一种基于PMAC的水切割机及其轨迹优化方法与流程

本发明涉及一种数控水流切割加工装置和施工方法，更具体的说，是涉及一种基于pmac的水切割机及轨迹优化方法。

背景技术：

水切割技术的应用已经相对较广，其原理是外来自来水从进口快接接口进入储水罐经过滤器过滤之后，由高压水泵进行加压，进入增压器两端的高压缸内。通过各个管件形成源源不断的高压水流。调节调压溢流阀改变压力表的压力大小，磨料系统输出的磨料混入高压水流由高压出水口输出，通过高压管输送到喷射头，高压水流在喷嘴的约束下形成具有极大动能的高速磨料水射流，可以穿透任何坚硬材料。此水切割机可切割范围非常广泛，除一些特殊材质确实不适合接触水的除外。采用水切割技术其主要优点是切割过程中无热量产生、无火花，切割无磨削、无材料的拉伸变形，操作简单，需要作业空间较小，运输方便可迅速应对突发事件，而且能适应野外、无电源等各种环境下的作业。

现有的水切割设备数控系统往往采用传统的cnc系统。因此，其数控系统面临着传统cnc系统所面临的问题，数控系统无法根据产品生产特性进行二次开发，无法对加工轨迹的参数做出最优选择。

技术实现要素：

本发明针对现有产品的不足，而提供一种可根据产品不同的加工要求和加工精度选择不同加工水嘴和控砂系统的一种基于pmac的水切割机及轨迹优化方法。

本发明的一种基于pmac的水切割机，所述水切割机包括驱动主机、一号水嘴系统、二号水嘴系统、三号水嘴系统，所述驱动主机内设置有液压伺服系统、高压切割水装置和pmac控制系统，所述pmac控制系统包括数据仿真模块、神经网络计算模块、通讯模块、数控模块，所述pmac控制系统通过数控模块对液压伺服系统进行控制，所述液压伺服系统对高压切割水装置运行参数自动进行调整，所述高压切割水装置包括一号水嘴系统、二号水嘴系统、三号水嘴系统，控砂装置；所述一号水嘴位于二号水嘴的右侧，所述三号水嘴位于二号水嘴的左侧；

所述的一号水嘴系统单元包括固定在所述的底座上的一号水嘴垂直支架、安装在所述的一号水嘴垂直支架上的一号水枪支架、安装在所述的一号水枪支架的一号水枪坡口调节装置、安装在所述的一号水枪坡口调节装置上的一号水嘴；述的一号水枪坡口调节装置包括旋转齿轮、与所述的旋转齿轮相传动连接的电机，所述的旋转齿轮的轴心线位于水平面上；

所述的二号水嘴系统包括可转动地安装在所述的底座上的二号水嘴垂直支架、固定安装在所述的二号水嘴垂直支架上的二号水嘴，所述的二号水嘴的中心线沿竖直方向布置，所述的二号水嘴垂直支架的绕底座的转动轴心线与所述的底座绕机架的转动轴心线重合；

所述的三号水嘴系统包括固定在所述的底座上的三号水嘴垂直支架、安装在所述的三号水嘴垂直支架上的三号水嘴支架、安装在所述的三号水嘴支架上的三号水嘴坡口调节装置、安装在所述的三号水嘴坡口调节装置上的三号水嘴；所述的三号水嘴坡口调节装置包括旋转齿轮、与所述的旋转齿轮相传动连接的伺服电机，所述的旋转齿轮的轴心线位于水平面上；

所述一号水嘴垂直支架的底部设置有激光定位头，所述激光定位头控制导向头按照加工轨迹运行；

所述的控砂装置包括一号水嘴控砂系统、二号水嘴控砂系统、三号水嘴控砂系统，所述三个控砂系统分别和一号水嘴系统、二号水嘴系统、三号水嘴系统连接。

所述的一号水嘴控砂系统所用切割砂石为石榴石，所述二号水嘴控砂系统所用切割砂石为精钢砂，所述三号水嘴控砂系统所用切割砂石为橄榄石。

一种基于pmac的水切割机的轨迹优化方法，所述轨迹优化方法包括以下步骤；

步骤1、通过数控仿真技术将加工工件建立加工零件三维模型，所述加工零件三维模型通过pmac控制系统的通讯模块将模型数据转成nc代码，所述nc代码导入数据仿真模块，通过数据模拟仿真在切割坯料上设定切割坡口线，所述的切割坡口线将工件分为精加工成型区和粗加工工件成型区，所述数据仿真模块通过神经网络计算模块进行模拟仿真零件加工过程及走刀路线；

步骤2、将编码路径按照封闭路径和非封闭路径进行分类；以其中一条路径沿加工方向的末点为基点，求基点和余下路径的距离；该基点与每一非封闭路径两端点均有距离值，将较近距离和较远距离值分别放入集合v和w，分别求出v和w中的最大值与最小值max(v)与min(v)，max(w)与min(w)，且min(w)≥max(v)；

步骤3、设可变参数r，若max(w)/min(w)>r且max(v)/min(v)≈1，则将绘制顺序调整为先加工w中取值为min(w)的路径，其加工方向为从基点到该路径的一端点，再从此端点加工该路径至取值为min(w)的端点，在加工中先加工该路径，加工顺序按照最近算法确定；

步骤4、通过神经网络计算模块将待加工的路径分为n条，对每条路径编号为0，1，2…，n，将加工路径分为n！种组合方式，采用二进制编码形式对精加工路径和粗加工路径进行组合编码，根据精加工路径和粗加工路径参数要求，在数控模块选择不同型号的水嘴和控砂系统。

步骤5、神经网络计算模块对设置的加工参数进行计算和优化，然后将优化好的加工参数保存在数据库中的同时将加工数据提供给pmac控制系统。

步骤6、pmac控制系统根据工件加工轨迹选定切割方向，从编码轨迹判断待加工工件的切割线是否由精加工的线构成，如果为是精加工的轨迹线，则所述的数控模块采用一号号水嘴控砂系统和一号水嘴系统一直沿精加工的轨迹线切割；

如果为粗加工轨迹线，则所述的数控模块采用二号水嘴控砂系统和二号水嘴系统一直沿粗加工轨迹线切割；

对于外切工件和内切工件，切割过渡线要与切割坡口线形成光滑过渡，则所述的数控模块采用三号水嘴控砂系统和三号水嘴系统一直沿切割过渡线切割；

与现有技术相比，本发明具有如下优点及显著效果：

(1)本发明提供的一种基于pmac的水切割机，采用多种水嘴和控砂系统能满足不同加工精度要求，针对不同形状的坡口轨迹，进行360°的坡口切割，并能较好的满足复杂产品的需要。

(2)本发明提供的一种基于pmac的水切割机，采用激光定位头可直观的了解待加工工件表面尺寸要求；导向头可根据激光定位进行导向加工。

(3)本发明提供的一种基于pmac的水切割机，采用神经网络计算模块对设置的加工参数进行计算和优化，然后将优化好的加工参数保存在数据库中的同时将加工数据提供给pmac控制系统。

(4)本发明提供的一种基于pmac的水切割机的轨迹优化方法，通过不断改变加工顺序、加工方向、水嘴和控砂系统的优化方法，优化了水切割机床加工的路径，减少了大量的无效空行程，根据不同产品加工精度要求选择最佳水嘴和控砂系统，提高了加工效率，降低了经济成本。

(5)本发明提供的一种基于pmac的水切割机的轨迹优化方法，采用数据仿真模块，检验刀具运动轨迹的正确性、安全性，基本保证零件的加工质量，大大提高系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明水切割机的结构示意图；

图2为本发明水切割机的轨迹优化前路线；

图3为本发明水切割机的轨迹优化后路线；

图中：驱动主机1、一号水嘴垂直支架2、电机3、一号水枪坡口调节装置4、一号水枪支架5、激光定位头6、一号水嘴7、二号水嘴8、三号水嘴9、电磁换向阀10、导向头11、三号水嘴支架12、三号水嘴坡口调节装置13、二号水嘴垂直支架14、伺服电机15、三号水嘴垂直支架16、底座17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

在图中，本发明的一种基于pmac的水切割机主要由驱动主机1、一号水嘴垂直支架2、电机3、一号水枪坡口调节装置4、一号水枪支架5、激光定位头6、一号水嘴7、二号水嘴8、三号水嘴9、电磁换向阀10、导向头11、三号水嘴支架12、三号水嘴坡口调节装置13、二号水嘴垂直支架14、伺服电机15、三号水嘴垂直支架16、底座17组成。

如图1所示，本发明一种基于pmac的水切割机，所述水切割机包括驱动主机1、一号水嘴系统、二号水嘴系统、三号水嘴系统，所述驱动主机1内设置有液压伺服系统、高压切割水装置和pmac控制系统，所述pmac控制系统包括数据仿真模块、神经网络计算模块、通讯模块、数控模块，所述pmac控制系统通过数控模块对液压伺服系统进行控制，所述液压伺服系统对高压切割水装置运行参数自动进行调整，所述高压切割水装置包括一号水嘴系统、二号水嘴系统、三号水嘴系统，控砂装置；所述一号水嘴7位于二号水嘴8的右侧，所述三号水嘴9位于二号水嘴8的左侧；

所述的一号水嘴系统单元包括固定在所述的底座17上的一号水嘴垂直支架2、安装在所述的一号水嘴垂直支架2上的一号水枪支架5、安装在所述的一号水枪支架5的一号水枪坡口调节装置4、安装在所述的一号水枪坡口调节装置4上的一号水嘴7；述的一号水枪坡口调节装置4包括旋转齿轮，与所述的旋转齿轮相传动连接的电机3，所述的旋转齿轮的轴心线位于水平面上；

所述的二号水嘴系统包括可转动地安装在所述的底座17上的二号水嘴垂直支架14、固定安装在所述的二号水嘴垂直支架14上的二号水嘴8，所述的二号水嘴8的中心线沿竖直方向布置，所述的二号水嘴垂直支架14的绕底座17的转动轴心线与所述的底座17绕机架的转动轴心线重合；

所述的三号水嘴系统包括固定在所述的底座17上的三号水嘴垂直支架16、安装在所述的三号水嘴垂直支架16上的三号水嘴支架12、安装在所述的三号水嘴支架12上的三号水嘴坡口调节装置13、安装在所述的三号水嘴坡口调节装置13上的三号水嘴9；所述的三号水嘴坡口调节装置13包括旋转齿轮、与所述的旋转齿轮相传动连接的伺服电机15，所述的旋转齿轮的轴心线位于水平面上；

所述一号水嘴垂直支架2的底部设置有激光定位头6，所述激光定位头6控制导向头11按照加工轨迹运行；

所述的控砂装置包括一号水嘴控砂系统、二号水嘴控砂系统、三号水嘴控砂系统，所述三个控砂系统分别和一号水嘴系统、二号水嘴系统、三号水嘴系统连接。

所述一号水嘴控砂系统、二号水嘴控砂系统、三号水嘴控砂系统通过电磁换向阀10进行控制切换。

所述的一号水嘴控砂系统所用切割砂石为石榴石，所述二号水嘴控砂系统所用切割砂石为精钢砂，所述三号水嘴控砂系统所用切割砂石为橄榄石。精钢砂比较尖锐、硬度高、不易破碎,因此切割效率比较高,但同时也加速了混合腔的磨损；橄榄石和石榴石质地软，切割效率不高，混合腔的磨损慢，根据选择不同产品要求选择不同的砂石进行加工，提高加工效率。

一种基于pmac的水切割机的轨迹优化方法，所述轨迹优化方法包括以下步骤；

步骤1、通过数控仿真技术将加工工件建立加工零件三维模型，所述加工零件三维模型通过pmac控制系统的通讯模块将模型数据转成nc代码，所述nc代码导入数据仿真模块，通过数据模拟仿真在切割坯料上设定切割坡口线，所述的切割坡口线将工件分为精加工成型区和粗加工工件成型区，所述数据仿真模块通过神经网络计算模块进行模拟仿真零件加工过程及走刀路线；

步骤2、将编码路径按照封闭路径和非封闭路径进行分类；以其中一条路径沿加工方向的末点为基点，求基点和余下路径的距离；该基点与每一非封闭路径两端点均有距离值，将较近距离和较远距离值分别放入集合v和w，分别求出v和w中的最大值与最小值maxv与min(v)，max(w)与min(w)，且min(w)≥max(v)；

步骤3、设可变参数r，若max(w)/min(w)>r且max(v)/min(v)≈1，则将绘制顺序调整为先加工w中取值为min(w)的路径，其加工方向为从基点到该路径的一端点，再从此端点加工该路径至取值为min(w)的端点，在加工中先加工该路径，加工顺序按照最近算法确定；

步骤4、通过神经网络计算模块将待加工的路径分为n条，对每条路径编号为0，1，2…，n，将加工路径分为n！种组合方式，采用二进制编码形式对精加工路径和粗加工路径进行组合编码，根据精加工路径和粗加工路径参数要求，在数控模块选择不同型号的水嘴和控砂系统；

步骤5、神经网络计算模块对设置的加工参数进行计算和优化，然后将优化好的加工参数保存在数据库中的同时将加工数据提供给pmac控制系统。

步骤6、pmac控制系统根据工件加工轨迹选定切割方向，从编码轨迹判断待加工工件的切割线是否由精加工的线构成，如果为是精加工的轨迹线，则所述的数控模块采用一号号水嘴控砂系统和一号水嘴系统一直沿精加工的轨迹线切割；

如果为粗加工轨迹线，则所述的数控模块采用二号水嘴控砂系统和二号水嘴系统一直沿粗加工轨迹线切割；

对于外切工件和内切工件，切割过渡线要与切割坡口线形成光滑过渡，则所述的数控模块采用三号水嘴控砂系统和三号水嘴系统一直沿切割过渡线切割；

如图2所示，根据设计顺序将ti顺次记录在文件中，且ti的加工顺序为图2所示顺序，该图表示优化前的加工顺序。经过上述优化方法的加工顺序及过程如图3所示，各图元的加工顺序及其各点的加工顺序发生了改变，按如图箭头方向加工。

图2和图3所示的空行程∑l空＝∑li，li表示途中编号i的线段长度。

在图3中l空＝379.3mm，优化后的空行程l空＝111.3mm，空行程减少约70.66％。实践表明，若所加工的图形元素越多，设计顺序的随机性越大，则空行程的优化程度越高。

通过上述分析，本发明所提出的优化算法在实际加工中是有效的。通过不断改变轨迹加工顺序以及加工方向的优化方法，优化了水切割机床加工的路径，减少了大量的无效空行程，提高了加工效率，降低了经济成本。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。