龔 君，王 麗，趙壽寬

（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210000）

相貫管材不銹鋼管厚度僅有2 cm 左右，管壁不銹鋼管具有機(jī)械強(qiáng)度高、有效抵抗高溫的作用，在生產(chǎn)和生活多個領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。然而，在切削加工不銹鋼管時，受其塑性和熱強(qiáng)度影響，刀具經(jīng)常與不銹鋼管相粘結(jié)。因此，為了避免切割過程中相貫線薄壁鋼管出現(xiàn)形狀變化，對刀具進(jìn)行全面保護(hù)，促進(jìn)切割質(zhì)量提高，必須采取合理的方式切割，并確定符合實際需要的相貫線。

1 相貫線的形成機(jī)理和等離子切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 相貫線的常見類型

對于兩個相貫體來說，在其表面相交的線就可以稱之為相貫線，相貫體的形狀、大小等都會對相貫線產(chǎn)生影響[1]。以兩相貫體的位置為主要依據(jù)，可以將相貫線分成多種不同的類型，正交、斜交等最為常見。

1.2 相貫線形成機(jī)理的研究

1.2.1 圓管-圓管相貫線的形成機(jī)理

主管相貫線的形成機(jī)理：通過一定的防水垂直升降運(yùn)動等離子頭后，再進(jìn)行切割，同時需要對等離子頭與被切管之間的徑向位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)整[2]。在正式切割時，需要按照一定的速度圍繞X軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時進(jìn)給等離子頭，以管壁厚度和被切管自身的回轉(zhuǎn)速度為依據(jù)，決定進(jìn)給速度，通過兩軸聯(lián)動準(zhǔn)確開孔主管相貫線。

支管相貫線的形成機(jī)理：對等離子頭與被切管之間的相對位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)整后，再進(jìn)行切割。正式切割時，按照設(shè)定的速度回轉(zhuǎn)切管，同時沿著被切管軸線平移等離子頭，兩軸聯(lián)動準(zhǔn)確切割支管端面相貫線。

1.2.2 圓管-方管相貫線的形成機(jī)理

主管相貫線的形成機(jī)理：在正式切割之前，需要垂直升降等離子頭，對等離子頭與被切管之間的徑向位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)整[3]。在正式切割時，依據(jù)設(shè)定速度進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)，同時按照一定步距供給等離子頭，由被切管的形狀、管壁厚度等決定進(jìn)給速度，準(zhǔn)確開孔時兩軸必須聯(lián)動。

方管相貫線的形成機(jī)理：對等離子頭與被切管之間的相對位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)整后，再進(jìn)行切割。正式開始切割時，固定不動被切管，分別向縱向和橫向供給等離子頭；加工另一平面時，為了避免被切管與等離子頭相碰觸，需要沿著Z軸方向平移等離子頭，然后繞自身軸線將方管回轉(zhuǎn)90°。三軸聯(lián)動實現(xiàn)準(zhǔn)確切割方管端面相貫線。

1.3 不銹鋼管相貫線等離子切割機(jī)的運(yùn)動分析

管件相貫型式比較多元，由此出現(xiàn)的相貫線類型也會更加多樣。在對不同類型的相貫線進(jìn)行切割時，需要的聯(lián)動軸數(shù)及其相互關(guān)系會存在一定的差異。本文主要以不銹鋼管作為研究對象，所有鋼管厚度均處于1～2 cm 之間，所以，在切割等離子的過程中切割坡口問題不需要進(jìn)行分析和考慮。這在一定程度上會簡化不銹鋼管相貫線等離子切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

當(dāng)相貫兩個圓管時，需要對主軸與等離子頭進(jìn)行合理的控制，才能順利開孔主管。當(dāng)相貫圓管和方管時，當(dāng)開孔主管時，需要對主軸與等離子頭的縱向移動進(jìn)行同時控制；但是支管對某一端面進(jìn)行切割時，主軸始終保持位置不變，需要對等離子頭橫向進(jìn)行同時控制，然后將主軸旋轉(zhuǎn)90°后，再對方管的另一端面進(jìn)行切割。

綜上所述，相貫線等離子切割機(jī)在工作過程中需要聯(lián)動不同的軸，擁有多個自由度。

1.4 不銹鋼管相貫線等離子切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

通過分析相貫線的形成機(jī)理和切割機(jī)運(yùn)動可以明確，在對不銹鋼管相貫線等離子切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，需要對不同軸運(yùn)動的最大扭矩和驅(qū)動功率進(jìn)行準(zhǔn)確計算，將A軸主傳動系統(tǒng)與輔助裝置等合理結(jié)合。主傳動系統(tǒng)在工作過程中會依靠電機(jī)，傳動同步帶時，帶與帶輪相對比較穩(wěn)定，兩輪的圓周速度保持同步，并且其傳動可以始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。所有軸在傳動過程中均需要依賴電機(jī)，導(dǎo)軌滑動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦阻力比較小，并且可以準(zhǔn)確定位。等離子頭和氣動卡盤夾緊結(jié)構(gòu)是輔助裝置的重要組成部分。在對各系統(tǒng)零部件進(jìn)行繪制時，需要結(jié)合機(jī)構(gòu)設(shè)計要求，運(yùn)用目前最為先進(jìn)的軟件進(jìn)行繪制，然后將不同零部件合理組合，形成等離子相貫線切割機(jī)的三維實體模型。

2 不銹鋼管相貫線等離子切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用

硬件和軟件是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成，合理配合硬件和軟件，準(zhǔn)確組織，統(tǒng)一進(jìn)行輸入，并針對性地處理數(shù)據(jù)，使數(shù)控機(jī)床可以嚴(yán)格按照規(guī)定要求自動進(jìn)行加工。本文所研究的不銹鋼管相貫線等離子切割機(jī)，具有較高的開放性，可以快速處理信息，準(zhǔn)確控制運(yùn)動軌跡，主要是因為應(yīng)用了運(yùn)動控制卡結(jié)構(gòu)。

2.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

PC 機(jī)、GE 系列運(yùn)動控制卡等是相貫線等離子切割機(jī)系統(tǒng)的重要組成，也是最為主要的硬件結(jié)構(gòu)。

2.1.1 GE 系列運(yùn)動控制器的概述

對于CNC 控制系統(tǒng)來說運(yùn)動控制器是重要的組成部分，具有多元化的功能，其中控制、插補(bǔ)運(yùn)動軌跡等是其最為主要的作用。本文所選用的運(yùn)動控制器非常先進(jìn)，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇PCII 總線，可以有效控制連續(xù)運(yùn)動軌跡。DSP和FPGA 是其核心組成，可以準(zhǔn)確計算和控制多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動和提高性能，適用范圍非常廣闊，可以在數(shù)控機(jī)床、木工機(jī)械等不同領(lǐng)域應(yīng)用。PC＋運(yùn)動控制器是GE 系列運(yùn)動控制器的主要模式，可以對信息進(jìn)行快速處置，擁有較高的開放水平，同時可以準(zhǔn)確控制運(yùn)動軌跡，具有良好的通用性。

此運(yùn)動控制器還可以提供動態(tài)鏈接庫，該鏈接庫含有大量的庫函數(shù)，可以對復(fù)雜物體進(jìn)行合理的控制。將數(shù)據(jù)處理、界面顯示等與控制函數(shù)集成，可以建立穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，滿足多方面的應(yīng)用要求。

2.1.2 伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制原理

數(shù)控機(jī)床以伺服結(jié)構(gòu)作為主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以準(zhǔn)確聯(lián)系數(shù)控裝置和機(jī)床本體，分為開環(huán)伺服系統(tǒng)等多種不同的系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)在進(jìn)行控制時，主要通過PC 機(jī)統(tǒng)一發(fā)出指令，保證GE 運(yùn)動卡可以在第一時間完整接收信號，經(jīng)過合理控制和準(zhǔn)確運(yùn)算后，將指令脈沖發(fā)出，放大插補(bǔ)脈沖后直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，就可轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度，然后在傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)使下移動或者轉(zhuǎn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。從中可以看出開環(huán)控制值系統(tǒng)不具備反饋回路，只有前向通路，工作臺位移量由輸出脈沖數(shù)量決定，脈沖頻率對步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生直接的影響，進(jìn)而對共制作臺運(yùn)動速度進(jìn)行合理控制。與開環(huán)伺服系統(tǒng)相比，半閉環(huán)與閉環(huán)伺服系統(tǒng)，增加了編碼器之類的檢測元件，并以此為核心形成了反饋回路，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置和速度進(jìn)行全方位檢測，結(jié)合反饋信號對伺服電動機(jī)的速度和位移進(jìn)行針對性調(diào)節(jié)，進(jìn)而對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度和位移進(jìn)行合理控制。本文選擇開環(huán)控制不銹鋼管相貫線等離子切割機(jī)，通過運(yùn)動控制器對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行合理控制。在步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制時，控制模式為開環(huán)控制，不需要反饋編碼器的信號。

2.1.3 控制系統(tǒng)的建立

為了保持主機(jī)與運(yùn)動控制器之間的聯(lián)系，必須將控制系統(tǒng)安裝在合理的位置。

2.1.3.1 正確連接PC 機(jī)與運(yùn)動控制器

在計算機(jī)中插入運(yùn)動控制器。在扁平電纜的幫助下連接轉(zhuǎn)接擋板和運(yùn)動控制器接口；將電源關(guān)閉，并將計算機(jī)主機(jī)打開，在PCI 插槽中插入運(yùn)動控制器，并在機(jī)箱上固定ACCI轉(zhuǎn)接板。

啟動計算機(jī)之前，需要合理安裝硬件，操作系統(tǒng)會對運(yùn)動控制器進(jìn)行自動檢測，以安裝向?qū)崾緸橐罁?jù)，將運(yùn)動控制器通訊驅(qū)動程序安裝到合適的位置。

2.1.3.2 連接步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器

以驅(qū)動器說明書為依據(jù)，正確連接步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動器。采用啟動細(xì)分驅(qū)動控制方法控制步進(jìn)電動機(jī)，使電機(jī)精度可以得到進(jìn)一步提升，避免噪聲的產(chǎn)生。

2.1.3.3 系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行

準(zhǔn)確連接各部分后，代表控制系統(tǒng)建立完成，正確設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，準(zhǔn)備調(diào)試系統(tǒng)，并對系統(tǒng)接線進(jìn)行檢查，明確系統(tǒng)工作狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

通過軟件可以實現(xiàn)系統(tǒng)的絕大多數(shù)功能，在進(jìn)行開發(fā)時需要選擇目前最為先進(jìn)的操作系統(tǒng)，選擇具有可視化界面的VB 軟件。多任務(wù)性要求系統(tǒng)可在同一時間完成多個不同的任務(wù)，并在同一時間內(nèi)對同種性質(zhì)的工作進(jìn)行針對性處理。

2.2.1 CNC 系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計

圓管和方管切割主要需要依賴于不銹鋼管相貫線等離子切割機(jī)，結(jié)合加工要求，對相貫線切割機(jī)CNC 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，對人機(jī)界面進(jìn)行合理開發(fā)，并對CNC系統(tǒng)程序進(jìn)行準(zhǔn)確開發(fā)。文件操作模塊、視圖模塊等是CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的重要組成。將這些模塊設(shè)置成獨(dú)立的窗體，可以為程序運(yùn)行過程中操作不同模塊提供便利，直接單擊就可以快速操作。

機(jī)床原點(diǎn)、參考零點(diǎn)等都屬于系統(tǒng)模塊的主要組成，其存在可以準(zhǔn)確設(shè)定相貫線切割機(jī)的相關(guān)參數(shù)，使系統(tǒng)整體性能得到進(jìn)一步的優(yōu)化，這些參數(shù)值直接決定相貫線切割機(jī)能否順利工作。

2.2.2 軟件程序開發(fā)

本文主要以前后臺型結(jié)構(gòu)模式為系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)模式分為前后兩種成宿。實時中斷服務(wù)程序主要通過前臺程序來完成；而PC 機(jī)可以實現(xiàn)后臺程序，準(zhǔn)確輸入數(shù)據(jù)，并進(jìn)行針對性的管理。在對應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)之前，必須初始化運(yùn)動控制器，并運(yùn)用指令將運(yùn)動控制器打開，與運(yùn)動控制器建立通訊。

3 結(jié)論

本文對相貫線的形成機(jī)理和等離子切割機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析，并以此基礎(chǔ)建立了不銹鋼管相貫線等離子切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，以此提高系統(tǒng)的精度和加工速度。