CN110456734A - 一种电熔管件加工设备用控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电熔管件加工设备用控制器，包括加工数据采集模块、镗孔控制驱动模块、加工路径规划模块、五轴机床运动控制模块、刀具绕线控制模块，控制器根据用户的加工需求，向控制单元下发加工参数，自动生成五轴机床运动轨迹G代码指令，与多个伺服驱动器配合，驱动多个伺服电机，控制不同机床运动轴不同方向运动，以保障电熔管件加工设备的五轴联动精准控制。本发明还公开了一种电熔管件加工设备用控制器的控制方法，基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法，实现电熔管件绕线的加工轨迹自动生成，用于电熔管件的电热丝布线，以规划布线刀具及管件夹具的运动轨迹，保障刀具工作顶点时刻垂直于电熔管件的加工点的近似单元平面，保障绕线镗孔的流畅作业。

Description

一种电熔管件加工设备用控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制器，具体涉及一种电熔管件加工设备用控制器

本发明还涉及一种电熔管件加工设备用控制器的控制方法。

背景技术

电熔管件是指可以通过电流所产生的温度而熔化达到连接的一种塑料(聚乙烯)管材配件。其凭借耐腐蚀、质量轻、使用寿命长等突出优势，被广泛应用于市政建筑和居民小区给水、燃气输送等领域。

电熔连接是通过电熔管件套在管材外表面并通电加热实现连接。电熔管件包括套筒、鞍形、变径、三通和弯头等。电熔连接是利用焦耳效应，通电后集成在管件内表面的电阻线圈发热引起线圈附近的聚乙烯(PE)熔化，由物料膨胀产生的熔焊压力使管道连接界面焊接在一起，具有方便高效、管道密封性好、施工负面影响低等优点，因而在管道铺设施工过程中被广泛使用。

但是，由于电熔管件在加工、绕线过程中，对机床联动的精度要求极高，高标准产品生产难度大，因此，目前市场缺乏用于电熔管件加工的专用设备。

特别对于鞍型管件，其整个焊接端面与管材紧密贴合在一起，如果安装时电熔鞍型管件与管材之间存在缝隙，会引起鞍型管件的空焊。

管件制造商多使用通用型五轴数控设备来加工管件，其配套使用的通用型五轴数控设备的控制器在加工电熔管件的过程中，存在操作繁琐、可视化低、五轴联动定点精度低、数控G代码需要人为编写、工作效率低等问题，因此，有必要研究出一种能够用于控制电熔管件加工设备的专用控制器及其控制方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种电熔管件加工设备用控制器，用于电熔管件加工设备的坐标定位、绕线设置、镗孔设置、对刀设置及五轴机床路径规划，以达到简化操作、提高人机交互体验。

本发明还提供一种电熔管件加工设备用控制器的控制方法，基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法，用于机床运动路径规划以及五轴联动精准控制，以保障刀具工作顶点时刻垂直于电熔管件的加工点的近似单元平面、保障绕线镗孔的流畅作业。

本发明提供一种电熔管件加工设备用控制器，包括加工数据采集模块、镗孔控制驱动模块、加工路径规划模块、五轴机床运动控制模块、刀具绕线控制模块，

加工数据采集模块，用于加工数据的采集，采集对象包括加工开始前的镗孔半径、绕线半径、绕线圈数、螺距在内的加工数据，用于后续加工需要；

镗孔控制驱动模块，根据加工需求的镗孔半径驱动镗孔刀具完成镗孔加工；

加工路径规划模块，根据加工要求规划五轴机床加工路径，由基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法，计算得到；

五轴机床运动控制模块，根据规划得出的运动路径控制五轴机床电机完成相应运动，从而完成机床联动；

刀具绕线控制模块，控制绕线刀具在机床到达指定位置时完成绕线切割工作。

本发明提供一种电熔管件加工设备用控制器的控制方法，包括以下步骤：

S1、控制器的人机界面提供用户需求输入窗口，用户可以根据加工需求设置加工参数，人机界面获取加工参数；

S2、人机界面发送加工信息至控制器的加工路径规划模块；

S3、加工路径规划模块根据加工信息计算加工路径；

S4、加工路径规划模块根据计算出的加工路径，自动生成五轴机床运动轨迹，从而得到绕线刀位轨迹G代码，绕线刀位轨迹G代码由基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法得来；

S5、运动控制模块根据G代码指令配合伺服驱动器，驱动伺服电机，控制加工机床五轴联动，完成电熔管件的绕线加工。

基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法，其具体执行步骤如下：

S41、笛卡尔坐标系下的阿基米德螺线二维轨迹路线数学建模；

S42、阿基米德螺线曲面三维轨迹路线变换；

S43、计算阿基米德螺线切线方向，得到刀具运动进给方向角；

S44、计算管件加工点单位平面水平旋转角；

S45、根据刀具切触点五轴坐标，形成五轴机床运动轨迹，生成绕线刀位轨迹G代码。

进一步的，针对步骤S41，由阿基米德螺线在极坐标系下的表达，如式(1)所示，推导出阿基米德螺线在笛卡尔坐标系下的表达式，如式(2)所示：

r＝a+b(2nπ+θ) (1)

其中，a为当θ＝0时，螺线起点到极坐标原点的距离；b为螺线半径r随θ增加的单位增量，表示为b＝dr/dθ；α可看作为a；β可看作b；(x₀,y₀)为笛卡尔坐标系下的阿基米德螺线起点坐标；x、y分别为笛卡尔坐标系下的螺线各点坐标值，则(x,y)为笛卡尔坐标系下的阿基米德螺线二维轨迹上各点坐标。

进一步的，针对步骤S42，由在笛卡尔坐标系下的阿基米德螺线的二维轨迹表达，采用z向投影的方式得到阿基米德螺线半圆曲面上的投影螺线，即阿基米德螺线曲面三维轨迹表达，如式(3)所示：

其中，R为管件镗孔半径，z为三维坐标系下阿基米德螺线曲面三维轨迹的z向坐标值，则(x,y,z)为三维坐标系下的阿基米德螺线三维轨迹上各点坐标。

进一步的，针对步骤S43，为了保证刀具工作点实时垂直于加工近似单位平面，需要对加工管件进行旋转，设定以半圆管件关于z轴对称时的管件旋转角为0°，顺时针旋转角度为正方向，逆时针方向为负方向，则加工管件工件旋转角的表达式a，如式(4)所示：

进一步的，针对步骤S44，根据阿基米德螺线的轨迹路线，得到切线角度，从而得到刀具运动过程中的进给方向角c，如式(5)所示：

c＝270°+θ (5)

其中，x为加工点的x轴坐标，结合步骤S41～S43，可得刀具切触点的五轴机床实时坐标为(x,y,z,a,c)。

进一步的，针对步骤S45，由于步骤S43的工件旋转，机床加工点的y、z坐标值发生改变如式(6)所示，由步骤S41-S44，所得刀具切触点的五轴机床实时坐标，得到基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹的五轴机床运动规律，如式(7)所示：

其中，α、β、n、θ的取值范围为数学范畴的取值范围，专用控制器通过读取操作人员通过人机界面输入的α、β、n、θ参数值，计算生成五轴运动轨迹，从而生成绕线刀位轨迹G代码，控制电熔管件加工设备完成绕线加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种电熔管件加工设备用控制器，相比通用的五轴数控机床控制器，在电熔管件的镗孔、绕线方面表现更具优越性，本发明的基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法，相比传统的五轴通用机床轨迹生成算法，在电熔管件绕线加工方面表现更具优越性，借助数学推导五轴机床运动轨迹，更具理论性和普适性。

因此，本发明可以提高机床加工行业的技术含量，在自动控制、特殊电熔管件加工、五轴数控机床联动控制等领域具有广泛应用前景。

附图说明

图1为本发明控制器原理框图。

图2为本发明控制器工作流程图。

图3为本发明控制器硬件结构图。

图4为本发明基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法流程图。

图5为本发明电熔管件加工绕线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种电熔管件加工设备用控制器，图1所示，包括加工数据采集模块、镗孔控制驱动模块、加工路径规划模块、五轴机床运动控制模块、刀具绕线控制模块；

加工数据采集模块，用于加工数据的采集，采集对象包括加工开始前的镗孔半径、绕线半径、绕线圈数、螺距在内的加工数据，用于后续加工需要；

镗孔控制驱动模块，根据加工需求的镗孔半径驱动镗孔刀具完成镗孔加工；

加工路径规划模块，根据加工要求规划五轴机床加工路径，由基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法，计算得到；

五轴机床运动控制模块，根据规划得出的运动路径控制五轴机床电机完成相应运动，从而完成机床联动；

刀具绕线控制模块，控制绕线刀具在机床到达指定位置时完成绕线切割工作。

图2所示，本发明的一种电熔管件加工设备用控制器的控制方法，包括以下步骤：

S1、控制器的人机界面提供用户需求输入窗口，用户可以根据加工需求设置加工参数，人机界面获取加工参数，加工参数包括位置、镗孔、绕线、对刀等加工配置信息；

S2、人机界面发送加工信息至控制器的加工路径规划模块；

S3、加工路径规划模块根据加工信息计算加工路径；加工路径规划模块根据加工需求结合本发明下述所述的基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法，计算得出各角度变换下的五轴机床运动坐标，从而得到五轴机床运动加工路径；

S4、加工路径规划模块根据计算出的加工路径，自动生成五轴机床运动轨迹，从而得到绕线刀位轨迹G代码，绕线刀位轨迹G代码由基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法得来；

S5、运动控制模块根据G代码指令配合伺服驱动器，驱动伺服电机，控制加工机床五轴联动，完成电熔管件的绕线加工。

基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法，通过计算阿基米德螺线曲面投影坐标，得到刀具切触点五轴机床坐标，形成五轴机床运动轨迹，生成绕线刀位轨迹G代码，完成电熔管件绕线加工。

基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法，其具体执行步骤如下(图4所示)：

S41、笛卡尔坐标系下的阿基米德螺线二维轨迹路线数学建模；

S42、阿基米德螺线曲面三维轨迹路线变换；

S43、计算阿基米德螺线切线方向，得到刀具运动进给方向角；

S44、计算管件加工点单位平面水平旋转角；

S45、根据刀具切触点五轴坐标，形成五轴机床运动轨迹，生成绕线刀位轨迹G代码。

进一步的，针对步骤S41，由阿基米德螺线在极坐标系下的表达，如式(1)所示，推导出阿基米德螺线在笛卡尔坐标系下的表达式，如式(2)所示：

r＝a+b(2nπ+θ) (1)

其中，a为当θ＝0时，螺线起点到极坐标原点的距离；b为螺线半径r随θ增加的单位增量，表示为b＝dr/dθ；α可看作为a；β可看作b；(x₀,y₀)为笛卡尔坐标系下的阿基米德螺线起点坐标；x、y分别为笛卡尔坐标系下的螺线各点坐标值，则(x,y)为笛卡尔坐标系下的阿基米德螺线二维轨迹上各点坐标。

进一步的，针对步骤S42，由在笛卡尔坐标系下的阿基米德螺线的二维轨迹表达，采用z向投影的方式得到阿基米德螺线半圆曲面上的投影螺线，即阿基米德螺线曲面三维轨迹表达，如式(3)所示：

其中，R为管件镗孔半径，z为三维坐标系下阿基米德螺线曲面三维轨迹的z向坐标值，则(x,y,z)为三维坐标系下的阿基米德螺线三维轨迹上各点坐标。

进一步的，针对步骤S43，为了保证刀具工作点实时垂直于加工近似单位平面，需要对加工管件进行旋转，设定以半圆管件关于z轴对称时的管件旋转角为0°，顺时针旋转角度为正方向，逆时针方向为负方向，则加工管件工件旋转角的表达式a，如式(4)所示：

进一步的，针对步骤S44，根据阿基米德螺线的轨迹路线，得到切线角度，从而得到刀具运动过程中的进给方向角c，如式(5)所示：

c＝270°+θ (5)

其中，x为加工点的x轴坐标，结合步骤S41～S43，可得刀具切触点的五轴机床实时坐标为(x,y,z,a,c)。

进一步的，针对步骤S45，由于步骤S43的工件旋转，机床加工点的y、z坐标值发生改变如式(6)所示，由步骤S41-S44，所得刀具切触点的五轴机床实时坐标，得到基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹的五轴机床运动规律，如式(7)所示：

其中，α、β、n、θ的取值范围为数学范畴的取值范围，实际加工中的取值范围，需结合实际加工场景设定。专用控制器通过读取操作人员通过人机界面输入的α、β、n、θ参数值，计算生成五轴运动轨迹，从而生成绕线刀位轨迹G代码，控制电熔管件加工设备完成绕线加工。

控制器的人机界面提供用户需求输入窗口，用户可以根据加工需求设置加工参数，人机界面接收加工参数，向控制单元下发加工参数，由控制单元规划五个机床轴的加工路径，自动生成五轴机床运动轨迹G代码指令，与多个伺服驱动器配合，驱动多个伺服电机，控制不同机床运动轴不同方向运动，以保障电熔管件加工设备的五轴联动精准控制。

图3所示，控制器的人机界面提供7个功能界面，包括位置界面、镗孔界面、绕线界面、对刀界面、设置界面、诊断界面、报警界面。

其中，位置界面提供坐标显示、加工参数显示和工件计数等功能，对机床位置、负载情况、加工时间、加工件数的机床信息进行显示，方便用户监控加工进程；

镗孔界面提供镗孔加工配置窗口和安全点设置窗口，引导用户对X轴、Z轴启停位置、进退刀次数以及X、Y、Z、A、C五轴的安全点位置等镗孔加工参数进行设置，为后续五轴机床镗孔工作的路径规划提供数据支撑；

绕线界面提供工件、加工、螺距、速度参数设置窗口，便于用户对绕线相关参数进行设置，也便于控制单元规划五轴机床绕线工作运动路径；

充分考虑刀具由于不断加工产生磨损，而对加工精度造成影响，对刀界面分别提供绕线坐标对刀功能和镗孔坐标对刀功能，方便用户设置刀具磨损产生的偏移量，从而保障加工精度；

在设置界面中，用户可以对五轴运动速度、正反向轴运动限位坐标、限时保护密码和零点开关进行设置，进一步对加工过程中各个轴的运动参数进行设置和限定，以维护加工过程的稳定性和安全性；

诊断界面为用户提供主动检测环节，方便用户对加工中的I/O口通讯状态进行自诊断；

报警界面实时监测专用控制器各环节通讯和工作状态，当控制器和内置PLC出现异常状态时及时停止加工并发出警告，以便及时止损。

控制器的控制单元包括ARM处理器、RS232接口、RS485接口、USB接口、网线接口、总线接口、SRAM存储单元、SDRAM存储单元、FLASH存储单元、FRAM存储单元、TF存储卡、编码器接口、I/O接口、其他扩展接口、D/A转换、电源模块以及外围电路。

其中，所述电源模块为+3.3V电源模块、+5V电源模块、±12V电源模块、+24V电源模块；外围电路为复位电路和晶振电路；RS232/485接口为PLC程序下载的通讯口；网线接口用于人机界面的程序下载与数据交互；专用控制器通过总线接口与伺服驱动器相连接，控制驱动器向伺服电机下发动作指令；I/O接口连接外部执行机构与输入设备，执行机构根据输入设备信号和PLC代码完成执行动作；存储单元存储加工过程中产生配置参数、设备运行参数以及控制器与设备间的实时交互数据；电源模块为控制单元电路运行和人机界面显示提供电源支撑。

本发明的专用控制器，将人机界面获取的机床参数、加工参数、镗孔参数、绕线参数输入到控制单元，通过控制单元运算执行加工的进给功能和刀具的位移功能；本发明通过基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法，实现电熔管件绕线的加工轨迹自动生成，用于电熔管件的电热丝布线，以规划布线刀具及管件夹具的运动轨迹，同时加工机床位置与刀具实时配合保障刀具工作顶点时刻垂直于电熔管件的加工点的近似单元平面，即加工平面与刀具触点保持正交状态。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种电熔管件加工设备用控制器，其特征在于：包括加工数据采集模块、镗孔控制驱动模块、加工路径规划模块、五轴机床运动控制模块、刀具绕线控制模块，

加工数据采集模块，用于加工数据的采集，采集对象包括加工开始前的镗孔半径、绕线半径、绕线圈数、螺距在内的加工数据，用于后续加工需要；

镗孔控制驱动模块，根据加工需求的镗孔半径驱动镗孔刀具完成镗孔加工；

加工路径规划模块，根据加工要求规划五轴机床加工路径，由基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法，计算得到；

五轴机床运动控制模块，根据规划得出的运动路径控制五轴机床电机完成相应运动，从而完成机床联动；

刀具绕线控制模块，控制绕线刀具在机床到达指定位置时完成绕线切割工作。

2.一种电熔管件加工设备用控制器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、控制器的人机界面提供用户需求输入窗口，用户可以根据加工需求设置加工参数，人机界面获取加工参数；

S2、人机界面发送加工信息至控制器的加工路径规划模块；

S3、加工路径规划模块根据加工信息计算加工路径；

S4、加工路径规划模块根据计算出的加工路径，自动生成五轴机床运动轨迹，从而得到绕线刀位轨迹G代码，绕线刀位轨迹G代码由基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法得来；

S5、运动控制模块根据G代码指令配合伺服驱动器，驱动伺服电机，控制加工机床五轴联动，完成电熔管件的绕线加工。

3.根据权利要求2所述的一种电熔管件加工设备用控制器的控制方法，其特征在于：基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹生成算法，其具体执行步骤如下：

S41、笛卡尔坐标系下的阿基米德螺线二维轨迹路线数学建模；

S42、阿基米德螺线曲面三维轨迹路线变换；

S43、计算阿基米德螺线切线方向，得到刀具运动进给方向角；

S44、计算管件加工点单位平面水平旋转角；

S45、根据刀具切触点五轴坐标，形成五轴机床运动轨迹，生成绕线刀位轨迹G代码。

4.根据权利要求3所述的一种电熔管件加工设备用控制器的控制方法，其特征在于：针对步骤S41，由阿基米德螺线在极坐标系下的表达，如式(1)所示，推导出阿基米德螺线在笛卡尔坐标系下的表达式，如式(2)所示：

r＝a+b(2nπ+θ) (1)

其中，a为当θ＝0时，螺线起点到极坐标原点的距离；b为螺线半径r随θ增加的单位增量，表示为b＝dr/dθ；α可看作为a；β可看作b；(x₀,y₀)为笛卡尔坐标系下的阿基米德螺线起点坐标；x、y分别为笛卡尔坐标系下的螺线各点坐标值，则(x,y)为笛卡尔坐标系下的阿基米德螺线二维轨迹上各点坐标。

5.根据权利要求3所述的一种电熔管件加工设备用控制器的控制方法，其特征在于：针对步骤S42，由在笛卡尔坐标系下的阿基米德螺线的二维轨迹表达，采用z向投影的方式得到阿基米德螺线半圆曲面上的投影螺线，即阿基米德螺线曲面三维轨迹表达，如式(3)所示：

其中，R为管件镗孔半径，z为三维坐标系下阿基米德螺线曲面三维轨迹的z向坐标值，则(x,y,z)为三维坐标系下的阿基米德螺线三维轨迹上各点坐标。

6.根据权利要求3所述的一种电熔管件加工设备用控制器的控制方法，其特征在于：针对步骤S43，为了保证刀具工作点实时垂直于加工近似单位平面，需要对加工管件进行旋转，设定以半圆管件关于z轴对称时的管件旋转角为0°，顺时针旋转角度为正方向，逆时针方向为负方向，则加工管件工件旋转角的表达式a，如式(4)所示：

7.根据权利要求3所述的一种电熔管件加工设备用控制器的控制方法，其特征在于：针对步骤S44，根据阿基米德螺线的轨迹路线，得到切线角度，从而得到刀具运动过程中的进给方向角c，如式(5)所示：

c＝270°+θ (5)

其中，x为加工点的x轴坐标，结合步骤S41～S43，可得刀具切触点的五轴机床实时坐标为(x,y,z,a,c)。

8.根据权利要求3所述的一种电熔管件加工设备用控制器的控制方法，其特征在于：针对步骤S45，由于步骤S43的工件旋转，机床加工点的y、z坐标值发生改变如式(6)所示，由步骤S41-S44，所得刀具切触点的五轴机床实时坐标，得到基于阿基米德螺线的曲面绕线刀位轨迹的五轴机床运动规律，如式(7)所示：

其中，α、β、n、θ的取值范围为数学范畴的取值范围，专用控制器通过读取操作人员通过人机界面输入的α、β、n、θ参数值，计算生成五轴运动轨迹，从而生成绕线刀位轨迹G代码，控制电熔管件加工设备完成绕线加工。