不锈钢管相贯线等离子切割机数控系统的实际应用研究

龚 君，王 丽，赵寿宽

（正德职业技术学院，江苏 南京210000）

相贯管材不锈钢管厚度仅有2 cm 左右，管壁不锈钢管具有机械强度高、有效抵抗高温的作用，在生产和生活多个领域中得到广泛的应用。然而，在切削加工不锈钢管时，受其塑性和热强度影响，刀具经常与不锈钢管相粘结。因此，为了避免切割过程中相贯线薄壁钢管出现形状变化，对刀具进行全面保护，促进切割质量提高，必须采取合理的方式切割，并确定符合实际需要的相贯线。

1 相贯线的形成机理和等离子切割机的机械结构

1.1 相贯线的常见类型

对于两个相贯体来说，在其表面相交的线就可以称之为相贯线，相贯体的形状、大小等都会对相贯线产生影响[1]。以两相贯体的位置为主要依据，可以将相贯线分成多种不同的类型，正交、斜交等最为常见。

1.2 相贯线形成机理的研究

1.2.1 圆管-圆管相贯线的形成机理

主管相贯线的形成机理：通过一定的防水垂直升降运动等离子头后，再进行切割，同时需要对等离子头与被切管之间的径向位置关系进行调整[2]。在正式切割时，需要按照一定的速度围绕X轴做回转运动，同时进给等离子头，以管壁厚度和被切管自身的回转速度为依据，决定进给速度，通过两轴联动准确开孔主管相贯线。

支管相贯线的形成机理：对等离子头与被切管之间的相对位置关系进行调整后，再进行切割。正式切割时，按照设定的速度回转切管，同时沿着被切管轴线平移等离子头，两轴联动准确切割支管端面相贯线。

1.2.2 圆管-方管相贯线的形成机理

主管相贯线的形成机理：在正式切割之前，需要垂直升降等离子头，对等离子头与被切管之间的径向位置关系进行调整[3]。在正式切割时，依据设定速度进行回转运，同时按照一定步距供给等离子头，由被切管的形状、管壁厚度等决定进给速度，准确开孔时两轴必须联动。

方管相贯线的形成机理：对等离子头与被切管之间的相对位置关系进行调整后，再进行切割。正式开始切割时，固定不动被切管，分别向纵向和横向供给等离子头；加工另一平面时，为了避免被切管与等离子头相碰触，需要沿着Z轴方向平移等离子头，然后绕自身轴线将方管回转90°。三轴联动实现准确切割方管端面相贯线。

1.3 不锈钢管相贯线等离子切割机的运动分析

管件相贯型式比较多元，由此出现的相贯线类型也会更加多样。在对不同类型的相贯线进行切割时，需要的联动轴数及其相互关系会存在一定的差异。本文主要以不锈钢管作为研究对象，所有钢管厚度均处于1～2 cm 之间，所以，在切割等离子的过程中切割坡口问题不需要进行分析和考虑。这在一定程度上会简化不锈钢管相贯线等离子切割机的机械结构。

当相贯两个圆管时，需要对主轴与等离子头进行合理的控制，才能顺利开孔主管。当相贯圆管和方管时，当开孔主管时，需要对主轴与等离子头的纵向移动进行同时控制；但是支管对某一端面进行切割时，主轴始终保持位置不变，需要对等离子头横向进行同时控制，然后将主轴旋转90°后，再对方管的另一端面进行切割。

综上所述，相贯线等离子切割机在工作过程中需要联动不同的轴，拥有多个自由度。

1.4 不锈钢管相贯线等离子切割机的机械结构

通过分析相贯线的形成机理和切割机运动可以明确，在对不锈钢管相贯线等离子切割机的机械结构进行设计时，需要对不同轴运动的最大扭矩和驱动功率进行准确计算，将A轴主传动系统与辅助装置等合理结合。主传动系统在工作过程中会依靠电机，传动同步带时，带与带轮相对比较稳定，两轮的圆周速度保持同步，并且其传动可以始终保持稳定的状态，优化结构。所有轴在传动过程中均需要依赖电机，导轨滑动导轨结构产生的摩擦阻力比较小，并且可以准确定位。等离子头和气动卡盘夹紧结构是辅助装置的重要组成部分。在对各系统零部件进行绘制时，需要结合机构设计要求，运用目前最为先进的软件进行绘制，然后将不同零部件合理组合，形成等离子相贯线切割机的三维实体模型。

2 不锈钢管相贯线等离子切割机数控系统的实际应用

硬件和软件是数控系统的重要组成，合理配合硬件和软件，准确组织，统一进行输入，并针对性地处理数据，使数控机床可以严格按照规定要求自动进行加工。本文所研究的不锈钢管相贯线等离子切割机，具有较高的开放性，可以快速处理信息，准确控制运动轨迹，主要是因为应用了运动控制卡结构。

2.1 数控系统的硬件结构

PC 机、GE 系列运动控制卡等是相贯线等离子切割机系统的重要组成，也是最为主要的硬件结构。

2.1.1 GE 系列运动控制器的概述

对于CNC 控制系统来说运动控制器是重要的组成部分，具有多元化的功能，其中控制、插补运动轨迹等是其最为主要的作用。本文所选用的运动控制器非常先进，结合相关标准选择PCII 总线，可以有效控制连续运动轨迹。DSP和FPGA 是其核心组成，可以准确计算和控制多轴协调运动和提高性能，适用范围非常广阔，可以在数控机床、木工机械等不同领域应用。PC＋运动控制器是GE 系列运动控制器的主要模式，可以对信息进行快速处置，拥有较高的开放水平，同时可以准确控制运动轨迹，具有良好的通用性。

此运动控制器还可以提供动态链接库，该链接库含有大量的库函数，可以对复杂物体进行合理的控制。将数据处理、界面显示等与控制函数集成，可以建立稳定的控制系统，满足多方面的应用要求。

2.1.2 伺服驱动系统控制原理

数控机床以伺服结构作为主要的执行机构，可以准确联系数控装置和机床本体，分为开环伺服系统等多种不同的系统。开环伺服系统在进行控制时，主要通过PC 机统一发出指令，保证GE 运动卡可以在第一时间完整接收信号，经过合理控制和准确运算后，将指令脉冲发出，放大插补脉冲后直接驱动步进电机，就可转到相应的角度，然后在传动机构驱使下移动或者转动执行机构。从中可以看出开环控制值系统不具备反馈回路，只有前向通路，工作台位移量由输出脉冲数量决定，脉冲频率对步进电动机转速产生直接的影响，进而对共制作台运动速度进行合理控制。与开环伺服系统相比，半闭环与闭环伺服系统，增加了编码器之类的检测元件，并以此为核心形成了反馈回路，对执行机构的位置和速度进行全方位检测，结合反馈信号对伺服电动机的速度和位移进行针对性调节，进而对执行机构的速度和位移进行合理控制。本文选择开环控制不锈钢管相贯线等离子切割机，通过运动控制器对步进电机进行合理控制。在步进电机进行控制时，控制模式为开环控制，不需要反馈编码器的信号。

2.1.3 控制系统的建立

为了保持主机与运动控制器之间的联系，必须将控制系统安装在合理的位置。

2.1.3.1 正确连接PC 机与运动控制器

在计算机中插入运动控制器。在扁平电缆的帮助下连接转接挡板和运动控制器接口；将电源关闭，并将计算机主机打开，在PCI 插槽中插入运动控制器，并在机箱上固定ACCI转接板。

启动计算机之前，需要合理安装硬件，操作系统会对运动控制器进行自动检测，以安装向导提示为依据，将运动控制器通讯驱动程序安装到合适的位置。

2.1.3.2 连接步进电机与驱动器

以驱动器说明书为依据，正确连接步进电机与驱动器。采用启动细分驱动控制方法控制步进电动机，使电机精度可以得到进一步提升，避免噪声的产生。

2.1.3.3 系统调试运行

准确连接各部分后，代表控制系统建立完成，正确设置系统参数，准备调试系统，并对系统接线进行检查，明确系统工作状态。

2.2 系统软件开发

通过软件可以实现系统的绝大多数功能，在进行开发时需要选择目前最为先进的操作系统，选择具有可视化界面的VB 软件。多任务性要求系统可在同一时间完成多个不同的任务，并在同一时间内对同种性质的工作进行针对性处理。

2.2.1 CNC 系统的人机界面设计

圆管和方管切割主要需要依赖于不锈钢管相贯线等离子切割机，结合加工要求，对相贯线切割机CNC 系统软件结构进行科学设计，对人机界面进行合理开发，并对CNC系统程序进行准确开发。文件操作模块、视图模块等是CNC系统软件结构的重要组成。将这些模块设置成独立的窗体，可以为程序运行过程中操作不同模块提供便利，直接单击就可以快速操作。

机床原点、参考零点等都属于系统模块的主要组成，其存在可以准确设定相贯线切割机的相关参数，使系统整体性能得到进一步的优化，这些参数值直接决定相贯线切割机能否顺利工作。

2.2.2 软件程序开发

本文主要以前后台型结构模式为系统软件结构，该结构模式分为前后两种成宿。实时中断服务程序主要通过前台程序来完成；而PC 机可以实现后台程序，准确输入数据，并进行针对性的管理。在对应用程序进行开发之前，必须初始化运动控制器，并运用指令将运动控制器打开，与运动控制器建立通讯。

3 结论

本文对相贯线的形成机理和等离子切割机的机械结构进行了深入分析，并以此基础建立了不锈钢管相贯线等离子切割机数控系统，以此提高系统的精度和加工速度。