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：
本實用新型屬于熱切割加工技術(shù)，特別涉及一種對大型圓柱體、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)在國內(nèi)尚屬未見。在國外(如德國和日本)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，切割槍安裝在一個移動小車或是立柱導(dǎo)軌上，通過卡盤和移動小車或是移動在導(dǎo)軌上的切割槍的聯(lián)動來實現(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。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、價格高、體積大、不能方便地移動，故不能在安裝工地上使用，而且也不能對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)都是通過夾持管子迴轉(zhuǎn)進(jìn)行加工的，故能耗也高。
本實用新型的主要目的就是針對上述情況而研制的一種可方便移動的經(jīng)濟(jì)型微機(jī)數(shù)控管切割機(jī)。
本實用新型由機(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既可旋轉(zhuǎn)又可作軸向移動的主軸系統(tǒng)。由


圖1可知主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由主軸旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)(8)通過一套減速器(6)來驅(qū)動。主軸的軸向移動由主軸軸向位移伺服電機(jī)(11)通過一套將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動的傳動系統(tǒng)來驅(qū)動。切割槍(1)通過安裝調(diào)節(jié)桿(2)聯(lián)接在主軸(15)的端頭，整個主軸箱(16)由一支架(18)支承。在切割相貫線孔時，通過調(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，先輸入管徑、速度、線型等參數(shù)。在微機(jī)軟件的支持下，通過兩臺伺服電機(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逼近，等距螺線可用直線插補(bǔ)來實現(xiàn)。分段的方法可有多種，如等弧長劃分、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)控裝置通過控制主軸的轉(zhuǎn)速和軸向移動速度來控制切割速度。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，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間，當(dāng)采用數(shù)字積分法作直線插補(bǔ)，且字長為16位時，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)選擇目前國內(nèi)已批量生產(chǎn)的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，這里給出計算各分段點程序的框圖，該程序可以用高級語言來編制。例如，選擇的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)以Z80為CPU，則可以采用FORTRAN語言編制計算源程序，再通過編譯連接生成目的程序裝入數(shù)控系統(tǒng)中，加工時先調(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)，然后啟動本計算程序，計算出分段數(shù)m，各分段點座標(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，這樣就簡化了編程的復(fù)雜程度，最后啟動數(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，啟動計算程序后，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是一種計算程序框圖。
本實用新型實施方案可以有多種，例如機(jī)械裝置中主軸旋轉(zhuǎn)的傳動方案可以用齒輪減速器，也可用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，其軸向移動的傳動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)控裝置的實施方案也可有數(shù)種，可以直接選用一種市場上售的兩軸聯(lián)動微機(jī)數(shù)控裝置，編程時先由人工計算△Zi和fi值，然后鍵入，或是裝上專用軟件計算上述值。也可采用單片機(jī)組成最低成本系統(tǒng)。
以下結(jié)合附圖對本裝置的細(xì)節(jié)加以說明。
圖1 給出了機(jī)械裝置的最佳實現(xiàn)方案。
由
圖1可知，主軸旋轉(zhuǎn)的傳動路線為步進(jìn)電機(jī)(8)通過聯(lián)軸器(7)到諧波減速器(6)再經(jīng)過齒輪(4)到齒輪(3)，主軸(15)套在齒輪(3)內(nèi)，二者間有一滑動鍵(5)，齒輪(3)旋轉(zhuǎn)就帶動主軸(15)轉(zhuǎn)動了。其軸向移動路線為步進(jìn)電機(jī)(11)通過聯(lián)軸器(12)直聯(lián)絲桿(10)。在螺母(19)上裝有一個鍵(13)，在套筒(9)上有槽，因此螺母不能轉(zhuǎn)動，當(dāng)絲桿(10)旋轉(zhuǎn)時，螺母通過推力軸承(14)帶動主軸作軸向移動。切割槍(1)通過一根安裝調(diào)節(jié)桿(2)固連在主軸(15)下端，通過調(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)傳動鏈上使用了諧波減速器，在軸向移動傳動鏈上采用絲桿內(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。因具備上述特點，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具有V型底面的小型支架上，此時整個機(jī)器的總重量約為30公斤，可以方便地移動。
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)控裝置實施方案的硬件系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)為兩軸聯(lián)動步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，CPU板采用啟東計算機(jī)廠生產(chǎn)的51系列單片機(jī)板SCB－31－I，該板通過并行口經(jīng)過光電隔離器(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，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)(22)作兩軸聯(lián)動，實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。鍵盤和顯示器(29)提供了人機(jī)對話的功能。(26)為控制電磁氣閥的繼電器，電磁氣閥用來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)與國外的數(shù)控管切割機(jī)相比，具有系統(tǒng)簡單、價格低廉、能耗低，且容易制造等優(yōu)點。從應(yīng)用范圍來看，由于該機(jī)有體積小、重量輕的特點，可以對大型圓柱體以及固定管道上的復(fù)雜相貫線(對心直交，偏心直交，對心斜交，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。與目前國內(nèi)技術(shù)水平比較，無論從加工效率、質(zhì)量或整機(jī)功能上都有明顯的進(jìn)步。該機(jī)的問世，無疑將提高我國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)通過一套齒輪減速器(6)或蝸輪蝸桿減速器來驅(qū)動主軸(15)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，由伺服電機(jī)(11)通過一套將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動的絲桿螺母機(jī)構(gòu)或齒輪齒條機(jī)構(gòu)來驅(qū)動主軸作軸向移動，切割槍(1)通過安裝調(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)動步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，CPU板通過其并行口經(jīng)過光電隔離器(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，驅(qū)動電機(jī)(22)作兩軸聯(lián)動；
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)動主軸旋轉(zhuǎn)的傳動系統(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，并通過一滑動鍵(5)相聯(lián)接所構(gòu)成；其驅(qū)動主軸(15)軸向移動的傳動系統(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)。
專利摘要一種用來對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)，其特點是在主軸箱中有一個既可旋轉(zhuǎn)又可作軸向移動的主軸，切割槍通過安裝桿固連在主軸端頭，加工時使主軸軸線與馬鞍短節(jié)軸線重合。用一個兩軸聯(lián)動的微機(jī)數(shù)控裝置，分別控制主軸的旋轉(zhuǎn)和軸向移動。在微機(jī)軟件的支持下，可自動加工出相貫線。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、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B23K7/00GK2123394SQ9220183
公開日1992年12月2日 申請日期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 申請人:武漢水利電力學(xué)院