數(shù)控火焰切割機(jī)任意路徑回退加工的研究與實(shí)現(xiàn)

胡明華，張 斌

HU Ming-hua, ZHANG Bin

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽 618000）

0 引言

數(shù)控切割機(jī)是金屬板材加工的主要設(shè)備，用戶可以通過編制數(shù)控加工程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)割槍的運(yùn)行軌跡和相關(guān)裝置的控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割，它實(shí)際是一種數(shù)控機(jī)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(shí)經(jīng)常會(huì)因?yàn)楸患庸ぐ宀牟痪鶆?、切割用氣體壓力不足和加工參數(shù)設(shè)置不合理等因素而導(dǎo)致在不確定的段出現(xiàn)板材不能被穿透的情況，從而導(dǎo)致自動(dòng)切割不能完成。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)要求操作人員暫停自動(dòng)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(dòng)加工，對(duì)未被穿透段進(jìn)行重新切割。由于加工程序中有可能存在程序跳轉(zhuǎn)、循環(huán)、子程序調(diào)用等情況以及火焰半徑補(bǔ)償?shù)葐栴}，因此要根據(jù)加工程序?qū)崿F(xiàn)回退加工是非常困難的?，F(xiàn)有的數(shù)控切割機(jī)控制系統(tǒng)一般采用軌跡存儲(chǔ)的方法實(shí)現(xiàn)回退加工，即在系統(tǒng)內(nèi)部分配一定的存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)已經(jīng)執(zhí)行過加工軌跡數(shù)據(jù)，在執(zhí)行回退加工時(shí)通過分析存儲(chǔ)的加工軌跡數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)存儲(chǔ)空間的限制，系統(tǒng)能記錄的軌跡長短是很有限的，現(xiàn)有主流火焰切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)一般只能記憶30-50段已執(zhí)行的加工軌跡，如果操作人員在超出此范圍后才發(fā)現(xiàn)問題則不能實(shí)現(xiàn)回退加工。

2）這種方式只能實(shí)現(xiàn)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(jīng)加工過的軌跡前進(jìn)，因此要占用較多時(shí)間，效率很低。

1 任意路徑回退加工的特點(diǎn)

任意路徑回退加工是指在需要回退加工時(shí)可以將割槍不受路徑限制地直接回退到已加工區(qū)域的任意點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)在加工軌跡上找到距離割槍最近的點(diǎn)并移動(dòng)到該點(diǎn)，然后開始自動(dòng)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(gè)特點(diǎn)：

1）可以回退到已加工部分的任意點(diǎn)，回退的距離和軌跡段數(shù)沒有限制且不依賴于控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)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(diǎn)，而不需要按原加工路徑返回，可以提高加工效率；

3）回退時(shí)不需要操作人員準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)原有軌跡，再次啟動(dòng)加工時(shí)系統(tǒng)可以按最近原則直接移動(dòng)到原加工軌跡上；

4）在回退加工過程中可以隨時(shí)暫停，也可以在此方式下直接向前移動(dòng)到任意點(diǎn)繼續(xù)加工，即可以回退也可以前進(jìn)。

2 任意路徑回退加工的實(shí)現(xiàn)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(diǎn)，N是終點(diǎn)，在執(zhí)行自動(dòng)加工時(shí)，割槍運(yùn)行到A點(diǎn)后操作人員發(fā)現(xiàn)圖中所示的CD段未被穿透，則需重新切割該段。此時(shí)操作人員需暫停加工，選擇回退加工，然后將割槍從A點(diǎn)直接移到B點(diǎn)，B點(diǎn)必須是在未割穿線段的前面（從運(yùn)行方向上看）且靠近加工軌跡。在B 點(diǎn)處重新起動(dòng)自動(dòng)加工，則割槍自動(dòng)移動(dòng)到加工軌跡上的C點(diǎn)，在C點(diǎn)處點(diǎn)火，開始自動(dòng)切割加工，達(dá)到D點(diǎn)后就完成了回退加工。

當(dāng)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(xù)自動(dòng)加工，如果需要直接回到A點(diǎn)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(diǎn)距A點(diǎn)較近，可以選擇繼續(xù)加工，切割機(jī)將沿原加工軌跡運(yùn)行到A點(diǎn)并繼續(xù)執(zhí)行加工程序，此時(shí)不需要任何額外操作。圖中的A、B、D點(diǎn)由操作人員確定，C點(diǎn)由系統(tǒng)根據(jù)最近原則自動(dòng)確定，B點(diǎn)必須確定在未穿透段的前面。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)方法

要實(shí)現(xiàn)以上所述的任意路徑回退加工的方法關(guān)鍵在于正確地找到加工軌跡上的C點(diǎn)并從該點(diǎn)重新執(zhí)行加工程序，采用加工軌跡掃描的方法可以準(zhǔn)確地找到該點(diǎn)。

數(shù)控火焰切割機(jī)通過解釋數(shù)控加工程序，獲得切割機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)據(jù)和控制信息，控制伺服系統(tǒng)和其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割加工。加工軌跡掃描是完全按照加工過程對(duì)加工程序進(jìn)行解釋，獲取其中運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)但不執(zhí)行具體的加工操作，然后對(duì)加工軌跡中的各運(yùn)動(dòng)線段（直線、圓弧等）進(jìn)行分析，按照與B點(diǎn)距離最近的原則確定C點(diǎn)的位置，其中的關(guān)鍵點(diǎn)在于軌跡掃描必須完全與加工過程相同，包括火焰半徑補(bǔ)償、程序跳轉(zhuǎn)等。加工程序以文件的形式存儲(chǔ)在硬盤上，先將加工文件讀入內(nèi)存，將其創(chuàng)建成一個(gè)鏈表，定義兩個(gè)指向該鏈表的指針P1和P2，P1用于自動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)，獲取加工數(shù)據(jù)，然后控制切割機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作，直到程序結(jié)束。在進(jìn)行回退加工時(shí)，將P1重新指向鏈表頭，逐次指向鏈表的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，讀取其中的G00、G01、G02等涉及運(yùn)動(dòng)軌跡控制的加工指令，獲取該段軌跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)，建立其數(shù)學(xué)模型，計(jì)算B點(diǎn)與每段加工軌跡的距離，直到程序結(jié)束。其中與B點(diǎn)距離最近的點(diǎn)就是C點(diǎn)，C點(diǎn)不能定位于G00指令所對(duì)應(yīng)的線段上，確定C點(diǎn)后將指向C點(diǎn)所在節(jié)點(diǎn)的指針保存于P2。在掃描過程中直接跳過M、F、延時(shí)等指令，而對(duì)于G98（子程序調(diào)用）、G99（子程序返回）、G80（循環(huán)）、G97（跳轉(zhuǎn)）等指令則按其功能修改P1指針，使其指向正確的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)數(shù)控切割機(jī)從B點(diǎn)移動(dòng)到C點(diǎn)后，將C點(diǎn)坐標(biāo)作為當(dāng)前坐標(biāo)，同時(shí)將P2賦給P1，使P1指向即將加工的段所對(duì)應(yīng)的加工指令，即可重新起動(dòng)自動(dòng)加工。由于軌跡掃描是從鏈表的頭開始的對(duì)加工程序的完整掃描，因此可以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及從C點(diǎn)開始加工后與后續(xù)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(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，而不執(zhí)行加工操作，因此占用時(shí)間非常短暫，不會(huì)對(duì)加工操作造成影響，同時(shí)軌跡掃描的目的是找到C點(diǎn)，只須逐段分析加工軌跡與B點(diǎn)的關(guān)系，而不需要同時(shí)獲取所有加工軌跡數(shù)據(jù)，因此數(shù)控系統(tǒng)不需要額外保存加工軌跡數(shù)據(jù)，可以節(jié)約大量存儲(chǔ)空間。

3 存在的問題及對(duì)策

1）在回退操作時(shí)，B點(diǎn)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(diǎn)的位置確定就會(huì)錯(cuò)誤，從而使回退加工失敗。由于數(shù)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(nèi)。

2）由于數(shù)控火焰切割機(jī)一般采用開環(huán)或半閉環(huán)控制，因此機(jī)械精度和傳動(dòng)間隙會(huì)對(duì)C點(diǎn)的定位是否準(zhǔn)確造成影響，這個(gè)問題在其他回退加工方式中依然存在，可以通過提高機(jī)械精度和反向間隙補(bǔ)償來克服。

4 結(jié)論

回退加工是數(shù)控火焰切割機(jī)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(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成功用于成都華遠(yuǎn)電器有限公司的火焰數(shù)控切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。

[1]陳金成,周向東,黃劍.基于工業(yè)PC機(jī)的數(shù)控火焰切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)[ ].機(jī)床與液壓,1999,5.

[2]宋喜慶,李滿霞.新型數(shù)控火焰切割機(jī)智能系統(tǒng)[ ].電工技術(shù),2003,9.