數控火焰切割系統 Z 軸高度補償功能的實現
2018-6-11 來源：武漢工程大學材料科學與工程學院 作者： 馬凡杰，王學華，王華龍，李安翼，劉 蘇
摘要：采用工業計算機和運動控制卡等硬件構建開放式數控火焰切割系統，以 Visual Basic 6.0 為開發工具，開發了提高異形工件火焰切割過程平穩性的系統控制軟件. 采用激光位移傳感器對被加工件進行非接觸式掃描，獲取工件在加工路徑上的高度信息，并以此為依據進行切割軌跡的規劃和高度補償. 試運行結果表明，當工件表面高度發生變化時，由伺服系統進行三軸直線插補或三軸螺旋插補，能夠在切割過程中使割炬與工件表面之間的距離始終保持一致，位置精度±0.02 mm，重復定位精度±0.05 mm. 整個系統保證了良好的切割質量，達到了切割過程平穩高效的目的。
關鍵詞：火焰切割；數控系統；Z 軸補償；異形件切割
1、 引言
數控火焰切割機是一種利用燃氣的熱能對金屬板材進行切割加工并利用數控裝置控制機床的切割軌跡的特種加工設備. 因具有切割質量高、割面垂直度好、切割厚度大以及成本低廉等優點，成為機械、壓力容器、造船、車輛、金屬結構等行業的重要裝備。目前主流數控火焰切割設備都是以平面切割控制系統為主. 當工件存在高低不平、傾斜、彎曲、凸瘤、深坑等特征時，傳統的控制方式會影響切割質量和平穩性. 因此，在切割過程中采用合適的控制方式保持割炬與被切割工件之間的距離恒定對完成平穩切割加工有重要意義. 王春、宋凱云等人研究的電容式自動調高系統是目前解決此類問題的主要手段，其中蔣翔俊等人設計了基于模糊控制方法的自動調高控制系統，使電容式自動調高系統工作過程有了更好的穩定性和精度. 黃金花等人引入結構和參數自適應思想對標準遺傳算法進行了改進，利用爬山法對 PID 調節器進行最佳參數辨識，使電容式自動調高系統的動態性能有了大幅提高，精度和魯棒性好. 但是當工件在厚度方向上發生有一定程度的翹曲時，安裝有電容式自動調高系統的火焰切割機的切割效果并不理想，而且由于電容的性能受到溫度、濕度以及寄生電容的影響，設備對溫度、濕度、屏蔽和接地均有一定要求.本文采用環境適應性更強的激光位移傳感器作為 Z 軸高度補償的數據來源，采用 Visual Basic6.0 開發了數控火焰切割系統的圖形處理和運動控制軟件。
通過激光位移傳感器獲取被割工件高度信息，并根據被加工對象的輪廓進行空間切割軌跡規劃，實時自動沿 Z 軸方向的高度補償，實現了切割過程的穩定控制.
2 、系統結構
根據數控火焰切割機的加工工藝要求和工作環境惡劣的特點，采用工控機+運動控制卡為控制單元構建 NC 嵌入 PC 的開放式數控系統. 主要硬件有 IPC510 型工業控制計算機、PCI-1245 型運動控制卡、8622 型多功能數據采集卡、CD33-250NA型激光位移傳感器、伺服系統等. 采用這種控制方式，不僅結構簡單，而且系統有良好的穩定性和拓展性. 系統的硬件結構示意圖如圖 1 所示.
圖 1 系統硬件結構示意圖
工業計算機（IPC）作為數控火焰切割系統的上位機，運行所開發的數控火焰切割系統上位機控制軟件，通過調用系統資源，驅動機床完成切割加工，同時 IPC 還作為系統的人機界面，具有設置系統工作參數、顯示運行狀態、跟蹤切割軌跡等功能. 激光位移傳感器輸出的模擬量信號傳送至多功能數據采集卡，經過 A/D 轉換后，數控火焰切割系統即可得到工件在切割方向上的輪廓高度，作為 Z 軸自動補償的數據來源. PCI-1245 作為 4 軸通用 PCI 步進/脈沖型伺服電機控制卡，用于驅動伺服系統進行 XYZ 三軸直線插補或三軸螺旋插補，實現預定軌跡的運動控制功能.
3 、Z 軸高度補償功能
3.1 加工路徑的預處理
在對工件進行加工之前，數控系統需要先獲取切割路徑中工件表面的輪廓高度，為后續加工過程中控制割炬沿 Z 軸方向進行高度補償提供數據源. 因此，CD33-250NA 激光位移傳感器需要固定在機床的 Z 軸上，采用垂直于 XY 平面的方式進行安裝. 加工路徑預處理流程見圖 2.
圖2 加工路徑預處理流程圖
首先系統根據輸入的幾何圖形，獲取圖形中的要素，生成 XY 平面的運動路徑，伺服系統沿上述路徑進行插補運動，同時開啟 Z 軸激光位移傳感器的連續檢測. 系統可以獲取工件在切割路徑中沿高度方向的輪廓信息，并將其離散化，變為一系列的空間點坐標. 但其中大部分為冗余信息，需要從中提取出關鍵的刀位點坐標（x，y，z）. 當工件表面存在高度變化時，X 軸和 Y 軸沿運動路徑插補過程中，系統將當前位置的 Z 坐標與鏈表中上一個結點里所存儲的刀位點的 Z 坐標進行比較，當兩者差值不在割炬的有效范圍內時，則向鏈表中添加一個新結點，記錄當前刀位點的 X、Y 坐標，以及同步的 Z 軸坐標.
圖形路徑的生成過程代碼如下：
此外，鏈表中還需要加入直線的起止點、終止點，圓弧的起始點、終止點、圓心等圖形要素的坐標，使鏈表中包含完整的加工路徑信息.
3.2 Z 軸高度補償
通過對加工路徑的預處理，完成對鏈表中路徑結點信息的添加后，在加工過程中，數控火焰切割系統通過讀取鏈表結點中存儲的關鍵刀位點的坐標，即可控制伺服系統沿 Z 軸方向進行高度補償，與 X 軸、Y 軸實現三軸聯動，沿空間軌跡進行插補，完成工件切割過程. 以 PCI-1245 運動控制卡為接口，實現數控系統的 XY 軸直線插補與割炬沿 Z軸方向實時進行高度補償的代碼如下：
當 XY 軸進行圓弧插補時 ，可以通過調用PCI-1245 運動控制卡中提供的三軸螺旋插補函數Acm_Gp Move Helix Abs，控制伺服系統執行螺旋插補，實現圓弧切割過程中 Z 軸方向的高度補償. 由于任意的平面幾何圖形均可離散為直線和圓弧，因此，通過三軸直線插補和三軸螺旋插補可以實現任何復雜幾何圖形的切割.
4 、加工實例
以圖 3（a）所示的弧形零件切割過程為例，根據輸入的圖形文件進行平面投影得到在 XY 平面上的輪廓［圖 3（b）］為加工路徑的數據來源，由激光位移傳感器采集工件在參考平面高度（設為 50mm）上的數據，作為高度調整的數據來源.
首先，在上位機中輸入零件的幾何圖形，投影得到如圖 3（b）所示的輪廓. 根據加工工藝要求，在零件的輪廓上選定切割起點，并以切割起點為終點，確定方向和長度，繪制切割引入線和點火點.本例中選取的切割起點為 A，OA 段為切割引入線，O 點為點火點.
圖3 加工軌跡生成實例
數控系統根據輸入的零件的幾何圖形，控制伺服系統的 XY 軸按如圖 3（a）所示 O→A→BF→→A→O 的順序執行高速插補. 其中 GA 段為圓弧插補，其余均為直線插補. 在此過程中，系統根據輸入的幾何圖形的要素以及激光位移傳感器的采集數據，將 O 點、A 點、B 點、C 點、D 點、E 點、F 點、G點、H 點、I 點作為關鍵刀位點，將其坐標存入加工路徑鏈表中. 當伺服系統按照 500 mm/min 的速度執行切割時，預處理前后數控系統的理論坐標和實際運動軌跡坐標見表 1，可以看出當工件高度發生變化時，關鍵刀位點的坐標被成功加入到加工路徑數據鏈表.
在完成對鏈表中結點的添加后，火焰切割數控系統控制割炬下降到指定高度位置，并在 O 點位置進行點火，對工件表面進行預熱后，伺服系統按正常的切割速度，沿空間切割軌跡執行插補. 首先，伺服系統沿切割引線 OA 段進行插補，到達零件切割起點 A 處，隨后沿 AB 段進行插補. 在此過程中，由于 OA、AB 所在位置的零件表面高度一致，因此割炬此時無需進行高度補償. 隨后，系統通過BC、CD、DE、EF 四段連續的三軸直線插補，逼近工件的表面輪廓，實現 Z 軸方向的高度補償和零件的切割。FG 段的插補與 AB 段類似. 最后，伺服系統通過 GH、HI、IJ、JA 四段連續的三軸螺旋插補，完成圓弧形工件的切割. 在切割過程中通過伺服編碼器獲取運動位置坐標，見表 1 的實際運動坐標，可見運動精度較高，位置精度均在±0.02 mm 以內，與激光位移傳感器的測量精度一致.
表 1 特征點坐標與實際運動結果
5 、結語
針對實際生產的需要，開發的開放式數控火焰切割系統實現了對于 Z 軸方向的高度補償功能，試運行結果表明該系統具有良好的穩定性和較高的運動精度，其位置精度±0.02 mm，重復定位精度達到±0.05 mm. 該系統在工件表面存在翹曲、凹陷、凸瘤、深坑等特征的情況下，依然能夠進行有效地切割，并保證良好的切割質量，擴大了火焰切割系統的應用范圍，同時有效地彌補了現有數控火焰切割系統不能很好完成異形工件加工的不足.
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