数控火焰切割机任意路径回退加工的研究与实现

胡明华，张 斌

HU Ming-hua, ZHANG Bin

（四川工程职业技术学院，德阳 618000）

0 引言

数控切割机是金属板材加工的主要设备，用户可以通过编制数控加工程序实现对割枪的运行轨迹和相关装置的控制，从而实现自动切割，它实际是一种数控机床，其加工工具是火焰割枪或等离子割枪。

在采用火焰切割时经常会因为被加工板材不均匀、切割用气体压力不足和加工参数设置不合理等因素而导致在不确定的段出现板材不能被穿透的情况，从而导致自动切割不能完成。当出现这种情况时要求操作人员暂停自动加工，采用回退加工的方法把割枪沿原加工路径回退到未被穿透段的前方，然后启动加工，对未被穿透段进行重新切割。由于加工程序中有可能存在程序跳转、循环、子程序调用等情况以及火焰半径补偿等问题，因此要根据加工程序实现回退加工是非常困难的。现有的数控切割机控制系统一般采用轨迹存储的方法实现回退加工，即在系统内部分配一定的存储空间，存储已经执行过加工轨迹数据，在执行回退加工时通过分析存储的加工轨迹数据实现原路返回，这种方法目前被广泛使用，但是存在以下问题：

1）由于控制系统存储空间的限制，系统能记录的轨迹长短是很有限的，现有主流火焰切割机数控系统一般只能记忆30-50段已执行的加工轨迹，如果操作人员在超出此范围后才发现问题则不能实现回退加工。

2）这种方式只能实现按原加工路径返回，而不能直接返回到需要重新加工的线段上，并且在把未穿透的段加工完以后只能沿已经加工过的轨迹前进，因此要占用较多时间，效率很低。

1 任意路径回退加工的特点

任意路径回退加工是指在需要回退加工时可以将割枪不受路径限制地直接回退到已加工区域的任意点，系统自动在加工轨迹上找到距离割枪最近的点并移动到该点，然后开始自动加工，从而解决加工过程中板材未穿透问题。任意路径回退加工有以下几个特点：

1）可以回退到已加工部分的任意点，回退的距离和轨迹段数没有限制且不依赖于控制系统的存储空间；

2）回退过程可以快速地直接回退到需要重新加工的点，而不需要按原加工路径返回，可以提高加工效率；

3）回退时不需要操作人员准确地对准原有轨迹，再次启动加工时系统可以按最近原则直接移动到原加工轨迹上；

4）在回退加工过程中可以随时暂停，也可以在此方式下直接向前移动到任意点继续加工，即可以回退也可以前进。

2 任意路径回退加工的实现方法

2.1 任意路径回退的操作方法

图1 任意路径回退加工示意图

如图1所示，曲线MN是加工程序所确定的加工轨迹，M是起点，N是终点，在执行自动加工时，割枪运行到A点后操作人员发现图中所示的CD段未被穿透，则需重新切割该段。此时操作人员需暂停加工，选择回退加工，然后将割枪从A点直接移到B点，B点必须是在未割穿线段的前面（从运行方向上看）且靠近加工轨迹。在B 点处重新起动自动加工，则割枪自动移动到加工轨迹上的C点，在C点处点火，开始自动切割加工，达到D点后就完成了回退加工。

当完成未穿透段的重新加工后可以再次选择回退加工，也可以继续自动加工，如果需要直接回到A点或回退到其他未穿透段则再次选择回退加工，过程与上述方法相同；如果D点距A点较近，可以选择继续加工，切割机将沿原加工轨迹运行到A点并继续执行加工程序，此时不需要任何额外操作。图中的A、B、D点由操作人员确定，C点由系统根据最近原则自动确定，B点必须确定在未穿透段的前面。

2.2 软件实现方法

要实现以上所述的任意路径回退加工的方法关键在于正确地找到加工轨迹上的C点并从该点重新执行加工程序，采用加工轨迹扫描的方法可以准确地找到该点。

数控火焰切割机通过解释数控加工程序，获得切割机运动轨迹的数据和控制信息，控制伺服系统和其他执行机构实现自动切割加工。加工轨迹扫描是完全按照加工过程对加工程序进行解释，获取其中运动轨迹数据但不执行具体的加工操作，然后对加工轨迹中的各运动线段（直线、圆弧等）进行分析，按照与B点距离最近的原则确定C点的位置，其中的关键点在于轨迹扫描必须完全与加工过程相同，包括火焰半径补偿、程序跳转等。加工程序以文件的形式存储在硬盘上，先将加工文件读入内存，将其创建成一个链表，定义两个指向该链表的指针P1和P2，P1用于自动加工，P2用于轨迹扫描。在正常加工模式下，P1逐次指向链表的每个节点，获取加工数据，然后控制切割机执行相应的操作，直到程序结束。在进行回退加工时，将P1重新指向链表头，逐次指向链表的每个节点，读取其中的G00、G01、G02等涉及运动轨迹控制的加工指令，获取该段轨迹坐标数据，建立其数学模型，计算B点与每段加工轨迹的距离，直到程序结束。其中与B点距离最近的点就是C点，C点不能定位于G00指令所对应的线段上，确定C点后将指向C点所在节点的指针保存于P2。在扫描过程中直接跳过M、F、延时等指令，而对于G98（子程序调用）、G99（子程序返回）、G80（循环）、G97（跳转）等指令则按其功能修改P1指针，使其指向正确的目标节点。当数控切割机从B点移动到C点后，将C点坐标作为当前坐标，同时将P2赋给P1，使P1指向即将加工的段所对应的加工指令，即可重新起动自动加工。由于轨迹扫描是从链表的头开始的对加工程序的完整扫描，因此可以保证数据的准确性以及从C点开始加工后与后续加工程序的无缝连接。

2.3 轨迹扫描程序流程

图2 轨迹扫描流程图

由于轨迹扫描只是获取加工轨迹数据进行相关计算，而不执行加工操作，因此占用时间非常短暂，不会对加工操作造成影响，同时轨迹扫描的目的是找到C点，只须逐段分析加工轨迹与B点的关系，而不需要同时获取所有加工轨迹数据，因此数控系统不需要额外保存加工轨迹数据，可以节约大量存储空间。

3 存在的问题及对策

1）在回退操作时，B点距离需要加工的轨迹段的距离必须小于它与其它段的距离，否则C点的位置确定就会错误，从而使回退加工失败。由于数控切割是一种粗加工，切割火焰直径较大，切割轨迹不可能太密集，因此操作人员可以通过肉眼将割枪定位在程序允许的范围内。

2）由于数控火焰切割机一般采用开环或半闭环控制，因此机械精度和传动间隙会对C点的定位是否准确造成影响，这个问题在其他回退加工方式中依然存在，可以通过提高机械精度和反向间隙补偿来克服。

4 结论

回退加工是数控火焰切割机的必备功能，由于任意路径回退加工功能的回退路径、回退距离等都没有限制，因此具有更高的加工效率，操作更方便。该项技术已经成功用于成都华远电器有限公司的火焰数控切割机数控系统。

[1]陈金成,周向东,黄剑.基于工业PC机的数控火焰切割机数控系统开发[ ].机床与液压,1999,5.

[2]宋喜庆,李满霞.新型数控火焰切割机智能系统[ ].电工技术,2003,9.