專利名稱：相貫線切割機可重構數控系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種數控切割技術領域的系統，具體涉及一種相貫線切割機 可重構數控系統。
背景技術：
相貫線切割機可重構數控系統的基本原理是根據鋼管管道的拼接要求，得到 包含鋼管管道相貫線軌跡數據的數控切割文件，從文件中獲取鋼管原始切割參數， 完成多種相交形式下各個管道的相貫線切割。相貫線切割機可重構數控系統具有 可重構性，根據不同的加工任務和工序要求，該系統可與用戶的重構命令交互， 自動理解重構任務并重構基本功能和結構配置，完成多軸聯動控制以實現主管或 支管的相貫線切割，最終完成生產任務。相貫線切割機可重構數控具有模塊化、 定制性、可擴展性、可集成性、可轉變性等特征。為了實現系統的可重構性，系 統的每個模塊都必須具有重構能力，這樣才能使集成了各個模塊的整個系統具有 可重構性。因此每個模塊都必須具有良好的封裝性，并包含有合適的接口，使之 成為一個獨立的功能模塊，從而形成一個具有重構能力的模塊。利用相貫線切割 機可重構數控系統的可重構性，可以對不同配置的加工機床、不同類型的加工模 式、不同要求的加工任務重構模塊配置和資源分配。通過對模塊的調整以及各模 塊之間的協作順序，靈活的應對生產任務的變化。相貫線切割機可重構數控系統 可加工多種鋼管管道相貫的樣式，功能齊全，控制精確，可以保證鋼管結合處的 加工質量，并且使用簡便，生產效率高，實現了復雜相貫線高精度高效率的加工， 能適應連續的大批量多種類生產，具有良好的發展前景和推廣價值。
但是，現在大部分企業在切割加工鋼管管道時仍使用傳統的手工工藝，即工 人通過相貫線模板手工劃線，然后手持割炬進行切割，工藝過程相當的繁瑣，而 且生產效率低，加工精度也得不到保障，不利于企業的進展，嚴重制約了企業的 市場競爭力。雖然相貫線切割機控系統在一些企業己經得到應用，但其功能固定 單一的特點使系統的可重構性難以實現，從而限制了用戶操作的靈活性，難以達到對產品品種和市場變化的適應。而且，由于其系統的體系通常是固定的根據特 定的數控要求定制，對用戶不開放，各模塊之間沒有合適的接口，限制了系統的 可重構性，使得系統的功能受限。
經對現有技術文獻的檢索發現，文獻《五軸數控火焰切管機床數控系統研制》 (《機械科學與技術》2008年2月第2期)提出了一種可滿足多種類型管件加工
要求的五軸數控機床的系統，但是，該系統屬于特定的數控系統，對于其他類型 的加工機床和加工模型就不適用，另外，文獻中對于計算相貫線軌跡的數學模型， 采用的是理想圓管，未考慮到實際中鋼管可能存在一定的橢圓度，因此，計算得 到的軌跡數據在實際加工中就不準確了。因此需要一種相貫線切割機可重構數控 系統，能適應各種加工機床、加工模式和加工需求，能根據面向對象的不同自動 重構模塊配置和資源配置，是解決當前加工企業適應市場要求，增強技術競爭力， 提高復雜相貫線的加工效率的技術難題。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種相貫線切割機可重構數 控系統，使其具有系統上的可重構性。本發明可根據加工任務的需要，分配軸的 任務，構成三軸、五軸系統等適應實際需要的不同系統，還能根據機床配置的不 同完成加工控制的改變。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括:前處理模塊、參數設置模塊、
可重構控制模塊、加工管理模塊和顯示模塊，其中前處理模塊的輸入端與計算
機相連接讀取待加工的數控切割文件，前處理模塊的輸出端分別連接至可重構控 制模塊的輸入端和參數設置模塊的輸入端并輸出原始切割參數，參數設置模塊的 輸出端連接至可重構控制模塊的輸入端并傳輸更新數據，加工管理模塊的輸入端 與可重構控制模塊的輸出端相連接以接收更新切割參數，加工管理模塊和可重構 控制模塊的輸出端分別連接至顯示模塊的輸入端以輸出加工狀態配置信息和更新數據。
所述的前處理模塊包括數控切割文件讀取單元和數控切割文件校驗單元， 其中數控切割文件讀取單元與計算機硬盤或者是移動存儲器連接以讀取待加工 的數控切割文件，數控切割文件校驗單元可重構控制模塊和參數設置模塊連接以 傳輸經校驗后的數據切割文件中的原始切割參數。所述的數控切割文件讀取單元作為加工的先行工序，為后續步驟提供包含原 始切割參數的數控切割文件，該數控切割文件讀取單元通過接收計算機輸出的數 控切割文件，獲取數控切割文件中的原始切割參數，同時將數控切割文件的讀取 路徑的信息保存下來。從文件中得到的原始切割參數經過整理，送入數控切割文 件校驗單元。
所述的數控切割文件校驗單元是對數控切割文件讀取單元提供的數控切割文 件中的原始切割參數進行校核，檢驗設計的數據是否合理。檢查文件是否提供的 加工必要的信息了解管道的編號和名稱信息可以避免鋼管的誤用。得到管道的壁 厚，可以根據板厚自動的調節加工的速度。得到管道的半徑，可以根據管道的半 徑計算出加工管道所需要的傳動比。
所述的原始切割參數，是指管道加工中用來擬合出管道相貫線軌跡的各離散 點坐標以及該系統控制多軸聯動軸在每個離散點的移動距離和旋轉角度。
所述的加工管理模塊包括通訊單元、切割控制單元、控制規劃單元和狀態 監控單元，其中通訊單元與可重構控制模塊、工控計算機和切割控制單元連接 以傳輸更新切割參數，切割控制單元與可重構控制模塊、數字量輸入輸出卡和觸 摸屏連接以接收更新切割參數并輸出切割坐標參數和切割速度參數，狀態監控單 元分別與數字量輸入輸出卡和觸摸屏連接以輸出加工狀態配置信息和更新數據， 控制規劃單元接收可重構控制模塊輸出的更新切割參數。
所述的通訊單元是指連接工控計算機和切割控制單元的通訊ISA總線，該通訊 單元以運動控制卡提供的動態連接庫為基礎進行通訊。IPC的任務分配，可以通過 通訊單元向運動控制卡傳送，保證加工任務的精確性、完整性和實時性。工控計 算機負責數控切割文件的管理、參數設置、加工過程監視和設備診斷等功能。運 動控制卡完成各軸的閉環控制并且接受上位機的數控切割文件，解釋編譯實現多 軸的運動插補。
所述的切割控制單元中設有運動控制卡，該切割控制單元的根據鋼管外徑的離 散數據，采用PID算法、速度前饋算法和加速度前饋控制算法，同時完成多軸運 動插補并輸出切割坐標參數和切割速度參數。
所述的鋼管外徑的離散數據是指現場采集到的用來擬合出實際鋼管管道相貫 線軌跡的各離散點坐標以及該系統控制多軸聯動軸在每個離散點的移動距離和旋轉角度。
所述的控制規劃單元根據曲線數據進行坐標變換以及各軸的運動規劃，該控制 規劃單元上設有橢圓度檢測模塊，對于圓度不理想的鋼管進行橢圓度檢測，對鋼 管的加工進行調整。
所述的狀態監控單元包括數字量輸入輸出卡的狀態監控和觸摸屏的狀態監 控，數字量輸入輸出卡完成模擬開關量輸入輸出的邏輯控制和反饋，在加工過程 中完成對I/0的控制，并向用戶反饋這些I/O的狀態。觸摸屏人機界面是用戶的 輸入界面和狀態的反饋界面，接受用戶的指令反饋系統的實時信息，通過觸摸屏 人機界面，可以控制管道相貫線切割機的加工模式。
所述的顯示模塊包括數據顯示單元、軌跡顯示單元和模擬顯示單元，其中 數據顯示單元與可重構控制模塊連接，軌跡顯示單元與加工管理模塊連接，模擬 顯示單元與加工管理模塊連接。
所述的數據顯示單元顯示管道相貫線數據軌跡數控切割文件中包含的管道編 號、名稱信息，管道的半徑、管道的壁厚；在加工過程中，數據顯示單元顯示加 工軸的機械坐標和工件坐標、軸的進給速度和速度修調等加工狀態和加工信息； 軌跡顯示單元顯示原始切割參數擬合后的軌跡和相貫線二維展開圖的軌跡和相貫 線的空間三維軌跡；模擬顯示單元顯示模擬仿真的加工過程。
本發明具體工作時，由前處理模塊從計算機硬盤或者是移動存儲器中讀取待
加工的數控切割文件，并將從該數控切割文件中讀取的原始切割參數存入到可重 構控制模塊，等待可重構控制模塊處理和分配；參數設置模塊根據加工任務、工 序要求和機床配置列出了加工過程中包含的需要設置和修改的更新數據，并將這 些更新數據送入可重構控制模塊，為后續的加工提供必要的參數信息；同時，還 需要把這些參數寫入到計算機硬盤或移動存儲器上的參數文件中進行保存，供用 戶隨時查看和調用，亦作為下次程序運行時的默認參數；可重構控制模塊從前處 理模塊獲得原始切割參數，同時把原始切割參數送入顯示模塊；可重構控制模塊 從參數設置模塊獲得更新數據后，參數，自動理解重構任務并重構基本功能和結 構配置，重構一種滿足加工需要的配置，并向加工管理模塊發送更新切割參數。 顯示模塊從可重構控制模塊中獲取原始切割參數后，根據數據計算，恢復軌跡在 空間上的表示，使得數據以圖形的形式表現出來，顯示模塊另外顯示加工狀態配置信息。加工管理模塊從可重構控制模塊獲取更新切割參數后，根據實時環境完 成相應的加工。
與現有技術相比，本發明利用各個已有模塊的接口，通過增加、刪減或者是 置換模塊的方法，使得用戶在進行系統開發設計時用最經濟的方案滿足所需的生 產能力和功能，大大減少了開發周期、降低了開發成本；本發明對不同配置的機 床，也能重新進行模塊配置，重新進行資源分配，免于因機床的細微差別而重新 設計開發系統。
圖l為本發明的結構示意圖2為實施例加工示意圖，其中圖2a使用橢圓度誤差的修正示意圖，圖 2b為修正高度示意圖。
具體實施例方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下 進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限 于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括前處理模塊、參數設置模塊、可重構控制模塊、 加工管理模塊和顯示模塊，其中前處理模塊的輸入端與計算機相連接讀取待加 工的數控切割文件，前處理模塊的輸出端分別連接至可重構控制模塊的輸入端和 參數設置模塊的輸入端并輸出原始切割參數，參數設置模塊的輸出端連接至可重 構控制模塊的輸入端并傳輸更新數據，加工管理模塊的輸入端與可重構控制模塊 的輸出端相連接以接收更新切割參數，加工管理模塊和可重構控制模塊的輸出端 分別連接至顯示模塊的輸入端以輸出加工狀態配置信息和更新數據。
所述的前處理模塊包括數控切割文件讀取單元和數控切割文件校驗單元， 其中數控切割文件讀取單元與計算機硬盤或者是移動存儲器連接以讀取待加工 的數控切割文件，數控切割文件校驗單元可重構控制模塊和參數設置模塊連接以 傳輸經校驗后的數據切割文件中的原始切割參數。
所述的數控切割文件讀取單元作為加工的先行工序，為后續步驟提供包含原 始切割參數的數控切割文件，該數控切割文件讀取單元通過接收計算機輸出的數 控切割文件，獲取數控切割文件中的原始切割參數，同時將數控切割文件的讀取 路徑的信息保存下來。從文件中得到的原始切割參數經過整理，送入數控切割文
8件校驗單元。
所述的數控切割文件校驗單元是對數控切割文件讀取單元提供的數控切割文 件中的原始切割參數進行校核，檢驗設計的數據是否合理。檢查文件是否提供的 加工必要的信息了解管道的編號和名稱信息可以避免鋼管的誤用。得到管道的壁 厚，可以根據板厚自動的調節加工的速度。得到管道的半徑，可以根據管道的半 徑計算出加工管道所需要的傳動比。
所述的原始切割參數，是指管道加工中用來擬合出管道相貫線軌跡的各離散 點坐標以及該系統控制多軸聯動軸在每個離散點的移動距離和旋轉角度。
所述的加工管理模塊包括通訊單元、切割控制單元、控制規劃單元和狀態 監控單元，其中通訊單元與可重構控制模塊、工控計算機和切割控制單元連接 以傳輸更新切割參數，切割控制單元與可重構控制模塊、數字量輸入輸出卡和觸 摸屏連接以接收更新切割參數并輸出切割坐標參數和切割速度參數，狀態監控單 元分別與數字量輸入輸出卡和觸摸屏連接以輸出加工狀態配置信息和更新數據， 控制規劃單元接收可重構控制模塊輸出的更新切割參數。
所述的通訊單元是指連接工控計算機和切割控制單元的通訊isa總線，該通 訊單元以運動控制卡提供的動態連接庫為基礎進行通訊。ipc的任務分配，可以通 過通訊單元向運動控制卡傳送，保證加工任務的精確性、完整性和實時性。工控 計算機負責數控切割文件的管理、參數設置、加工過程監視和設備診斷等功能。 運動控制卡完成各軸的閉環控制并且接受上位機的數控切割文件，解釋編譯實現 多軸的運動插補。
所述的切割控制單元中設有運動控制卡，該切割控制單元的根據鋼管外徑的 離散數據，采用pid算法、速度前饋算法和加速度前饋控制算法，同時完成多軸 運動插補并輸出切割坐標參數和切割速度參數。
所述的鋼管外徑的離散數據是指現場采集到的用來擬合出實際鋼管管道相貫 線軌跡的各離散點坐標以及該系統控制多軸聯動軸在每個離散點的移動距離和旋 轉角度。
所述的控制規劃單元根據曲線數據進行坐標變換以及各軸的運動規劃，該控制 規劃單元上設有橢圓度檢測模塊，對于圓度不理想的鋼管進行橢圓度檢測，對鋼 管的加工進行調整。所述的狀態監控單元包括數字量輸入輸出卡的狀態監控和觸摸屏的狀態監 控，數字量輸入輸出卡完成模擬開關量輸入輸出的邏輯控制和反饋，在加工過程 中完成對I/0的控制，并向用戶反饋這些I/0的狀態。觸摸屏人機界面是用戶的 輸入界面和狀態的反饋界面，接受用戶的指令反饋系統的實時信息，通過觸摸屏 人機界面，可以控制管道相貫線切割機的加工模式。所述的鋼管外徑的離散數據，是指現場采集到的用來擬合出實際鋼管管道相貫 線軌跡的各離散點坐標以及該系統控制多軸聯動軸在每個離散點的的移動距離和 旋轉角度。所述的顯示模塊包括數據顯示單元、軌跡顯示單元和模擬顯示單元，其中 數據顯示單元與可重構控制模塊連接傳輸數據信息，軌跡顯示單元與加工管理模 塊連接傳輸軌跡信息，模擬顯示單元加工管理模塊連接傳輸模擬信息。所述的數據顯示單元顯示管道相貫線數據軌跡數控切割文件中包含的管道編 號、名稱信息，管道的半徑、管道的壁厚；在加工過程中，數據顯示單元顯示加 工軸的機械坐標和工件坐標、軸的進給速度和速度修調等加工狀態和加工信息； 軌跡顯示單元顯示原始切割參數擬合后的軌跡和相貫線二維展開圖的軌跡和相貫 線的空間三維軌跡；模擬顯示單元顯示模擬仿真的加工過程。本實施例通過前處理模塊從計算機硬盤或者是移動存儲器中讀取待加工的數 控切割文件，并將從該數控切割文件中讀取的原始切割參數存入到可重構控制模 塊，等待可重構控制模塊處理和分配；參數設置模塊根據加工任務、工序要求和 機床配置列出了加工過程中包含的需要設置和修改的更新數據，并將這些更新數 據送入可重構控制模塊，為后續的加工提供必要的參數信息；同時，還需要把這 些參數寫入到計算機硬盤或移動存儲器上的參數文件中進行保存，供用戶隨時査 看和調用，亦作為下次程序運行時的默認參數；可重構控制模塊從前處理模塊獲 得原始切割參數，同時把原始切割參數送入顯示模塊；可重構控制模塊從參數設 置模塊獲得更新數據后，自動理解重構任務并重構基本功能和結構配置，重構一 種滿足加工需要的配置，并向加工管理模塊發送更新切割參數。顯示模塊從可重 構控制模塊中獲取原始切割參數后，根據數據計算，恢復軌跡在空間上的表示， 使得數據以圖形的形式表現出來，顯示模塊另外顯示加工狀態配置信息。加工管 理模塊從可重構控制模塊獲取更新切割參數后，根據實時環境完成相應的加工。本實施例所述的橢圓度檢測是一個解決鋼管圓度不理想的方案。在實際應用 中，相貫線編程軟件生成的相貫線曲線是以理想圓管為依據的，目的是為了在加 工過程中，使整個破口機構中心(A軸B軸中心)始終保持對準鋼管管道的外壁高 度，而在實際加工過程中，如果鋼管管道存在橢圓度，但又沒有對鋼管管道的橢 圓度進行補償，勢必將影響到實際的裝配甚至影響切割過程的正常完成。如圖2-1 所示是在加工存在橢圓度的鋼管管道時未使用橢圓度補償的示意圖，s表示橢圓 度，h為加工尺寸受橢圓度影響，所以在切割點a處，AB軸中心不在管徑外壁上， 加工尺寸存在誤差。所以在加工過程中，必須檢測鋼管的橢圓度，以保證加工精 度。本數控系統面向該問題時，自主開發了可以在切割過程中實時測試補償的定 位系統。如圖2a所示為使用橢圓度誤差的修正示意圖，S表示橢圓度，Z表示Z 軸電機。開啟橢圓度檢測，系統開始采集鋼管外徑的離散數據，通過高度傳感器， 直接采樣實際鋼管外徑的離散數據，這些數據同時送入DSP運算，將運算后的結 果作為補償量輸出到Z軸中以調整剖口機構中心的高度，使剖口機構中心的位置 修正至鋼管管道的外壁，修正高度在圖2b中的以d表示，其值等于實際鋼管管道 的橢圓度，此時，在切割點b處，AB軸中心修正至管壁外徑上。本實施例采用可橢圓度檢測，與現有技術采用的位置傳感器先測量后切割的 方法相比較，更大程度上滿足了對較大橢圓度管正常切割的要求，使得切割效率 大大提高。
權利要求
1、一種相貫線切割機可重構數控系統，其特征在于，包括前處理模塊、參數設置模塊、可重構控制模塊、加工管理模塊和顯示模塊，其中前處理模塊的輸入端與計算機相連接讀取待加工的數控切割文件，前處理模塊的輸出端分別連接至可重構控制模塊的輸入端和參數設置模塊的輸入端并輸出原始切割參數，參數設置模塊的輸出端連接至可重構控制模塊的輸入端并傳輸更新數據，加工管理模塊的輸入端與可重構控制模塊的輸出端相連接以接收更新切割參數，加工管理模塊和可重構控制模塊的輸出端分別連接至顯示模塊的輸入端以輸出加工狀態配置信息和更新數據。
2、 根據權利要求1所述的相貫線切割機可重構數控系統，其特征是，所述的 前處理模塊包括數控切割文件讀取單元和數控切割文件校驗單元，其中數控 切割文件讀取單元與計算機硬盤或者是移動存儲器連接以讀取待加工的數控切割 文件，數控切割文件校驗單元可重構控制模塊和參數設置模塊連接以傳輸經校驗 后的數據切割文件中的原始切割參數。
3、 根據權利要求2所述的相貫線切割機可重構數控系統，其特征是，所述的數控切割文件讀取單元作為加工的先行工序，為后續步驟提供包含原始切割參數 的數控切割文件，該數控切割文件讀取單元通過接收計算機輸出的數控切割文件， 獲取數控切割文件中的原始切割參數，同時將數控切割文件的讀取路徑的信息保 存下來，從文件中得到的原始切割參數經過整理，送入數控切割文件校驗單元。
4、 根據權利要求2所述的相貫線切割機可重構數控系統，其特征是，所述的 數控切割文件校驗單元是對數控切割文件讀取單元提供的數控切割文件中的原始 切割參數進行校核。
5、 根據權利要求1所述的相貫線切割機可重構數控系統，其特征是，所述的 加工管理模塊包括通訊單元、切割控制單元、控制規劃單元和狀態監控單元， 其中通訊單元與可重構控制模塊、工控計算機和切割控制單元連接以傳輸更新 切割參數，切割控制單元與可重構控制模塊、數字量輸入輸出卡和觸摸屏連接以 接收更新切割參數并輸出切割坐標參數和切割速度參數，狀態監控單元分別與數 字量輸入輸出卡和觸摸屏連接以輸出加工狀態配置信息和更新數據，控制規劃單元接收可重構控制模塊輸出的更新切割參數。
6、 根據權利要求5所述的相貫線切割機可重構數控系統，其特征是，所述的 通訊單元是指連接工控計算機和切割控制單元的通訊ISA總線，該通訊單元以運 動控制卡提供的動態連接庫為基礎進行通訊。
7、 根據權利要求5所述的相貫線切割機可重構數控系統，其特征是，所述的 切割控制單元中設有運動控制卡，該切割控制單元根據鋼管外徑的離散數據，采 用PID算法、速度前饋算法和加速度前饋控制算法，同時完成多軸運動插補并輸 出切割坐標參數和切割速度參數。
8、 根據權利要求7所述的相貫線切割機可重構數控系統，其特征是，所述的 鋼管外徑的離散數據是指現場采集到的用來擬合出實際鋼管管道相貫線軌跡的各 離散點坐標以及該系統控制多軸聯動軸在每個離散點的移動距離和旋轉角度。
9、 根據權利要求5所述的相貫線切割機可重構數控系統，其特征是，所述的 控制規劃單元根據曲線數據進行坐標變換以及各軸的運動規劃，該控制規劃單元 上設有橢圓度檢測模塊，對于圓度不理想的鋼管進行橢圓度檢測，對鋼管的加工 進行調整。
全文摘要
一種數控切割技術領域的相貫線切割機可重構數控系統，包括前處理模塊、參數設置模塊、可重構控制模塊、加工管理模塊和顯示模塊，其中前處理模塊的輸入端與計算機相連接讀取待加工的數控切割文件，前處理模塊的輸出端分別連接至可重構控制模塊的輸入端和參數設置模塊的輸入端并輸出原始切割參數，參數設置模塊的輸出端連接至可重構控制模塊的輸入端并傳輸更新數據，加工管理模塊的輸入端與可重構控制模塊的輸出端相連接以接收更新切割參數，加工管理模塊和可重構控制模塊的輸出端分別連接至顯示模塊的輸入端以輸出加工狀態配置信息和更新數據。本發明滿足了對較大橢圓度管正常切割的要求，使得切割效率大大提高。
文檔編號G05B19/18GK101634847SQ20091005490
公開日2010年1月27日 申請日期2009年7月16日 優先權日2009年7月16日
發明者殷躍紅, 盛景偉 申請人:上海交通大學