离子弧切割。根据所使用的主要工作气体，主要分为氩等离子弧切 割、氧等离子弧切割和空气等离子弧切割等几类。切割电流一般在1 0 0 a 以下，切割厚度 小于3 0m m ；再约束等离子弧切割。根据等离子弧的再约束方式，主要分为水再压缩 等离子弧切割、磁场再约束等离子弧切割等。由于等离子弧受到再次压缩，其电流密度、 切割弧的能量进一步集中，从而提高了切割速度和加工质量；精细等离子弧切割。等离 子弧电流密度很高，通常是普通等离子弧电流密度的数倍，由于引进了诸如旋转磁场等技 术，其电弧的稳定性也得以提高，因此，其切割精度相当高阳1 。 等离子切割与火焰切割相比，其切割范围更广、效率更高，可切割一切金属板料和许 多非金属材料，最高切割速度可达1 0 m m i n ，是火焰切割的1 0 倍；在水下切割时能消除 切割时产生的噪音、粉尘、有害气体和弧光，有利于环境的保护，符合2 1 世纪对环保的 要求；随着大功率等离子切割技术的成熟，切割厚度已达1 3 0 m m ；采用水射流技术的大 功率等离子切割已使切割质量接近激光切割的下限( 0 2 r a m ) m ，精细等离子切割技术 在材料的切割表面质量方面已接近了激光切割的质量，但成本却远低于激光切割，约为其 1 3 ，最大切割厚度可达1 2 m m ，因此用精细等离子切割机来取代昂贵的激光切割机，有利 于用最经济的方式对用量较大的中薄板实施高速精细切割。另外，数控等离子切割与自动 套料编程软件配合，可以提高材料利用率5 - - 1 0 。故在工业发达国家已出现以数控等 离子切割机取代火焰切割机和激光气割机的发展趋势1 。 随着计算机及数字控制技术的迅速发展，促使等离子切割技术从手工或半自动逐步向 数控方向发展，并成为数控切割技术发展的主要方向之一。数控等离子切割技术是集数控 技术、等离子切割技术、逆变电源技术、精密机械技术等于一体的高新技术，它的发展建 立在计算机控制、等离子弧特性研究、电力电子等学科共同进步基础之上四1 。 1 2 等离子切割技术现状 1 2 1 国外等离子切割的现状 国外数控等离子切割机的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。其主要厂家有德国 的伊莎( e s a b ) 、梅塞尔( m e s s e r ) ，日本的田中( t a n a k a ) 、小池( k o i k e ) ，美国 的l - t e c 、林德( l i n d a ) 等。能够代表数控等离子切割技术最高水平的厂家主要集中 在德国，德国伊莎e s a b 公司的数控切割机是当今世界上品种最全、功能最多、水平最 浙江工业大学硕士学位论文 高，几乎包括了所有非接触切割手段的数控切割机。其中n e c 5 2 0 连续轨迹控制器与 r p c 6 0 0 ( 单台或双台并联) 水射流式等离子系统配合可以切割1 3 0 m m 以下的金属板材； 与h d 3 0 7 0 精细等离子配合可对1 1 2 r a m 金属材料实施高速( 7 6 m m i n ) 和高精度( 接 近激光切割下限) 切割n 0 1 。 美国海宝公司的等离子系统代表着当今世界等离子系统的最高水平，其产品规格覆盖 从普通等离子、水射流式等离子直至精细等离子等所有热切割用等离子系统。普通等离子 电源输出电流为2 0 , - 一2 0 0 a ，切割厚度可达5 0 m m 以下；水射流式等离子电源输出电流最高 可达1 0 0 0 a ，切割厚度可达1 3 0 m m 以下；精细等离子电源输出电流最高可达1 0 0 a ，切割厚 度可达1 2 m m 以下，其中精细等离子割缝宽0 6 5 , - - , 0 7 5 m m ，与数控切割机配合可达0 2m m 的切割精度n 们。 1 2 2 国内等离子切割的研究现状 我国的数控切割技术起步于2 0 世纪8 0 年代，而数控等离子切割技术起步更晚，大部 分的数控等离子切割机以经济型机床( 单片机为核心，步进电机为驱动元件) 为主。国产 数控切割机与国外产品的差距，就数控火焰切割机而言，已无大的差距；数控等离子切割 机总的性能也与进口设备相差无几，只是与数控等离子切割机配套的等离子电源与国外差 距更大，目前很多用户都愿意用进口等离子电源就足以说明问题，因此发展数控等离子切 割及其相关技术，如等离子切割机电源、电磁兼容技术、等离子电极，等离子喷嘴，等离 子分流器等，都是十分重要陷1 ，并且展开相应的切割工艺参数、控制算法的研究。 国内关于等离子切割电源展开了一些研究，得到了一些成果。上海理工大学的杨永才 教授等应用d s p 技术对等离子切割电源系统的功率因素进行校正处理，通过d s p 控制 p w m 的输出。功率因素经过d s p 处理后，减小了谐波对电网的干扰，提高了电源系统的 功率因素，使其几乎达到l ，为逆变电路提供了稳定的直流电源n 。中科院等离子研究所 的陈思跃主任等对一种大功率切割机的电源进行了分析，对其主电路、工作原理、控制电 路及保护系统做了详细的介绍，成功的研制出一种高可靠性电源，该电源具有过压、短路、 过热等保护功能，同时还具有较强的抗高频干扰能力n 副。 空气等离子切割机的切割质量，主要取决于等离子弧柱的压缩效果n 羽。实际上影响等 离子弧柱压缩效果的主要因素有等离子割炬结构、等离子喷嘴孔径的大小、等离子喷嘴与 等离子电极之间的间距、电流与气压等。制约国内等离子弧切割机质量提高的“瓶颈”之 一是目前我们还没有自己的品牌系列等离子割炬n 1 。麻胜荣等高级工程师对等离子弧喷嘴 进行了研究，从割炬结构、喷嘴孔径等方面得出了一些有实用价值的成果n 3 1 。 另外，等离子切割涉及的工艺参数较多，这些参数中有些是相互耦合的，共同影响切 割质量和切割效率，因此，切割参数的选择是一个关键而困难的问题n 钔。实际应用中一 般根据经验选择切割工艺参数，随意性较大，切割质量不稳定。借助于人工智能技术，孙 容磊教授等提出了一种智能参数选择方法，较好的解决了等离子切割工艺参数的选择问 一3 一 浙江工业大学硕士学位论文 题。该智能型数控等离子切割机可以自动选择最佳切割工艺，完成平面任意图形的切割， 具有编程方便，切割速度快，切口光滑等优点，换能对切割头进行实时跟踪。图1 1 为该 智能型数控等离子切割机系统框图n 钔。 等离子割炬头 等离子电源 割炬头高度自动调节装置( z 轴) ua d 、d a 转换 编码器ix 电机r t 驱动器 编码器iy 电机驱动器 委卜崖 图1 1智能数控等离子切割机系统框图 目前国内生产数控切割机的厂家大约有2 0 家，但综合实力较强且有竞争实力的只有 梅塞尔切割焊接有限公司、上海伊萨汉考克有限公司、哈尔滨四海数控机械制造有限公司、 深圳博利昌数控切割设备有限公司等几家。国内一些数控等离子切割产品在许多方面都已 形成自身独有的特点，实现了“自动化、多功能和高可靠性 ，某些方面，产品的技术性 能甚至超过了国外的产品，具体体现在嘲： 1 、数控系统与等离子系统的电磁兼容技术 这是数控等离子切割机成功的关键，只有解决了这一难题，才能实现数字控制下的等 离子切割。 2 、符合热切割工艺要求的专用控制软件 该类控制软件的特点如下： ( 1 ) 采用图形输入方式，比代码输入更加直观，操作快捷方便。 ( 2 ) 中文界面，更适合中国国情。 ( 3 ) 输入方式多元化，所有调控指令化。 ( 4 ) 利用自动套料编程软件，可提高板材利用率1 0 左右。 3 、大功率等离子系统 该系统具有1 0 0 的暂载率和完备的数控接口、弧压接口、遥控接口，并提供全套的 接口附件，从而实现与数控系统的紧密配合。 我国金属加工行业使用的数控切割机是以火焰和普通等离子切割机为主，目前市场需 求的数控切割机多为数控普通等离子切割机，该类切割机可满足不同材料、不同厚度的金 属板材的下料以及金属零件的加工的需要，因此需求量将会越来越大。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 3 数控切割机的发展 随着现代机械加工业的发展和对切割的质量、精度要求的不断提高，对提高生产效率、 降低生产成本、具有高智能化的自动切割功能的要求也在提升。由于对切割质量、劳动环 境等的要求越来越高，国外的大型水下等离子切割法、精细等离子切割法等先进等离子切 割技术得到较快发展，其相应的产品在我国的市场需求量也逐年上升。在提升技术水平的 同时，数控切割机还在向通用和专用两个方向发展： 1 、通用数控切割机 从现在几种通用数控切割机的应用情况来看，数控火焰切割机功能及性能已比较完 善，但因为其材料切割的局限性( 只能切割碳钢板) ，且切割速度慢，生产效率低，使其 适用范围受到限制并在逐渐的缩小，但目前来看还有很大的市场份额，不可能完全退出市 场。 等离子切割机具有切割范围广( 可切割所有金属材料) ，切割速度快，工作效率高等 特点，受到市场的欢迎，未来的进一步发展在于等离子电源技术的提高、数控系统与等离 子切割配合等问题；精细等离子技术的完善和提高以提高切割的速度、切面质量和切割精 度；数控系统的完善和提高以适应等离子切割，进一步提高工作效率和切割质量。 2 、专用数控切割机 数控管材切割机适用于各种管材上切割圆柱正交、斜交、偏心交等相惯线孔、方孔、 椭圆孔，并能在管子端部切割与之相交的相贯线。这种类型的设备广泛应用于金属结构件 生产，电力设备、锅炉业、石油、化工等工业部门。数控坡口切割机是行业内比较高端的 产品之一，此类型设备的回转坡口切割功能可以满足焊接工艺中不同板材开不同角度坡口 的要求。随着我国造船业的发展，船厂在国内率先引进和使用了数控等离子切割机，随着 技术的发展，目前国内外船厂纷纷配备具有回转坡口切割功能的数控等离子切割机，以满 足高技术、高附加值船的建造要求嫡3 。 1 3 开放式数控系统 当今随着技术、市场、生产组织结构等方面的快速变化，数控技术的发展面临着许多 新的挑战。不断出现的新的加工需求，要求数控系统具有快速、高效、经济的面向客户的 模块化特性和软硬件重构能力，而且这种重构能力所需的成本和周期较目前将有大的改 观。逐步降低生成厂家对控制系统的高依懒性，大幅度降低维护和培训费，改变以往数控 系统封闭性设计模式，适应未来车间面向任务和订单的生产模式，使得底层的生产控制更 简便、有效。数控系统的供应商提供主机，生产厂家把自己的专利技术集成到系统中，这 种机制，生产厂家无需向系统供应商提供任何自己的技术秘密。因此寻求一种能很好解决 上述问题的新的控制系统的发展模式已成为必然。数控系统的制造商、集成者和用户都希 浙江工业大学硕士学位论文 望“开放式的控制器”，能够自由的选择数控装置、驱动装置、伺服电机、应用软件等数 控系统的各个构成要素，并用规范的、简便的方法将这些构成要素组合起来。开放式数控 系统( o p e nn u m b e rc o n t r o ls y s t e m ) 应用而生u 钔。 从开放式数控系统目前的研究成果看，开放式数控体系结构还没有统一、明确的概念 内涵，系统实现技术还处于百家争鸣时代。 i e e e 是这样定义开放系统的：“具有下列特性的系统可称为开放系统：符合系统规范 的应用，可运行在多个销售商的不同平台上，可与其他的系统应用互操作，并且具有一致 风格的用户交互界面( a no p e ns y s t e mp r o v i d e sc a p a b i l i t i e st h a te n a b l ep r o p e r l yi m p l e m e n t e d a p p l i c a t i o n st or u no nav a r i e t yo fp l a t f o r m sf r o mm u l t i p l ev e n d o r s ，i n t e r - o p e r a t ew i t l lo t h e r s y s t e m sa p p l i c a t i o n s ，a n dp r e s e n tac o n s i s t e n ts t y l eo fi n t e r a c t i o nw i t ht h eu s e r ) ” l 6 1 。 对于开放式数控系统，一种较流行的观点是强调下列五个方面的系统特性：系统互换 性( i n t e r c h a n g e a b i l i t y ) 、可伸缩型( s c a l a b i l i t y ) 、可移植性( p o r t a b i l i t y ) 、互操作性 ( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 和可扩展性( e x p a n d a b i l i t y ) n 引。 以上观点均只是定性地、从系统表现的角度探讨了开放式数控系统的基本特征。而从 系统体系结构的具体内容和系统实现的角度看，人们对开放式数控系统还没有统一的认 识，相关的研究组织、机构、厂商正致力于这方面的标准化工作。 不过，模块化、开放式结构是目前计算机数控系统发展的主流和趋势n9 1 。国内外许多 学者都致力于开放式数控系统的研究，并达成部分共识，即采用p c 平台和 m i n d o w s 9 x n t 操作系统n 羽。这样，容易保证一致的人机界面和应用现有的各种流行的 应用软件，而且硬件和软件具有通用标准，容易扩展，容易实现网络功能。但当前流行的 操作系统大多无法满足加工的实时性要求，解决这个问题目前主要有两个方法n 阳： ( 1 ) 采用软件数控系统，认为数控系统的实现完全可以只是一种通用计算机上的标准 应用程序，而不再是包含有许多插件板的专用硬件系统。软件数控不仅是硬件功能的软件 化实现，其更重要的内涵体现在一种高度开放的体系结构。这种开放结构不仅支持运动控 制策略的定制，而且面向数控系统的智能化实现，使得数控系统具有更大的性能空间和更 好的系统交互性；而且可以充分借鉴相关学科的最新成果，从而促进数控技术本身的快速 成长。 ( 2 ) 采用基于上下位机的双c p u 数控系统。即采用p c 机作为上位机来完成数控加工 中的非实时任务，而采用具有p c 上标准插件板形式的开放式运动控制器来完成实时的控 制任务。 采用软件数控方法目前还不成熟，w i n d o w sn t 主要是一个分时系统，不具有严格的实 时处理能力，而且它的硬件抽象层使硬件的接口非常困难，而且效率很低。系统中硬件操 作和中断编程非常复杂，软件开发的难度较大。p c 要完全取代n c 目前还有不少课题需 要研究u 引。 由上可见采用运动控制卡嵌入p c 的数控系统组成类型是首选，而作为嵌入式n c 的 浙江工业大学硕士学位论文 运动控制器是整个数控系统性能高低的关键 1 9 o 具体选择的时候需要针对机床的性能要求 进行选择，以使机床有高的性能价格比。这里所说的“运动控制器”不仅仅是指n c 装置， 而且包括机器人控制器、p l c 、单元控制器等，实现软件模块的自由组合。 1 4 课题背景 萧山是中国的钢结构之乡，也是萧山区政府准备扶持的支柱产业之一。萧山的钢结构 产业从1 9 8 4 年东南网架正式投产开始起步，在经历了二十几年的发展壮大，到目前全区 已有三级资质以上钢结构企业2 8 家，钢结构项目在全国的市场占有率五分天下有其一。 在钢结构加工中，管状截面的焊接桁架咆括巨形和普通管构成的钢结构被大量采 用，管管相贯是钢结构工程中的一种普遍的情况。管管相贯时会产生相贯线，这条相贯线 是一条空间曲线，所以相贯线的切割就变成了管状截面焊接桁架加工的一个关键和难点。 以往为了进行相贯线的切割，首先要制作样板进行划线，然后进行手工切割。手工切割质 量很难保证，效率也比较低。为了提高管截面桁架的生产效率和质量，就必须借助于高效 率的管管相贯线数控切割机。管管相贯线数控切割机不仅要能切割出相贯线，而且也要切 割出相贯线的焊接坡口，以便后续进行管管焊接。 天津大学的王国栋教授进行的管端相贯线坡口切割割炬位姿控制，针对管端相贯线坡 口切割过程中存在的三维空间曲面加工问题，研究了割炬轨迹的保证和姿态的选择，建立 了切割时割炬的姿态控制数学模型。对管管相贯线坡口切割实例进行割炬位姿控制仿真分 析，得出了拐点处割炬姿态的转变应分多步进行，从而保证拐点处的切割质量昭0 1 ，但他没 有提出相应的控制算法。 总之，从国内生产和研究现状看，能进行管管相贯焊接坡口切割的数控切割机及专用 数控系统的研究尚不充分，因此，本文对该领域展开的深入研究，对提升国内钢结构加工 的自动化水平有着明显的理论意义和应用前景。 1 5 本论文的主要研究内容 本论文针对管网架钢结构件相贯线坡口的数控切割，进行基于四轴联动开放式数控等 离子切割机控制系统的研究。 论文的主要研究内容为： 1 、完成基于p m a c 运动控制卡的p c d s p 四轴联动数控切割机平台的构建。实现在 线输入切割管径、壁厚、交角等切割参数，数控系统能控制切割机进行自动、高效的管管 相贯线坡口切割。 2 、进行管端相贯线、割炬倾角、割炬倾角旋转角的数学建模。 3 、根据相贯线的数学模型，研究相贯线的自适应变步长插补控制算法和计算机软件 程序设计。 一7 一 浙江工业大学硕士学位论文 4 、数控系统的原型系统及人机交互界面的开发。 1 6 本章小结 本章首先对国内外先进制造技术的发展现状作了简单的介绍，并对开放式数控系统进 行了重点介绍和讨论，分析了数控切割技术的国内外发展概况，讨论了本文研究的学术背 景与实际意义，并给出了本文的主要研究内容。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章数控切割系统构成 本文主要进行基于四轴联动开放式数控等离子切割机控制系统的研究，在本章首先介 绍了等离子切割的基本原理；然后根据切割的特点，对数控切割机的运动进行了分析：给 出了机床结构简图。根据控制系统的硬件结构总体框架，对等离子切割电源进行了选择等， 并简要介绍了软件系统的设计要求。 2 1 等离子切割的基本原理 等离子流 图2 1 水压缩弧等离子切割示意图 等离子切割是一种新型的切割方法，它的工作原理是以压缩空气为工作气体，以高温 高速的等离子弧为热源，将被切割的金属局部熔化，并同时用高速气流将已熔化的金属吹 走，形成狭窄切缝心。等离子切割配合不同的工作气体可以切割各种氧气切割难以切割的 金属，尤其是对于有色金属( 不锈钢、铝、铜、钛、镍) 切割效果更佳，其主要优点在于 切割厚度不大的金属的时候，等离子切割速度快，尤其在切割普通碳素钢薄板时，速度可 达氧切割法的5 - 6 倍、切割面光洁、热变形小、几乎没有热影响区乜2 】。但因为等离子割 嘴比较容易损坏，寿命相对就短，导致生产成本提高的原因，所以火焰切割在我国还有很 大的市场。图2 1 所示为水压缩等离子弧切割示意图。 一9 一 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 数控切割机的运动学分析和组成 数控切割机的联动运动轴是较多的，它可以进行空间相贯线轮廓的加工，还可以进行 焊接坡口的切割。本次设计所构建的系统是一个四轴联动数控切割机。四轴联动数控切割 机的组成主要包括：床身、导轨、加工臂、割炬、伺服电机等，基本结构如图2 2 所示， 被切管( 支管) 以瞬时角速度缈( f ) 旋转，割炬随之实现y 轴移动和a 、c 轴转动，达到4 轴联 动。 正式切割前，手动完成割炬z 轴升降运动，以调整割炬与支管的距离。切割过程中，对 于薄壁管，被切支管按照一定的速度绕其轴线作回转运动，速度大小由管壁厚度决定，割 炬沿被切支管轴线做轴向移动，其速度大小由被切支管的回转速度决定；对于厚壁管j 割 炬自动倾斜一定角度，并根据切割时要垂直相贯线的要求旋转割炬，按工艺规范切出坡口， 被切支管的回转速度大小由管壁厚度和割炬切割角度的变化决定( 即由切割厚度决定) ， 割炬沿被切支管轴线做轴向移动的速度大小亦由被切支管的回转速度决定。4 轴必须按一 定的数学关系联动，才能切出所需的空间相贯曲面。 四轴分别是a 、b 、c 、y 。 支管的回转运动记为b 轴。 割炬沿支管的轴向移动记为y 轴。 令割炬相支管轴线倾斜的轴记为c 轴，它保证切出坡口角，垂直于被切管为0 度。 使割炬倾斜后仍然垂直于相贯线轨迹的角度的轴记为a 轴。 电税1 图2 2 四轴联动数控切割机简图 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 数控切割机的硬件系统 l l i l l i l l 位置检测 ： _ - _ - _ _ _ 速度检测 图2 3 机床的系统组成框图 数控切割机作为一种精密制造数控机床，硬件系统由数控系统、包含伺服电机和检测 反馈装置的伺服系统、等离子切割电源、机床本体和各类辅助装置组成，如上图2 3 。 l 、等离子切割电源 本系统中采用n e r t a j e th p 3 0 0 自动切割电源乜引。表2 1 为该等离子切割电源的技 术参数： n e r t a j e th p 3 0 0 适用切割割炬 c p m 3 0 c i ( m t 2 0 输入电压多电压 电流范围 3 0 3 6 0 a 负载持续率 1 0 0 切割厚度1 - 9 0 m m 工艺精密度0 5 n e r t a j e th p 3 0 0 电源为直流等离子切割电源，电流实行实时控制。整个系统的稳 定性由一整套电子电路根据电弧的变化进行反馈调节。电源由微处理器通过串行通讯进行 控制。该电源能提供下列切割电流：3 0 a 至3 0 0 a 。a n e r t a j e th p 3 0 0 由强制风冷进行 冷却，该电源的进出风口均由过滤网进行保护，以使该电源能在恶劣环境下保持较长的使 用寿命。该电源的所有接线采用快速接头方式。n e r t a j e th p 3 0 0 提供辅助设备所需的 lllllli_ 浙江工业大学硕士学位论文 电源。也就是自动控制单元和切割枪的电动滑块所需的低压交流电源。该电源在接口板上 提供所有工作状态显示；使用和维护非常方便。 2 、伺服系统是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节，主要由伺服电机、驱动 控制系统和位置检测与反馈装置等组成。伺服电机是系统的执行元件，驱动控制系统则是 伺服电机的动力源。具体选型将在第五章中讲述。 3 、数控系统 数控系统是机床的控制中心，也是机器实现自动切割的核心。数控系统由输入装置、 控制运算器和输出装置等构成。输入装置接受控制介质上的信息，经过识别和译码后，送 到控制运算器，这些信息将作为控制与运算的原始依据。控制运算器根据输入装置送来的 信息进行运算，并将控制命令送往输出装置。输出装置将控制运算器发出的控制命令送到 伺服系统，经功率放大，驱动机床完成相应的动作。 由于w i n d o w s9 x n t 操作系统无法满足数控加工的实时性要求瞳钔，因此本文所述 的数控系统采用了基于上位机和下位机的双c p u 开放式数控系统。下位机由p m a c 运动 控制器来实现，主要承担实时性任务，如伺服控制、可编程逻辑控制等；上位机为工业控 制计算机，主要完成数控编程、数控仿真和人机界面处理，甚至网络功能等非实时性任务。 数控系统结构如下图2 4 所示。图中的虚线将上位机和下位机的功能模块分开。实线框以 外部分为系统的外设。 从图中可见，上位机中的控制中心是整个数控系统的核心，它通过调用对应于下位机 中各种变量和功能的应用程序接口与下位机交换信息，并负责整个系统的协调。操作面板 和人机界面是获取外部信息的主要渠道，控制内核将获取的信息保存在参数集合中，这些 参数保括电机手动控制参数、伺服调节参数、坐标系参数、电机安全运动参数等。上、下 位机之间的通讯采用p c 总线。控制中心将参数集合中改变的信息，通过p c 总线传递到 下位机的控制参数模块中。同时，下位机也通过p c 总线将系统实时运行状态信息传递到 上位机。系统通过通讯模块与外部网络相连，直接将异地需要加工的工件信息传递给该系 统，使其具有网络加工能力，或者进行远程监控。 系统中的控制中心将网络传递来的信息经过编译生成p m a c 卡能识别的运动程序并 下载给下位机，下位机通过轨迹产生模块，将数控代码翻译成每个伺服轴的运动所对应的 指令代码，然后由轴控制模块实现伺服控制，控制算法可以由用户指定，并通过p c 总线 下载到p m a c 卡中。下位机通过输入输出端口与外部的传感器和执行器相连，如指示灯、 按钮开关等。由于下位机具有强大的可编程离散逻辑控制能力，可实时的监视外设的模拟 和数字输入信号、设置状态输出、传递信息、监视运动参数等。其控制逻辑由上位机定制， 因此具有很大灵活性。对于实时性要求很强的任务，如位置限制信号和回零信号的处理， 以及一些系统运行安全性检查等，则由下位机直接进行，上位机只接受处理后完成的信息， 这样，可保证系统的运行安全。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 。4 硬件系统总体结构框架图 2 4 数控切割机的软件系统设计 本系统以w i n d o w sx p 为操作系统，以v i s u a lc + + 6 0 为开发工具可以开发出功能多 样而友好的用户界面。目前一些功能简单的应用程序，使用