隨著國家經濟的持續高速增長,油氣資源供應不足將成為阻礙經濟發展的主要矛盾。海洋油氣開發裝備產業是直接關系到海洋油氣資源開發、影響國家能源穩定和經濟安全的戰略產業,因此必須對油氣開采設備的精度和設備制造的效率提出更高的要求。海洋石油鉆井平臺是海洋油氣開發的關鍵裝備,其主要構件是H型鋼,如何提高H型鋼的下料效率和精度,已成為企業面臨的重要課題。本文講述的H型鋼火焰切割機采用數控火焰切割,具有切割效率高的優點;采用數控系統自動控制切割軌跡,保證了加工的精度要求。數控系統是H型鋼火焰切割機的核心,本文重點介紹數控系統的設計和開發。

1 VB設計語言的選擇

　　VB(Visual Basic)是Microsoft公司于1991年推出的一種Windows應用程序的開發工具。Visual意為/可視化的0,指的是一種開發圖形用戶界面的方法,所以VB是基于Basic的可視化的程序設計語言。經過多次的升級,Microsoft公司于1998年推出功能更強、更完善的VB6.0版本。它具有以下的特點[2]:(1)面向對象的可視化的程序設計方法;(2)事件驅動的程序設計機制;(3)結構化的高級程序設計語言;(4)支持大型數據庫的連接與存取操作;(5)功能更強的用戶開發工具。

　　基于以上優點,故選擇VB為開發火焰切割機數控系統的圖形仿真工具。

2 火焰切割運動軌跡仿真的方法及原理

　　2.1 軌跡仿真實現的方法及選擇

　　依據笛卡爾坐標定理,火焰切割機的控制系統控制X, Y,Z坐標軸,H型鋼火焰切割機數控系統的軌跡仿真是分別在XY, YZ,XZ平面內進行軌跡仿真。在計算機圖形學中,常用的動畫技術主要有以下3種:多頁面切換技術、圖段變換技術和幀動畫技術。多頁面切換技術是在主顯示頁和工作頁(輪流放置要顯示的圖形)之間切換形成動態變化。圖段變換技術是通過變換不同的圖段在屏幕上的不同位置,產生圖段圖形的連續移動,形成圖段變換動畫。幀動畫技術是通過對欲顯示的幀緩沖區直接操作(逐幀切換)和再填寫(填寫圖像的顏色信息)來動態顯示相應的圖形和圖像。結合VB的定時器(Timer)功能,本文采用圖段變換技術來實現動畫顯示。通過對VB6. 0進行分析,在

　　VB6.0上實現軌跡有下列3種方法。

　　方法1:利用VB6.0自帶的繪圖功能。

　　VB6.0提供一些用于作圖的方法,可以根據需要,在程序運行時繪制所需圖形。

　　a.用Pset方法畫點。

　　Pset方法的一般格式為:

　　[對象名.]Pset(x,z)[,顏色]

　　功能說明:在(x,z)位置用[,顏色]畫一個點。

　　示例:

　　Picture1.Pset(2 600,3 500),(0,0,255)

　　表示在Picture1的(2 600,3 500)位置畫一個藍色的點。

　　b.用Line方法畫線和矩形。

　　Line方法的一般格式為:

　　[對象名.]Line[[Step](x1,z1)]-[Step](x2,z2)[,顏色],[B][F]

　　功能說明:在對象上由始點(x1,z1)到終點(x2,z2)用[,顏色]畫一條直線(當有[B]時為矩形,而[F]表示一個實心的矩形), [Step]表示其后的坐標值為相對當前點的坐標增量值。示例:Pictur1.Line(10,70)- (20,100),VbGreen表示在Pictur1上從(10,70)到(20,100)作一條直線,顏色為綠色(VbGreen)。

　　c.用Circle方法畫圓、橢圓和圓弧。

　　Circle方法的一般格式為:

　　[對象名.] Circle [Step](x,z),半徑,[,顏色][,起始角][,終止角][縱橫比]

　　功能說明:在對象上用[,顏色]以(x,z)為圓心,以/半徑0為半徑畫一個圓。如有[,起始角] [,終止角]則為圓弧。如有[縱橫比]則為橢圓。示例:

　　Pictur1.Circle(20,40),500,VbYellow表示在Pictur1上以(20,40)為圓心,以500為半徑畫一個圓,顏色為黃色(VbYellow)。

　　方法2:利用循環功能繪圖。

　　其基本原理是將一條曲線分解成足夠多的有限連續點,然后利用Pset方法通過循環來畫這些點。當點的數量足夠多時,相鄰兩點的間距就很小,這樣一條線就看成是有限點的排列。

　　方法3:利用時間針(Timer)的定時功能繪圖。這種方法與方法2的思想基本相同。其基本原理是將一條曲線分解成足夠多的有限微小曲線段近似于直線,然后利用Line方法通過時間針(Timer)的定時功能來連續地畫這些直線。當直線的數量足夠多時,所有直線的連接就形成曲線。這樣一條曲線就可看成是有限微小直線段的連續排列。

　　2.2 3種繪圖方法的比較

　　方法1是畫圖的最基本方法,其程序實現比較簡單,但點、線、圓是瞬間畫出的,不能產生線、圓的動畫效果,也沒有實時顯示效果。

　　方法2的程序實現也較簡單,對線、圓也能產生動畫效果,而且通過點的數量設置可以控制線的動態顯示速度,但這種方法的缺點是不能產生實時顯示效果。

　　方法3的程序實現相對較復雜一些,但可以實現動態顯示和實時顯示,而且只要知道軌跡的方程z = f(x),那么就可以將它畫出來。

　　針對上述分析過程,考慮到華中Ñ型數控車床軌跡仿真需要有軌跡動態顯示和當前點位置實時顯示,本文采用方法3來實現運動軌跡仿真。

3 直線、圓弧軌跡仿真實現的原理

　　3.1 直線軌跡仿真的實現原理

　　如圖1所示,令起點A(X0,Z0),終點B(X1,Z1),則直線方程為:

　　(X1-X0)( Y-Z0) = ( Y1-Z0)(X-X0)故tanA= (Z1-Z0)/(X1-X0)。

　　依據插補原理,將直線AB分解成足夠多的有限微小線段AiAi+1,因為Ai在直線AB上,則:Ai(Xi,Zi),A i+1(X i+1,Z i+1),X i+1= Xi+△X;Zi+1= Zi+△Z,且tanNAiOAi+1=△Z/△X。

　　如果將$X,$Z設置得很小(如0.020mm),直線AB分成足夠多的線段AA1,A1A2,A2A3,,,A(N-1)B。設置時鐘計時器(Timer)的間隔(Interval)為60ms(為盡量滿足坐標顯示的實時性,時間間隔不要小于55ms),利用計時器的定時功能,連續畫出系列直線AiAi+1。實現直線段AiAi+1的VB程序為:

　　Line(z+Z0,x+X0)-(Z+Z0+△Z,x+X0+△X)

　　其中z,x為時間鐘函數的靜態變量。由于上一線段的終點就是下一線段的始點,因此這些線段會首尾相連,動態地產生一條直線。同時為使直線能在終點準確到達B點,應使用判斷語句(IF語句)。

　　3.2 圓弧軌跡仿真的實現原理

　　圓弧軌跡的生成原理基本與直線的生成原理基本相同。如圖2所示,令圓弧起點A(X0, Y0),

　　終點B(X1, Y1),圓心在(0,0),半徑為R(圓弧方程為:X2+Z2= R2)。依據插補原理,將圓弧AB分成若干份直線段(或圓弧段)AA1,A1A2,A2A3,..A(N-1)B。若用直線段來逼近圓弧,則有:

　　X i-1 2+Z i-1 2= Xi 2+Z i 2= R 2　　Xi= X i-1+△X　　Zi= Z i-1+△Z

　　由于上述計算很復雜,而且$X和$Z的取法不可能很精確,因此仿真產生的軌跡與真實的圓弧有一定的誤差。若用微圓弧段來組成圓弧,依據VB的Circle屬性,設定微圓弧對應的圓心角$A,而圓心和半徑均不變,這樣很容易實現。其過程為:令起點A對應的圓弧起始角為AA,終點B對應的圓弧起始角為AB,微小圓弧段Ai-1Ai的起始和終止圓心角分別為Ai-1,Ai,則:Ai=Ai-1+△A,Ai的坐標為(RcosAi,RsinAi)。

　　其VB的實現程序為:

　　Circle(0,0),R,α,α+△α

　　其中A是系統設置的靜態變量。再用IF判斷語句實現圓弧準確到達終點。

4 H型鋼火焰切割機數控系統

　　在基于VB H型鋼火焰切割機數控系統界面設計時,輸入典型接口的參數自動生成數控加工程序。首先自動檢查數控程序的正確性、準確性及工藝的可行性,其次在模擬界面上進行數控程序的動畫仿真,再次根據圖形對程序進行校驗,最后進行典型接口的加工。圖3~圖6是對一個典型接口過程的演示界面。

圖3 H型鋼火焰切割機的數控系統主界面

圖4 H型鋼火焰切割機的數控程序

圖5 H型鋼毛坯

圖6 火焰切割仿真

5 H型鋼火焰切割機數控系統VB程序

　　下面是H型鋼火焰切割機數控系統部分的VB源程序。

　　1. Private Declare Sub Sleep Lib/kernel320(ByValdwMilliseconds As Long)　　2. Dim A, C, B, R, K, F, E, s, b1 As Integer　　3. Private Sub Command1 Click()　　4. Const PI=3.14　　5. Dim i As Single　　6. For i=0 To (F-K)/2 Step 10　　7. Line(1000+s+b1,5000)-Step(0,i),RGB(200, 100, 50)　　8. Line(6700+s+b1,800)-Step(0,i), RGB(200, 100, 50)　　9. Sleep (5)

6 結束語

　　通過該系統的使用,企業爐溫管理水平大大提高。作為西安飛機工業(集團)公司熱處理設備溫度參數校準技術研究推廣課題,溫度均勻性數據處理系統已經通過了企業專家組的驗收。該軟件統一了數據處理過程,提高了數據處理效率,規范了人員操作程序;同時為了保證通用性,統一了航空企業溫度均勻性報表格式,又使其具有一定的靈活性。