专利名称：相贯线切割机可重构数控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种数控切割技术领域的系统，具体涉及一种相贯线切割机 可重构数控系统。
背景技术：
相贯线切割机可重构数控系统的基本原理是根据钢管管道的拼接要求，得到 包含钢管管道相贯线轨迹数据的数控切割文件，从文件中获取钢管原始切割参数， 完成多种相交形式下各个管道的相贯线切割。相贯线切割机可重构数控系统具有 可重构性，根据不同的加工任务和工序要求，该系统可与用户的重构命令交互， 自动理解重构任务并重构基本功能和结构配置，完成多轴联动控制以实现主管或 支管的相贯线切割，最终完成生产任务。相贯线切割机可重构数控具有模块化、 定制性、可扩展性、可集成性、可转变性等特征。为了实现系统的可重构性，系 统的每个模块都必须具有重构能力，这样才能使集成了各个模块的整个系统具有 可重构性。因此每个模块都必须具有良好的封装性，并包含有合适的接口，使之 成为一个独立的功能模块，从而形成一个具有重构能力的模块。利用相贯线切割 机可重构数控系统的可重构性，可以对不同配置的加工机床、不同类型的加工模 式、不同要求的加工任务重构模块配置和资源分配。通过对模块的调整以及各模 块之间的协作顺序，灵活的应对生产任务的变化。相贯线切割机可重构数控系统 可加工多种钢管管道相贯的样式，功能齐全，控制精确，可以保证钢管结合处的 加工质量，并且使用简便，生产效率高，实现了复杂相贯线高精度高效率的加工， 能适应连续的大批量多种类生产，具有良好的发展前景和推广价值。
但是，现在大部分企业在切割加工钢管管道时仍使用传统的手工工艺，即工 人通过相贯线模板手工划线，然后手持割炬进行切割，工艺过程相当的繁琐，而 且生产效率低，加工精度也得不到保障，不利于企业的进展，严重制约了企业的 市场竞争力。虽然相贯线切割机控系统在一些企业己经得到应用，但其功能固定 单一的特点使系统的可重构性难以实现，从而限制了用户操作的灵活性，难以达到对产品品种和市场变化的适应。而且，由于其系统的体系通常是固定的根据特 定的数控要求定制，对用户不开放，各模块之间没有合适的接口，限制了系统的 可重构性，使得系统的功能受限。
经对现有技术文献的检索发现，文献《五轴数控火焰切管机床数控系统研制》 (《机械科学与技术》2008年2月第2期)提出了一种可满足多种类型管件加工
要求的五轴数控机床的系统，但是，该系统属于特定的数控系统，对于其他类型 的加工机床和加工模型就不适用，另外，文献中对于计算相贯线轨迹的数学模型， 采用的是理想圆管，未考虑到实际中钢管可能存在一定的椭圆度，因此，计算得 到的轨迹数据在实际加工中就不准确了。因此需要一种相贯线切割机可重构数控 系统，能适应各种加工机床、加工模式和加工需求，能根据面向对象的不同自动 重构模块配置和资源配置，是解决当前加工企业适应市场要求，增强技术竞争力， 提高复杂相贯线的加工效率的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种相贯线切割机可重构数 控系统，使其具有系统上的可重构性。本发明可根据加工任务的需要，分配轴的 任务，构成三轴、五轴系统等适应实际需要的不同系统，还能根据机床配置的不 同完成加工控制的改变。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括:前处理模块、参数设置模块、
可重构控制模块、加工管理模块和显示模块，其中前处理模块的输入端与计算
机相连接读取待加工的数控切割文件，前处理模块的输出端分别连接至可重构控 制模块的输入端和参数设置模块的输入端并输出原始切割参数，参数设置模块的 输出端连接至可重构控制模块的输入端并传输更新数据，加工管理模块的输入端 与可重构控制模块的输出端相连接以接收更新切割参数，加工管理模块和可重构 控制模块的输出端分别连接至显示模块的输入端以输出加工状态配置信息和更新数据。
所述的前处理模块包括数控切割文件读取单元和数控切割文件校验单元， 其中数控切割文件读取单元与计算机硬盘或者是移动存储器连接以读取待加工 的数控切割文件，数控切割文件校验单元可重构控制模块和参数设置模块连接以 传输经校验后的数据切割文件中的原始切割参数。所述的数控切割文件读取单元作为加工的先行工序，为后续步骤提供包含原 始切割参数的数控切割文件，该数控切割文件读取单元通过接收计算机输出的数 控切割文件，获取数控切割文件中的原始切割参数，同时将数控切割文件的读取 路径的信息保存下来。从文件中得到的原始切割参数经过整理，送入数控切割文 件校验单元。
所述的数控切割文件校验单元是对数控切割文件读取单元提供的数控切割文 件中的原始切割参数进行校核，检验设计的数据是否合理。检查文件是否提供的 加工必要的信息了解管道的编号和名称信息可以避免钢管的误用。得到管道的壁 厚，可以根据板厚自动的调节加工的速度。得到管道的半径，可以根据管道的半 径计算出加工管道所需要的传动比。
所述的原始切割参数，是指管道加工中用来拟合出管道相贯线轨迹的各离散 点坐标以及该系统控制多轴联动轴在每个离散点的移动距离和旋转角度。
所述的加工管理模块包括通讯单元、切割控制单元、控制规划单元和状态 监控单元，其中通讯单元与可重构控制模块、工控计算机和切割控制单元连接 以传输更新切割参数，切割控制单元与可重构控制模块、数字量输入输出卡和触 摸屏连接以接收更新切割参数并输出切割坐标参数和切割速度参数，状态监控单 元分别与数字量输入输出卡和触摸屏连接以输出加工状态配置信息和更新数据， 控制规划单元接收可重构控制模块输出的更新切割参数。
所述的通讯单元是指连接工控计算机和切割控制单元的通讯ISA总线，该通讯 单元以运动控制卡提供的动态连接库为基础进行通讯。IPC的任务分配，可以通过 通讯单元向运动控制卡传送，保证加工任务的精确性、完整性和实时性。工控计 算机负责数控切割文件的管理、参数设置、加工过程监视和设备诊断等功能。运 动控制卡完成各轴的闭环控制并且接受上位机的数控切割文件，解释编译实现多 轴的运动插补。
所述的切割控制单元中设有运动控制卡，该切割控制单元的根据钢管外径的离 散数据，采用PID算法、速度前馈算法和加速度前馈控制算法，同时完成多轴运 动插补并输出切割坐标参数和切割速度参数。
所述的钢管外径的离散数据是指现场采集到的用来拟合出实际钢管管道相贯 线轨迹的各离散点坐标以及该系统控制多轴联动轴在每个离散点的移动距离和旋转角度。
所述的控制规划单元根据曲线数据进行坐标变换以及各轴的运动规划，该控制 规划单元上设有椭圆度检测模块，对于圆度不理想的钢管进行椭圆度检测，对钢 管的加工进行调整。
所述的状态监控单元包括数字量输入输出卡的状态监控和触摸屏的状态监 控，数字量输入输出卡完成模拟开关量输入输出的逻辑控制和反馈，在加工过程 中完成对I/0的控制，并向用户反馈这些I/O的状态。触摸屏人机界面是用户的 输入界面和状态的反馈界面，接受用户的指令反馈系统的实时信息，通过触摸屏 人机界面，可以控制管道相贯线切割机的加工模式。
所述的显示模块包括数据显示单元、轨迹显示单元和模拟显示单元，其中 数据显示单元与可重构控制模块连接，轨迹显示单元与加工管理模块连接，模拟 显示单元与加工管理模块连接。
所述的数据显示单元显示管道相贯线数据轨迹数控切割文件中包含的管道编 号、名称信息，管道的半径、管道的壁厚；在加工过程中，数据显示单元显示加 工轴的机械坐标和工件坐标、轴的进给速度和速度修调等加工状态和加工信息； 轨迹显示单元显示原始切割参数拟合后的轨迹和相贯线二维展开图的轨迹和相贯 线的空间三维轨迹；模拟显示单元显示模拟仿真的加工过程。
本发明具体工作时，由前处理模块从计算机硬盘或者是移动存储器中读取待
加工的数控切割文件，并将从该数控切割文件中读取的原始切割参数存入到可重 构控制模块，等待可重构控制模块处理和分配；参数设置模块根据加工任务、工 序要求和机床配置列出了加工过程中包含的需要设置和修改的更新数据，并将这 些更新数据送入可重构控制模块，为后续的加工提供必要的参数信息；同时，还 需要把这些参数写入到计算机硬盘或移动存储器上的参数文件中进行保存，供用 户随时查看和调用，亦作为下次程序运行时的默认参数；可重构控制模块从前处 理模块获得原始切割参数，同时把原始切割参数送入显示模块；可重构控制模块 从参数设置模块获得更新数据后，参数，自动理解重构任务并重构基本功能和结 构配置，重构一种满足加工需要的配置，并向加工管理模块发送更新切割参数。 显示模块从可重构控制模块中获取原始切割参数后，根据数据计算，恢复轨迹在 空间上的表示，使得数据以图形的形式表现出来，显示模块另外显示加工状态配置信息。加工管理模块从可重构控制模块获取更新切割参数后，根据实时环境完 成相应的加工。
与现有技术相比，本发明利用各个已有模块的接口，通过增加、删减或者是 置换模块的方法，使得用户在进行系统开发设计时用最经济的方案满足所需的生 产能力和功能，大大减少了开发周期、降低了开发成本；本发明对不同配置的机 床，也能重新进行模块配置，重新进行资源分配，免于因机床的细微差别而重新 设计开发系统。
图l为本发明的结构示意图2为实施例加工示意图，其中图2a使用椭圆度误差的修正示意图，图 2b为修正高度示意图。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括前处理模块、参数设置模块、可重构控制模块、 加工管理模块和显示模块，其中前处理模块的输入端与计算机相连接读取待加 工的数控切割文件，前处理模块的输出端分别连接至可重构控制模块的输入端和 参数设置模块的输入端并输出原始切割参数，参数设置模块的输出端连接至可重 构控制模块的输入端并传输更新数据，加工管理模块的输入端与可重构控制模块 的输出端相连接以接收更新切割参数，加工管理模块和可重构控制模块的输出端 分别连接至显示模块的输入端以输出加工状态配置信息和更新数据。
所述的前处理模块包括数控切割文件读取单元和数控切割文件校验单元， 其中数控切割文件读取单元与计算机硬盘或者是移动存储器连接以读取待加工 的数控切割文件，数控切割文件校验单元可重构控制模块和参数设置模块连接以 传输经校验后的数据切割文件中的原始切割参数。
所述的数控切割文件读取单元作为加工的先行工序，为后续步骤提供包含原 始切割参数的数控切割文件，该数控切割文件读取单元通过接收计算机输出的数 控切割文件，获取数控切割文件中的原始切割参数，同时将数控切割文件的读取 路径的信息保存下来。从文件中得到的原始切割参数经过整理，送入数控切割文
8件校验单元。
所述的数控切割文件校验单元是对数控切割文件读取单元提供的数控切割文 件中的原始切割参数进行校核，检验设计的数据是否合理。检查文件是否提供的 加工必要的信息了解管道的编号和名称信息可以避免钢管的误用。得到管道的壁 厚，可以根据板厚自动的调节加工的速度。得到管道的半径，可以根据管道的半 径计算出加工管道所需要的传动比。
所述的原始切割参数，是指管道加工中用来拟合出管道相贯线轨迹的各离散 点坐标以及该系统控制多轴联动轴在每个离散点的移动距离和旋转角度。
所述的加工管理模块包括通讯单元、切割控制单元、控制规划单元和状态 监控单元，其中通讯单元与可重构控制模块、工控计算机和切割控制单元连接 以传输更新切割参数，切割控制单元与可重构控制模块、数字量输入输出卡和触 摸屏连接以接收更新切割参数并输出切割坐标参数和切割速度参数，状态监控单 元分别与数字量输入输出卡和触摸屏连接以输出加工状态配置信息和更新数据， 控制规划单元接收可重构控制模块输出的更新切割参数。
所述的通讯单元是指连接工控计算机和切割控制单元的通讯isa总线，该通 讯单元以运动控制卡提供的动态连接库为基础进行通讯。ipc的任务分配，可以通 过通讯单元向运动控制卡传送，保证加工任务的精确性、完整性和实时性。工控 计算机负责数控切割文件的管理、参数设置、加工过程监视和设备诊断等功能。 运动控制卡完成各轴的闭环控制并且接受上位机的数控切割文件，解释编译实现 多轴的运动插补。
所述的切割控制单元中设有运动控制卡，该切割控制单元的根据钢管外径的 离散数据，采用pid算法、速度前馈算法和加速度前馈控制算法，同时完成多轴 运动插补并输出切割坐标参数和切割速度参数。
所述的钢管外径的离散数据是指现场采集到的用来拟合出实际钢管管道相贯 线轨迹的各离散点坐标以及该系统控制多轴联动轴在每个离散点的移动距离和旋 转角度。
所述的控制规划单元根据曲线数据进行坐标变换以及各轴的运动规划，该控制 规划单元上设有椭圆度检测模块，对于圆度不理想的钢管进行椭圆度检测，对钢 管的加工进行调整。所述的状态监控单元包括数字量输入输出卡的状态监控和触摸屏的状态监 控，数字量输入输出卡完成模拟开关量输入输出的逻辑控制和反馈，在加工过程 中完成对I/0的控制，并向用户反馈这些I/0的状态。触摸屏人机界面是用户的 输入界面和状态的反馈界面，接受用户的指令反馈系统的实时信息，通过触摸屏 人机界面，可以控制管道相贯线切割机的加工模式。所述的钢管外径的离散数据，是指现场采集到的用来拟合出实际钢管管道相贯 线轨迹的各离散点坐标以及该系统控制多轴联动轴在每个离散点的的移动距离和 旋转角度。所述的显示模块包括数据显示单元、轨迹显示单元和模拟显示单元，其中 数据显示单元与可重构控制模块连接传输数据信息，轨迹显示单元与加工管理模 块连接传输轨迹信息，模拟显示单元加工管理模块连接传输模拟信息。所述的数据显示单元显示管道相贯线数据轨迹数控切割文件中包含的管道编 号、名称信息，管道的半径、管道的壁厚；在加工过程中，数据显示单元显示加 工轴的机械坐标和工件坐标、轴的进给速度和速度修调等加工状态和加工信息； 轨迹显示单元显示原始切割参数拟合后的轨迹和相贯线二维展开图的轨迹和相贯 线的空间三维轨迹；模拟显示单元显示模拟仿真的加工过程。本实施例通过前处理模块从计算机硬盘或者是移动存储器中读取待加工的数 控切割文件，并将从该数控切割文件中读取的原始切割参数存入到可重构控制模 块，等待可重构控制模块处理和分配；参数设置模块根据加工任务、工序要求和 机床配置列出了加工过程中包含的需要设置和修改的更新数据，并将这些更新数 据送入可重构控制模块，为后续的加工提供必要的参数信息；同时，还需要把这 些参数写入到计算机硬盘或移动存储器上的参数文件中进行保存，供用户随时査 看和调用，亦作为下次程序运行时的默认参数；可重构控制模块从前处理模块获 得原始切割参数，同时把原始切割参数送入显示模块；可重构控制模块从参数设 置模块获得更新数据后，自动理解重构任务并重构基本功能和结构配置，重构一 种满足加工需要的配置，并向加工管理模块发送更新切割参数。显示模块从可重 构控制模块中获取原始切割参数后，根据数据计算，恢复轨迹在空间上的表示， 使得数据以图形的形式表现出来，显示模块另外显示加工状态配置信息。加工管 理模块从可重构控制模块获取更新切割参数后，根据实时环境完成相应的加工。本实施例所述的椭圆度检测是一个解决钢管圆度不理想的方案。在实际应用 中，相贯线编程软件生成的相贯线曲线是以理想圆管为依据的，目的是为了在加 工过程中，使整个破口机构中心(A轴B轴中心)始终保持对准钢管管道的外壁高 度，而在实际加工过程中，如果钢管管道存在椭圆度，但又没有对钢管管道的椭 圆度进行补偿，势必将影响到实际的装配甚至影响切割过程的正常完成。如图2-1 所示是在加工存在椭圆度的钢管管道时未使用椭圆度补偿的示意图，s表示椭圆 度，h为加工尺寸受椭圆度影响，所以在切割点a处，AB轴中心不在管径外壁上， 加工尺寸存在误差。所以在加工过程中，必须检测钢管的椭圆度，以保证加工精 度。本数控系统面向该问题时，自主开发了可以在切割过程中实时测试补偿的定 位系统。如图2a所示为使用椭圆度误差的修正示意图，S表示椭圆度，Z表示Z 轴电机。开启椭圆度检测，系统开始采集钢管外径的离散数据，通过高度传感器， 直接采样实际钢管外径的离散数据，这些数据同时送入DSP运算，将运算后的结 果作为补偿量输出到Z轴中以调整剖口机构中心的高度，使剖口机构中心的位置 修正至钢管管道的外壁，修正高度在图2b中的以d表示，其值等于实际钢管管道 的椭圆度，此时，在切割点b处，AB轴中心修正至管壁外径上。本实施例采用可椭圆度检测，与现有技术采用的位置传感器先测量后切割的 方法相比较，更大程度上满足了对较大椭圆度管正常切割的要求，使得切割效率 大大提高。
权利要求
1、一种相贯线切割机可重构数控系统，其特征在于，包括前处理模块、参数设置模块、可重构控制模块、加工管理模块和显示模块，其中前处理模块的输入端与计算机相连接读取待加工的数控切割文件，前处理模块的输出端分别连接至可重构控制模块的输入端和参数设置模块的输入端并输出原始切割参数，参数设置模块的输出端连接至可重构控制模块的输入端并传输更新数据，加工管理模块的输入端与可重构控制模块的输出端相连接以接收更新切割参数，加工管理模块和可重构控制模块的输出端分别连接至显示模块的输入端以输出加工状态配置信息和更新数据。
2、 根据权利要求1所述的相贯线切割机可重构数控系统，其特征是，所述的 前处理模块包括数控切割文件读取单元和数控切割文件校验单元，其中数控 切割文件读取单元与计算机硬盘或者是移动存储器连接以读取待加工的数控切割 文件，数控切割文件校验单元可重构控制模块和参数设置模块连接以传输经校验 后的数据切割文件中的原始切割参数。
3、 根据权利要求2所述的相贯线切割机可重构数控系统，其特征是，所述的数控切割文件读取单元作为加工的先行工序，为后续步骤提供包含原始切割参数 的数控切割文件，该数控切割文件读取单元通过接收计算机输出的数控切割文件， 获取数控切割文件中的原始切割参数，同时将数控切割文件的读取路径的信息保 存下来，从文件中得到的原始切割参数经过整理，送入数控切割文件校验单元。
4、 根据权利要求2所述的相贯线切割机可重构数控系统，其特征是，所述的 数控切割文件校验单元是对数控切割文件读取单元提供的数控切割文件中的原始 切割参数进行校核。
5、 根据权利要求1所述的相贯线切割机可重构数控系统，其特征是，所述的 加工管理模块包括通讯单元、切割控制单元、控制规划单元和状态监控单元， 其中通讯单元与可重构控制模块、工控计算机和切割控制单元连接以传输更新 切割参数，切割控制单元与可重构控制模块、数字量输入输出卡和触摸屏连接以 接收更新切割参数并输出切割坐标参数和切割速度参数，状态监控单元分别与数 字量输入输出卡和触摸屏连接以输出加工状态配置信息和更新数据，控制规划单元接收可重构控制模块输出的更新切割参数。
6、 根据权利要求5所述的相贯线切割机可重构数控系统，其特征是，所述的 通讯单元是指连接工控计算机和切割控制单元的通讯ISA总线，该通讯单元以运 动控制卡提供的动态连接库为基础进行通讯。
7、 根据权利要求5所述的相贯线切割机可重构数控系统，其特征是，所述的 切割控制单元中设有运动控制卡，该切割控制单元根据钢管外径的离散数据，采 用PID算法、速度前馈算法和加速度前馈控制算法，同时完成多轴运动插补并输 出切割坐标参数和切割速度参数。
8、 根据权利要求7所述的相贯线切割机可重构数控系统，其特征是，所述的 钢管外径的离散数据是指现场采集到的用来拟合出实际钢管管道相贯线轨迹的各 离散点坐标以及该系统控制多轴联动轴在每个离散点的移动距离和旋转角度。
9、 根据权利要求5所述的相贯线切割机可重构数控系统，其特征是，所述的 控制规划单元根据曲线数据进行坐标变换以及各轴的运动规划，该控制规划单元 上设有椭圆度检测模块，对于圆度不理想的钢管进行椭圆度检测，对钢管的加工 进行调整。
全文摘要
一种数控切割技术领域的相贯线切割机可重构数控系统，包括前处理模块、参数设置模块、可重构控制模块、加工管理模块和显示模块，其中前处理模块的输入端与计算机相连接读取待加工的数控切割文件，前处理模块的输出端分别连接至可重构控制模块的输入端和参数设置模块的输入端并输出原始切割参数，参数设置模块的输出端连接至可重构控制模块的输入端并传输更新数据，加工管理模块的输入端与可重构控制模块的输出端相连接以接收更新切割参数，加工管理模块和可重构控制模块的输出端分别连接至显示模块的输入端以输出加工状态配置信息和更新数据。本发明满足了对较大椭圆度管正常切割的要求，使得切割效率大大提高。
文档编号G05B19/18GK101634847SQ20091005490
公开日2010年1月27日 申请日期2009年7月16日 优先权日2009年7月16日
发明者殷跃红, 盛景伟 申请人:上海交通大学