不銹鋼管相貫線等離子切割機數控系統的實際應用研究

龔 君，王 麗，趙壽寬

（正德職業技術學院，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械強度高、有效抵抗高溫的作用，在生產和生活多個領域中得到廣泛的應用。然而，在切削加工不銹鋼管時，受其塑性和熱強度影響，刀具經常與不銹鋼管相粘結。因此，為了避免切割過程中相貫線薄壁鋼管出現形狀變化，對刀具進行全面保護，促進切割質量提高，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 相貫線的形成機理和等離子切割機的機械結構

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生影響[1]。以兩相貫體的位置為主要依據，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 相貫線形成機理的研究

1.2.1 圓管-圓管相貫線的形成機理

主管相貫線的形成機理：通過一定的防水垂直升降運動等離子頭后，再進行切割，同時需要對等離子頭與被切管之間的徑向位置關系進行調整[2]。在正式切割時，需要按照一定的速度圍繞X軸做回轉運動，同時進給等離子頭，以管壁厚度和被切管自身的回轉速度為依據，決定進給速度，通過兩軸聯動準確開孔主管相貫線。

支管相貫線的形成機理：對等離子頭與被切管之間的相對位置關系進行調整后，再進行切割。正式切割時，按照設定的速度回轉切管，同時沿著被切管軸線平移等離子頭，兩軸聯動準確切割支管端面相貫線。

1.2.2 圓管-方管相貫線的形成機理

主管相貫線的形成機理：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系進行調整[3]。在正式切割時，依據設定速度進行回轉運，同時按照一定步距供給等離子頭，由被切管的形狀、管壁厚度等決定進給速度，準確開孔時兩軸必須聯動。

方管相貫線的形成機理：對等離子頭與被切管之間的相對位置關系進行調整后，再進行切割。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90°。三軸聯動實現準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的運動分析

管件相貫型式比較多元，由此出現的相貫線類型也會更加多樣。在對不同類型的相貫線進行切割時，需要的聯動軸數及其相互關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的機械結構。

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

綜上所述，相貫線等離子切割機在工作過程中需要聯動不同的軸，擁有多個自由度。

1.4 不銹鋼管相貫線等離子切割機的機械結構

通過分析相貫線的形成機理和切割機運動可以明確，在對不銹鋼管相貫線等離子切割機的機械結構進行設計時，需要對不同軸運動的最大扭矩和驅動功率進行準確計算，將A軸主傳動系統與輔助裝置等合理結合。主傳動系統在工作過程中會依靠電機，傳動同步帶時，帶與帶輪相對比較穩定，兩輪的圓周速度保持同步，并且其傳動可以始終保持穩定的狀態，優化結構。所有軸在傳動過程中均需要依賴電機，導軌滑動導軌結構產生的摩擦阻力比較小，并且可以準確定位。等離子頭和氣動卡盤夾緊結構是輔助裝置的重要組成部分。在對各系統零部件進行繪制時，需要結合機構設計要求，運用目前最為先進的軟件進行繪制，然后將不同零部件合理組合，形成等離子相貫線切割機的三維實體模型。

2 不銹鋼管相貫線等離子切割機數控系統的實際應用

硬件和軟件是數控系統的重要組成，合理配合硬件和軟件，準確組織，統一進行輸入，并針對性地處理數據，使數控機床可以嚴格按照規定要求自動進行加工。本文所研究的不銹鋼管相貫線等離子切割機，具有較高的開放性，可以快速處理信息，準確控制運動軌跡，主要是因為應用了運動控制卡結構。

2.1 數控系統的硬件結構

PC 機、GE 系列運動控制卡等是相貫線等離子切割機系統的重要組成，也是最為主要的硬件結構。

2.1.1 GE 系列運動控制器的概述

對于CNC 控制系統來說運動控制器是重要的組成部分，具有多元化的功能，其中控制、插補運動軌跡等是其最為主要的作用。本文所選用的運動控制器非常先進，結合相關標準選擇PCII 總線，可以有效控制連續運動軌跡。DSP和FPGA 是其核心組成，可以準確計算和控制多軸協調運動和提高性能，適用范圍非常廣闊，可以在數控機床、木工機械等不同領域應用。PC＋運動控制器是GE 系列運動控制器的主要模式，可以對信息進行快速處置，擁有較高的開放水平，同時可以準確控制運動軌跡，具有良好的通用性。

此運動控制器還可以提供動態鏈接庫，該鏈接庫含有大量的庫函數，可以對復雜物體進行合理的控制。將數據處理、界面顯示等與控制函數集成，可以建立穩定的控制系統，滿足多方面的應用要求。

2.1.2 伺服驅動系統控制原理

數控機床以伺服結構作為主要的執行機構，可以準確聯系數控裝置和機床本體，分為開環伺服系統等多種不同的系統。開環伺服系統在進行控制時，主要通過PC 機統一發出指令，保證GE 運動卡可以在第一時間完整接收信號，經過合理控制和準確運算后，將指令脈沖發出，放大插補脈沖后直接驅動步進電機，就可轉到相應的角度，然后在傳動機構驅使下移動或者轉動執行機構。從中可以看出開環控制值系統不具備反饋回路，只有前向通路，工作臺位移量由輸出脈沖數量決定，脈沖頻率對步進電動機轉速產生直接的影響，進而對共制作臺運動速度進行合理控制。與開環伺服系統相比，半閉環與閉環伺服系統，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，對執行機構的位置和速度進行全方位檢測，結合反饋信號對伺服電動機的速度和位移進行針對性調節，進而對執行機構的速度和位移進行合理控制。本文選擇開環控制不銹鋼管相貫線等離子切割機，通過運動控制器對步進電機進行合理控制。在步進電機進行控制時，控制模式為開環控制，不需要反饋編碼器的信號。

2.1.3 控制系統的建立

為了保持主機與運動控制器之間的聯系，必須將控制系統安裝在合理的位置。

2.1.3.1 正確連接PC 機與運動控制器

在計算機中插入運動控制器。在扁平電纜的幫助下連接轉接擋板和運動控制器接口；將電源關閉，并將計算機主機打開，在PCI 插槽中插入運動控制器，并在機箱上固定ACCI轉接板。

啟動計算機之前，需要合理安裝硬件，操作系統會對運動控制器進行自動檢測，以安裝向導提示為依據，將運動控制器通訊驅動程序安裝到合適的位置。

2.1.3.2 連接步進電機與驅動器

以驅動器說明書為依據，正確連接步進電機與驅動器。采用啟動細分驅動控制方法控制步進電動機，使電機精度可以得到進一步提升，避免噪聲的產生。

2.1.3.3 系統調試運行

準確連接各部分后，代表控制系統建立完成，正確設置系統參數，準備調試系統，并對系統接線進行檢查，明確系統工作狀態。

2.2 系統軟件開發

通過軟件可以實現系統的絕大多數功能，在進行開發時需要選擇目前最為先進的操作系統，選擇具有可視化界面的VB 軟件。多任務性要求系統可在同一時間完成多個不同的任務，并在同一時間內對同種性質的工作進行針對性處理。

2.2.1 CNC 系統的人機界面設計

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，結合加工要求，對相貫線切割機CNC 系統軟件結構進行科學設計，對人機界面進行合理開發，并對CNC系統程序進行準確開發。文件操作模塊、視圖模塊等是CNC系統軟件結構的重要組成。將這些模塊設置成獨立的窗體，可以為程序運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。

機床原點、參考零點等都屬于系統模塊的主要組成，其存在可以準確設定相貫線切割機的相關參數，使系統整體性能得到進一步的優化，這些參數值直接決定相貫線切割機能否順利工作。

2.2.2 軟件程序開發

本文主要以前后臺型結構模式為系統軟件結構，該結構模式分為前后兩種成宿。實時中斷服務程序主要通過前臺程序來完成；而PC 機可以實現后臺程序，準確輸入數據，并進行針對性的管理。在對應用程序進行開發之前，必須初始化運動控制器，并運用指令將運動控制器打開，與運動控制器建立通訊。

3 結論

本文對相貫線的形成機理和等離子切割機的機械結構進行了深入分析，并以此基礎建立了不銹鋼管相貫線等離子切割機數控系統，以此提高系統的精度和加工速度。