數(shù)控火焰切割機(jī)屬于熱切割機(jī)的一種，屬于對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件進(jìn)行切割下料的氣割設(shè)備，廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、船舶、壓力容器、金屬切削的行業(yè)中。我國(guó)數(shù)控火焰切割技術(shù)起步于20世紀(jì)80年代中期，隨著工業(yè)PC機(jī)性價(jià)比的大幅度提高，以工業(yè)PC機(jī)為核心，在windows操作系統(tǒng)下發(fā)展通用的數(shù)控系統(tǒng)，已成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新潮流。本系統(tǒng)以國(guó)際先進(jìn)的開放式數(shù)控結(jié)構(gòu)形式為主導(dǎo)思想，以功能可靠的工控機(jī)為硬件基礎(chǔ)，結(jié)合熱切割機(jī)床的加工特點(diǎn)，在最低投入的基礎(chǔ)上，使熱切割機(jī)床獲得較大的加工精度和柔性，可為現(xiàn)有的熱切割機(jī)床提供一整套的軟件、硬件和氣路控制系統(tǒng)，方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)控?zé)崆懈畹腃AD／CAM功能。

二、火焰切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)和原理

數(shù)控火焰切割機(jī)設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)控制主橫梁上的小車沿縱向運(yùn)動(dòng)，控制帶有割炬的小車沿橫向運(yùn)動(dòng)，其橫、縱向的運(yùn)動(dòng)合成為割炬的運(yùn)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(shù)控系統(tǒng)中的PLC實(shí)現(xiàn)切割氣路的閥動(dòng)作和時(shí)序控制。在數(shù)控火焰切割機(jī)系統(tǒng)中，為保持切割機(jī)頭與鋼板間的距離不變，必須配備自動(dòng)調(diào)高裝置。

1、控制系統(tǒng)軟硬件組成

由于數(shù)控火焰切割機(jī)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(jī)以開環(huán)方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，其中工業(yè)控制機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡協(xié)同完成控制系統(tǒng)的控制功能，本控制系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器能實(shí)現(xiàn)斬波恒流細(xì)分驅(qū)動(dòng)，提高了電機(jī)運(yùn)動(dòng)精度，并較好的解決了大扭矩驅(qū)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、接觸器線圈等，實(shí)現(xiàn)氣路的時(shí)序控制。本數(shù)控系統(tǒng)軟件以WINDOWSXP為操作系統(tǒng)，采用VC6．0面向?qū)ο箝_發(fā)平臺(tái)開發(fā)功能強(qiáng)大、界面友好的控制系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)采用模塊化思想，有利于CAD／CAM的實(shí)現(xiàn)?？刂栖浖饕ㄋ拇竽K，其中文檔模塊完成文件的存儲(chǔ)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(xiàn)CAD／CAM。系統(tǒng)設(shè)置模塊負(fù)責(zé)完成初始化參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置。

2、圖形信息輸入模塊

本控制系統(tǒng)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(qū)，允許用戶手工輸入ISO標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)控加工代碼；鼠標(biāo)繪圖方式輸入，此模式下用戶可以直接輸入任意直線和圓弧，自動(dòng)生成相應(yīng)的數(shù)控加工代碼，為后續(xù)加工做好準(zhǔn)備；圖形庫(kù)方式輸入，在圖形庫(kù)中存有幾十種常用加工零件的圖形，圖形庫(kù)中的每種圖形都以參數(shù)形式設(shè)計(jì)，可以按實(shí)際需要設(shè)置各參數(shù)；DXF文件導(dǎo)入方式，系統(tǒng)可以接收CAD圖形文件，將CAD圖形轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)識(shí)別的圖元，并生成數(shù)控加工代碼。

3、加工模塊

該模塊是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的核心模塊。首先，系統(tǒng)從輸入的圖形信息中讀出加工數(shù)據(jù)信息，對(duì)其進(jìn)行分析及編譯，使其成為插補(bǔ)運(yùn)算可以直接應(yīng)用的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的插補(bǔ)運(yùn)算。為了節(jié)省在插補(bǔ)過(guò)程中的運(yùn)算時(shí)間，需要對(duì)數(shù)控加工程序作預(yù)處理，主要包括直線段和圓弧的預(yù)處理，工控機(jī)根據(jù)插補(bǔ)結(jié)果通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡控制步進(jìn)電機(jī)的速度和位移。在插補(bǔ)及運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中，系統(tǒng)將按照實(shí)際運(yùn)行的軌跡，對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。本控制系統(tǒng)的插補(bǔ)運(yùn)算采用DDA插補(bǔ)原理，應(yīng)用兩軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，插補(bǔ)得到平面任意圖形。

在插補(bǔ)過(guò)程中，工控機(jī)根據(jù)數(shù)控加工程序中的數(shù)值以及各軸的脈沖當(dāng)量，計(jì)算出各軸應(yīng)得的脈沖數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)是每接受1個(gè)脈沖就旋轉(zhuǎn)1個(gè)固定的角度，因此系統(tǒng)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(nèi)，可以得到近似的加工軌跡。如果要加工一條曲線，那么切割機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的軌跡為數(shù)字點(diǎn)連線，只要步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角足夠小就能精確的逼近該曲線。

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

三、切割氣路設(shè)計(jì)及切割時(shí)序

數(shù)控火焰切割機(jī)利用的是氧氣和乙炔對(duì)鋼板進(jìn)行的熱切割。本系統(tǒng)利用OMRON的小型機(jī)CPIHPLC對(duì)應(yīng)的閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)切割氣路的時(shí)序控制。當(dāng)數(shù)控火焰切割機(jī)工作時(shí)，主要由點(diǎn)火、預(yù)熱、穿孔、切割、放氣和空程等幾個(gè)時(shí)序構(gòu)成。各閥的控制時(shí)序工作過(guò)程是：當(dāng)PLC從數(shù)控系統(tǒng)接收到預(yù)熱開信號(hào)時(shí)，PLC控制點(diǎn)火器、燃?xì)忾y、燃?xì)飧唛y和預(yù)熱閥打開，完成點(diǎn)火。延時(shí)一段時(shí)間后，點(diǎn)火器關(guān)閉，并對(duì)板材進(jìn)行預(yù)熱；當(dāng)板材預(yù)熱一段時(shí)間并從數(shù)控系統(tǒng)接收到切割開信號(hào)后，四級(jí)切換切割閥依次打開。根據(jù)不同的板材厚度用切割，對(duì)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?xì)飧唛y和預(yù)熱氧高閥關(guān)閉，進(jìn)人工件切割時(shí)序。切割完成后，燃?xì)飧唛y和預(yù)熱氧高閥打開以便割炬不熄滅，并且放氣閥打開將氣路管道中剩余的燃?xì)馀懦?，其余閥關(guān)閉。進(jìn)入空程，直到再切割時(shí)，開始下一次循環(huán)。

四、結(jié)論

本文開發(fā)了基于工業(yè)PC機(jī)和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器的開放式數(shù)控火焰切割機(jī)系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)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?shù)榷喾N功能，氣路系統(tǒng)采用了穿孔四級(jí)切換控制。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于濟(jì)南東港數(shù)控科技有限公司的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控切割機(jī)，實(shí)踐應(yīng)用表明該系統(tǒng)能滿足火焰切割的要求，系統(tǒng)使用操作十分方便，適合于我國(guó)一般的金屬加工企業(yè)。本控制系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)促進(jìn)我國(guó)機(jī)械經(jīng)濟(jì)型熱切割工業(yè)的自動(dòng)化，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，增加企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力起著積極的促進(jìn)作用。

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