數控鋼管管端相貫線火焰切割機的研制

黃志榮，毛建秋，丁仕燕

(常州工學院機電工程學院，江蘇常州 213002)

隨著我國海洋石油、環保、水電、管道輸油、輸氣等重點工程的建設，對管—管、管—板相交各種型式的焊接接頭需求越來越大;同時，為保證良好的配合精度及焊接質量，對管件加工精度提出了很高要求。而先進的熱切割設備是保證焊接產品質量的關鍵之一［1］。目前社會上加工此類產品的主流設備是數控切割機，有著廣泛的應用。

根據管端相貫線切割原理得到切割管端管—管正交狀態下所產生的相貫線及定角度的坡口，一個三軸聯動的數控系統即可實現，主要運動方式為軸向進給運動、鋼管回轉運動以及割炬的擺角運動［2］。在充分比較和研究了普通車床的機械結構及運動方式，對某院閑置設備普通車床C616A進行了機械裝置和數控系統的改造工作，成功研制了教學型數控鋼管管端相貫線火焰切割機。下面將對其機械裝置及數控系統部分進行詳述。

1 機械裝置設計

由普通車床改造成的數控鋼管管端相貫線火焰切割機主要由五大部分組成:鋼管回轉運動裝置1，軸向進給系統裝置2，割炬運動裝置3，床身導軌4(帶兩個限位開關)，配電柜及控制操作裝置5，如圖1所示。

圖1 機床總圖

(1)鋼管回轉裝置

該鋼管回轉運動裝置是在車床的主軸箱上進行改造，其運動方式是通過步進電機1帶動主軸2旋轉，從而使主軸2上的三爪卡盤3和管件4進行回轉運動，如圖2所示。

圖2 鋼管回轉裝置

(2)軸向系統進給裝置

該軸向進給系統裝置主要是在車床原有的進給運動裝置上改造完成，其運動方式主要是通過步進電機1帶動傳動絲杠2旋轉運動，從而使原車床上的溜板作直線運動，即實現固定在溜板上的割炬裝置整體作軸向進給運動，如圖3所示。

圖3 軸向系統進給裝置

(3)割炬運動裝置

割炬運動裝置圖見圖4，線性模組8固定在角支撐板9上，同時都固定在軸向進給系統裝置中的溜板上，可進行直線運動。線性模組8(外購)主要由旋鈕、電機、聯軸器、滾珠絲杠、絲杠螺母、工作臺、圓導軌、限位開關(兩個)、本體組成。割炬1通過割炬夾具2與前豎桿3連接起來，前豎桿3、短連桿4、中豎桿5、長連桿6以及后豎桿7由轉動銷和螺栓緊固連接。以上這些零件和剖視圖中的零件一起固定在線性模組8的工作臺上，可跟隨工作臺整體作上下直線運動，主要是針對切割不同直徑的鋼管，調整割炬的初始位置。該裝置可以自動調整也可以通過旋轉線性模組8中的旋鈕手動調整，在此次改造中，為了設計操作方便，降低成本，在此處設計為手動調整。

通過圖4可知，在進行相貫線切割時，通過電動機10帶動轉軸11旋轉運動，從而帶動后豎桿7旋轉運動，后豎桿7的兩側各有1個限位開關，控制轉動的極限位置。后豎桿7運動帶動長連桿6運動，長連桿6運動帶動中豎桿5和前豎桿3運動，中豎桿5運動帶動短連桿4運動，短連桿4運動帶動前豎桿3運動，這些連桿形成一個平行四邊形運動機構。前豎桿3運動從而帶動割炬夾具2運動，從而實現控制切割時割炬1的運動。

圖4 割炬運動裝置

通過以上論述和相關圖例可見，在普通車床C616A上改造所研制出的數控鋼管管端相貫線火焰切割機，采用了最優化的方案，盡可能地保留了原有普通車床的基本結構，如床身、導軌、主軸箱和進給裝置部分，僅拆卸了刀架和尾架部分，并把原有的帶輪部分去除，改造成由兩個步進電機與相應的機械結構進行連接，實現數控鋼管管端相貫線火焰切割所需要的鋼管回轉運動和割炬進給運動。此次機械部分的改造工作主要是設計了割炬運動裝置部分，該機構對于實現相貫線切割至關重要。此次改造成本低廉，操作簡單方便，而且易于還原，對閑置設備的再利用有著重要的實際指導意義。

2 數控系統硬件設計

近年來，隨著工業PC機性價比的大幅度提高，以工業PC機為核心，在Windows操作系統下發展通用的數控系統，已成為數控技術發展的新潮流［3］。由于該數控鋼管管端相貫線火焰切割機控制精確度、工作速度及載荷要求都不是很高，所以數控控制系統采用開環控制方式。該數控裝置由步進電機、配電箱、運動控制器和PC機組成，是一個經濟型驅動系統，其控制系統硬件框圖如圖5所示。

圖5 控制系統硬件框圖

該數控系統中共有3個步進電機，分別為鋼管回轉軸θ軸電機、割炬擺角ω軸電機以及軸向Z軸電機，電機及電機驅動器均選用了奧托尼克斯電子有限公司的A200K-G599(W)-G7.2型的齒輪型五相步進電動機和電機驅動器，運動控制器選用固高公司生產的GT系列運動控制器GT-400-SV-ISA-G，該運動控制器可實現多軸協調運動。

電氣原理如圖6所示，帶鎖開關SA是打開電源的總開關，按鈕SB2、SB1控制θ軸(鋼管回轉軸)驅動電源接通和斷開，按鈕SB4、SB3控制Z軸驅動電源接通和斷開，按鈕SB6、SB5控制ω軸(割炬擺動軸)電源接通和斷開。HL0、HL1～HL3分別為總電源及驅動器的接通狀態指示燈。帶指示燈按鈕SB7、SB8控制電氣柜冷卻風扇的啟、停。為了防止Z、ω軸在移動過程中超出行程范圍，兩軸各安裝正向、負向兩個行程開關(圖中為SQ1、SQ2、SQ3、SQ4)。

圖6 電氣原理圖

3 數控系統軟件設計

該數控系統軟件以Windows為平臺，以VB6.0為開發工具。軟件系統采用模塊化思想設計，主要包括2大模塊，如圖7所示。系統設置模塊負責完成相貫線參數設置、切割速度設置;加工模塊中軌跡插補計算模塊負責計算相貫線的軌跡，運動控制模塊利用插補計算結果，調用運動控制卡的運動控制函數完成割炬位姿的實時控制，運動軌跡顯示模塊在切割過程中顯示當前割炬的位姿參數具體組成。

軟件界面主要包含了顯示部分、參數輸入框、功能控制按鈕。顯示部分分為兩種顯示方式:(1)圖形顯示方式。圖形顯示中包含了管—管垂直相交狀態下的相貫線圖和運動狀態圖，運動狀態圖顯示了切割過程中切割點的幾何位置;(2)坐標顯示方式。顯示了切割點的坐標值，坐標值精確到小數點后兩位。參數輸入框完成了相貫線切割的幾何參數和切割速度的設定。功能控制按鈕主要是完成切割時的有關運動控制，此處不再一一敘述。如圖8所示，該界面為程序運行結束時界面，圖中完整顯示出了相貫線的切割軌跡。

圖7 控制系統軟件框圖

圖8 軟件運行結束界面

4 結論

在實驗室閑置設備普通CA616車床的基礎上開發的教學型數控鋼管管端相貫線火焰切割機填補了某院在此方面設備的空白，對該院相關課程的教學實驗、實踐環節及加工等具有重要意義，同時對數控火焰其他類型切割方式的研究有重要的指導意義，而且對閑置設備的數控改造再利用也具有重大的指導意義。另外，通過后續相關工作的完善和工業化用途的轉化，該數控鋼管管端相貫線火焰切割機完全可以用于實際生產，且成本低廉，操作簡單，具有較強的市場競爭力，且在此基礎上可以開發完成相關需求的工業用途的系列化生產型設備。

此次研制的數控鋼管管端相貫線火焰切割機存在以下三點不足:(1)此次所研究的相貫線類型僅僅是針對管—管垂直相交狀態下的管端相貫線，對于其他類型的相貫線如管—管相貫傾斜相交、偏心垂直交叉和主管開孔等未做深入研究;(2)根據相貫線切割理論，應有更為新穎和簡單的割炬位姿裝置，此次研究中僅有初步設想，并未深入分析、設計和試驗;(3)此次所開發的數控鋼管管端相貫線火焰切割機的數控系統采用的是三軸聯動開環式控制方式，目前市場上有些高檔產品已經是四軸乃至是五軸聯動半閉環式控制方式，能夠實現更多復雜類型的相貫線切割工作，在此方面有較多的空間值得去探討和研究。

［1］聶曉根，劉艷斌，曾露莎．管件數控火焰切割割炬軌跡建模［J］．工程圖學學報，2008(3):148－150．

［2］王國棟，閻祥安，肖聚亮，等．管端相貫線坡口切割割炬位姿控制［J］．天津大學學報，2005，38(8):684－688．

［3］彭子龍，尤波．基于IPC的數控火焰切割機經濟型數控系統開發［J］．哈爾濱理工大學學報，2006，11(1):142－145．