CN2123394U - 微机数控管切割机 - Google Patents

Abstract

一种用来对钢管以及大型圆柱体上的复杂相贯 线进行切割加工的微机数控管切割机，其特点是在主 轴箱中有一个既可旋转又可作轴向移动的主轴，切割 枪通过安装杆固连在主轴端头，加工时使主轴轴线与 马鞍短节轴线重合。用一个两轴联动的微机数控装 置，分别控制主轴的旋转和轴向移动。在微机软件的 支持下，可自动加工出相贯线。该机结构简单、体积 小、重量轻，适宜于安装工地中固定管道的切割加工 和大型压力容器的切割加工。

Description

本实用新型属于热切割加工技术，特别涉及一种对大型圆柱体、钢管上复杂相贯线进行切割加工的装置。

目前数控管切割机在国内尚属未见。在国外（如德国和日本）虽有几种数控管切割机，但这些数控管切割机的共同特征是将被加工管夹持在迴转卡盘上，切割枪安装在一个移动小车或是立柱导轨上，通过卡盘和移动小车或是移动在导轨上的切割枪的联动来实现相贯线的切割加工，如要加工焊接坡口，还需有切割枪的转角和辅助的直线运动。因此，这种切割机一般是5－6轴的数控管切割机。此机结构复杂、价格高、体积大、不能方便地移动，故不能在安装工地上使用，而且也不能对大型圆柱体上的相贯线进行切割加工。此外，由于这类数控切割机都是通过夹持管子迴转进行加工的，故能耗也高。

本实用新型的主要目的就是针对上述情况而研制的一种可方便移动的经济型微机数控管切割机。

本实用新型由机械装置和微机数控装置以及程序软件所组成。其中机械装置的核心是一个既可旋转又可作轴向移动的主轴***。由图1可知主轴的旋转运动由主轴旋转伺服电机（8）通过一套减速器（6）来驱动。主轴的轴向移动由主轴轴向位移伺服电机（11）通过一套将旋转运动变成直线运动的传动***来驱动。切割枪（1）通过安装调节杆（2）联接在主轴（15）的端头，整个主轴箱（16）由一支架（18）支承。在切割相贯线孔时，通过调整支架与被切割件的轴线位置以及主轴轴线与被切割件的夹角，就可使主轴轴线与马鞍短节的轴线一致。微机数控装置（17）由CPU板（25），功率放大器（22），键盘（29），（如图3所示）等组成。在切割加工时，先输入管径、速度、线型等参数。在微机软件的支持下，通过两台伺服电机控制主轴的旋转和轴向位移，便可加工出所需曲线。

下面简述微机数控软件原理：

a.相贯线的数学模型

为了切割相贯线首先要建立其数学模型，并整理成便于计算的表达式。为此先定义主轴的轴向位移为Z轴、主轴的转动为α轴。建立数学模型也就是要建立Z＝φ（α）关系式。考查图2所示情况，马鞍短节（20）轴线与Z轴同轴，承接件（21）的轴线与马鞍短节轴线不相交，有一偏心距E，并且不垂直，其斜交角为β，则它们的交线是偏心斜交相贯线，其方程式为

$Z=R\sqrt{1-(\frac{r}{R}\sin a+\frac{E}{R}{)}^2/}\cos \mathrm{\β}-r\cos \mathrm{atg\β}$

式中r为马鞍短节半径，R为承接件半径，

E为偏心量，    β为斜交角。

b.曲线分段逼近

在大多数数控***中仅有直线和圆弧插补功能，对于上述复杂空间曲线，只能将其分成若干段，然后逐段用等距螺线来逼近，等距螺线可用直线插补来实现。分段的方法可有多种，如等弧长划分、等夹角划分等。这里我们采取了等夹角划分，即各段△α＝αi＋1－αi相等。分段数和允许的加工误差有关，可经下述步骤确定（1）先预置一个分段数m；（2）根据管径、偏心量E、斜角β、线型参数等调用相应的关系式Z＝φ（α），求各分段中点的误差δi＝φ［αi＋αi＋1）／2］－［φ（αi）＋φ（αi＋1）］／2；（3）将各段δi和误差允许值［δi］比较，如有一个δi大于［δ］，则分段数m加倍，再重复上述步骤，直至所有δi均小于［δ］为止。经上述计算各段的Zi和△α已得出。

c.速度控制字的确定

数控装置通过控制主轴的转速和轴向移动速度来控制切割速度。由于切割速度与切割半径r有关，当切割速度V一定时，r越大，则主轴转速越小，其关系式为：

$V=\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\ΔSi}}{\mathrm{\ΔT}}=\frac{\sqrt{{(r\·\mathrm{\Δa})}^2+{\left(\mathrm{\ΔZi}\right)}^2}}{\mathrm{\ΔT}}$

式中V由键盘输入设定，△α由分段数确定△α＝2π／m，△Zi＝Z_i＋1－Zi，由上式可解出△Ti＝V／△Si，△Ti是切割该段曲线所需的时间，当采用数字积分法作直线插补，且字长为16位时，则切割该小段曲线应采用的累加频率为fi＝2¹⁶／△Ti。因此fi就是该段速度控制字，fi越大则切割速度越快。

d.软件框图说明

考虑到要完整地编制一套数控软件，完成相贯线的切割加工对一般技术人员而言是十分困难的，我们认为数控***应选择目前国内已批量生产的微机数控***，这里给出计算各分段点程序的框图，该程序可以用高级语言来编制。例如，选择的微机数控***以Z80为CPU，则可以采用FORTRAN语言编制计算源程序，再通过编译连接生成目的程序装入数控***中，加工时先调原***的监控程序、输入管径、偏心量、线型速度等参数，然后启动本计算程序，计算出分段数m，各分段点座标Zi以及fi，并根据所用数控***的编程格式将其转为数控指令存入内存的指定区中，这样就简化了编程的复杂程度，最后启动数控***的加工程序，即可完成切割加工任务。如图5所示，启动计算程序后，该程序首先预置分段数，然后根据线型参数转到相应程序段求分段值m，m值确定后，求各分段点的坐标增量△Zi，接着求各段速度控制字fi，然后将它们存入内存入一个特定区，最后调用后置处理程序。将△α，△Zi以及fi转换成所需的数控指令。后置处理程序和所选的数控***有关。

图1是数控管切割机的总图，图2是数学模型说明图，图3是数控***硬件图，图4是加工方式图，图5是一种计算程序框图。

本实用新型实施方案可以有多种，例如机械装置中主轴旋转的传动方案可以用齿轮减速器，也可用蜗轮蜗杆机构，其轴向移动的传动方案既可用齿轮齿条机构，也可用丝杆螺母机构或用直线电机，伺服电机可选直流伺服电机或是步进电机，数控装置的实施方案也可有数种，可以直接选用一种市场上售的两轴联动微机数控装置，编程时先由人工计算△Zi和fi值，然后键入，或是装上专用软件计算上述值。也可采用单片机组成最低成本***。

下面结合附图对本装置的细节加以说明。

图1  给出了机械装置的最佳实现方案。

由图1可知，主轴旋转的传动路线为：步进电机（8）通过联轴器（7）到谐波减速器（6）再经过齿轮（4）到齿轮（3），主轴（15）套在齿轮（3）内，二者间有一滑动键（5），齿轮（3）旋转就带动主轴（15）转动了。其轴向移动路线为：步进电机（11）通过联轴器（12）直联丝杆（10）。在螺母（19）上装有一个键（13），在套筒（9）上有槽，因此螺母不能转动，当丝杆（10）旋转时，螺母通过推力轴承（14）带动主轴作轴向移动。切割枪（1）通过一根安装调节杆（2）固连在主轴（15）下端，通过调整调节杆，便可调节加工直径和切割枪夹角K。由于在主轴旋转传动链上使用了谐波减速器，在轴向移动传动链上采用丝杆内装在主轴内的方案，且主轴箱壳件（16）和套筒（9）均采用铝合金制造，故此机有主轴***传动效率高，丝杆螺母机构不受粉尘污染的影响，精度保持性好，且体积小、重量轻等特点。因具备上述特点，此装置可方便地安装在各种支撑架上，以满足在施工工地进行切割加工和对大型容器进行切割加工的需要。

附图4表示3种不同的加工方式。

图4a表示加工固定管上的直角对心或偏心相贯线孔的情况。将切割机的主轴竖直安装在一个具有V型底面的小型支架上，此时整个机器的总重量约为30公斤，可以方便地移动。

图4b表示马鞍短节水平放置，切割机的主轴水平布置加工相贯线端头的情况。

对于大型容器上的相贯孔加工可考虑使用具有V型底面的小型支架，将切割机跨骑在容器上加工也可考虑用落地式支架。将切割机主轴水平布置（如图4c所示）。

图3是最佳数控装置实施方案的硬件***图。该***为两轴联动步进电机数控***，CPU板采用启东计算机厂生产的51系列单片机板SCB－31－I，该板通过并行口经过光电隔离器（24）与外设（23），（26）、（27）、（28）打交道，功率放大器（23）放大微机发出的脉冲信号，驱动步进电机（22）作两轴联动，实现连续轨迹控制。键盘和显示器（29）提供了人机对话的功能。（26）为控制电磁气阀的继电器，电磁气阀用来控制氧气和乙炔气的开通或关断。（27）为上限行程开关，（28）为下限行程开关，微机中已固化了相贯线和管端斜截曲线的程序，故仅需键入几个参数便可完成切割加工任务。

综上所述，该数控管切割机与国外的数控管切割机相比，具有***简单、价格低廉、能耗低，且容易制造等优点。从应用范围来看，由于该机有体积小、重量轻的特点，可以对大型圆柱体以及固定管道上的复杂相贯线（对心直交，偏心直交，对心斜交，偏心斜交）以及管端头斜截曲线进行切割（气割或等离子体切割），还可在钢板上割圆。因此用途更加广泛。与目前国内技术水平比较，无论从加工效率、质量或整机功能上都有明显的进步。该机的问世，无疑将提高我国热切割加工装备的水平。

Claims (3)

1、一种由机械装置，微机数控装置和软件***所组成的微机数控管切割机，其机械装置由主轴(15)，伺服电机(8)(11)，减速器(6)，切割枪(1)，安装调节杆(2)，主轴箱(16)，支架(18)所组成；其微机数控装置由CPU板(25)、功率放大器(23)、键盘(29)所组成，其特征在于：

所述的机械装置由伺服电机(8)通过一套齿轮减速器(6)或蜗轮蜗杆减速器来驱动主轴(15)作旋转运动，由伺服电机(11)通过一套将旋转运动变成直线运动的丝杆螺母机构或齿轮齿条机构来驱动主轴作轴向移动，切割枪(1)通过安装调节杆(2)联接在主轴(15)的下端头，主轴箱(16)由一支架(18)支承；

所述的微机数控装置为两轴联动步进电机数控***，CPU板通过其并行口经过光电隔离器(24)与外设(23)(26)(27)(28)相连通，功率放大器(23)放大微机发出的脉冲信号，驱动电机(22)作两轴联动；

2、如权利要求1所述的微机数控管切割机，其特征在于：所述机械装置中驱动主轴旋转的传动***系由一联轴器（7）将伺服电机与谐波减速器（6）的输入轴相联，齿轮（4）固接在谐波减速器的输出轴上，与齿轮（4）啮合的齿轮（3）套在主轴（15）上，并通过一滑动键（5）相联接所构成；其驱动主轴（15）轴向移动的传动***系由联轴器（12）将丝杆（10）直联伺服电机（11），与丝杆（10）相配合的螺母（19）通过键（13）与主轴箱（16）上的一带槽的套筒（9）相联接，螺母（19）套装在主轴（15）的上端并且通过轴承（14）与其相连所构成；所述的电机（8）（11）可采用步进电机。

3、如权利要求1、2所述的微机数控管切割机，其特征在于：所述的数控装置上设置有控制电磁气阀的继电器（26）和控制主轴（15）轴向位移行程的上限行程开关（27）和下限行程开关（28）。

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