數控火焰切割機任意路徑回退加工的研究與實現

胡明華，張 斌

HU Ming-hua, ZHANG Bin

（四川工程職業技術學院，德陽 618000）

0 引言

數控切割機是金屬板材加工的主要設備，用戶可以通過編制數控加工程序實現對割槍的運行軌跡和相關裝置的控制，從而實現自動切割，它實際是一種數控機床，其加工工具是火焰割槍或等離子割槍。

在采用火焰切割時經常會因為被加工板材不均勻、切割用氣體壓力不足和加工參數設置不合理等因素而導致在不確定的段出現板材不能被穿透的情況，從而導致自動切割不能完成。當出現這種情況時要求操作人員暫停自動加工，采用回退加工的方法把割槍沿原加工路徑回退到未被穿透段的前方，然后啟動加工，對未被穿透段進行重新切割。由于加工程序中有可能存在程序跳轉、循環、子程序調用等情況以及火焰半徑補償等問題，因此要根據加工程序實現回退加工是非常困難的。現有的數控切割機控制系統一般采用軌跡存儲的方法實現回退加工，即在系統內部分配一定的存儲空間，存儲已經執行過加工軌跡數據，在執行回退加工時通過分析存儲的加工軌跡數據實現原路返回，這種方法目前被廣泛使用，但是存在以下問題：

1）由于控制系統存儲空間的限制，系統能記錄的軌跡長短是很有限的，現有主流火焰切割機數控系統一般只能記憶30-50段已執行的加工軌跡，如果操作人員在超出此范圍后才發現問題則不能實現回退加工。

2）這種方式只能實現按原加工路徑返回，而不能直接返回到需要重新加工的線段上，并且在把未穿透的段加工完以后只能沿已經加工過的軌跡前進，因此要占用較多時間，效率很低。

1 任意路徑回退加工的特點

任意路徑回退加工是指在需要回退加工時可以將割槍不受路徑限制地直接回退到已加工區域的任意點，系統自動在加工軌跡上找到距離割槍最近的點并移動到該點，然后開始自動加工，從而解決加工過程中板材未穿透問題。任意路徑回退加工有以下幾個特點：

1）可以回退到已加工部分的任意點，回退的距離和軌跡段數沒有限制且不依賴于控制系統的存儲空間；

2）回退過程可以快速地直接回退到需要重新加工的點，而不需要按原加工路徑返回，可以提高加工效率；

3）回退時不需要操作人員準確地對準原有軌跡，再次啟動加工時系統可以按最近原則直接移動到原加工軌跡上；

4）在回退加工過程中可以隨時暫停，也可以在此方式下直接向前移動到任意點繼續加工，即可以回退也可以前進。

2 任意路徑回退加工的實現方法

2.1 任意路徑回退的操作方法

圖1 任意路徑回退加工示意圖

如圖1所示，曲線MN是加工程序所確定的加工軌跡，M是起點，N是終點，在執行自動加工時，割槍運行到A點后操作人員發現圖中所示的CD段未被穿透，則需重新切割該段。此時操作人員需暫停加工，選擇回退加工，然后將割槍從A點直接移到B點，B點必須是在未割穿線段的前面（從運行方向上看）且靠近加工軌跡。在B 點處重新起動自動加工，則割槍自動移動到加工軌跡上的C點，在C點處點火，開始自動切割加工，達到D點后就完成了回退加工。

當完成未穿透段的重新加工后可以再次選擇回退加工，也可以繼續自動加工，如果需要直接回到A點或回退到其他未穿透段則再次選擇回退加工，過程與上述方法相同；如果D點距A點較近，可以選擇繼續加工，切割機將沿原加工軌跡運行到A點并繼續執行加工程序，此時不需要任何額外操作。圖中的A、B、D點由操作人員確定，C點由系統根據最近原則自動確定，B點必須確定在未穿透段的前面。

2.2 軟件實現方法

要實現以上所述的任意路徑回退加工的方法關鍵在于正確地找到加工軌跡上的C點并從該點重新執行加工程序，采用加工軌跡掃描的方法可以準確地找到該點。

數控火焰切割機通過解釋數控加工程序，獲得切割機運動軌跡的數據和控制信息，控制伺服系統和其他執行機構實現自動切割加工。加工軌跡掃描是完全按照加工過程對加工程序進行解釋，獲取其中運動軌跡數據但不執行具體的加工操作，然后對加工軌跡中的各運動線段（直線、圓弧等）進行分析，按照與B點距離最近的原則確定C點的位置，其中的關鍵點在于軌跡掃描必須完全與加工過程相同，包括火焰半徑補償、程序跳轉等。加工程序以文件的形式存儲在硬盤上，先將加工文件讀入內存，將其創建成一個鏈表，定義兩個指向該鏈表的指針P1和P2，P1用于自動加工，P2用于軌跡掃描。在正常加工模式下，P1逐次指向鏈表的每個節點，獲取加工數據，然后控制切割機執行相應的操作，直到程序結束。在進行回退加工時，將P1重新指向鏈表頭，逐次指向鏈表的每個節點，讀取其中的G00、G01、G02等涉及運動軌跡控制的加工指令，獲取該段軌跡坐標數據，建立其數學模型，計算B點與每段加工軌跡的距離，直到程序結束。其中與B點距離最近的點就是C點，C點不能定位于G00指令所對應的線段上，確定C點后將指向C點所在節點的指針保存于P2。在掃描過程中直接跳過M、F、延時等指令，而對于G98（子程序調用）、G99（子程序返回）、G80（循環）、G97（跳轉）等指令則按其功能修改P1指針，使其指向正確的目標節點。當數控切割機從B點移動到C點后，將C點坐標作為當前坐標，同時將P2賦給P1，使P1指向即將加工的段所對應的加工指令，即可重新起動自動加工。由于軌跡掃描是從鏈表的頭開始的對加工程序的完整掃描，因此可以保證數據的準確性以及從C點開始加工后與后續加工程序的無縫連接。

2.3 軌跡掃描程序流程

圖2 軌跡掃描流程圖

由于軌跡掃描只是獲取加工軌跡數據進行相關計算，而不執行加工操作，因此占用時間非常短暫，不會對加工操作造成影響，同時軌跡掃描的目的是找到C點，只須逐段分析加工軌跡與B點的關系，而不需要同時獲取所有加工軌跡數據，因此數控系統不需要額外保存加工軌跡數據，可以節約大量存儲空間。

3 存在的問題及對策

1）在回退操作時，B點距離需要加工的軌跡段的距離必須小于它與其它段的距離，否則C點的位置確定就會錯誤，從而使回退加工失敗。由于數控切割是一種粗加工，切割火焰直徑較大，切割軌跡不可能太密集，因此操作人員可以通過肉眼將割槍定位在程序允許的范圍內。

2）由于數控火焰切割機一般采用開環或半閉環控制，因此機械精度和傳動間隙會對C點的定位是否準確造成影響，這個問題在其他回退加工方式中依然存在，可以通過提高機械精度和反向間隙補償來克服。

4 結論

回退加工是數控火焰切割機的必備功能，由于任意路徑回退加工功能的回退路徑、回退距離等都沒有限制，因此具有更高的加工效率，操作更方便。該項技術已經成功用于成都華遠電器有限公司的火焰數控切割機數控系統。

[1]陳金成,周向東,黃劍.基于工業PC機的數控火焰切割機數控系統開發[ ].機床與液壓,1999,5.

[2]宋喜慶,李滿霞.新型數控火焰切割機智能系統[ ].電工技術,2003,9.