随着国家经济的持续高速增长,油气资源供应不足将成为阻碍经济发展的主要矛盾。海洋油气开发装备产业是直接关系到海洋油气资源开发、影响国家能源稳定和经济安全的战略产业,因此必须对油气开采设备的精度和设备制造的效率提出更高的要求。海洋石油钻井平台是海洋油气开发的关键装备,其主要构件是H型钢,如何提高H型钢的下料效率和精度,已成为企业面临的重要课题。本文讲述的H型钢火焰切割机采用数控火焰切割,具有切割效率高的优点;采用数控系统自动控制切割轨迹,保证了加工的精度要求。数控系统是H型钢火焰切割机的核心,本文重点介绍数控系统的设计和开发。

1 VB设计语言的选择

　　VB(Visual Basic)是Microsoft公司于1991年推出的一种Windows应用程序的开发工具。Visual意为/可视化的0,指的是一种开发图形用户界面的方法,所以VB是基于Basic的可视化的程序设计语言。经过多次的升级,Microsoft公司于1998年推出功能更强、更完善的VB6.0版本。它具有以下的特点[2]:(1)面向对象的可视化的程序设计方法;(2)事件驱动的程序设计机制;(3)结构化的高级程序设计语言;(4)支持大型数据库的连接与存取操作;(5)功能更强的用户开发工具。

　　基于以上优点,故选择VB为开发火焰切割机数控系统的图形仿真工具。

2 火焰切割运动轨迹仿真的方法及原理

　　2.1 轨迹仿真实现的方法及选择

　　依据笛卡尔坐标定理,火焰切割机的控制系统控制X, Y,Z坐标轴,H型钢火焰切割机数控系统的轨迹仿真是分别在XY, YZ,XZ平面内进行轨迹仿真。在计算机图形学中,常用的动画技术主要有以下3种:多页面切换技术、图段变换技术和帧动画技术。多页面切换技术是在主显示页和工作页(轮流放置要显示的图形)之间切换形成动态变化。图段变换技术是通过变换不同的图段在屏幕上的不同位置,产生图段图形的连续移动,形成图段变换动画。帧动画技术是通过对欲显示的帧缓冲区直接操作(逐帧切换)和再填写(填写图像的颜色信息)来动态显示相应的图形和图像。结合VB的定时器(Timer)功能,本文采用图段变换技术来实现动画显示。通过对VB6. 0进行分析,在

　　VB6.0上实现轨迹有下列3种方法。

　　方法1:利用VB6.0自带的绘图功能。

　　VB6.0提供一些用于作图的方法,可以根据需要,在程序运行时绘制所需图形。

　　a.用Pset方法画点。

　　Pset方法的一般格式为:

　　[对象名.]Pset(x,z)[,颜色]

　　功能说明:在(x,z)位置用[,颜色]画一个点。

　　示例:

　　Picture1.Pset(2 600,3 500),(0,0,255)

　　表示在Picture1的(2 600,3 500)位置画一个蓝色的点。

　　b.用Line方法画线和矩形。

　　Line方法的一般格式为:

　　[对象名.]Line[[Step](x1,z1)]-[Step](x2,z2)[,颜色],[B][F]

　　功能说明:在对象上由始点(x1,z1)到终点(x2,z2)用[,颜色]画一条直线(当有[B]时为矩形,而[F]表示一个实心的矩形), [Step]表示其后的坐标值为相对当前点的坐标增量值。示例:Pictur1.Line(10,70)- (20,100),VbGreen表示在Pictur1上从(10,70)到(20,100)作一条直线,颜色为绿色(VbGreen)。

　　c.用Circle方法画圆、椭圆和圆弧。

　　Circle方法的一般格式为:

　　[对象名.] Circle [Step](x,z),半径,[,颜色][,起始角][,终止角][纵横比]

　　功能说明:在对象上用[,颜色]以(x,z)为圆心,以/半径0为半径画一个圆。如有[,起始角] [,终止角]则为圆弧。如有[纵横比]则为椭圆。示例:

　　Pictur1.Circle(20,40),500,VbYellow表示在Pictur1上以(20,40)为圆心,以500为半径画一个圆,颜色为黄色(VbYellow)。

　　方法2:利用循环功能绘图。

　　其基本原理是将一条曲线分解成足够多的有限连续点,然后利用Pset方法通过循环来画这些点。当点的数量足够多时,相邻两点的间距就很小,这样一条线就看成是有限点的排列。

　　方法3:利用时间针(Timer)的定时功能绘图。这种方法与方法2的思想基本相同。其基本原理是将一条曲线分解成足够多的有限微小曲线段近似于直线,然后利用Line方法通过时间针(Timer)的定时功能来连续地画这些直线。当直线的数量足够多时,所有直线的连接就形成曲线。这样一条曲线就可看成是有限微小直线段的连续排列。

　　2.2 3种绘图方法的比较

　　方法1是画图的最基本方法,其程序实现比较简单,但点、线、圆是瞬间画出的,不能产生线、圆的动画效果,也没有实时显示效果。

　　方法2的程序实现也较简单,对线、圆也能产生动画效果,而且通过点的数量设置可以控制线的动态显示速度,但这种方法的缺点是不能产生实时显示效果。

　　方法3的程序实现相对较复杂一些,但可以实现动态显示和实时显示,而且只要知道轨迹的方程z = f(x),那么就可以将它画出来。

　　针对上述分析过程,考虑到华中Ñ型数控车床轨迹仿真需要有轨迹动态显示和当前点位置实时显示,本文采用方法3来实现运动轨迹仿真。

3 直线、圆弧轨迹仿真实现的原理

　　3.1 直线轨迹仿真的实现原理

　　如图1所示,令起点A(X0,Z0),终点B(X1,Z1),则直线方程为:

　　(X1-X0)( Y-Z0) = ( Y1-Z0)(X-X0)故tanA= (Z1-Z0)/(X1-X0)。

　　依据插补原理,将直线AB分解成足够多的有限微小线段AiAi+1,因为Ai在直线AB上,则:Ai(Xi,Zi),A i+1(X i+1,Z i+1),X i+1= Xi+△X;Zi+1= Zi+△Z,且tanNAiOAi+1=△Z/△X。

　　如果将$X,$Z设置得很小(如0.020mm),直线AB分成足够多的线段AA1,A1A2,A2A3,,,A(N-1)B。设置时钟计时器(Timer)的间隔(Interval)为60ms(为尽量满足坐标显示的实时性,时间间隔不要小于55ms),利用计时器的定时功能,连续画出系列直线AiAi+1。实现直线段AiAi+1的VB程序为:

　　Line(z+Z0,x+X0)-(Z+Z0+△Z,x+X0+△X)

　　其中z,x为时间钟函数的静态变量。由于上一线段的终点就是下一线段的始点,因此这些线段会首尾相连,动态地产生一条直线。同时为使直线能在终点准确到达B点,应使用判断语句(IF语句)。

　　3.2 圆弧轨迹仿真的实现原理

　　圆弧轨迹的生成原理基本与直线的生成原理基本相同。如图2所示,令圆弧起点A(X0, Y0),

　　终点B(X1, Y1),圆心在(0,0),半径为R(圆弧方程为:X2+Z2= R2)。依据插补原理,将圆弧AB分成若干份直线段(或圆弧段)AA1,A1A2,A2A3,..A(N-1)B。若用直线段来逼近圆弧,则有:

　　X i-1 2+Z i-1 2= Xi 2+Z i 2= R 2　　Xi= X i-1+△X　　Zi= Z i-1+△Z

　　由于上述计算很复杂,而且$X和$Z的取法不可能很精确,因此仿真产生的轨迹与真实的圆弧有一定的误差。若用微圆弧段来组成圆弧,依据VB的Circle属性,设定微圆弧对应的圆心角$A,而圆心和半径均不变,这样很容易实现。其过程为:令起点A对应的圆弧起始角为AA,终点B对应的圆弧起始角为AB,微小圆弧段Ai-1Ai的起始和终止圆心角分别为Ai-1,Ai,则:Ai=Ai-1+△A,Ai的坐标为(RcosAi,RsinAi)。

　　其VB的实现程序为:

　　Circle(0,0),R,α,α+△α

　　其中A是系统设置的静态变量。再用IF判断语句实现圆弧准确到达终点。

4 H型钢火焰切割机数控系统

　　在基于VB H型钢火焰切割机数控系统界面设计时,输入典型接口的参数自动生成数控加工程序。首先自动检查数控程序的正确性、准确性及工艺的可行性,其次在模拟界面上进行数控程序的动画仿真,再次根据图形对程序进行校验,最后进行典型接口的加工。图3~图6是对一个典型接口过程的演示界面。

图3 H型钢火焰切割机的数控系统主界面

图4 H型钢火焰切割机的数控程序

图5 H型钢毛坯

图6 火焰切割仿真

5 H型钢火焰切割机数控系统VB程序

　　下面是H型钢火焰切割机数控系统部分的VB源程序。

　　1. Private Declare Sub Sleep Lib/kernel320(ByValdwMilliseconds As Long)　　2. Dim A, C, B, R, K, F, E, s, b1 As Integer　　3. Private Sub Command1 Click()　　4. Const PI=3.14　　5. Dim i As Single　　6. For i=0 To (F-K)/2 Step 10　　7. Line(1000+s+b1,5000)-Step(0,i),RGB(200, 100, 50)　　8. Line(6700+s+b1,800)-Step(0,i), RGB(200, 100, 50)　　9. Sleep (5)

6 结束语

　　通过该系统的使用,企业炉温管理水平大大提高。作为西安飞机工业(集团)公司热处理设备温度参数校准技术研究推广课题,温度均匀性数据处理系统已经通过了企业专家组的验收。该软件统一了数据处理过程,提高了数据处理效率,规范了人员操作程序;同时为了保证通用性,统一了航空企业温度均匀性报表格式,又使其具有一定的灵活性。