摘要：本文通過對等離子切割機(jī)工作原理進(jìn)行分析研究。并且切割工藝進(jìn)行優(yōu)化。通過提高控制系統(tǒng)的控制精度來提高加工精度將會得到一種低成本高收益的效果。對控制系統(tǒng)與外圍電路信息交換進(jìn)行了光耦隔離,減少了外界干擾,增加了系統(tǒng)的安全性,并且根據(jù)計算選擇了合適的電機(jī)驅(qū)動。通過對控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提高了切割機(jī)的切割精度和抗干擾性能,經(jīng)實驗論證切割精度能夠達(dá)到±0.5mm左右。

1前言

   數(shù)控等離子切割機(jī)的數(shù)控切割：是指數(shù)控火焰、等離子、激光和水射流等切割機(jī)，根據(jù)數(shù)控切割套料軟件提供的優(yōu)化套料切割程序進(jìn)行全時、自動、高效、高質(zhì)量、高利用率的數(shù)控切割。數(shù)控切割代表了現(xiàn)代高科技的生產(chǎn)方式，是先進(jìn)的優(yōu)化套料計算技術(shù)與計算機(jī)數(shù)控技術(shù)和切割機(jī)械相結(jié)合的產(chǎn)物。目前我國制造業(yè)中，手動和半自動切割的應(yīng)用還比較普遍。隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的不斷進(jìn)行，機(jī)械制造業(yè)的鋼材使用量也不斷增加，對切割的精度、效率的要求也不斷提升。具有高智能化、高集成度的數(shù)控切割機(jī)設(shè)備大大降低了生產(chǎn)成本及資源浪費，成為現(xiàn)代化制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

   對于那些采用傳統(tǒng)方式難以切割的材料,可通過數(shù)控等離子切割機(jī)完成。此外,在切割速度上,在切割小厚度普通碳素鋼薄板時,數(shù)控等離子切割速度快于傳統(tǒng)氧切割速度的數(shù)倍,同時,切割面保持光潔,熱變形情況較好。數(shù)控等離子切割機(jī)切割件質(zhì)量對于產(chǎn)品質(zhì)量有著十分關(guān)鍵的影響,科學(xué)合理的優(yōu)化切割路徑具有重要價值。切割件熱變形的原因分析在進(jìn)行數(shù)控等離子切割機(jī)操作的過程中,出現(xiàn)時熱變形的情況的概率較小,然而,在金屬板材軋制和冷卻中難以避免產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力。這是因為,在切割過程中,由于受到局部高溫?zé)嵩匆蛩氐挠绊?金屬板材會沿著切割的方向發(fā)生膨脹,膨脹后的金屬板材周圍的母板便會受到一定的限制,導(dǎo)致金屬板材在切口邊緣的位置上發(fā)生較大的應(yīng)力作用。

   數(shù)控等離子切割機(jī)具有多功能、高效、高速、高精度、低勞動強度和高度自動化等特點，適合于加工多品種、小批量、形狀復(fù)雜、調(diào)換頻繁的零件，廣泛運用予汽車、機(jī)車、壓力容器、化工機(jī)械、核工業(yè)、通用機(jī)械、工程機(jī)械、鋼結(jié)構(gòu)等許多行業(yè)。數(shù)控等離子切割能切割氧氣難以切割的各種金屬材料(利用等離子弧還能切割某些非金屬材料)，其主要優(yōu)點在于切割厚度不大的普通碳素鋼薄板時，切割速度可達(dá)氧切割法的5—6倍、切割面光潔、熱變形小、切口寬度和切割面斜角較大，切割薄板時采用特種切割割炬或工藝可獲得接近垂直的切割面等。數(shù)控等離子切割機(jī)切割件的加工質(zhì)量對整個產(chǎn)品起著關(guān)鍵性的作用，所以有效防止加工件的變形顯得尤為重要。

2切割工藝優(yōu)化

   為了盡量減小切割變形，切割前必須保證金屬板材的定位準(zhǔn)確牢靠，在條件許可的情況下，使用多點接觸的電磁平臺進(jìn)行適當(dāng)?shù)男Ｆ教幚?，以消除金屬板材不均勻的殘余?nèi)應(yīng)力，提高板材平整度。數(shù)控等離子切割機(jī)是利用高速度、高溫度、高能量的等離子切割機(jī)與計算機(jī)控制相結(jié)合起來的切割金屬板材的設(shè)備。其工作過程都是按照事先編制好的程序自動控制的，其識別的是加工程序，所以在加工前選擇合理的切割工藝——切割的起點、方向、順序、速度等對切割件的加工質(zhì)量起著決定性的作用。

2.1起弧點選擇

   一般情況下，切割件的起弧點應(yīng)在金屬板材邊緣，或在已切割加工件的割縫中間最為理想。當(dāng)距離太大時，出現(xiàn)不起弧或斷弧，使加工件切割不透，造成產(chǎn)品浪費或報廢；當(dāng)距離過小時，噴嘴與工件間易短路而燒壞噴嘴，破壞切割過程的正常進(jìn)行。實踐證明：噴嘴距離工件的高度一般在6—8mm為宜，空氣等離子切割和水再壓縮等離子弧切割的噴嘴距離工件高度可略小于6—8mm。

2.2切割方向選擇

   正確的切割方向應(yīng)該保證最后一條割邊與母板大部分脫離。如果過早地與母板大部分脫離，則周邊的邊角框不足以抵抗切割過程中出現(xiàn)的熱變形應(yīng)力，造成切割件在切割過程中移位，出現(xiàn)尺寸超差。

2.3切割速度選擇

   切割速度是切割過程中割炬與工件間的相對移動速度。合適的切割速度是切口表面平直的重要條件。切割速度決定于材質(zhì)板厚、切割電流、氣體種類及流量、噴嘴結(jié)構(gòu)和合適的后拖量等。在同樣的功率下，增加切割速度將導(dǎo)致切口變斜。切割時割炬應(yīng)垂直工件表面，但為了有利于排除熔渣，可稍帶一定的后傾角(一般情況下傾斜角不大于3。)，故為提高生產(chǎn)率，應(yīng)在保證切透的前提下盡可能選用大的切割速度。

2.4切割順序影響

   切割順序是指對鋼板上若干大小嵌套的套排零件依次進(jìn)行切割的順序。一般應(yīng)遵循“先內(nèi)后外，先小后大”的原則：即先切割加工件的內(nèi)輪廓(或內(nèi)輪廓中嵌套的零件)，后切割外輪廓；先切割面積小的零件，后切割大尺寸零件。否則，在金屬板材上切割內(nèi)輪廓或其它小零件時會產(chǎn)生變形，造成加工件的報廢。

3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的選擇

   本文所設(shè)計的數(shù)控等離子切割機(jī)選用的步進(jìn)電機(jī)型號：

（1）工作臺橫向驅(qū)動電機(jī)型號為MT86STH60—6004A。

（2）割槍架縱向驅(qū)動電機(jī)型號為MT42STH33—1334A。

   步進(jìn)電機(jī)作為數(shù)控等離子切割機(jī)的執(zhí)行元件，是一種能將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過驅(qū)動器和控制器來控制整個切割機(jī)的運行，如圖1所示。本系統(tǒng)驅(qū)動器的作用是對控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大，使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。當(dāng)給驅(qū)動器一個脈沖信號和一個正方向信號時，驅(qū)動器經(jīng)過環(huán)形分配器和功率放大后，給電機(jī)繞組通電的順序為，其四個狀態(tài)周而復(fù)始進(jìn)行變化，電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動；若方向信號變?yōu)樨?fù)時，通電時序就變?yōu)殡姍C(jī)逆時針轉(zhuǎn)動。

   為了提高步進(jìn)電機(jī)的性能，細(xì)分驅(qū)動器用于改變電機(jī)工作轉(zhuǎn)動角度，細(xì)分驅(qū)動器的工作原理是通過改變A，B相電流的大小。以改變合成磁場的夾角，一個步距角被細(xì)分為多步。步進(jìn)電機(jī)均有固定的共振區(qū)域，二、四相步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)一般在180—250Hz之間(步距角1.8度)。電機(jī)驅(qū)動電壓越高，電機(jī)電流越大，負(fù)載越輕，電機(jī)體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然。為使電機(jī)輸出力矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降低，一般工作點均應(yīng)偏移共振區(qū)較多。為了減小低速時的系統(tǒng)低速運動時的振動，在設(shè)計中采用帶有細(xì)分器的驅(qū)動。在采用細(xì)分步距角時，細(xì)分?jǐn)?shù)越高，電流越平滑，電機(jī)轉(zhuǎn)動就越平穩(wěn)。

   驅(qū)動器一般都具有細(xì)分功能，細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)步距角按下列方法計算：

   步距角=電機(jī)固有步距角／細(xì)分?jǐn)?shù)

   根據(jù)計算得到的細(xì)分倍數(shù)和步進(jìn)電機(jī)的型號選擇驅(qū)動器的型號MT一2HB05HM驅(qū)動器。

4控制系統(tǒng)I/O

   I/O接口在控制系統(tǒng)中非常的重要，它是控制系統(tǒng)獲取反饋信號，發(fā)出控制信號的中轉(zhuǎn)站點。在絕大數(shù)的系統(tǒng)中均需要對控制系統(tǒng)進(jìn)行隔離保護(hù)。在這些隔離保護(hù)中可以轉(zhuǎn)化I/O的控制電平；可以讓控制器與外界隔絕，杜絕主電路里的大電流流進(jìn)控制器，而發(fā)生控制器燒毀的意外。

4.1光耦輸入模塊優(yōu)化

   一般限位／啟動／暫停等使用機(jī)械開關(guān)，為防止干擾的進(jìn)入，通常使用機(jī)械開關(guān)的常閉觸點，按照圖2方式連接。

   系統(tǒng)要求的急停，啟動，暫停，限位的邏輯是一致的，都接常閉點。系統(tǒng)開機(jī)后自動檢測啟動位的狀態(tài)，作為控制依據(jù)。因此，在不接啟動開關(guān)式，則相應(yīng)的啟動位應(yīng)接到24V地。

4.2輸出模塊優(yōu)化

   系統(tǒng)中輸出分兩種接法：一種是有利用系統(tǒng)后面提供的繼電器，直接接接電磁繼電器等感性負(fù)載；第二種是無源接法只有兩路?？刂菩盘?0開關(guān)／繼電器接通(+24V形成回路，低有效，信號發(fā)出)；控制信號=l開關(guān)／繼電器斷開(+24V未形成回路，信號撤銷)。光耦輸出電路連接如圖3所示。

5控制系統(tǒng)典型接線

   本優(yōu)化設(shè)計中采用北京斯達(dá)微步公司的SH2012AH-QC切割機(jī)專用數(shù)控系統(tǒng)該系統(tǒng)具有抗等離子干擾，防雷擊，浪涌的能力。應(yīng)用于等離子加工時，自動完成拐角速度控制，斷電恢復(fù)，自動斷電恢復(fù)功能，回退，選段，選穿孔點加工，適用于厚板的外延穿孔，任選穿孔點等功能，極大方便用戶的操作。采用小線段處理功能，可廣泛的應(yīng)用于金屬下料及廣告、鐵藝等。含24種圖形(可擴(kuò)充和自定義)的零件庫，包含了常用的基本加工零件。

   切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)適用于火焰／等離子切割，它的輸入／輸出接口中分別有針對火焰和等離子的功能。圖4給出的是該系統(tǒng)應(yīng)用在等離子切割上的典型接線。

   在實際控制接線中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器采用共陽極接法。數(shù)控系統(tǒng)的DB25接口中調(diào)高器控制接口(7、8、19、20)以及其公共端懸空。在不使用限位的情況下將限位接口與其公共端端接。

   改造前后分別對試驗樣機(jī)進(jìn)行了測試，取1.5cm厚的鋼板進(jìn)行試驗，每次切除1CM長度鋼板，然后測量誤差，分別得到20組誤差平均值，比較前后可明顯看出改進(jìn)前后的區(qū)別如圖5所示。

   試驗表明改進(jìn)后的誤差明顯低于改進(jìn)前的誤差，改進(jìn)后誤差被控制在0.5mm左右，所以經(jīng)改造后的控制系統(tǒng)抗干擾能力更強，切割精度更高。

6結(jié)束語

    本文根據(jù)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分倍數(shù)及脈沖當(dāng)量計算選用了合適的驅(qū)動器可以達(dá)到設(shè)計的要求精度。在控制系統(tǒng)的控制電路的輸入、輸出模塊加進(jìn)了光電耦合技術(shù)，使得外圍電路對控制系統(tǒng)的干擾大大降低，從而提高了設(shè)備的切割精度。對控制系統(tǒng)的接線路徑進(jìn)行改進(jìn)，使得控制系統(tǒng)更好更平穩(wěn)得運行，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性。通過對控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計，設(shè)備精度得到了很大提高，精度能達(dá)到0.5mm左右，大大提高了板材的利用率。