數控火焰切割機的設計與開(kāi)發(fā)

數控火焰切割機屬于熱切割機的一種，屬于對金屬結構件進(jìn)行切割下料的氣割設備，廣泛地應用在機械、船舶、壓力容器、金屬切削的行業(yè)中。我國數控火焰切割技術(shù)起步于20世紀80年代中期，隨著(zhù)工業(yè)PC機性?xún)r(jià)比的大幅度提高，以工業(yè)PC機為核心，在windows操作系統下發(fā)展通用的數控系統，已成為數控技術(shù)發(fā)展的新潮流。本系統以國際先進(jìn)的開(kāi)放式數控結構形式為主導思想，以功能可靠的工控機為硬件基礎，結合熱切割機床的加工特點(diǎn)，在最低投入的基礎上，使熱切割機床獲得較大的加工精度和柔性，可為現有的熱切割機床提供一整套的軟件、硬件和氣路控制系統，方便的實(shí)現數控熱切割的CAD／CAM功能。

二、火焰切割機數控系統軟硬件結構和原理

數控火焰切割機設備的數控系統控制主橫梁上的小車(chē)沿縱向運動(dòng)，控制帶有割炬的小車(chē)沿橫向運動(dòng)，其橫、縱向的運動(dòng)合成為割炬的運動(dòng)軌跡，也就是所要切割的工件的形狀。同時(shí)，火焰切割數控系統中的PLC實(shí)現切割氣路的閥動(dòng)作和時(shí)序控制。在數控火焰切割機系統中，為保持切割機頭與鋼板間的距離不變，必須配備自動(dòng)調高裝置。

1、控制系統軟硬件組成

由于數控火焰切割機控制精度、工作速度及載荷要求都不是很高，所以可以采用步進(jìn)電機以開(kāi)環(huán)方式實(shí)現運動(dòng)控制，其中工業(yè)控制機和運動(dòng)控制卡協(xié)同完成控制系統的控制功能，本控制系統電機驅動(dòng)器能實(shí)現斬波恒流細分驅動(dòng)，提高了電機運動(dòng)精度，并較好的解決了大扭矩驅動(dòng)時(shí)的發(fā)熱問(wèn)題。外圍控制電路由PLC、繼電器等組成，其輸出可控制氣路的電磁閥、接觸器線(xiàn)圈等，實(shí)現氣路的時(shí)序控制。本數控系統軟件以WINDOWSXP為操作系統，采用VC6．0面向對象開(kāi)發(fā)平臺開(kāi)發(fā)功能強大、界面友好的控制系統。軟件系統采用模塊化思想，有利于CAD／CAM的實(shí)現?？刂栖浖饕ㄋ拇竽K，其中文檔模塊完成文件的存儲與讀取，圖形輸入模塊和加工模塊共同完成零件的加工，實(shí)現CAD／CAM。系統設置模塊負責完成初始化參數及運動(dòng)參數的設置。

2、圖形信息輸入模塊

本控制系統的圖形信息輸人模塊采用多種方式，主要的輸入方式為：手工輸入G代碼方式，該模式下，在主控制界面的G代碼顯示區，允許用戶(hù)手工輸入ISO標準格式的數控加工代碼；鼠標繪圖方式輸入，此模式下用戶(hù)可以直接輸入任意直線(xiàn)和圓弧，自動(dòng)生成相應的數控加工代碼，為后續加工做好準備；圖形庫方式輸入，在圖形庫中存有幾十種常用加工零件的圖形，圖形庫中的每種圖形都以參數形式設計，可以按實(shí)際需要設置各參數；DXF文件導入方式，系統可以接收CAD圖形文件，將CAD圖形轉化為系統識別的圖元，并生成數控加工代碼。

3、加工模塊

該模塊是整個(gè)系統運動(dòng)控制的核心模塊。首先，系統從輸入的圖形信息中讀出加工數據信息，對其進(jìn)行分析及編譯，使其成為插補運算可以直接應用的數據，并進(jìn)行相應的插補運算。為了節省在插補過(guò)程中的運算時(shí)間，需要對數控加工程序作預處理，主要包括直線(xiàn)段和圓弧的預處理，工控機根據插補結果通過(guò)運動(dòng)控制卡控制步進(jìn)電機的速度和位移。在插補及運動(dòng)控制過(guò)程中，系統將按照實(shí)際運行的軌跡，對運動(dòng)路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。本控制系統的插補運算采用DDA插補原理，應用兩軸的協(xié)調運動(dòng)，插補得到平面任意圖形。

在插補過(guò)程中，工控機根據數控加工程序中的數值以及各軸的脈沖當量，計算出各軸應得的脈沖數。步進(jìn)電機的構造特點(diǎn)是每接受1個(gè)脈沖就旋轉1個(gè)固定的角度，因此系統向x軸或Y軸每輸出一個(gè)脈沖，切割軌跡就沿x軸或Y軸移動(dòng)一個(gè)最小的進(jìn)給位移單位，這樣在精度允許的范圍內，可以得到近似的加工軌跡。如果要加工一條曲線(xiàn)，那么切割機實(shí)際運動(dòng)的軌跡為數字點(diǎn)連線(xiàn)，只要步進(jìn)電機的步進(jìn)角足夠小就能精確的逼近該曲線(xiàn)。

熱切割時(shí)需要進(jìn)行“刀具補償”，熱加工機床的刀具補償方式與冷加工機床是不同的，由于加工可行性和連續勝的需要，熱加工機床需要在切削各段連續曲線(xiàn)前穿孔，而在冷加工領(lǐng)域是沒(méi)有這種情況的，所以熱加工機床的刀補建立有別于冷加工機床的直線(xiàn)過(guò)渡形式。熱加工機床的刀補建立時(shí)需要沿著(zhù)第一段加工曲線(xiàn)軌跡切線(xiàn)方向首先讓出刀具半徑的距離，然后實(shí)現穿孔，否則容易破壞被加工零件的輪廓。同樣，刀補的撤銷(xiāo)也需要這種方法以實(shí)現刀具中心與曲線(xiàn)終點(diǎn)的最終對準。在插補型刀補中應該采用直線(xiàn)段插補，以免發(fā)生用圓弧插入所帶來(lái)的工件的尖角被長(cháng)時(shí)間灼燒而變形的問(wèn)題。

三、切割氣路設計及切割時(shí)序

數控火焰切割機利用的是氧氣和乙炔對鋼板進(jìn)行的熱切割。本系統利用OMRON的小型機CPIHPLC對應的閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現切割氣路的時(shí)序控制。當數控火焰切割機工作時(shí)，主要由點(diǎn)火、預熱、穿孔、切割、放氣和空程等幾個(gè)時(shí)序構成。各閥的控制時(shí)序工作過(guò)程是：當PLC從數控系統接收到預熱開(kāi)信號時(shí)，PLC控制點(diǎn)火器、燃氣閥、燃氣高閥和預熱閥打開(kāi)，完成點(diǎn)火。延時(shí)一段時(shí)間后，點(diǎn)火器關(guān)閉，并對板材進(jìn)行預熱；當板材預熱一段時(shí)間并從數控系統接收到切割開(kāi)信號后，四級切換切割閥依次打開(kāi)。根據不同的板材厚度用切割，對板材進(jìn)行穿孔以便進(jìn)行切割，從而完成穿孔工藝。穿孔完成后燃氣高閥和預熱氧高閥關(guān)閉，進(jìn)人工件切割時(shí)序。切割完成后，燃氣高閥和預熱氧高閥打開(kāi)以便割炬不熄滅，并且放氣閥打開(kāi)將氣路管道中剩余的燃氣排出，其余閥關(guān)閉。進(jìn)入空程，直到再切割時(shí)，開(kāi)始下一次循環(huán)。

四、結論

本文開(kāi)發(fā)了基于工業(yè)PC機和步進(jìn)電機運動(dòng)控制器的開(kāi)放式數控火焰切割機系統。該數控系統具有完善的圖形編程、加工軌跡動(dòng)態(tài)跟蹤顯示、加工程序通訊傳輸等多種功能，氣路系統采用了穿孔四級切換控制。該系統已經(jīng)應用于濟南東港數控科技有限公司的經(jīng)濟型數控切割機，實(shí)踐應用表明該系統能滿(mǎn)足火焰切割的要求，系統使用操作十分方便，適合于我國一般的金屬加工企業(yè)。本控制系統的應用對促進(jìn)我國機械經(jīng)濟型熱切割工業(yè)的自動(dòng)化，提高企業(yè)經(jīng)濟效益，增加企業(yè)的市場(chǎng)競爭力起著(zhù)積極的促進(jìn)作用。

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