法兰接管马鞍曲面加工专机CNC系统研发

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Research and Development on CNC System of the Saddle Surface of FlangeConnection Processing PlantW U Mingliang.YANG Dongfang(Colege of Mechanical and Electrical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou Gansu 730050，China)Abstract：The detail design scheme of CNC system based on MSC-5 1 SCM was put forward for the saddle surface of flange con-nection processing plant.The manufacturing plan，the hardware circuit and software flowchart were discussed.C language and assem-ble langu age were used to program in uVision2.Hardware circuit was designed in Protues7.The simulation results show that the pro·posed design scheme of the CNC system is feasible。

Keywords：Flange edge；Saddle surface；CNC system；SCM加氢反应器是炼油企业中的-个必备设备，由于反应器容积不断加大，使得反应器的壁厚、机构尺寸和质量都在整体增加。这-变化对反应容器的制造提出了新的要求，也使得作为其之-的反应容器简体焊接接管的加工更为困难。

国内的接管焊接曲面即马鞍形法兰曲面的下表面加工-般采用方形车削和手工打磨的方法，上表面采用刨床或者数控车床加工，这些方法对于壁厚不大的马鞍形裙边法兰是比较合适的。但是，随着尺寸和壁厚的不断加大，目前的加工方法已经不能适应大尺寸和壁厚的法兰接管曲面的加工 。

文中的加工专机为单台研制，为了减少设计周期、节约成本，依据 C5116A型车床进行了改造。把立车改成卧铣，把立刀架上安装车刀的地方改装为安装铣头 。文献 [2]详细地阐述了马鞍曲面加工专机的机械改造部分的设计方案〖虑到加工的法兰曲面是为了增加与筒体焊接过程的精准度，作者针对加工专机的CNC系统提出了-种经济型设计方案 。

1 法兰接管马鞍曲面加工简介所谓的马鞍曲面是由-横柱与-立柱相贯处所形成的曲面，所要加工法兰的马鞍曲面如图1所示。

A L图 1 法兰马鞍曲面接管裙边内表面马鞍形曲面1的加工是在-台重型刨床上进行，内表面圆弧曲面形状由靠模形成。在加工内表面时，刨刀按照制作好的靠模所给的轨迹移动刀具对工件进行刨削加工，仿出所需的法兰接管裙边内表面。文中的加工专机加工的是外表面，即法兰马鞍曲面2。

2 法兰接管马鞍曲面加工方案在加工过程中，马鞍曲面是由工件旋转与铣刀轴向和径向运动相配合形成的环形曲线组合产生的零件表面。在此，作者规定铣床的坐标方向为：刀具的升降运动为铣床的 轴，刀具的水平运动为铣床的收稿日期：2011-11-20作者简介：吴明亮 (1965-)，男，教授，主要从事机 电控制 和液压方 面的科研 和教学工 作。E-mail：orientyang###yeah.net。

· 2· 机床与液压 第41卷轴，工作台的旋转运动为铣床的 Y轴，如图 2所示〖虑到工件的对称性，先加工坯的半面，完成后，再加工它的对称面。加工专机对外表面的加工采用粗精加工相结合的方案。

图2 刀具和工件相对运动和坐标图2.1 粗 加 工粗加工时铣刀通过分布式的两轴联动，对法兰毛坯实现马鞍曲面的整体轮廓成型，粗加工采用等深度的加工方法。

等深度加工法的刀具轨迹图如图3所示。根据马鞍裙边的图示结构，沿裙边曲线确定每次加工刀具的吃刀和退刀位置。图中所示的 走刀轨迹”指铣刀在半径上有-定的吃刀深度后，工件旋转所走的轨迹。虚线是工件旋转运动在工件上所留下的加工痕迹，首次为最下面的加工痕迹 ，由下及上逐步加工形成带毛刺的外圈环形台。完成-次加工后，刀具退刀，然后调整刀具径向和轴向位置到新的吃刀点，重复加工。加工每个环形台的 轴和 轴进给次数，以及吃刀、退刀坐标均由CNC系统计算得出。

黍 磴L图 3 粗加工走刀轨迹图下面将分析 CNC系统粗加工部分的计算过程。

设加工的马鞍曲面所对应的焊接筒体半径为 ，加工的环形曲线对应的半径为r。起始点为点A，工件顺时针旋转，刀具位置关系如图4所示。设工件由起始点A (最低点)旋转到点 曰，对应旋转角度为 ，对应铣刀盘轴线上升的距离为 日。根据图4的几何关系，可得到以下的方程式。

根据图4(c)得：Lrsina (1)式中： 为刀具加工起点对应最低点的水平距离；r为刀具铣削进给加工时环形曲线的半径。

毛、- /lo- ! 刀具轨(a)要加工工件 的主视图 (b)右侧图对焊u-.--.-- 上 -----.JJ(c)局部剖视图图4 刀具位置关系图又由图4(a)有： R- -L (2)式 (1)和 (2)联立 ，可得方程组：rL rsinai日：R-、 (3)解得 ：H R- R -(rsina) (4)由上式可以得出：在半径 r给定时，日的值是周期变化的；当焊接筒体半径 -定时，r越大，日越大 。

设每次加工深度为h，当前为第 i次加工，起刀点坐标为 (0 ，Hi)，则有： - /R -(risinO ) (5)式中：0 为工件相对最高点转过的角度，0 ∈ (0，1T)；H 为刀具在z向总的铣削深度，H ih； 为刀具第i次铣削进给加工时环形曲线的半径， r。

则第 i1次加工时的刀具起刀点为 (0，H )，H 为 i1次的切削总深度，有：Hi1R- -(risinO川) (6)HilhHi(i1)h (7)综上可求得：Oil： i 鱼 二 ：二 ：(8)由式 (3)- (8)，利用迭代的原理即可以计算出第i次粗加工的起刀点 (0 ，H )的坐标值。

当在初始位置时，刀具的起刀点为 (0 ，H )，其中：第2期 吴明亮 等：法兰接管马鞍曲面加工专机CNC系统研发 ·3·H.：h 0 ：arc 塑 二1ir12.2 精加工在粗加工采用等深度加工后，得到图1形状的半成品，精加工是要完成去掉粗加工后毛刺的过程。精加工采用的是等距线加工的方案，其走刀轨迹由工件旋转和刀具不断的垂直升降复合而成，其示意图如图5所示。图5(a)为单次加工铣刀的走刀轨迹，考虑到加工的曲面是为了提高焊接时焊枪运动轨迹的精准度，所以对曲面的加工精度并没有十分高的要求，精加工过程采用直线插补的方法。其中，精加工轮廓线沿着马鞍裙边的平行曲线进行数据点的密化，如图5(b)所示。

(a)走刀 轨迹 (b)走 刀辛仑廓 线图5 精加工行刀轨迹精加工也是采取由外及内的顺序，下面确定每-个步长时刀具上升的距离。工件旋转和刀具升降之间的运动关系同样满足式 (4)。在计算时，以 角度坐标为等步长，由折线代替式 (4)所表示的曲线方程。以0为步长，计算进给加工的升降距离，在式(4)中 值的变化周期为叮T，对称轴为r/2〖虑到对称性， 的计算范围为 ∈ (0，90。)，对应折线0nO坐标点数为：Ⅳ 。

口对各折线的终点坐标按增量法计算，第-折线段的终点坐标为 (A0 0，AH )，第二折线段的终点坐标为 (A0 0，△ )，， (A0 AH.)其中：当 0时对应 AH，：AH R- -(rsin0) (9)当Ot 20时对应 △ ：△/t2： -(rsin0) - R -(rsin20)(10)当Ot iO时对应△Hi：△ /R -[rsin(i-1) -/ -[rsin/0](11)直至 Ot nO时，对应 △ ：△ ，/n -(rsinnO) (12)完成-个轮廓线拟合后，刀具进给-段距离，此时，重新设定半径 r，重复上述步骤。工件旋转时，刀具按直线插补升降进给加工，完成精加工部分。在加工至法兰径和裙边相结合处时，考虑到相贯圆弧，对结合处采用增大提刀垂直距离的方法，拟合出相贯圆弧线。

3 专机软硬件设计方案考虑到经济性问题，控制系统硬件部分采用8位单片机扩展 I/O口的设计方案。该系统的实现有2个关键部分：(1)硬件部分的设计；(2)系统设计中拈优先级的设定。

3.1 硬件部分设计硬件部分选用8位单片机 AT89S52，外扩 8 kBRAM，加 8255A扩展 I/O的设计方案 ，硬件结构图如图 6所示。

显示器 操作面板 轴进给驱动器 伺服 电机jf RS ：.c j J，轴旋转驱动器 伺服电机AT89SS2 E ：轴进给驱动器 伺服 电机 输 出 刀旋转变频器 异步电机RAM 接口 横梁升降 异步电机输入接口E Ⅱ1f 1 -- 嘏压糖列需 捆泶电 L机床开关 矩阵键盘 光耦继电开关 横梁电磁阀l图 6 硬件结构图数控系统由控制系统、驱动系统和电机组成∝制系统根据文中阐述的加工方案进行插补，生成坐标轴的运动指令，然后形成脉冲串发送给驱动系统，最后驱动系统发送运动指令控制电机运转。

输出接口。其中 轴和z轴驱动器接伺服电机，用于控制刀具在刀架上的运动方向与运动速度；Y轴驱动器接伺服电机，用于控制工件的旋转；变频器接主轴电机，用于控制铣刀的转速；横梁升降用于根据不同尺寸的工件调整铣刀轴的位置；液压和光耦继电器用于固定整个铣刀支架。

输入接口。机床开关用于机床零点置位、光电开关的控制，矩阵键盘用于系统可调参数的输入等。

RAM用于存放当前正在执行的程序和数据，如用户的调试程序、程序的中间运算结果以及掉电无需保存的I/O数据和参数等，优点是读写方便，缺点是断电易失。在设计时采用备用电池供电的方案，保证在出现意外断电时数据的完整性。

显示器和操作面板通过串口与单片机通信，主要用于当前加工状态的显示和用户选择界面。

3.2 软件部分设计软件部分采用拈化设计方案，用 C语言与汇编语言混合编程实现。程序主干部分采用 C语言编· 4· 机床与液压 第 41卷写，伺服系统的进给脉冲部分用汇编语言编译。主要的工作包括：粗、精加工程序部分的编译，单片机与显示部分和操作面板的通信，用户操作界面的开发，以及机床整体控制回零等。作者在 uVision2下完成程序的整体设计，程序流程图如图7所示。

根据各任务不同的实时性要求，各个功能拈被分成不同优先级的实时进程和非实时进程，其对各个任务的处理由中断源根据进程的优先级进行调度。

粗加工和精加工部分的进给脉冲部分程序采用汇编语言编译，在设计上考虑其实时性数据传输问题，作为第-优先级处理。

I/O口设计上采用1个 I/O口的3个引脚控制单轴数据传输的方案。在 ROM中编译列表作为寻址地址使用，RAM中定义独立的区段储存运动轴进给数据。粗加工和精加工的程序流程图如图8所示。

开始工 初始化捧嫠 矗薮器- - - - 童--- 确定下-条曲线- - - - - - - 皇 --- 确定下-条落器慧蚕筘脉结束I开中断显示- 遍关中断工作方式改变连 簦lN霎曩入丽 雨 丽 图7 总程序流程图开始工 初始化从轨迹文件缓冲区读取数据二二工N藻拜 进给IIsion2协同设计与仿真，验证和调试了相关程序 。 [21吴凯·法兰接管马鞍曲面CNC加工装置的研究与开发、， 辜 可 篓 孽 雪 控系4)：3统韵-5.研究现状和发展 兰 求 堡 壶尊 兰 手 璧 4军釜 ： ：藉芸 式软cNC发展趋势及其 方案加工周期长、 对工人身体危害大的 ，、了 素 jj. 写磊 2 o4( .～生产效率，减少了开支，节约了成本。仿真实验验证 [sl吴敢生，张丽，吴宏.马鞍形焊缝焊接运动系统数学模型豳堕 丙H/ -觯