自動切管機數(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(實際存在部分)的交角，若為板時，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．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。

(5)錯心值ei:第i根相貫管軸線在XOZ平面上的投影與Z軸的交點(或被切管軸線與板面的交點)相對于Z坐標參考點的數(shù)值，有正負。

1.2相貫線及切割角的數(shù)學(xué)表達式

2相貫管端坡口的切割運動

自動切管機切割管端坡口的運動簡圖如圖2所示。

V1：割炬或被切管繞被切管軸線的轉(zhuǎn)動，所改造的切管機采用的是割炬繞被切管軸線轉(zhuǎn)動的運動形式，雖然成本較高，但避免了被切管繞其軸線轉(zhuǎn)動時的軸向竄動，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，它表征了相貫線Z坐標的變化。

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，其特征表明了實際切割角w的變化。

V4:割炬沿被切管徑向方向的移動,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行調(diào)節(jié)。

上述四個分運動分別由伺服電機R、Z、T和A來控制的。vl、v2、v3三個分起動的合成就形成了管端坡口的切割過程。運用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)點的幾何數(shù)據(jù)，將相鄰節(jié)點的θ、Z和w值的增量轉(zhuǎn)換為位置脈沖數(shù)，用于控制電機完成切割過程。需要指出的是，節(jié)點間距并非定值，而是由誤差條件控制的。

3數(shù)控系統(tǒng)的硬件

自動切管機的數(shù)控系統(tǒng)硬件主要包括工業(yè)PC機、位置控制卡、伺服電極驅(qū)動單元、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機選用了研華工控工作站IPC—822，位置控制卡選用了美國Parker Hannifin公司的AT6450。由于原設(shè)備的伺服電機、編碼器及飼服控制單元良好，因此對自動切管機數(shù)控系統(tǒng)的改造主要在于計算機部分。

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)字信號處理器的四軸位置控制卡(或稱伺服電機控制卡)。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，簡稱PIV&F)來計算確定控制信號的輸出電壓，用來控制運動的位置與速度。

    AT6450附有一輔助連接器．簡化了它與其它硬件的連接，該連接器的輸入為52個，輸出為40個，這些輸入／輸出用于設(shè)置與調(diào)整運動方式、反饋方式、控制算法、控制參數(shù)、中斷及控制信號輸出、狀態(tài)檢測、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)或動態(tài)連接庫來實現(xiàn)。以TC為例，所提供的函數(shù)為SendAT6450Block()和ReavAT6450Block()。 AT6450帶有啟動ROM，可以便用自動批處理、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的運動方式有絕對方式、增量方式和點到點方式，本系統(tǒng)采用的是增量方式和點到點方式，前者用于切割，后者用于輔助控制。

    AT6450控制運動的過程可通過執(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)的運動過程，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。

    在編輯命令文件時需要輸入命令及參數(shù)，對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，必要時可用中斷功能進行調(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可存儲數(shù)據(jù)程序．所謂數(shù)據(jù)程序是指將運動參數(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在數(shù)4據(jù)程序中的運動參數(shù)，進而可完成節(jié)點數(shù)日不確定的運動控制。本系統(tǒng)還使用了線性插補功能，在命令文件中定義了路徑速度和路徑加速度，AT6450自動利用線性插補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)點的幾何數(shù)據(jù)，將相鄰節(jié)點的幾何數(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++編制了自動切管機數(shù)控系統(tǒng)的軟件。利用該數(shù)控系統(tǒng)，改造過的自動切管機除完成以前具備的簡單的相賈管端坡口切割功能外、還能實現(xiàn)被切管與多管、被切管與多板及被切管與多管扳相貫時的管端坡口(簡稱多管、板相貫坡口)的一次切割成形；對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)工程實踐驗證，該系統(tǒng)運行可靠，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，不僅大大擴充了自動切管機的功能，而且實現(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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