自動切管機(jī)數(shù)控系統(tǒng)
1相貫管端坡口切割的數(shù)學(xué)模型
1.1數(shù)學(xué)摸型的相關(guān)參數(shù)
多管、板相貫是相貫管端坡口切割中較為一般的形式,要使切管機(jī)具備豐富的切割功能,就必須研究一般條件下的相貫管端坡口切割數(shù)學(xué)模型。圖1為被切管與兩管相貫的示意圖,工程中的實際情況可能更為復(fù)雜。這數(shù)學(xué)模型的相關(guān)參數(shù)描述如下:
(1)d為被切管直徑;t為被切管壁厚:di為與被切管相貫的第i根管子直徑。
(2)軸交角αi:第i根相貫管的軸線與被切管軸線(實際存在部分)的交角,若為板時,ai為被切管鈾線與扳面的夾角。
(3)扭轉(zhuǎn)角βi:第i根相貫管的軸線(實際存在部分)在被切管橫截面上的投影與;θ零度線的交角;若為板時.先將被切管軸線投影在板面上,再將其投影到被切管的截面圓上,該投影與θ零度線的交角即為βi。
(4)偏心值αi:第i根相貫管軸線與被切管軸線的距離,有正負(fù)。
(5)錯心值ei:第i根相貫管軸線在XOZ平面上的投影與Z軸的交點(或被切管軸線與板面的交點)相對于Z坐標(biāo)參考點的數(shù)值,有正負(fù)。
1.2相貫線及切割角的數(shù)學(xué)表達(dá)式
2相貫管端坡口的切割運動
自動切管機(jī)切割管端坡口的運動簡圖如圖2所示。
V1:割炬或被切管繞被切管軸線的轉(zhuǎn)動,所改造的切管機(jī)采用的是割炬繞被切管軸線轉(zhuǎn)動的運動形式,雖然成本較高,但避免了被切管繞其軸線轉(zhuǎn)動時的軸向竄動,因而具有較高的切割精度。它表征了θ角的變化。
V2:割炬沿被切管軸線(即:Z釉〕的移動,它表征了相貫線Z坐標(biāo)的變化。
V3:割炬繞T軸(該軸始終與被切管的外表面相切,且與其軸線垂直)的轉(zhuǎn)動,其特征表明了實際切割角w的變化。
V4:割炬沿被切管徑向方向的移動,主要是用來調(diào)整割炬的高度。切割過程中,割炬的徑向位置可通過位移傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。
上述四個分運動分別由伺服電機(jī)R、Z、T和A來控制的。vl、v2、v3三個分起動的合成就形成了管端坡口的切割過程。運用1中所述數(shù)學(xué)模型、通過適當(dāng)?shù)那蠼凰惴汕蟪霰磺泄芘c其它管、扳相貫坡口各節(jié)點的幾何數(shù)據(jù),將相鄰節(jié)點的θ、Z和w值的增量轉(zhuǎn)換為位置脈沖數(shù),用于控制電機(jī)完成切割過程。需要指出的是,節(jié)點間距并非定值,而是由誤差條件控制的。
3數(shù)控系統(tǒng)的硬件
自動切管機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)硬件主要包括工業(yè)PC機(jī)、位置控制卡、伺服電極驅(qū)動單元、伺服電極和位置編碼器、控制按鈕、跟蹤控制裝置及開關(guān)等,系統(tǒng)框圖如圖3所示。工業(yè)PC機(jī)選用了研華工控工作站IPC—822,位置控制卡選用了美國Parker Hannifin公司的AT6450。由于原設(shè)備的伺服電機(jī)、編碼器及飼服控制單元良好,因此對自動切管機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的改造主要在于計算機(jī)部分。
3.1 AT6450位置控制卡
AT6450是基于ISA總線結(jié)構(gòu)并帶有MC6800微處理器及數(shù)字信號處理器的四軸位置控制卡(或稱伺服電機(jī)控制卡)。其數(shù)字處理器可用數(shù)字控制算法(包括比例反饋、積分反饋、速度反饋和加速度、速度前饋,簡稱PIV&F)來計算確定控制信號的輸出電壓,用來控制運動的位置與速度。
AT6450附有一輔助連接器.簡化了它與其它硬件的連接,該連接器的輸入為52個,輸出為40個,這些輸入/輸出用于設(shè)置與調(diào)整運動方式、反饋方式、控制算法、控制參數(shù)、中斷及控制信號輸出、狀態(tài)檢測、故障診斷、輔助控制等,這些功能可通道執(zhí)行由6000系列命令及參數(shù)組成的文件和選擇輸入/輸出來完成。
AT6450與IPC的通信可利用它所提供的函數(shù)或動態(tài)連接庫來實現(xiàn)。以TC為例,所提供的函數(shù)為SendAT6450Block()和ReavAT6450Block()。 AT6450帶有啟動ROM,可以便用自動批處理、批處理和其提供的命令(可執(zhí)行程序)及參數(shù)將其操作系統(tǒng)(6000系列命令語言)從IPC下載到AT6450卡上。
3.2 AT6450在本系統(tǒng)中的應(yīng)用
AT6450的運動方式有絕對方式、增量方式和點到點方式,本系統(tǒng)采用的是增量方式和點到點方式,前者用于切割,后者用于輔助控制。
AT6450控制運動的過程可通過執(zhí)行由6000系列命令及參數(shù)組成的命令文件(也是由6000系列命令定義的)來完成的,該命令文件定義了系統(tǒng)的運動過程,在任何文本編輯器環(huán)境中均可按照6000系列命令要求的格式來編輯命令文件,用AT6450提供的終端仿真程序Download和Start可將該命令文件下載到AT6450卡的RAM中并執(zhí)行這命令文件。也可通過通信函數(shù)直接將命令字符串送往AT6450,即可得到執(zhí)行。
在編輯命令文件時需要輸入命令及參數(shù),對于相貫管端坡口的切割過程來說,主要參數(shù)就是各軸的位置脈沖數(shù),其它參數(shù)可事先確定,必要時可用中斷功能進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于誤差控制條件的限制,相貫管端坡口的節(jié)點數(shù)目是不固定的,這就不能事先確定命令文件中的位置脈沖數(shù)。利用AT6450的示教模式可解決這一問題。在示教模式下、AT6450的RAM可存儲數(shù)據(jù)程序.所謂數(shù)據(jù)程序是指將運動參數(shù)以特定格式存入AT650 RAM的文件,在命令文件中利用6000系列語言提供的循環(huán)和指針功能來使用事先存儲在數(shù)4據(jù)程序中的運動參數(shù),進(jìn)而可完成節(jié)點數(shù)日不確定的運動控制。本系統(tǒng)還使用了線性插補功能,在命令文件中定義了路徑速度和路徑加速度,AT6450自動利用線性插補原理合理地分配各軸的速度及加速度。
以相貫管端坡口切割的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)可求出各節(jié)點的幾何數(shù)據(jù),將相鄰節(jié)點的幾何數(shù)據(jù)的增量轉(zhuǎn)換為各軸的位置脈沖數(shù),并存為數(shù)據(jù)程序下載到AT6450的RAM中,再啟動執(zhí)行己下載到AT6450 RAM中的命令文件即可完成相貫管端坡的切割,并且是一次切割成形。
4系統(tǒng)的功能
以相貫管端坡口切割的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),用Borland c++編制了自動切管機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的軟件。利用該數(shù)控系統(tǒng),改造過的自動切管機(jī)除完成以前具備的簡單的相賈管端坡口切割功能外、還能實現(xiàn)被切管與多管、被切管與多板及被切管與多管扳相貫時的管端坡口(簡稱多管、板相貫坡口)的一次切割成形;對于管端坡口角確定規(guī)范,系統(tǒng)提供了3種選擇:API、AWS和恒定坡口角(可由用戶自己設(shè)定);系統(tǒng)還提供了許多輔助功能以方便用戶操作。
5結(jié)論
經(jīng)工程實踐驗證,該系統(tǒng)運行可靠,切割質(zhì)量足以滿足工程要求。一艙條件下相貫管端坡口切割的數(shù)學(xué)模型,不僅大大擴(kuò)充了自動切管機(jī)的功能,而且實現(xiàn)了多管、板相貫坡口的一次切割成形,使生產(chǎn)效率大幅度提高。
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