專利名稱：極坐標多項式微分差補銑切曲線控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大規(guī)格、高鋼級、厚壁、圓形方矩形焊管生產(chǎn)線的在線切 斷方法，特別是一種極坐標多項式微分差補銑切曲線控制方法。
背景技術(shù)：
在生產(chǎn)石油管道、天然氣、化工、城市水煤氣管道；或者汽車、農(nóng)機、火 車車廂、船舶的制造，高速公路的護欄、輕工業(yè)用箱柜及集裝箱家具等的直縫 鋼管、各種型鋼管的生產(chǎn)線上，飛鋸機是關(guān)鍵設備。它的作用是在線生產(chǎn)的自 動化生產(chǎn)的管材進行定尺切斷。
目前，微機控制定尺飛鋸機的鋸切形式均為擺臂式、平推式或滾切式，對 大規(guī)格管材，無法在線切斷；在銑切的運動合成方式上還有直角坐標式，直角 坐標式銑切是將兩個鋸片安裝在十字交叉的雙層滑臺的主軸上，工作時，滑臺 帶動鋸頭做差補運動，沿鋼管的截面形狀將其切斷其機械結(jié)構(gòu)比較大、設備剛 性差，對刀具有一定的磨損、振顫等；

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，提供一種仿形銑切的控制方法即極坐標 多項式微分差補銑切曲線控制方法，從而解決大規(guī)格、高鋼級、厚壁焊管生產(chǎn) 線的切斷問題
本發(fā)明解決其技術(shù)問題，所采取的技術(shù)方案是極坐標多項式微分差補銑 切曲線控制方法，其特征在于采用極坐標式差補銑切，是將兩個鋸片安裝在 一個旋轉(zhuǎn)圓盤的兩個對角線的主軸上，工作時，轉(zhuǎn)盤和兩進給主軸做曲線差補 運行，并沿被切件的截面形狀軌跡將管(型材)切斷，實現(xiàn)位置的多項式微分插補及速度的極坐標矢量差補，旋轉(zhuǎn)軸與進給軸很好的擬合出各種曲線，由一 個回轉(zhuǎn)伺服軸控制鋸片的進給角度，兩個進給伺服軸徑向運動控制鋸片的進深， 三軸同時動作差補出圓形、方矩形等；
采用數(shù)控系統(tǒng)，將相關(guān)的參數(shù)通過HMI輸入到數(shù)控系統(tǒng)CPU內(nèi)部，再將計 算后的位置、速度傳入定位系統(tǒng)中，由定位模塊設定進給伺服器，轉(zhuǎn)盤伺服銑 切曲線，傳給伺服放大器，傳給伺服電機，進行編碼器位置反饋，模擬出刀片 的進給曲線，按照鋼管的長寬規(guī)格擬和出鋼管的外形轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)角度切斷鋼管；
根據(jù)極坐標公式，每對應一個變量e (△ e為一微分變量)就計算出對應的 進給值P ，回轉(zhuǎn)伺服和進給伺服就可以插補出一條直線。
一個回轉(zhuǎn)伺服軸控制鋸片的進給角度，兩個進給伺服軸徑向運動控制鋸片的 進深，三軸同時動作差補出圓形、方矩形。
1)直線插補算法公式如下-P o=XO/cos 9 o P =X0/ cos 9 ; P0=Y0/cos(90° - 00) =Y0/ sin e0; P ' =Y0/ cos (90° - e) =Y0/ sin e ; 其中
Po------------------已知的極徑
60= arctan (Y0/X0)------------------初始切削角度
e = e Q- a e------------------旋轉(zhuǎn)變量切削角度
X0------------------矩形管的寬度的一半
Y0------------------矩形管的高度的一半這樣每對應一個變量e (a e為一微分變量)就計算出對應的進給值p，回 轉(zhuǎn)伺服和進給伺服就可以插補出 一條直線。
2)極坐標內(nèi)半徑為r的圓弧，插補公式如下 p2-2p p。cos(e-e。)二r2-Po2
p = p0cos(e-e0)+ [r2-p02 sin2(e-e0)]1/2
其中
Pc------------------------圓心的極徑
e 0=----------------------圓心的極角
e --------------------旋轉(zhuǎn)變量切削角度
p------------------圓上任意一點的極徑
這樣每對應一個變量9就計算出對應的進給值P，回轉(zhuǎn)伺服和進給伺服就
可以插補出圓弧曲線。
切削實例(如圖3):矩形管規(guī)格為270X580mrn，壁厚16ram 鋸片直徑為①355，極坐標的原點為矩形管的中心。這時 極徑p二 (XO+R-y) /cose P= (YO+R—Y ) /sin e
xo------------------矩形管的寬度的一半
Y0------------------矩形管的高度的一半
r------------------鋸片半徑
Y------------------矩形管的壁厚
9 0= arctan (Y0+R- y ) / (X0+R- y )取e = 9 0- △ e = 9 0-n*0. 5° 這樣9角每減少0.5度，即每一個e，對應出一個P值；也即轉(zhuǎn)盤每旋
轉(zhuǎn)一定角度，就能計算出對應的進給軸的位置；對于任意一點沿管壁的速度V，
5可以分解為沿極徑方向的速度V進給i水sine和沿旋轉(zhuǎn)方向的速度V旋轉(zhuǎn)
=v*cose，這樣就可以插補出一條直線。 當鋸切轉(zhuǎn)角處的圓弧時，根據(jù)公式
P = P0cos(e-90)+ [r2-p02 sin2(e-0。)]1/2 其中Po=[(XO-rl)2+(Y0-rl)2]1/2
0 o: arc tan (X0-rl/YO-rl)
r=R+rl- y
rl---------------------------轉(zhuǎn)角半徑
同樣，e角每減少O. 5度，即每一個e，對應出一個p值，也即轉(zhuǎn) 盤每旋轉(zhuǎn)一定角度，就能計算出對應的進給軸的位置；確定轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度， 就能計算出進給的速度，這樣園弧部分的差補問題也解決了。
本發(fā)明的有益效果是極坐標式銑切是將兩個鋸片安裝在一個旋轉(zhuǎn)圓盤的 兩個對角線的主軸上。工作時，轉(zhuǎn)盤和兩進給主軸做曲線差補運行，并沿被切 件的截面形狀軌跡將管(型材)切斷。實現(xiàn)位置的多項式微分插補及速度的極 坐標矢量差補，旋轉(zhuǎn)軸與進給軸很好的擬合出各種曲線。刀具運行平穩(wěn)、無振 顫，很大程度延長了鋸片的使用壽命。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
圖1是本發(fā)明的極坐標直線差補原理示意圖
圖2是本發(fā)明的極坐標圓弧插補原理示意圖3是本發(fā)明銑切矩形鋼管曲線控制方法示意圖4是本發(fā)明的控制原理方框圖5是本發(fā)明銑切圓管曲線控制方法示意圖6是本發(fā)明銑切方、矩管曲線控制方法示意圖。
圖中所示鋸片1、切入直線軌跡2、切削軌跡3、進給退刀4、返回待機 位5、圓形，矩形鋼管工件6.
所述的控制原理如圖4所示，主要控制單元為觸摸屏(HMI)、數(shù)控CPU、 定位系統(tǒng)模塊、轉(zhuǎn)盤伺服系統(tǒng)、進給伺服系統(tǒng)。觸摸屏(HMI)用于實現(xiàn)人與機 器的友好對話包括參數(shù)設定、報警顯示、報警歷史記錄、報警的處理辦法等。
數(shù)控系統(tǒng)CPU，用于運算不同規(guī)格的產(chǎn)品，實現(xiàn)位置的多項式微分插補及速度的 極坐標矢量差補；管理整個工藝過程；報警的檢測處理等。定位系統(tǒng)與轉(zhuǎn)盤伺 服系統(tǒng)、進給伺服系統(tǒng)一起作為數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行元件，與伺服編碼器組成位置 閉環(huán)反饋系統(tǒng)，模擬出刀片的進給曲線，按照鋼管的長寬規(guī)格擬和出鋼管的外 形轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)角度切斷鋼管。
具體實施例方式
采用極坐標式差補銑切。極坐標式銑切是將兩個鋸片安裝在一個旋轉(zhuǎn)圓盤的 兩個對角線的主軸上。工作時，轉(zhuǎn)盤和兩進給主軸做曲線差補運行，并沿被切 件的截面形狀軌跡將管(型材)切斷。實現(xiàn)位置的多項式微分插補及速度的極 坐標矢量差補，旋轉(zhuǎn)軸與進給軸很好的擬合出各種曲線。
飛鋸機采用進口的合金刀頭銑切鋸片。這樣在400 600r/min的情況下，該 鋸片可以切削高鋼級(X80， N80)，厚壁(20mm左右)的材質(zhì)。
采用數(shù)控系統(tǒng)，將相關(guān)的參數(shù)通過HMI輸入到數(shù)控系統(tǒng)CPU內(nèi)部，再將計 算后的位置、速度傳入定位系統(tǒng)中，由定位模塊設定進給伺服器，轉(zhuǎn)盤伺服銑 切曲線，傳給伺服放大器，傳給伺服電機，進行編碼器位置反饋，模擬出刀片 的進給曲線，按照鋼管的長寬規(guī)格擬和出鋼管的外形轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)角度切斷鋼管；
擬出刀片的進給曲線。在切削圓管時，這條曲線是按照管的切線方向進入管壁，作到參與切削的齒數(shù)最少。在切削矩形管時，在鋼管的直角邊切入也要
參與切削的齒數(shù)最少。
實施例l
在切削圓管時(如圖5所示)，過程如下
1) 首先，鋸片剛剛切入管壁時，為了減小切削抗力延長鋸片的使用壽命， 沿著管壁的切線方向切入，此時轉(zhuǎn)盤和進給同時動作，由極坐標直線算法公式 實現(xiàn)切削；
2) 其次，鋸片切透管壁后，徑向進給停止動作，轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)190° 左右，切斷鋼管；
3) 鋸片徑向進給退回待機位置，轉(zhuǎn)盤靜止不動；
4) 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)回原位，進給靜止，完成一次切削。 實施例2
在切削方管時(如圖6所示)，進給伺服機構(gòu)和轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)機構(gòu)同時動作，由 矩形工件的圓角處，沿著垂直方向切入管壁內(nèi)。以矩形管的中心為極坐標的原
點，這時，任意一點的位置
進給軸P二 (X0+R-Y ) /COS 9 ;
轉(zhuǎn)盤軸e度； 該點延管壁方向的切削速度V (ram/s):
進給伺服進給速度V a^V*sin 9 (mm/s);
轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)的速度V ,=V*c0Se (mm/s)，轉(zhuǎn)換為角度單位10800
V*COS26/ (XO+R-Y)
由此，直線上任意一點的位置、速度，微分化為0.5°角的A e，微分化 后的多步位置、速度傳入定位系統(tǒng)，即可擬合出一條直線；在鋸片鋸切轉(zhuǎn)角處的圓弧時
進給軸P二Pocos(e-e0)+ [r2-p。2 sin2(e —e。)]1/2
轉(zhuǎn)盤軸9度；
轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)的速度10800 V*cos9/ (X0+R—*兀(度/分) 進給伺服進給速度V^= ( P 1-P ) /V (mm/s)
由此，圓弧上任意一點的位置、速度，微分化為0.5°角的A 9，實現(xiàn)圓 弧部分平滑的切削。
將相關(guān)的參數(shù)通過HMI輸入到數(shù)控系統(tǒng)CPU內(nèi)部，再將計算后的位置、速 度傳入定位系統(tǒng)中，即可同時，按照鋼管的長寬規(guī)格擬和出鋼管的外形轉(zhuǎn)盤旋 轉(zhuǎn)180°切斷鋼管，進給及轉(zhuǎn)盤分別退回待機位置完成一次切削。
權(quán)利要求
1、極坐標多項式微分差補銑切曲線控制方法，其特征在于采用極坐標式差補銑切，是將兩個鋸片安裝在一個旋轉(zhuǎn)圓盤的兩個對角線的主軸上，工作時，轉(zhuǎn)盤和兩進給主軸做曲線差補運行，并沿被切件的截面形狀軌跡將管(型材)切斷，實現(xiàn)位置的多項式微分插補及速度的極坐標矢量差補，旋轉(zhuǎn)軸與進給軸很好的擬合出各種曲線，由一個回轉(zhuǎn)伺服軸控制鋸片的進給角度，兩個進給伺服軸徑向運動控制鋸片的進深，三軸同時動作差補出圓形、方矩形等；采用數(shù)控系統(tǒng)，將相關(guān)的參數(shù)通過HMI輸入到數(shù)控系統(tǒng)CPU內(nèi)部，再將計算后的位置、速度傳入定位系統(tǒng)中，由定位模塊設定進給伺服器，轉(zhuǎn)盤伺服銑切曲線，傳給伺服放大器，傳給伺服電機，進行編碼器位置反饋，模擬出刀片的進給曲線，按照鋼管的長寬規(guī)格擬和出鋼管的外形轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)角度切斷鋼管。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的極坐標多項式微分差補銑切曲線控制方法，其特 征在于根據(jù)極坐標公式，每對應一個變量9 (A 9為一微分變量)就計算出對 應的進給值P ，回轉(zhuǎn)伺服和進給伺服就可以插補出一條直線。
全文摘要
極坐標多項式微分差補銑切曲線控制方法，屬于一種大規(guī)格、高級、厚壁、圓形方矩形焊管生產(chǎn)線的在線切斷方法，其特征在于采用極坐標式差補銑切，是將兩個鋸片安裝在一個旋轉(zhuǎn)圓盤的兩個對角線的主軸上。工作時，轉(zhuǎn)盤和兩進給主軸做曲線差補運行，并沿被切件的截面形狀軌跡將管(型材)切斷，由一個回轉(zhuǎn)伺服軸控制鋸片的進給角度，兩個進給伺服軸徑向運動控制鋸片的進深，三軸同時動作差補出圓形、方矩形等；采用數(shù)控系統(tǒng)，將進給曲線，按照鋼管的長寬規(guī)格擬和出鋼管的外形轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)角度切斷鋼管，實現(xiàn)位置的多項式微分插補及速度的極坐標矢量差補，旋轉(zhuǎn)軸與進給軸很好的擬合出各種曲線。刀具運行平穩(wěn)、無振顫，很大程度延長了鋸片的使用壽命。
文檔編號G05B19/4097GK101520653SQ20091001116
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月16日
發(fā)明者萬宏天, 任崇立, 馮曉臣, 楊德興, 矯慶軍, 蔡英俠, 閆樹俊, 黃曉娟 申請人:沈陽新瑞特機電設備有限公司