1 前言

　　我國的工廠企業(yè)，每年要把千萬噸的鋼材通過熱切割設(shè)備分解成各種形狀的零件。對(duì)于碳鋼，氧焰切割是最主要的手段。數(shù)控火焰切割機(jī)的推廣使用，不僅使切割效率大為提高，而且使材料的利用率上升了幾個(gè)百分點(diǎn)，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。但目前使用的數(shù)控火焰切割機(jī)一般只是兩軸聯(lián)動(dòng)控制的，只帶有一把垂直于鋼板平面的割炬，因此它只能切割出任意輪廓的零件，而不能切割出這些零件上的焊接坡口。而實(shí)際情況中，零件被切割以后往往需要焊接，因此必須再增加開焊接坡口這一道工序，否則不能保證焊接質(zhì)量。針對(duì)這一情況，本文提出了基于工業(yè)PC機(jī)的帶旋轉(zhuǎn)三割炬的數(shù)控火焰切割機(jī)。該切割機(jī)由X、Y和C三軸聯(lián)動(dòng)控制，其中X、Y軸控制旋轉(zhuǎn)三割炬的運(yùn)動(dòng)軌跡，C軸控制旋轉(zhuǎn)三割炬的轉(zhuǎn)角，它隨X軸和Y軸坐標(biāo)的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)（圖1）。這樣就能使切割機(jī)在切割零件輪廓的同時(shí)連同零件的焊接坡口一起切出。切割后，只要將熔渣清除干凈即可焊接，避免了再開焊接坡口這道工序。

圖1 旋轉(zhuǎn)三割炬的示意圖

2 數(shù)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

　　該數(shù)控火焰切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，主要包括工業(yè)PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服系統(tǒng)。其中工業(yè)PC機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)的核心，它擔(dān)負(fù)著切割機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算（粗插補(bǔ)）以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)管理的任務(wù)；運(yùn)動(dòng)控制卡插在工業(yè)PC機(jī)的擴(kuò)展槽中，它一方面與伺服系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)切割機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的控制（精插補(bǔ)）。另一方面與機(jī)床操作面板及控制氣源的繼電器相連，通過操作面板，可以調(diào)整機(jī)床的位置，指令機(jī)床啟動(dòng)、暫停或沿原切割軌跡返回，還能實(shí)現(xiàn)切割速度的加速與減速；通過繼電器，可以控制氧氣和乙炔氣體的開關(guān)。伺服系統(tǒng)可以選擇步進(jìn)伺服系統(tǒng)或全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖

　　運(yùn)動(dòng)控制卡由自己設(shè)計(jì)，它主要包括譯碼電路、振蕩電路、I/O端口電路、脈沖控制電路、中斷電路以及光電隔離輸入輸出電路。其中譯碼電路為運(yùn)動(dòng)控制卡提供一個(gè)接口地址段，通過撥碼開關(guān)可以更改該地址段的范圍；振蕩電路為運(yùn)動(dòng)控制卡上的脈沖控制電路提供固定頻率的脈沖源；I/O端口電路由兩片8255并行口芯片組成，其主要作用是輸出切割機(jī)氣源控制信號(hào)及輸入機(jī)床按鈕信號(hào)；脈沖控制電路由三片8254計(jì)數(shù)器組成，每片8254計(jì)數(shù)器分別控制一個(gè)軸的伺服電機(jī)；中斷電路是為控制程序提供硬件中斷信號(hào)而設(shè)計(jì)的；光電隔離輸出輸入電路將工業(yè)PC機(jī)電源和外界電源隔離，減少外界電源對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾。運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)的原理如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制卡的原理圖

3 數(shù)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

　　數(shù)控系統(tǒng)的軟件由兩部分組成：第一部分CAD/CAM模塊實(shí)現(xiàn)圖形自動(dòng)編程功能；第二部分CNC模塊實(shí)現(xiàn)切割機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡以及氣源控制功能。兩部分的模塊框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件框圖

　　3.1自動(dòng)編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　與傳統(tǒng)的自動(dòng)編程系統(tǒng)不同，本文采用圖形自動(dòng)編程系統(tǒng)。編程時(shí)不需要編輯零件源程序，只要在Auto CAD環(huán)境中將要切割的零件排列好，系統(tǒng)能自動(dòng)將圖形轉(zhuǎn)化成數(shù)控代碼，從而避免了信息的重復(fù)輸入，提高了編程效率及可靠性。

　　3.1.1零件圖形的編輯

　　該模塊利用漢化Auto CAD圖形軟件，編程者在Auto CAD環(huán)境下進(jìn)行圖形輸入、編輯，按下料鋼板的大小設(shè)置圖框尺寸，將要切割的零件在圖框內(nèi)排列好，并加上切割引線。

　　3.1.2圖形數(shù)據(jù)的提取和切割路徑的規(guī)劃

　　Auto CAD系統(tǒng)提供了一個(gè)與其它高級(jí)語言的接口文件。