專利名稱：微機(jī)數(shù)控管切割機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于熱切割加工技術(shù)，特別涉及一種對(duì)大型圓柱體、鋼管上復(fù)雜相貫線進(jìn)行切割加工的裝置。
目前數(shù)控管切割機(jī)在國(guó)內(nèi)尚屬未見。在國(guó)外(如德國(guó)和日本)雖有幾種數(shù)控管切割機(jī)，但這些數(shù)控管切割機(jī)的共同特征是將被加工管夾持在迴轉(zhuǎn)卡盤上，切割槍安裝在一個(gè)移動(dòng)小車或是立柱導(dǎo)軌上，通過(guò)卡盤和移動(dòng)小車或是移動(dòng)在導(dǎo)軌上的切割槍的聯(lián)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)相貫線的切割加工，如要加工焊接坡口，還需有切割槍的轉(zhuǎn)角和輔助的直線運(yùn)動(dòng)。因此，這種切割機(jī)一般是5－6軸的數(shù)控管切割機(jī)。此機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高、體積大、不能方便地移動(dòng)，故不能在安裝工地上使用，而且也不能對(duì)大型圓柱體上的相貫線進(jìn)行切割加工。此外，由于這類數(shù)控切割機(jī)都是通過(guò)夾持管子迴轉(zhuǎn)進(jìn)行加工的，故能耗也高。
本實(shí)用新型的主要目的就是針對(duì)上述情況而研制的一種可方便移動(dòng)的經(jīng)濟(jì)型微機(jī)數(shù)控管切割機(jī)。
本實(shí)用新型由機(jī)械裝置和微機(jī)數(shù)控裝置以及程序軟件所組成。其中機(jī)械裝置的核心是一個(gè)既可旋轉(zhuǎn)又可作軸向移動(dòng)的主軸系統(tǒng)。由


圖1可知主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由主軸旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)(8)通過(guò)一套減速器(6)來(lái)驅(qū)動(dòng)。主軸的軸向移動(dòng)由主軸軸向位移伺服電機(jī)(11)通過(guò)一套將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)。切割槍(1)通過(guò)安裝調(diào)節(jié)桿(2)聯(lián)接在主軸(15)的端頭，整個(gè)主軸箱(16)由一支架(18)支承。在切割相貫線孔時(shí)，通過(guò)調(diào)整支架與被切割件的軸線位置以及主軸軸線與被切割件的夾角，就可使主軸軸線與馬鞍短節(jié)的軸線一致。微機(jī)數(shù)控裝置(17)由CPU板(25)，功率放大器(22)，鍵盤(29)，(如圖3所示)等組成。在切割加工時(shí)，先輸入管徑、速度、線型等參數(shù)。在微機(jī)軟件的支持下，通過(guò)兩臺(tái)伺服電機(jī)控制主軸的旋轉(zhuǎn)和軸向位移，便可加工出所需曲線。
下面簡(jiǎn)述微機(jī)數(shù)控軟件原理a.相貫線的數(shù)學(xué)模型為了切割相貫線首先要建立其數(shù)學(xué)模型，并整理成便于計(jì)算的表達(dá)式。為此先定義主軸的軸向位移為Z軸、主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)為α軸。建立數(shù)學(xué)模型也就是要建立Z＝φ(α)關(guān)系式。考查圖2所示情況，馬鞍短節(jié)(20)軸線與Z軸同軸，承接件(21)的軸線與馬鞍短節(jié)軸線不相交，有一偏心距E，并且不垂直，其斜交角為β，則它們的交線是偏心斜交相貫線，其方程式為Z=R1-(rRsina+ER)2/cosβ-rcosatgβ]]>式中r為馬鞍短節(jié)半徑，R為承接件半徑，E為偏心量，β為斜交角。
b.曲線分段逼近在大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)中僅有直線和圓弧插補(bǔ)功能，對(duì)于上述復(fù)雜空間曲線，只能將其分成若干段，然后逐段用等距螺線來(lái)逼近，等距螺線可用直線插補(bǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)。分段的方法可有多種，如等弧長(zhǎng)劃分、等夾角劃分等。這里我們采取了等夾角劃分，即各段△α＝αi＋1－αi相等。分段數(shù)和允許的加工誤差有關(guān)，可經(jīng)下述步驟確定(1)先預(yù)置一個(gè)分段數(shù)m；(2)根據(jù)管徑、偏心量E、斜角β、線型參數(shù)等調(diào)用相應(yīng)的關(guān)系式Z＝φ(α)，求各分段中點(diǎn)的誤差δi＝φ［αi＋αi＋1)／2］－［φ(αi)＋φ(αi＋1)］／2；(3)將各段δi和誤差允許值［δi］比較，如有一個(gè)δi大于［δ］，則分段數(shù)m加倍，再重復(fù)上述步驟，直至所有δi均小于［δ］為止。經(jīng)上述計(jì)算各段的Zi和△α已得出。
c.速度控制字的確定數(shù)控裝置通過(guò)控制主軸的轉(zhuǎn)速和軸向移動(dòng)速度來(lái)控制切割速度。由于切割速度與切割半徑r有關(guān)，當(dāng)切割速度V一定時(shí)，r越大，則主軸轉(zhuǎn)速越小，其關(guān)系式為V=dsdt=ΔSiΔT=(r·Δa)2+(ΔZi)2ΔT]]>式中V由鍵盤輸入設(shè)定，△α由分段數(shù)確定△α＝2π／m，△Zi＝Zi＋1－Zi，由上式可解出△Ti＝V／△Si，△Ti是切割該段曲線所需的時(shí)間，當(dāng)采用數(shù)字積分法作直線插補(bǔ)，且字長(zhǎng)為16位時(shí)，則切割該小段曲線應(yīng)采用的累加頻率為fi＝216／△Ti。因此fi就是該段速度控制字，fi越大則切割速度越快。
d.軟件框圖說(shuō)明考慮到要完整地編制一套數(shù)控軟件，完成相貫線的切割加工對(duì)一般技術(shù)人員而言是十分困難的，我們認(rèn)為數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)選擇目前國(guó)內(nèi)已批量生產(chǎn)的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，這里給出計(jì)算各分段點(diǎn)程序的框圖，該程序可以用高級(jí)語(yǔ)言來(lái)編制。例如，選擇的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)以Z80為CPU，則可以采用FORTRAN語(yǔ)言編制計(jì)算源程序，再通過(guò)編譯連接生成目的程序裝入數(shù)控系統(tǒng)中，加工時(shí)先調(diào)原系統(tǒng)的監(jiān)控程序、輸入管徑、偏心量、線型速度等參數(shù)，然后啟動(dòng)本計(jì)算程序，計(jì)算出分段數(shù)m，各分段點(diǎn)座標(biāo)Zi以及fi，并根據(jù)所用數(shù)控系統(tǒng)的編程格式將其轉(zhuǎn)為數(shù)控指令存入內(nèi)存的指定區(qū)中，這樣就簡(jiǎn)化了編程的復(fù)雜程度，最后啟動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的加工程序，即可完成切割加工任務(wù)。如圖5所示，啟動(dòng)計(jì)算程序后，該程序首先預(yù)置分段數(shù)，然后根據(jù)線型參數(shù)轉(zhuǎn)到相應(yīng)程序段求分段值m，m值確定后，求各分段點(diǎn)的坐標(biāo)增量△Zi，接著求各段速度控制字fi，然后將它們存入內(nèi)存入一個(gè)特定區(qū)，最后調(diào)用后置處理程序。將△α，△Zi以及fi轉(zhuǎn)換成所需的數(shù)控指令。后置處理程序和所選的數(shù)控系統(tǒng)有關(guān)。
圖1是數(shù)控管切割機(jī)的總圖，圖2是數(shù)學(xué)模型說(shuō)明圖，圖3是數(shù)控系統(tǒng)硬件圖，圖4是加工方式圖，圖5是一種計(jì)算程序框圖。
本實(shí)用新型實(shí)施方案可以有多種，例如機(jī)械裝置中主軸旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)方案可以用齒輪減速器，也可用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，其軸向移動(dòng)的傳動(dòng)方案既可用齒輪齒條機(jī)構(gòu)，也可用絲桿螺母機(jī)構(gòu)或用直線電機(jī)，伺服電機(jī)可選直流伺服電機(jī)或是步進(jìn)電機(jī)，數(shù)控裝置的實(shí)施方案也可有數(shù)種，可以直接選用一種市場(chǎng)上售的兩軸聯(lián)動(dòng)微機(jī)數(shù)控裝置，編程時(shí)先由人工計(jì)算△Zi和fi值，然后鍵入，或是裝上專用軟件計(jì)算上述值。也可采用單片機(jī)組成最低成本系統(tǒng)。
以下結(jié)合附圖對(duì)本裝置的細(xì)節(jié)加以說(shuō)明。
圖1 給出了機(jī)械裝置的最佳實(shí)現(xiàn)方案。
由
圖1可知，主軸旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)路線為步進(jìn)電機(jī)(8)通過(guò)聯(lián)軸器(7)到諧波減速器(6)再經(jīng)過(guò)齒輪(4)到齒輪(3)，主軸(15)套在齒輪(3)內(nèi)，二者間有一滑動(dòng)鍵(5)，齒輪(3)旋轉(zhuǎn)就帶動(dòng)主軸(15)轉(zhuǎn)動(dòng)了。其軸向移動(dòng)路線為步進(jìn)電機(jī)(11)通過(guò)聯(lián)軸器(12)直聯(lián)絲桿(10)。在螺母(19)上裝有一個(gè)鍵(13)，在套筒(9)上有槽，因此螺母不能轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)絲桿(10)旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺母通過(guò)推力軸承(14)帶動(dòng)主軸作軸向移動(dòng)。切割槍(1)通過(guò)一根安裝調(diào)節(jié)桿(2)固連在主軸(15)下端，通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)桿，便可調(diào)節(jié)加工直徑和切割槍夾角K。由于在主軸旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)鏈上使用了諧波減速器，在軸向移動(dòng)傳動(dòng)鏈上采用絲桿內(nèi)裝在主軸內(nèi)的方案，且主軸箱殼件(16)和套筒(9)均采用鋁合金制造，故此機(jī)有主軸系統(tǒng)傳動(dòng)效率高，絲桿螺母機(jī)構(gòu)不受粉塵污染的影響，精度保持性好，且體積小、重量輕等特點(diǎn)。因具備上述特點(diǎn)，此裝置可方便地安裝在各種支撐架上，以滿足在施工工地進(jìn)行切割加工和對(duì)大型容器進(jìn)行切割加工的需要。
附圖4表示3種不同的加工方式。
圖4a表示加工固定管上的直角對(duì)心或偏心相貫線孔的情況。將切割機(jī)的主軸豎直安裝在一個(gè)具有V型底面的小型支架上，此時(shí)整個(gè)機(jī)器的總重量約為30公斤，可以方便地移動(dòng)。
圖4b表示馬鞍短節(jié)水平放置，切割機(jī)的主軸水平布置加工相貫線端頭的情況。
對(duì)于大型容器上的相貫孔加工可考慮使用具有V型底面的小型支架，將切割機(jī)跨騎在容器上加工也可考慮用落地式支架。將切割機(jī)主軸水平布置(如圖4c所示)。
圖3是最佳數(shù)控裝置實(shí)施方案的硬件系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)為兩軸聯(lián)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，CPU板采用啟東計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的51系列單片機(jī)板SCB－31－I，該板通過(guò)并行口經(jīng)過(guò)光電隔離器(24)與外設(shè)(23)，(26)、(27)、(28)打交道，功率放大器(23)放大微機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(22)作兩軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。鍵盤和顯示器(29)提供了人機(jī)對(duì)話的功能。(26)為控制電磁氣閥的繼電器，電磁氣閥用來(lái)控制氧氣和乙炔氣的開通或關(guān)斷。(27)為上限行程開關(guān)，(28)為下限行程開關(guān)，微機(jī)中已固化了相貫線和管端斜截曲線的程序，故僅需鍵入幾個(gè)參數(shù)便可完成切割加工任務(wù)。
綜上所述，該數(shù)控管切割機(jī)與國(guó)外的數(shù)控管切割機(jī)相比，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、能耗低，且容易制造等優(yōu)點(diǎn)。從應(yīng)用范圍來(lái)看，由于該機(jī)有體積小、重量輕的特點(diǎn)，可以對(duì)大型圓柱體以及固定管道上的復(fù)雜相貫線(對(duì)心直交，偏心直交，對(duì)心斜交，偏心斜交)以及管端頭斜截曲線進(jìn)行切割(氣割或等離子體切割)，還可在鋼板上割圓。因此用途更加廣泛。與目前國(guó)內(nèi)技術(shù)水平比較，無(wú)論從加工效率、質(zhì)量或整機(jī)功能上都有明顯的進(jìn)步。該機(jī)的問(wèn)世，無(wú)疑將提高我國(guó)熱切割加工裝備的水平。
權(quán)利要求1.一種由機(jī)械裝置，微機(jī)數(shù)控裝置和軟件系統(tǒng)所組成的微機(jī)數(shù)控管切割機(jī)，其機(jī)械裝置由主軸(15)，伺服電機(jī)(8)(11)，減速器(6)，切割槍(1)，安裝調(diào)節(jié)桿(2)，主軸箱(16)，支架(18)所組成；其微機(jī)數(shù)控裝置由CPU板(25)、功率放大器(23)、鍵盤(29)所組成，其特征在于所述的機(jī)械裝置由伺服電機(jī)(8)通過(guò)一套齒輪減速器(6)或蝸輪蝸桿減速器來(lái)驅(qū)動(dòng)主軸(15)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由伺服電機(jī)(11)通過(guò)一套將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的絲桿螺母機(jī)構(gòu)或齒輪齒條機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)主軸作軸向移動(dòng)，切割槍(1)通過(guò)安裝調(diào)節(jié)桿(2)聯(lián)接在主軸(15)的下端頭，主軸箱(16)由一支架(18)支承；所述的微機(jī)數(shù)控裝置為兩軸聯(lián)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，CPU板通過(guò)其并行口經(jīng)過(guò)光電隔離器(24)與外設(shè)(23)(26)(27)(28)相連通，功率放大器(23)放大微機(jī)發(fā)出的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)(22)作兩軸聯(lián)動(dòng)；
2.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)數(shù)控管切割機(jī)，其特征在于所述機(jī)械裝置中驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)系統(tǒng)系由一聯(lián)軸器(7)將伺服電機(jī)與諧波減速器(6)的輸入軸相聯(lián)，齒輪(4)固接在諧波減速器的輸出軸上，與齒輪(4)嚙合的齒輪(3)套在主軸(15)上，并通過(guò)一滑動(dòng)鍵(5)相聯(lián)接所構(gòu)成；其驅(qū)動(dòng)主軸(15)軸向移動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)系由聯(lián)軸器(12)將絲桿(10)直聯(lián)伺服電機(jī)(11)，與絲桿(10)相配合的螺母(19)通過(guò)鍵(13)與主軸箱(16)上的一帶槽的套筒(9)相聯(lián)接，螺母(19)套裝在主軸(15)的上端并且通過(guò)軸承(14)與其相連所構(gòu)成；所述的電機(jī)(8)(11)可采用步進(jìn)電機(jī)。
3.如權(quán)利要求1、2所述的微機(jī)數(shù)控管切割機(jī)，其特征在于所述的數(shù)控裝置上設(shè)置有控制電磁氣閥的繼電器(26)和控制主軸(15)軸向位移行程的上限行程開關(guān)(27)和下限行程開關(guān)(28)。
專利摘要一種用來(lái)對(duì)鋼管以及大型圓柱體上的復(fù)雜相貫線進(jìn)行切割加工的微機(jī)數(shù)控管切割機(jī)，其特點(diǎn)是在主軸箱中有一個(gè)既可旋轉(zhuǎn)又可作軸向移動(dòng)的主軸，切割槍通過(guò)安裝桿固連在主軸端頭，加工時(shí)使主軸軸線與馬鞍短節(jié)軸線重合。用一個(gè)兩軸聯(lián)動(dòng)的微機(jī)數(shù)控裝置，分別控制主軸的旋轉(zhuǎn)和軸向移動(dòng)。在微機(jī)軟件的支持下，可自動(dòng)加工出相貫線。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，適宜于安裝工地中固定管道的切割加工和大型壓力容器的切割加工。
文檔編號(hào)B23K7/00GK2123394SQ9220183
公開日1992年12月2日 申請(qǐng)日期1992年1月29日 優(yōu)先權(quán)日1992年1月29日
發(fā)明者黃健, 丁沃圻, 羅斌 申請(qǐng)人:武漢水利電力學(xué)院