黄志荣，毛建秋，丁仕燕

(常州工学院机电工程学院，江苏常州 213002)

随着我国海洋石油、环保、水电、管道输油、输气等重点工程的建设，对管—管、管—板相交各种型式的焊接接头需求越来越大;同时，为保证良好的配合精度及焊接质量，对管件加工精度提出了很高要求。而先进的热切割设备是保证焊接产品质量的关键之一［1］。目前社会上加工此类产品的主流设备是数控切割机，有着广泛的应用。

根据管端相贯线切割原理得到切割管端管—管正交状态下所产生的相贯线及定角度的坡口，一个三轴联动的数控系统即可实现，主要运动方式为轴向进给运动、钢管回转运动以及割炬的摆角运动［2］。在充分比较和研究了普通车床的机械结构及运动方式，对某院闲置设备普通车床C616A进行了机械装置和数控系统的改造工作，成功研制了教学型数控钢管管端相贯线火焰切割机。下面将对其机械装置及数控系统部分进行详述。

1 机械装置设计

由普通车床改造成的数控钢管管端相贯线火焰切割机主要由五大部分组成:钢管回转运动装置1，轴向进给系统装置2，割炬运动装置3，床身导轨4(带两个限位开关)，配电柜及控制操作装置5，如图1所示。

图1 机床总图

(1)钢管回转装置

该钢管回转运动装置是在车床的主轴箱上进行改造，其运动方式是通过步进电机1带动主轴2旋转，从而使主轴2上的三爪卡盘3和管件4进行回转运动，如图2所示。

图2 钢管回转装置

(2)轴向系统进给装置

该轴向进给系统装置主要是在车床原有的进给运动装置上改造完成，其运动方式主要是通过步进电机1带动传动丝杠2旋转运动，从而使原车床上的溜板作直线运动，即实现固定在溜板上的割炬装置整体作轴向进给运动，如图3所示。

图3 轴向系统进给装置

(3)割炬运动装置

割炬运动装置图见图4，线性模组8固定在角支撑板9上，同时都固定在轴向进给系统装置中的溜板上，可进行直线运动。线性模组8(外购)主要由旋钮、电机、联轴器、滚珠丝杠、丝杠螺母、工作台、圆导轨、限位开关(两个)、本体组成。割炬1通过割炬夹具2与前竖杆3连接起来，前竖杆3、短连杆4、中竖杆5、长连杆6以及后竖杆7由转动销和螺栓紧固连接。以上这些零件和剖视图中的零件一起固定在线性模组8的工作台上，可跟随工作台整体作上下直线运动，主要是针对切割不同直径的钢管，调整割炬的初始位置。该装置可以自动调整也可以通过旋转线性模组8中的旋钮手动调整，在此次改造中，为了设计操作方便，降低成本，在此处设计为手动调整。

通过图4可知，在进行相贯线切割时，通过电动机10带动转轴11旋转运动，从而带动后竖杆7旋转运动，后竖杆7的两侧各有1个限位开关，控制转动的极限位置。后竖杆7运动带动长连杆6运动，长连杆6运动带动中竖杆5和前竖杆3运动，中竖杆5运动带动短连杆4运动，短连杆4运动带动前竖杆3运动，这些连杆形成一个平行四边形运动机构。前竖杆3运动从而带动割炬夹具2运动，从而实现控制切割时割炬1的运动。

图4 割炬运动装置

通过以上论述和相关图例可见，在普通车床C616A上改造所研制出的数控钢管管端相贯线火焰切割机，采用了最优化的方案，尽可能地保留了原有普通车床的基本结构，如床身、导轨、主轴箱和进给装置部分，仅拆卸了刀架和尾架部分，并把原有的带轮部分去除，改造成由两个步进电机与相应的机械结构进行连接，实现数控钢管管端相贯线火焰切割所需要的钢管回转运动和割炬进给运动。此次机械部分的改造工作主要是设计了割炬运动装置部分，该机构对于实现相贯线切割至关重要。此次改造成本低廉，操作简单方便，而且易于还原，对闲置设备的再利用有着重要的实际指导意义。

2 数控系统硬件设计

近年来，随着工业PC机性价比的大幅度提高，以工业PC机为核心，在Windows操作系统下发展通用的数控系统，已成为数控技术发展的新潮流［3］。由于该数控钢管管端相贯线火焰切割机控制精确度、工作速度及载荷要求都不是很高，所以数控控制系统采用开环控制方式。该数控装置由步进电机、配电箱、运动控制器和PC机组成，是一个经济型驱动系统，其控制系统硬件框图如图5所示。

图5 控制系统硬件框图

该数控系统中共有3个步进电机，分别为钢管回转轴θ轴电机、割炬摆角ω轴电机以及轴向Z轴电机，电机及电机驱动器均选用了奥托尼克斯电子有限公司的A200K-G599(W)-G7.2型的齿轮型五相步进电动机和电机驱动器，运动控制器选用固高公司生产的GT系列运动控制器GT-400-SV-ISA-G，该运动控制器可实现多轴协调运动。

电气原理如图6所示，带锁开关SA是打开电源的总开关，按钮SB2、SB1控制θ轴(钢管回转轴)驱动电源接通和断开，按钮SB4、SB3控制Z轴驱动电源接通和断开，按钮SB6、SB5控制ω轴(割炬摆动轴)电源接通和断开。HL0、HL1～HL3分别为总电源及驱动器的接通状态指示灯。带指示灯按钮SB7、SB8控制电气柜冷却风扇的启、停。为了防止Z、ω轴在移动过程中超出行程范围，两轴各安装正向、负向两个行程开关(图中为SQ1、SQ2、SQ3、SQ4)。

图6 电气原理图

3 数控系统软件设计

该数控系统软件以Windows为平台，以VB6.0为开发工具。软件系统采用模块化思想设计，主要包括2大模块，如图7所示。系统设置模块负责完成相贯线参数设置、切割速度设置;加工模块中轨迹插补计算模块负责计算相贯线的轨迹，运动控制模块利用插补计算结果，调用运动控制卡的运动控制函数完成割炬位姿的实时控制，运动轨迹显示模块在切割过程中显示当前割炬的位姿参数具体组成。

软件界面主要包含了显示部分、参数输入框、功能控制按钮。显示部分分为两种显示方式:(1)图形显示方式。图形显示中包含了管—管垂直相交状态下的相贯线图和运动状态图，运动状态图显示了切割过程中切割点的几何位置;(2)坐标显示方式。显示了切割点的坐标值，坐标值精确到小数点后两位。参数输入框完成了相贯线切割的几何参数和切割速度的设定。功能控制按钮主要是完成切割时的有关运动控制，此处不再一一叙述。如图8所示，该界面为程序运行结束时界面，图中完整显示出了相贯线的切割轨迹。

图7 控制系统软件框图

图8 软件运行结束界面

4 结论

在实验室闲置设备普通CA616车床的基础上开发的教学型数控钢管管端相贯线火焰切割机填补了某院在此方面设备的空白，对该院相关课程的教学实验、实践环节及加工等具有重要意义，同时对数控火焰其他类型切割方式的研究有重要的指导意义，而且对闲置设备的数控改造再利用也具有重大的指导意义。另外，通过后续相关工作的完善和工业化用途的转化，该数控钢管管端相贯线火焰切割机完全可以用于实际生产，且成本低廉，操作简单，具有较强的市场竞争力，且在此基础上可以开发完成相关需求的工业用途的系列化生产型设备。

此次研制的数控钢管管端相贯线火焰切割机存在以下三点不足:(1)此次所研究的相贯线类型仅仅是针对管—管垂直相交状态下的管端相贯线，对于其他类型的相贯线如管—管相贯倾斜相交、偏心垂直交叉和主管开孔等未做深入研究;(2)根据相贯线切割理论，应有更为新颖和简单的割炬位姿装置，此次研究中仅有初步设想，并未深入分析、设计和试验;(3)此次所开发的数控钢管管端相贯线火焰切割机的数控系统采用的是三轴联动开环式控制方式，目前市场上有些高档产品已经是四轴乃至是五轴联动半闭环式控制方式，能够实现更多复杂类型的相贯线切割工作，在此方面有较多的空间值得去探讨和研究。

［1］聂晓根，刘艳斌，曾露莎．管件数控火焰切割割炬轨迹建模［J］．工程图学学报，2008(3):148－150．

［2］王国栋，阎祥安，肖聚亮，等．管端相贯线坡口切割割炬位姿控制［J］．天津大学学报，2005，38(8):684－688．

［3］彭子龙，尤波．基于IPC的数控火焰切割机经济型数控系统开发［J］．哈尔滨理工大学学报，2006，11(1):142－145．