摘要 介绍一种带旋转三割炬火焰切割机，该切割机能在切割零件轮廓的同时连同K型的焊接坡口一同切出；并对该切割机数控系统的硬件和软件的设计作了详细的论述。
关键词 火焰切割机 旋转三割炬 焊接坡口 数控系统
1 前言
我国的工厂企业，每年要把千万吨的钢材通过热切割设备分解成各种形状的零件。对于碳钢，氧焰切割是最主要的手段。数控火焰切割机的推广使用，不仅使切割效率大为提高，而且使材料的利用率上升了几个百分点，其社会经济效益相当可观。但目前使用的数控火焰切割机一般只是两轴联动控制的，只带有一把垂直于钢板平面的割炬，因此它只能切割出任意轮廓的零件，而不能切割出这些零件上的焊接坡口。而实际情况中，零件被切割以后往往需要焊接，因此必须再增加开焊接坡口这一道工序，否则不能保证焊接质量。针对这一情况，本文提出了基于工业PC机的带旋转三割炬的数控火焰切割机。该切割机由X、Y和C三轴联动控制，其中X、Y轴控制旋转三割炬的运动轨迹，C轴控制旋转三割炬的转角，它随X轴和Y轴坐标的变化而发生转动（图1）。这样就能使切割机在切割零件轮廓的同时连同零件的焊接坡口一起切出。切割后，只要将熔渣清除干净即可焊接，避免了再开焊接坡口这道工序。
图1 旋转三割炬的示意图
2 数控系统硬件的设计
该数控火焰切割机数控系统的硬件框图如图2所示，主要包括工业PC机、运动控制卡和伺服系统。其中工业PC机是数控系统的核心，它担负着切割机运动轨迹的计算（粗插补）以及对整个系统管理的任务；运动控制卡插在工业PC机的扩展槽中，它一方面与伺服系统相连，实现对切割机运动轨迹的控制（精插补）。另一方面与机床操作面板及控制气源的继电器相连，通过操作面板，可以调整机床的位置，指令机床启动、暂停或沿原切割轨迹返回，还能实现切割速度的加速与减速；通过继电器，可以控制氧气和乙炔气体的开关。伺服系统可以选择步进伺服系统或全数字交流伺服系统。
图2 数控系统硬件框图
运动控制卡由自己设计，它主要包括译码电路、振荡电路、I/O端口电路、脉冲控制电路、中断电路以及光电隔离输入输出电路。其中译码电路为运动控制卡提供一个接口地址段，通过拨码开关可以更改该地址段的范围；振荡电路为运动控制卡上的脉冲控制电路提供固定频率的脉冲源；I/O端口电路由两片8255并行口芯片组成，其主要作用是输出切割机气源控制信号及输入机床按钮信号；脉冲控制电路由三片8254计数器组成，每片8254计数器分别控制一个轴的伺服电机；中断电路是为控制程序提供硬件中断信号而设计的；光电隔离输出输入电路将工业PC机电源和外界电源隔离，减少外界电源对计算机的干扰。运动控制卡设计的原理如图3所示。
图3 运动控制卡的原理图
3 数控系统软件的设计
数控系统的软件由两部分组成：第一部分CAD/CAM模块实现图形自动编程功能；第二部分CNC模块实现切割机运动轨迹以及气源控制功能。两部分的模块框架如图4所示。
图4 系统软件框图
3.1 自动编程系统设计
与传统的自动编程系统不同，本文采用图形自动编程系统。编程时不需要编辑零件源程序，只要在Auto CAD环境中将要切割的零件排列好，系统能自动将图形转化成数控代码，从而避免了信息的重复输入，提高了编程效率及可靠性。
3.1.1 零件图形的编辑
该模块利用汉化Auto CAD图形软件，编程者在Auto CAD环境下进行图形输入、编辑，按下料钢板的大小设置图框尺寸，将要切割的零件在图框内排列好，并加上切割引线。
3.1.2 图形数据的提取和切割路径的规划
Auto CAD系统提供了一个与其它高级语言的接口文件——DXF图文交换文件，它将Auto CAD提供的数据以固定的格式输出。从DXF文件我们可以提取零件的轮廓数据，它包含了设计零件的全部实体，但各个零件的实体夹杂排列在一起，所以必须对这些数据进行处理，使每个零件的实体放在一起，并且使零件的各实体首尾相连。
3.1.3 火焰半径补偿及过渡圆弧的计算
在切割过程中，由于火焰喷嘴有一定的半径，因此，火焰喷嘴中心的运动轨迹并不是零件的实际轮廓，必须对各个零件进行火焰半径补偿处理。且在切割过程中，火焰喷嘴是不允许暂停的，因此，在实体与实体之间须增加一段半径为火焰喷嘴半径的过渡圆弧，在切割完一个实体后，使旋转三割炬的转角逐步过渡到下一个实体。
3.1.4 数控程序的生成
通过以上计算，已经求得火焰喷嘴中心实际的运动轨迹。根据切割加工工艺的需要，该系统还增加了如下六条辅助指令：
M12——点火 M24——预热 M13——熄火
M14——开切割氧 M15——关切割氧
M00——程序结束
3.2 控制程序设计
根据切割加工工艺的要求，同时又能充分发挥工业PC机的优点，该切割机的控制程序可按以下几个模块来设计。
3.2.1 程序检验及图形仿真模块
程序运行的第一步是检验输入的数据文件是否符合规定的要求，一旦发现指定的文件中有非法的指令，则退出控制程序，并提示编程人员哪一行出现哪一种类型的错误，编程人员修改好数控代码文件以后，可继续进入控制程序。图形仿真模块将读入G代码经过处理画出零件图形，无论零件有多大或多小，系统都能自动按比例缩放。
3.2.2 转角计算模块
由于自动编程系统生成的数控代码文件只包含零件轮廓的信息，没有包含旋转三割炬转角的信息，因此在该模块中必须根据零件的轮廓计算出旋转三割炬的转角，并计算出切割每个零件前旋转三割炬的初始转角，为插补控制作好准备。
3.2.3 插补控制模块
此模块解释数控代码文件中的G00，G01，G02，G03类运动指令，由于运动控制卡没有插补控制指令，因此在执行这些指令前必须由工业PC机作一些数据处理。该模块一方面根据数控代码文件中的数值以及各轴的脉冲当量，计算出X、Y和C轴的脉冲数；另一方面根据指定的切割速度，计算出各轴的分频系数。并在上一条指令执行结束时，将计算出的脉冲数的分频系数送到对应8254计数器的对应通道。
3.2.4 轨迹的动态跟踪模块
该模块完成切割嘴位置的动态跟踪显示，从显示屏上，操作者可以清楚地看到当前的切割位置。该模块通过不停地读回8254计数器的计数值，得到剩余的脉冲数，经过数据处理得到当前切割位置的屏幕坐标，并用小箭头指示旋转三割炬的位置，用指针指示旋转三割炬的转角。
3.2.5 系统管理模块
该模块用来在切割过程中对整个系统的管理，包括暂停、启动、返回、退出、升降速的控制以及对限位信号的处理。
4 结束语
该切割机的数控系统具有良好的人机界面，可以进行图形编程，在切割过程中具有切割轨迹的动态跟踪功能。该数控系统已在实验室里连接交流伺服系统及步进伺服系统进行调试，在调试过程中，两种电机均能平稳运转，控制程序中提到的功能全部实现。该数控系统的硬件部分已在实际中得到应用。
