（电路与系统专业论文）数控火焰切割机的割缝补偿研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 数控系统中割缝补偿( 即刀具补偿) 加工工艺模块是数控系统软件中一个 重要的功能模块。它是指加工过程中刀具轨迹的规划、刀具几何参数的补偿以 及加工逻辑的设计。因此在实际加工中合理掌握刀具补偿方法、灵活应用刀具 补偿功能、合理设置刀具补偿值是保证加工精度高、质量稳定的重要因素。 本文在叙述了数控火焰切割机技术的发展历史、国内外的研究动态以及未 来的发展趋势的前提下，结合本课题的研究现状，制定了数控系统中刀具补偿 程序的实现方案，并在w m d o w s 平台上用v i s u a lc + + 编写了该程序，通过模拟 加工过程，验证刀具补偿的正确性。本文包括以下三个部分： 一是运用平面解析几何的数学思想来解决数控火焰切割机系统中有关刀具 半径补偿加工的问题。利用三角函数的关系推导出在平面内直线与直线、直线 与圆弧以及圆弧与圆弧的交点计算公式，从而方便了刀具轨迹的各种转接情况 的处理。 二是分析了刀具长度补偿的原理及偏置参数的设置，并且与刀具半径补偿 进行了比较，提出了其相似之处及本质区别。 三是刀具半径补偿的设计与仿真。按零件轮廓编制的程序和预先设定的偏 置参数，数控装置能实时自动生成刀具中心轨迹的功能称为刀具半径补偿功能。 刀具半径补偿的方法关键在于确定刀具坐标的位置和所要求的工作点之间的关 系。本文在介绍了刀具半径补偿的分类、基本概念以及刀具轨迹各种转接的基 础上，详细分析了常见的刀具半径补偿算法，并使用平面解析几何的思想和c 刀补算法设计了刀具半径补偿加工工艺。 关键词：刀具补偿，数控系统，v i s u a lc + + ，刀具中心轨迹，c 刀补 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec u t t i n gg a pc o m p e n s a t i o n ( t o o lc o m p e n s a t i o n ) f u n c t i o ni nm a c h i n e p r o c e s s i n gi st h ei m p o r t a n tm o d u l eo fc n cs y s t e m i ti n c l u d e st h ed e s i g no ft h et o o l p a t h , t h ec o m p e n s a t i o no ft o o lg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n dt h el o g i cp r o c e s s i n g i n c o n s e q u e n c e ，g r a s p i n gt h em e t h o d so fc u t t i n gt o o lc o m p e n s a t i o nr a t i o n a l l y , u t i l i z i n g t h et o o lc o m p e n s a t i o nf l e x i b l ya n ds e t t i n gt h ed a t af o rt o o lc o m p e n s a t i o np e r f e c t l ya r e t h ei m p o r t a n tf a c t o r st og u a r a n t e et h eh i g ha c c u r a c ya n ds t a b l e de q u a l i t y i nt h i sp a p e r , w ed e s c r i b e dt h e d e v e l o p m e n th i s t o r yo fc n cf l a m ec u t t i n g m a c h i n et e c h n o l o g y , t h ed y n a m i cr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d , a n dt h ed e v e l o p m e n t t r e n do ft h ef u t u r e a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no ft h er e s e a r c h e s ，w ed e s i g n e dc n c s y s t e mp r o g r a m m e rt oa c h i e v et o o lc o m p e n s a t i o nf u n c t i o na n dt h ed e s i g nm e t h o d i s t e s t i f i e dw i t l lp r o g r a m m i n gp r o c e d u r ew h i c hi sw r o t ei nv i s u a lc 抖o nt h ew i n d o w s f l a tr o o fb ys i m u l a t i n gt h ep r o c e s s t h i sa r t i c l ei n c l u d e st h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s ： f i r s t , t h i sp a p e ru s e st h ep l a n ea n a l y t i cg e o m e t r yt os o l v et h ep r o b l e m so ft h e t o o l c o m p e n s a t i o n o fc n cs y s t e m i no r d e rt o d e s i g n a n di m p l e m e n tt o o l c o m p e n s a t i o nc o n v e n i e n t l y , i ta l s ou s e st r i g o n o m e t r i cf u n c t i o n st od e d u c et h e c o m p u t i n gf o r m u l ao fi n t e r s e c t i o nb e t w e e nt w od i r e c t e dg e o m e t r i ce l e m e n t s ，s u c ha s t w ol i n e s ，l i n ea n dc i r c l ea n dt w oc i r c l e s s e c o n d ，a n a l y s ep r i n c i p l e so f t o o ll e n g t hc o m p e n s a t i o na n d s e t t i n g so ft h eo f f s e t p a r a m e t e r s i ta l s od i s c u s s e st h er e s e m b l a n c ea n dd i f f e r e n c eb e t w e e nt o o ll e n g t h c o m p e n s a t i o na n dt o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o n t h i r d ，d e s i g n i n ga n ds t i m u l a t i n gt h et o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o ni nc h i cs y s t e m t h et o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o nc a p a b i l i t i e so ft h es y s t e me n a b l et h ep r o g r a m m e rt o s p e c i f yt h a tat o o ls h o u l dt r a v e lt ot h er i g h to ri e ro fa no p e no rc l o s e dc o n t o u ri nt h e c o m p o s e dp l a n eo fa r c sa n ds t r a i g h tl i n es e g m e n t s t h ek e yo ft h et o o lr a d i u s c o m p e n s a t i o nm e t h o di st om a k es u r et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r o g r a m m i n gt o o l s c o o r d i n a t e sa n dt h er e q u i r e dp o i mc o o r d i n a t e s o nt h eb a s eo fd e p i c t i o no fb a s i c c o n c e p t i o no fc o m p e n s a t i o na n dt h et y p eo fc o m p e n s a t i o n ，t h i st h e s i sd e s c r i b e st h e 玎 武汉理工大学硕士学位论文 c o m m o nt o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m so ft h ec n c s y s t e m ，a n du s e st h ep l a n e a n a l y t i cg e o m e t r ym e t h o da n dct o o lc o m p e n s a t i o nt od e s i g nt h et o o lr a d i u s c o m p e n s a t i o n k e y w o r d s ：t o o lc o m p e n s a t i o n ，c n cs y s t e m ，v i s u a lc + + ，t o o lc e n t e rp a t h ， ct o o lc o m p e n s a t i o n 1 1 i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 武汉理工大学或其它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。 签名：牡日期：j 丝丝皿 i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：丝! ! ：兰2 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 火焰切割机主要用于切割碳素钢和低碳钢，是利用铁在氧气中燃烧产生动 能进行切割的一种方法。在切割时，如果切割零件厚度变化较大，而且对切割 质量和精度要求不太高时，使用火焰切割机最为适宜。但如果对切割质量和精 度有严格要求时，就必须采用数控系统控制切割轨迹。 目前国外企业的火焰切割机普遍采用了数控系统进行加工，不仅提高了加 工零件的利用率，而且还大大改善了产品质量，提高了工作效率。而我国的机 械行业大部分采用手动控制火焰切割，不仅效率低下，而且不能满足市场的需 求。因此，开发一套高效、低成本的数控火焰切割机系统，在我国有着广泛的 应用前景i l j 。 1 2 数控火焰切割机 如图1 1 所示，数控火焰切割机是一种特种数控加工机床，它具有一般数控 机床的特点，即能根据数控加工程序，自动完成切割过程，但也有一些不同之 处。由于火焰切割机不像金属切削机床那样靠切削工具与工件的刚性接触来去 除被加工材料，而是利用气体火焰将钢材表层加热到燃点并形成活化状态，然 后送进高纯度、高流速的切割氧，使钢板燃烧。与此同时，高压氧吹除熔渣， 从而形成切1 ：3 将钢材割开。因此加工过程中工件受力较, b 2 l 。 火焰切割机的加工过程包括点火、预热、通切割氧、切割、熄火、返回原 点整个过程，由于加工时要有预热，所以不能像激光加工、电加工那样对能量 收放自如，也不能像机械加工那样能在任意点停止和开始加工。因此在切割 过程中热加工机床与冷加工机床的割缝补偿( 即刀具补偿) 方式是不同的。 根据加工的可行性和连续性需要，热加工机床需要在切割各段连续曲线前 穿孔，而在冷加工领域是没有这种问题的，所以热加工机床的刀具补偿建立有 别于冷加工机床的直线过渡形式。热加工机床在刀具补偿建立时需要沿着第一 段加工曲线轨迹切线方向首先让出刀具半径的距离，然后实现穿孔，否则容易 丛堡型= ! ：点堂墅主兰堡堡墨 破坏被加工零件的轮廓。同样，刀具补偿的撤消也需要这种方法实现刀具中心 与曲线终点的蛀终对准。在插入型刀补中应该采用直线段插入以免发生用圆 弧插入所带来的工件的尖角被长时间灼烧而变形的问题p 】。 由于各种因素的影响，有时会发生钢板束割穿的现象，此时刀具应能按原 轨迹返回重新切割。数控火焰切割机应具有随时暂停及按原轨迹返回功能，冷加 工机床一般不需要局部返回加工。很多年以来，机床的发展主要体现在冷加工 领域，迄今为止，冷加工机床的数控技术已经非常成熟，而且收到了很好的效 果：热切割机床的数控化则起步较晚，在发展水平上和冷加工机床还存在着一 定差距，还有较深的发展潜力。 图1 1 数控火焰切割机加工形式 1 3 国内外数控火焰切割机系统的研究状况 世界上第台数控火焰切割机是英国氧气公司1 9 6 1 年研制成功的。1 9 6 4 年 日本在船舶行业开始制造使用数控切割机。我国广州中山造船厂1 9 7 1 年研制成 功我国第一台数控切割机1 4 j 。上世纪8 0 年代扔，随着改革开放，各行各业对数 控技术大量需求。我国先后从同本、法国、蓑国等国家，引进了部分数控装置 及伺服系统技术，使数控机床的质量、性能以及水、f 都上了一个新台阶。1 9 9 0 年中国科学院光电技术研究所和机电部尔方机床厂联合研制成功大型火焰切割 机数控系统，火焰切割机数控系统开始采用汁劳机数控技术。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 国外数控火焰切割机系统现状 目前数控技术在国外己经成为一种相对成熟的技术，其发展正逐步由专用 型、封闭式、开环控制模式向通用型、开放式、实时动态、全闭环控制模式发 展。在集成化的基础上，国外数控系统正在向超薄型、小型化发展；在智能化 的基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等学科，数控系统逐 步向高速度、高精度、高效率方向发展；在加工过程中，数控系统可以自动修 正、调节与补偿各项参数，正在向在线诊断和智能化故障处理发展；在网络化 基础上，c a d c a m 与数控系统集成为一体，逐步实现中央集中制的群控加工【5 1 。 目前全球最具有代表性的切割专用数控系统是美国海宝自动化公司 ( h y p e r t h e r ma l r r o m a t i o , f ) 生产的e d g e 系列控制器以及美国c m c 公司 生产的b u r n y 系列控制器，这些数控系统与通用数控系统最大的不同就是硬 件平台都是基于p c ( p c b a s e d ) 的，这些数控系统功能强大，但是价格昂贵。 1 3 2 国内数控火焰切割机系统现状 国内数控技术由于起步较晚，相对国外而言，数控技术比较落后，市场大 多为国外数控系统生产厂家所占有。全国著名的数控生产厂家的产品，像中华i 型、航天i 型、华中i 型等，系统的总体设计框架仍然没有摆脱传统数控系统的 开发模式，其数控操作平台是基于d o s 系统的，不能充分利用3 2 位计算机的 硬件及软件资源，而且可视化操作、快捷键操作均不理想，使得数控系统的性 能受到制约。而使用国外的切割机数控系统虽然功能强大，但价格昂贵，企业 没有核心竞争力1 6 ) 。为了提高火焰切割机数控系统的性能，有必要研究w i n d o w s 操作系统中如何设计数控系统软件。w i n d o w s 平台和d o s 平台的软件设计方法 不同。在d o s 平台，数控系统软件采用的是面向结构的编程方法，数控系统软 件结构与数控系统硬件以及数控系统的功能关系紧密。当数控系统的硬件改变， 或是功能改变时，数控系统软件改动较大，大部分需要重写。w i n d o w s 是多任 务操作系统，软件的设计方法和d o s 有很大的区别。 国内使用的火焰切割机数控系统既有基于单片机的经济型数控系统，也有 基于工控机的中档数控系统。如北京斯达特机电科技有限公司的s h 一2 0 0 0 h 火焰切割机数控系统，采用p c i 0 4 总线工控机为主机，d o s 平台，能自动点火， 延时，预热，穿孔，火焰半径补偿，连续回退，断点恢复，动态图形显示，切 3 武汉理工大学硕士学位论文 割图形的径向、放大、缩小、旋转，与流行的c a d c a m 及各种套料软件有很 好的接口。 目前我国是全世界机床拥有量最多的国家，但我们的机床数控化率仅达到 1 9 左右，这与西方工业国家一般能达到2 0 的差距太大。数控化率低，已有 数控机床利用率、开动率低，这是发展我国2 l 世纪制造业必须首先解决的最主 要问题。 1 4 数控技术发展趋势 随着社会和科学技术的发展，特别是微机和网络技术的发展，要求工业生 产必须满足高精度、高效率、高灵活性、高速、自动化、节能、环保、少或无 切削的要求。这些需求要求数控系统在未来的生产应用中，必然向着智能化、 高速化与高精度化、高可靠性的方向发展。 1 ) 智能化 在数控加工过程中，零件硬度、刀具磨损、零件变形、润滑剂和切削液等 因素都会直接或间接地影响加工效果，而这些因素都是无法事先预测的，编制 加工程序时，往往靠经验数据，但在实际加工中，仅仅靠经验数据，有时会产 生比较大的误差，使得加工的零件精度低。现代的数控机床采用了数控装置， 它能根据输入刀具参数自动调整加工状态，从而使加工精度和加工质量高。 另外，在现代的数控机床上装有，监控和检测装置，对刀具加工过程进行 监视，一旦发现有异常状况，便立即报警，以免造成更严重的损失。 2 ) 高速化与高精度化 要实现数控机床的高速化与高精度化，首先要使数控装置在读入加工指令 后，准确计算出伺服机的位移量，并要求伺服机能迅速地的使数控机床由零速 度加速到高速度，并在高速度下能保持高精度，这样就必须有高速度、高精度 的检测装置和伺服系统。考虑到数控机床的基础部件和刀具等设备的特性，要 提高数控机床的精度，一般通过减少数控系统的误差和采用刀具补偿技术实现。 3 ) 高可靠性 现代数控机床的可靠性是在设计阶段就开始进行，即预先确定可靠性指标， 在生产过程中模拟实际工作条件进行检测并采取各种提高可靠性的措施予以保 证。 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 课题的提出、目的及意义 随着数控技术的不断发展，数控机床越来越广泛地被运用到各类机械制造 行业，数控机床的运行必须按事先编制好的加工程序运行。因此，程序编制的 质量将直接影响到加工零件的质量要求。零件程序的编制，除根据零件图的形 状、尺寸、材料及技术要求确定加工工艺过程、工艺参数、切削用量及位移数 据外，还应考虑各基点的计算繁易及数控系统的功能，尤其对数控铣床等使用 带有半径的刀具的机床，为简化计算，其编程往往要以刀具中心为编程轨迹， 但计算各轨迹基点又会带来大量的、复杂的计算过程。为解决这一问题，数控 机床大多备有刀具半径补偿功能，以减轻计算难度。 在数控编程前，正确选择刀具和确定刀具路径是制订加工工艺的重要环节。 因为刀具有半径，所以刀具中心的轨迹相对于工件的实际轮廓总是偏移一个刀 具的半径，加工时，刀具可按偏移加工零件表面距离为刀具半径的轨迹移动， 该功能就是刀具半径补偿。 数控装置大都具有刀具半径补偿功能，这为程序编制提供了方便。当编制 零件加工程序时，可利用刀具半径补偿功能，直接按零件轮廓进行编程，而不 需要进行大量的刀具中心运动轨迹的计算。采用刀具半径补偿后，编程人员可 以直接按照工件的轮廓尺寸进行程序编制。当将刀具半径值输入数控系统时， 系统能自动计算出刀具中心的偏移向量，进而得到偏移后的刀具中心轨迹，并 使系统按中心轨迹运行。当刀具半径发生变化后，加工程序不变，只须更改程 序中刀具半径的数值。实践证明，灵活应用刀具半径补偿功能，合理设置刀 具半径补偿值，可有效地减轻数控编程的计算强度和编程难度，从而大大提 高编程的效率和加工精度，在数控加工中有着重要的意义。 1 6 论文研究内容和组织结构 1 6 1 论文研究内容 虽然我国的数控火焰切割机系统的研究取得了很多成果，但和国外的同类 研究相比距离甚远，而且还落后于国内其它类型的数控系统。现在国内比较高 档的一些数控机床大多数是采用国外整套系统，这样价格比较昂贵。国内研究 的数控系统主要是基于d o s 平台，基于w i n d o w s 平台的数控火焰切割机系统比 武汉理工大学硕士学位论文 较少见，而且代码也没有完全开放。 因此本论文是基于数控机床发展中存在的一些问题及我国的研究现状，并 结合某科技开发有限公司“基于w i n d o w s 平台的数控火焰切割机系统”这个项目 对数控系统进行研究。在这个项目中，我的主要工作是在v i s u a l c + + 6 0 开发环 境下对数控火焰切割机刀具补偿加工工艺的设计与仿真。 本文介绍了数控系统的硬件、软件体系结构的组成，刀具补偿加工的原理， 刀具补偿的算法以及公式推导，以及对刀具补偿编程的验证。 1 6 2 论文组织结构 整篇论文分为5 章，内容组织如下： 第一章，绪论。主要介绍了数控火焰切割机的工作原理、国内外研究现状、 数控技术的发展趋势、刀具补偿在数控系统中的地位、论文研究目的及意义、 以及论文研究内容和组织结构。 第二章，数控火焰切割机系统的体系结构。介绍了计算机数控系统的组成、 工作过程、以及切割机系统的硬件结构和软件结构。 第三章，刀具补偿加工设计原理。本章主要从理论角度介绍了刀具补偿加 工的设计原理，为刀具半径补偿运动轨迹的计算和编程做好准备。 第四章，刀具半径补偿方法的实现与改进。本章对c 刀补的几种常见算法 进行了比较和分析，并采用解析几何的方法计算刀具中心轨迹。同时，对已有c 刀补算法的流程进行讨论，指出了其不足之处，提出了一种改进的算法。最后 对刀补的各种转接类型，进行了分析，给出了统一的计算公式，并在w m d o w s 平台下采用v c + + 对其进行编程仿真。 第五章，总结与展望。对本文的工作进行了总结，并提出了进一步需要解 决的问题以及研究方向。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章数控火焰切割机系统体系结构 2 1 计算机数控系统 2 1 1 概述 计算机数控系统( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 简称c h i c 系统，是一种包含 有存储专用计算机在内的数字控制系统，它根据计算机存储器中存储的控制程 序，执行部分或全部数字控制功能 7 1 。 2 1 2c n c 系统的组成 计算机数控系统是2 0 世纪7 0 年代发展起来的新的机床数控系统，它用一 台计算机代替先前硬件数控所完成的功能。所以，它是一种包含计算机在内的 数字控制系统，其原理是根据计算机存储的控制程序执行数字控制功能。 c n c 数控系统由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制 器、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。图2 1 为c n c 系统框图。 t 主轴 i 程序n输入设备卜一一竺k 轴 控 电机 口屺 下 制 机床 进给 装置 可电机 度 位置 输出设备卜_ 控 检测 制 l t 图2 - 1c n c 系统框图 2 1 3c n c 系统的工作过程 c n c 装置以存储程序方式工作，它的工作是在硬件环境支持下执行软件的 全过程。下面从几方面简要说明c n c 装置的工作情况【8 】。 1 ) 输入 输入c n c 装置的有零件源代码程序、控制参数和补偿数据。c n c 装置在输 7 武汉理工大学硕士学位论文 入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。 2 ) 译码 在输入的零件加工程序中，含有零件的轮廓信息( 如起点、终点、直线或圆 弧等) 、加工速度信息( f 代码) 和其他辅助信息( m s t 代码等) 。c n c 装置以一个 程序段为单位，按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以 一定的数据格式存放在指定的内存专用单元。 3 ) 刀具补偿 刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿两种。通常c n c 装置的零件源 代码程序以零件轮廓轨迹来编程，刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具 中心轨迹。 4 ) 进给速度处理 编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首 先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。 5 ) 插补 插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行“数据点的密化”。插补是 在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。 6 ) 位置控制 位置控制处在伺服回路的位置环上，主要任务是在每个采样周期内，将理 论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电机。 7 ) i o 处理 f o 处理主要处理c n c 装置面板开关信号、机床电气信号的输入、输出和 控制( 加换刀、换挡、冷却等) 。 8 ) 显示 c n c 装置的显示主要为操作者提供方便，通常用于零件程序的显示、参数 显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。 9 ) 诊断 现代c n c 装置都具有联机和脱机诊断的能力。联机诊断是指c n c 装置中 的自诊断的程序。这种自诊断程序融合在各个部分，随时检查不正确的事件。 2 2 数控火焰切割机系统的硬件结构 随着微电子技术、计算机技术的发展，以p c 技术为基础的c n c 正在发展 8 武汉理工大学硕士学位论文 成为世界的潮流，人们正在研究各种基于微型计算机的开放式数控系统。根据 开放程度的不同，它有以下三种开放形式1 9 1 0 1 1 1 ： ( 1 ) p c 嵌入n c 的开放式数控系统，保持原先的数控内容不变，将总线式 的计算机p c 板插入n c 系统的插槽中，提供友好的用户界面，通讯等功能【1 2 , 1 3 j 。 ( 2 ) n c 嵌入p c 的开放式数控系统，将完成运动控制功能的运动控制器插 入p c 机的主板插槽内，运动控制器等系统功能部件在p c 机的协调下完成各项 数控任务1 4 1 。 ( 3 ) 全软件n c 的开放式数控系统，它是一种最新开放体系结构的数控系 统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算机中，而 硬件部分仅是计算机与伺服驱动以及外部i o 之间的标准化通用接口【”l 。 数控火焰切割机设备的数控系统控制主横梁上的小车沿纵向运动，控制带 有割炬的小车沿横向运动，其横、纵向的运动合成为割炬的运动轨迹，也就是 所要切割的工件的形状【1 6 。同时，数控火焰切割系统中的p l c 实现切割气路的 阀动作和时序控制1 1 7 1 。在数控火焰切割机系统中，为保持切割机头与钢板之间 的距离不变，必须配备自动调高装置。由于数控火焰切割机控制精度、工作速 度及载荷要求都不是很高，所以可以采用步进电机以开环方式实现运动控制。 控制系统硬件框图如图2 2 所示，其中工业控制机和运动控制卡协同完成控制 系统的控制功能。外围控制电路由p l c 、继电器等组成，其输出可控制气路的 电磁阀、接触器线圈等，实现气路的时序控制【l 卅。 工 业 控 制 p c 机 运 动 控 制 卡 x 轴电机 驱动器 y 轴电机 驱动器 x 轴步进电机 y 轴步进电机 外围控制电路广 气路控制单元 图2 - 2 控制系统硬件框图 2 3 数控火焰切割机系统的软件结构 数 控 火 焰 切 割 机 控制软件是整个数控系统的灵魂，离开了软件，数控系统便无法运行。高 9 武汉理工大学硕士学位论文 性能的切割机数控系统应具有开放化、多功能、系统化等特征。在软件方面， 要求有更加有效的软件设计方法，对系统中所有的硬件资源和软件资源进行有 效地管理。 2 3 1 数控火焰切割机系统软件结构特点 c n c 系统是一个多任务的实时控制系统，要求在规定时间内，系统可以对 信息进行快速处理和响应。一个实时系统包括受控系统和控制系统两大部分。 受控部分系统由硬件设备组成，如电动机及其驱动；控制系统由数控系统软件 和相应的硬件组成，受控系统和控制系统共同完成数控系统的基本功能。 c n c 系统软件一般包括管理软件和控制软件两大部分。管理软件包括输入、 i o 处理、显示、诊断等；而系统控制软件包括译码、刀具补偿、速度处理、插 补、位置补偿等。在许多情况下c n c 的管理和控制工作必须同时进行，即所谓 的并行处理。例如，如图2 3 所示，加工控制时必须同步显示系统的有关状态、 位置控制与i o 控制同步处理，并始终伴随着故障诊断功能；控制本身的插补、 位置控制、预处理之间的并行处理【1 9 1 。 上 馐 刀具补偿 速土理 图2 3 任务的并行处理 2 3 2 数控火焰切割机系统软件结构 按照数控火焰切割机系统的任务，和加工的工艺特点，确定数控系统软件 的总体结构，共分为主框架、译码、刀补、仿真、系统设置、自动加工、动态 显示、手动控制几个模块【2 0 】。图2 4 为数控火焰切割机软件系统的总体结构图。 主框架是控制系统软件本身的构架，它不但包含软件本身的框架类，文档 类，视图类以及框架本身所生成的必要的资源( 工具条、边框等) ，还承载了系统 后加入的各种资源以及动态连接库。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 系统设置模块保存了系统的重要数据结构，如电机的参数、火焰的预热时 间、穿孔时间、点火时间、系统单位、加工模式等。 译码模块是对加工数据进行处理的第一个模块。译码的正确与否直接关系 到系统能否正常运行。译码模块处理的是标准的g 代码，该模块中集成了对数 控代码的读入、规范、语法检查、代码优化等功能。 系统配置文件 = = 割系统初始化任务 系统设置任务 系统诊断任务 手动控制任务 n c 程序 中间代码 攀 处理任务i 二 匕 磊译码任务i 刀补缓冲区 剖刀补任务 剖加工缓冲区 匕= 令数据流向程序调用 图2 - 4 数控火焰切割机软件系统总体框图 刀补模块采用c 型刀具半径补偿算法，c 刀补是基于矢量的计算原理的， 所以能够很好地解决工件轮廓加工过程中的两程序段间的转接过渡问题。这种 补偿技术是通过计算和判断拐角转接类型( 伸长型、插入型、缩短型) 、曲线连接 形式及刀补状态，再根据译码的数据来实现的。关于刀补的问题将在下一章进 行详细论述。 仿真模块是在不启动电机的情况下而实现加工过程模拟的绘图模块。该模 块与主框架的视类密切联系，是由具体绘图函数、尺寸计算函数以及插补运算 函数组成的。 自动加工模块可以实现加工，暂停，后退等功能，它的输入接口是刀补模 块处理后的数据。 动态显示模块包括加工点坐标、速度的实时显示，加工轨迹的实时显示。 由于加工的速度和坐标变化较快，所以需要较高的刷新速度，更新数字和图形。 一一一一一一一 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章刀具补偿加工设计原理 数控系统中常用刀具补偿修正刀具实际半径或长度与其程序规定的值之 差。机床对刀具的控制是以刀架中心为基准的，但零件加工程序却仅给出了零 件轮廓轨迹，它们之间的转换就涉及到刀具长度补偿( 刀架中心与刀尖圆弧中心 间的轨迹转换) 及刀具半径补偿( 零件轮廓与刀具刀尖圆弧中心间的轨迹转换) 。 不同类型的机床与刀具，其刀具补偿参数是不同的。对铣刀而言，只有刀具半 径补偿，对钻头而言，只有坐标长度补偿，但是对车刀来说，则需两坐标长度 补偿及刀具半径补偿。本章将详细论述刀具补偿设计与实现原理。 3 1 刀具长度补偿 当采用不同尺寸的刀具加工同一轮廓尺寸的零件，或同一名义尺寸的刀具 因磨损、换刀重调而引起尺寸变化时，为了编程方便和不改变已经编制好的程 序，利用数控系统的刀具长度补偿功能，只需将刀具尺寸的变化值输入数控系 统。数控系统便自动对刀具尺寸的变化进行补偿【2 1 1 。 如图3 1 所示，数控车床的四方位旋转刀架装有四把不同型号的刀具。设 图示刀架中心位置为各刀具的换刀点，并且以l 号刀具刀尖b 点为所有刀具的 编程起点。 x 图3 1 换刀后刀补示意图 当1 号刀具从b 点运动到a 点时，其增量值( 编程值) 为 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 u b a = x a - x b ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 当换成2 号刀具进行加工时，2 号刀具的刀尖在c 点位置，要想运用a 、b 两点坐标值以实现c 点到a 点，就必须知道b 点和c 点的坐标位置的差值，用 这个差值对b 点到a 点的位移量进行修正、补偿就能实现c 点到a 点。为此， 把b 点对c 点的位置差值用以c 点位坐标原点的i 、k 直角坐标系表示。当从c 点到a 点时有 u c = ( x a - x b ) + i * v ( 3 3 ) 骶= ( 厶一趵+ ( 3 _ 4 ) _ 式中i 朴、k 朴分别表示2 号刀在x 轴、z 轴方向的刀补量，可由键盘输入到 数控系统。由上式可以看出，从点c 到点a 的增量值等于从点b 到点a 的增量 值加上刀补量。当2 号刀具的加工结束、回到点c 、再换到l 号刀时，系统需把 已经补偿的刀补量撤消，因此必须用刀补值来加以修正： u 胪。【( ) ( a 卜i 补】 ( 3 5 ) = - 【( 吞- 2 p + k d ( 3 - 6 ) 该过程正好和加工过程相反，把这种补偿一个反量的过程称为刀具长度补 偿的撤消。由以上可以看出，刀具长度补偿的实质是用刀补值对刀补建立程序 段的指令位移位进行加修正，对刀补撤消段的指令位移值进行减修正。有了刀 具长度补偿及撤消功能，给程序编制、换刀、磨损的修正带来了很大方便。如使 用多把刀具，只需进行一次刀具位置补偿，即在换刀以前将刀具的补偿量撤消， 再对新换的刀具进行补偿，相对于基准刀具的补偿量可通过实测获得。 3 2 刀具半径补偿 3 2 1 刀具半径补偿的基本概念 在轮廓加工过程中，为了编程和加工的方便，零件加工程序是按零件的实 际轮廓来进行编程的。但实际切削加工时，数控系统是按刀具中心轨迹控制刀 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 具和工件的相对运动，由于刀具总有一定的半径，刀具中心的运动轨迹并不等 于所需加工零件的实际轮廓，而是相对于编程轨迹偏移了一个半径值。因此， 数控系统需要能够根据零件轮廓信息和刀具半径自动地计算出刀具半径中心轨 迹，使其自动偏移编程轨迹一个半径值，此功能称为刀具半径补偿功能瞄2 3 】。为 此，近年来数控铣床均具备了刀具半径补偿功能，这时只需按工件轮廓轨迹进 行编程，然后将刀具半径值储存在数控系统中，执行程序时，系统会自动计算 出刀具中心轨迹，进行刀具半径补偿，从而加工出符合图样轮廓的工件。当刀 具半径发生变化时也无须更改加工程序，使编程工作大大简化。 加工零件时是否需要进行刀具半径补偿以及采用何种方式补偿是由g 指令 中的g 4 1 、g 4 2 、g 4 0 决定的：g 4 1 ( g 4 2 ) 为刀具半径左( 右) 补偿，即沿着刀具前 进方向观察，刀具偏在工件轮廓的左( 右) 边；g 4 0 为刀具半径补偿取消，使用该 指令后，g 4 1 ，g 4 2 指令无效1 2 4 1 。 在轮廓加工过程中，刀具半径补偿的执行过程一般分为刀具半径补偿的建 立、刀具半径补偿的进行、刀具补偿的撤消三步【2 5 j ，如图3 2 所示。 第一，刀具补偿的建立。刀补建立是加工程序从没有刀补的情况到有刀补 情况的过渡，即刀具从起刀点接近工件，并在原来编程轨迹基础上，向左( g 4 1 ) 或向右( g 4 2 ) 偏置一个刀具半径( 图中的斜线) 。 第二，刀具补偿的进行。在刀具半径补偿进行期间，刀具中心轨迹( 图中的 粗实线) 与编程轨迹( 图中的细实线) 始终偏离一个刀具半径的距离。 第三，刀具补偿的撤消。刀具撤离工件，使刀具中心轨迹的终点与编程轨 迹的终点( 如起刀点) 重合( 图中的斜线) 。它是刀补建立的逆过程。 图3 2 刀具半径补偿的平面示意图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 由于刀具中心轨迹的转接情况很复杂，因此在具体实现前，为了便于公式 的推导及说明，首先明确以下概念【2 6 , 2 7 1 ： 转接角g t ：第一段曲线的终点的切向矢量方向逆时针旋转到第二段曲线起 点的切向矢量方向所构成的角，这个参数是用来判断曲线转接类型的【2 8 1 。如图 3 3 所示。 a 图3 3 转接角的表示方法 b 刀具半径矢量：是指在加工过程中，始终垂直于编程轨迹、大小等于刀 具半径值、方向指向刀具圆心的一个矢量。在直线加工时，刀具半径矢量始终 垂直于刀具的移动方向。在圆弧加工时，刀具半径矢量始终垂直于编程圆弧的 瞬时切点的切线，对于曲线加工它的方向是一直在改变的。 编程矢量：把所有的编程输入轨迹、及计算轨迹都当作矢量看待，这些 矢量统称为编程矢量。一般的，对于直线段而言，直线段本身就是编程矢量( 该 矢量方向与加工轨迹相同) ；对圆弧而言，它的起点、终点的半径，及起点到终 点的弦长作为编程矢量。 转接矢量：是指在刀具补偿过程中，从编程轨迹的起点指向刀具中心轨 迹交点的矢量，是刀补算法中最重要的部分。 3 2 2 刀具半径补偿的分类 刀具半径补偿补偿方法主要分为b 功能刀具半径补偿( 简称b 刀补) 和c 功 能刀具半径补偿( 简称c7 j 补) t 2 9 1 。 ( 1 ) b c 刀补算法 b 刀补在两段轮廓交接处采用圆弧过渡，过渡圆弧段由编程人员事先计算出 来，插入原来相邻的直线或圆弧程序段之间。如图3 - 4 ( a ) 所示，具体加工过程如 下分析( 为简单起见，以直线问的过渡为例) ： 武汉理工大学硕士学位论文 过a 点作垂线，在此垂线上求一点c ，使得l 么c i = ，( 厂为刀具半径) 。 刀具中心从上一个运动段的终点j 运动到c 点。 读入下一段程序，计算刀补转接角a ，如果需要过渡处理，则采用同样的 方法计算c7 点坐标。 由c 到c7 插入一段圆弧，加工轨迹为j c c c - c k 。 c 刀补够根据相邻轮廓段的信息自动处理两个程序段刀具中心轨迹的转换， 并自动在转接点处插入过渡圆弧或过渡直线。如图3 _ 4 ( b ) 所示，具体加工过程如 下分析： 读入一段加工程序，如需过渡处理，则分别在适当的一侧( 由g 4 1 ，g 4 2 决定) 做编程轨迹的平行线，偏置距离为，。 过点a 做垂线，分别与平行线相交于b 、d 两点，则i a b i _ l a d i = ，分 别在j b 、k d 的延长线上，寻求点c 和c 7 ，使得l b c | - i d c l - ，。 则c 刀补加工轨迹为j b b c c c - c d d k 。 ( a ) b 刀补 图3 _ 4 刀补示意图 ( b ) c 刀补 、k f ( 2 ) b c 刀补编程思路比较 b 刀补的编程思路是：读入一段数控工件加工程序段后，马上根据本段程序 的轮廓尺寸进行刀具补偿。 c 刀补的编程思路是：考虑到下一段程序对本段加工轨迹的影响，在计算本 程序段的刀具中心轨迹时，提前将下一段程序读入，根据他们之间的转接情况， 做出具体处理。如图3 5 所示。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) b 刀补 ( b ) c 刀补 图3 5b c 刀补编程思路 由上面分析可知，b 刀补算法简单，且容易实现，但存在明显的缺点，就是 读一段程序，加工一段，再走一段，而不考虑程序段之间的过渡问题。编程人 员就必须事先估计出刀具补偿后可能出现的交叉点和间断点的情况，进行人为 地处理，将工件转接处转化成圆弧过渡的形式。这样对编程人员将会很不方便。 而且b 刀补在轮廓转接处，都是以圆弧过渡的，但若采用圆弧过渡，会出现两 个问题：一个是当遇到加工外轮廓尖角时，由于轮廓尖角始终处于连续切削的 状态，使得尖角加工的工艺性差。二是转接角等于9 0 0 或小于9 0 0 的编程轨迹无 法加工，因此b 刀补已经逐渐被淘汰。 采用c 刀补，虽然过渡处理相对比较复杂，但是很好的处理了在尖角处a 点的加工问题，对工件的尖端点不会造成损伤。而且很好的解决了工件轮廓加 工过程中的两曲线之间的转接问题。考虑到采用圆弧过渡存在的问题，所以更 理想的应该是直线过渡。因此，本系统采用c 功能刀具半径补偿方法来实现刀 补功能( 后文所提到的刀具半径补偿都是指c 刀补) 0 0 。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章刀具半径补偿方法的研究与实现 c 刀具半径补偿的计算，是根据零件尺寸和刀具半径值计算出刀具中心的轨 迹，其关键在于如何简单地求出前后两条轨迹的交点或前后两条轨迹间的过渡 轨迹。对于一般的c n c 系统来说，所能实现的轮廓控制仅限于直线和圆弧这两 种。对于直线，刀具补偿后的刀具中心轨迹则是原直线平行的一条直线，因此， 刀具补偿只要计算出刀具中心轨迹的的起点和终点坐标值；对于圆弧，补偿后 的刀具中心轨迹仍然是一个与原圆弧同心的一段圆弧，因此，圆弧刀具补偿的 计算，只需要计算刀具补偿后的圆弧的起点、终点坐标值和附加移动的坐标值。 4 1c 刀具半径补偿算法 4 1 1c 刀具半径补偿常见算法 1 ) 经典算法 由于一般的c n c 系统，所能实现的轮廓仅限于直线和圆弧，因此，前后段 程序的轮廓轨迹转接类型只有四种：直线_ 直线、直线一圆弧、圆弧_ 直 线、圆弧_ 圆弧。然后根据转接角a 的大小以及刀具补偿的方向( g 4 1 、g 4 2 ) ， 又可以将每种类型曲线的转接形式