自動(dòng)切管機(jī)數(shù)控系統(tǒng)

1相貫管端坡口切割的數(shù)學(xué)模型

1.1數(shù)學(xué)摸型的相關(guān)參數(shù)

多管、板相貫是相貫管端坡口切割中較為一般的形式，要使切管機(jī)具備豐富的切割功能，就必須研究一般條件下的相貫管端坡口切割數(shù)學(xué)模型。圖1為被切管與兩管相貫的示意圖，工程中的實(shí)際情況可能更為復(fù)雜。這數(shù)學(xué)模型的相關(guān)參數(shù)描述如下：

(1）d為被切管直徑；t為被切管壁厚：di為與被切管相貫的第i根管子直徑。

(2)軸交角αi:第i根相貫管的軸線與被切管軸線(實(shí)際存在部分)的交角，若為板時(shí)，ai為被切管鈾線與扳面的夾角。

(3)扭轉(zhuǎn)角βi：第i根相貫管的軸線(實(shí)際存在部分)在被切管橫截面上的投影與；θ零度線的交角；若為板時(shí)．先將被切管軸線投影在板面上，再將其投影到被切管的截面圓上，該投影與θ零度線的交角即為βi。

(4)偏心值αi：第i根相貫管軸線與被切管軸線的距離，有正負(fù)。

(5)錯(cuò)心值ei:第i根相貫管軸線在XOZ平面上的投影與Z軸的交點(diǎn)(或被切管軸線與板面的交點(diǎn))相對(duì)于Z坐標(biāo)參考點(diǎn)的數(shù)值，有正負(fù)。

1.2相貫線及切割角的數(shù)學(xué)表達(dá)式

2相貫管端坡口的切割運(yùn)動(dòng)

自動(dòng)切管機(jī)切割管端坡口的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

V1：割炬或被切管繞被切管軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，所改造的切管機(jī)采用的是割炬繞被切管軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式，雖然成本較高，但避免了被切管繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的軸向竄動(dòng)，因而具有較高的切割精度。它表征了θ角的變化。

V2：割炬沿被切管軸線(即:Z釉〕的移動(dòng)，它表征了相貫線Z坐標(biāo)的變化。

V3：割炬繞T軸(該軸始終與被切管的外表面相切，且與其軸線垂直)的轉(zhuǎn)動(dòng)，其特征表明了實(shí)際切割角w的變化。

V4:割炬沿被切管徑向方向的移動(dòng),主要是用來調(diào)整割炬的高度。切割過程中,割炬的徑向位置可通過位移傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

上述四個(gè)分運(yùn)動(dòng)分別由伺服電機(jī)R、Z、T和A來控制的。vl、v2、v3三個(gè)分起動(dòng)的合成就形成了管端坡口的切割過程。運(yùn)用1中所述數(shù)學(xué)模型、通過適當(dāng)?shù)那蠼凰惴汕蟪霰磺泄芘c其它管、扳相貫坡口各節(jié)點(diǎn)的幾何數(shù)據(jù)，將相鄰節(jié)點(diǎn)的θ、Z和w值的增量轉(zhuǎn)換為位置脈沖數(shù)，用于控制電機(jī)完成切割過程。需要指出的是，節(jié)點(diǎn)間距并非定值，而是由誤差條件控制的。

3數(shù)控系統(tǒng)的硬件

自動(dòng)切管機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)硬件主要包括工業(yè)PC機(jī)、位置控制卡、伺服電極驅(qū)動(dòng)單元、伺服電極和位置編碼器、控制按鈕、跟蹤控制裝置及開關(guān)等，系統(tǒng)框圖如圖3所示。工業(yè)PC機(jī)選用了研華工控工作站IPC—822，位置控制卡選用了美國(guó)Parker Hannifin公司的AT6450。由于原設(shè)備的伺服電機(jī)、編碼器及飼服控制單元良好，因此對(duì)自動(dòng)切管機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的改造主要在于計(jì)算機(jī)部分。

3.1 AT6450位置控制卡

    AT6450是基于ISA總線結(jié)構(gòu)并帶有MC6800微處理器及數(shù)字信號(hào)處理器的四軸位置控制卡(或稱伺服電機(jī)控制卡)。其數(shù)字處理器可用數(shù)字控制算法(包括比例反饋、積分反饋、速度反饋和加速度、速度前饋，簡(jiǎn)稱PIV&F)來計(jì)算確定控制信號(hào)的輸出電壓，用來控制運(yùn)動(dòng)的位置與速度。

    AT6450附有一輔助連接器．簡(jiǎn)化了它與其它硬件的連接，該連接器的輸入為52個(gè)，輸出為40個(gè)，這些輸入／輸出用于設(shè)置與調(diào)整運(yùn)動(dòng)方式、反饋方式、控制算法、控制參數(shù)、中斷及控制信號(hào)輸出、狀態(tài)檢測(cè)、故障診斷、輔助控制等，這些功能可通道執(zhí)行由6000系列命令及參數(shù)組成的文件和選擇輸入／輸出來完成。

    AT6450與IPC的通信可利用它所提供的函數(shù)或動(dòng)態(tài)連接庫(kù)來實(shí)現(xiàn)。以TC為例，所提供的函數(shù)為SendAT6450Block()和ReavAT6450Block()。 AT6450帶有啟動(dòng)ROM，可以便用自動(dòng)批處理、批處理和其提供的命令(可執(zhí)行程序）及參數(shù)將其操作系統(tǒng)(6000系列命令語言)從IPC下載到AT6450卡上。

3.2 AT6450在本系統(tǒng)中的應(yīng)用

    AT6450的運(yùn)動(dòng)方式有絕對(duì)方式、增量方式和點(diǎn)到點(diǎn)方式，本系統(tǒng)采用的是增量方式和點(diǎn)到點(diǎn)方式，前者用于切割，后者用于輔助控制。

    AT6450控制運(yùn)動(dòng)的過程可通過執(zhí)行由6000系列命令及參數(shù)組成的命令文件(也是由6000系列命令定義的)來完成的，該命令文件定義了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程，在任何文本編輯器環(huán)境中均可按照6000系列命令要求的格式來編輯命令文件，用AT6450提供的終端仿真程序Download和Start可將該命令文件下載到AT6450卡的RAM中并執(zhí)行這命令文件。也可通過通信函數(shù)直接將命令字符串送往AT6450，即可得到執(zhí)行。

    在編輯命令文件時(shí)需要輸入命令及參數(shù)，對(duì)于相貫管端坡口的切割過程來說，主要參數(shù)就是各軸的位置脈沖數(shù)，其它參數(shù)可事先確定，必要時(shí)可用中斷功能進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于誤差控制條件的限制，相貫管端坡口的節(jié)點(diǎn)數(shù)目是不固定的，這就不能事先確定命令文件中的位置脈沖數(shù)。利用AT6450的示教模式可解決這一問題。在示教模式下、AT6450的RAM可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)程序．所謂數(shù)據(jù)程序是指將運(yùn)動(dòng)參數(shù)以特定格式存入AT650 RAM的文件，在命令文件中利用6000系列語言提供的循環(huán)和指針功能來使用事先存儲(chǔ)在數(shù)4據(jù)程序中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)而可完成節(jié)點(diǎn)數(shù)日不確定的運(yùn)動(dòng)控制。本系統(tǒng)還使用了線性插補(bǔ)功能，在命令文件中定義了路徑速度和路徑加速度，AT6450自動(dòng)利用線性插補(bǔ)原理合理地分配各軸的速度及加速度。

    以相貫管端坡口切割的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)可求出各節(jié)點(diǎn)的幾何數(shù)據(jù)，將相鄰節(jié)點(diǎn)的幾何數(shù)據(jù)的增量轉(zhuǎn)換為各軸的位置脈沖數(shù)，并存為數(shù)據(jù)程序下載到AT6450的RAM中，再啟動(dòng)執(zhí)行己下載到AT6450 RAM中的命令文件即可完成相貫管端坡的切割，并且是一次切割成形。

4系統(tǒng)的功能

    以相貫管端坡口切割的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，用Borland c++編制了自動(dòng)切管機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的軟件。利用該數(shù)控系統(tǒng)，改造過的自動(dòng)切管機(jī)除完成以前具備的簡(jiǎn)單的相賈管端坡口切割功能外、還能實(shí)現(xiàn)被切管與多管、被切管與多板及被切管與多管扳相貫時(shí)的管端坡口(簡(jiǎn)稱多管、板相貫坡口)的一次切割成形；對(duì)于管端坡口角確定規(guī)范，系統(tǒng)提供了3種選擇：API、AWS和恒定坡口角(可由用戶自己設(shè)定)；系統(tǒng)還提供了許多輔助功能以方便用戶操作。

5結(jié)論

 經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，切割質(zhì)量足以滿足工程要求。一艙條件下相貫管端坡口切割的數(shù)學(xué)模型，不僅大大擴(kuò)充了自動(dòng)切管機(jī)的功能，而且實(shí)現(xiàn)了多管、板相貫坡口的一次切割成形，使生產(chǎn)效率大幅度提高。

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