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數控火焰切割機的設計與開發

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、金屬切削的行業中。我國數控火焰切割技術起步于20世紀80年代中期，隨著工業PC機性價比的大幅度提高，以工業PC機為核心，在windows操作系統下發展通用的數控系統，已成為數控技術發展的新潮流。本系統以國際先進的開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，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沿縱向運動，控制帶有割炬的小車沿橫向運動，其橫、縱向的運動合成為割炬的運動軌跡，也就是所要切割的工件的形狀。同時，火焰切割數控系統中的PLC實現切割氣路的閥動作和時序控制。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，所以可以采用步進電機以開環方式實現運動控制，其中工業控制機和運動控制卡協同完成控制系統的控制功能，本控制系統電機驅動器能實現斬波恒流細分驅動，提高了電機運動精度，并較好的解決了大扭矩驅動時的發熱問題。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，實現氣路的時序控制。本數控系統軟件以WINDOWSXP為操作系統，采用VC6．0面向對象開發平臺開發功能強大、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的實現。控制軟件主要包括四大模塊，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，實現CAD／CAM。系統設置模塊負責完成初始化參數及運動參數的設置。

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，此模式下用戶可以直接輸入任意直線和圓弧，自動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

該模塊是整個系統運動控制的核心模塊。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，并進行相應的插補運算。為了節省在插補過程中的運算時間，需要對數控加工程序作預處理，主要包括直線段和圓弧的預處理，工控機根據插補結果通過運動控制卡控制步進電機的速度和位移。在插補及運動控制過程中，系統將按照實際運行的軌跡，對運動路徑進行實時動態顯示。本控制系統的插補運算采用DDA插補原理，應用兩軸的協調運動，插補得到平面任意圖形。

在插補過程中，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。步進電機的構造特點是每接受1個脈沖就旋轉1個固定的角度，因此系統向x軸或Y軸每輸出一個脈沖，切割軌跡就沿x軸或Y軸移動一個最小的進給位移單位，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，那么切割機實際運動的軌跡為數字點連線，只要步進電機的步進角足夠小就能精確的逼近該曲線。

熱切割時需要進行“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前穿孔，而在冷加工領域是沒有這種情況的，所以熱加工機床的刀補建立有別于冷加工機床的直線過渡形式。熱加工機床的刀補建立時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，然后實現穿孔，否則容易破壞被加工零件的輪廓。同樣，刀補的撤銷也需要這種方法以實現刀具中心與曲線終點的最終對準。在插補型刀補中應該采用直線段插補，以免發生用圓弧插入所帶來的工件的尖角被長時間灼燒而變形的問題。

三、切割氣路設計及切割時序

數控火焰切割機利用的是氧氣和乙炔對鋼板進行的熱切割。本系統利用OMRON的小型機CPIHPLC對應的閥進行控制，從而實現切割氣路的時序控制。當數控火焰切割機工作時，主要由點火、預熱、穿孔、切割、放氣和空程等幾個時序構成。各閥的控制時序工作過程是：當PLC從數控系統接收到預熱開信號時，PLC控制點火器、燃氣閥、燃氣高閥和預熱閥打開，完成點火。延時一段時間后，點火器關閉，并對板材進行預熱；當板材預熱一段時間并從數控系統接收到切割開信號后，四級切換切割閥依次打開。根據不同的板材厚度用切割，對板材進行穿孔以便進行切割，從而完成穿孔工藝。穿孔完成后燃氣高閥和預熱氧高閥關閉，進人工件切割時序。切割完成后，燃氣高閥和預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氣排出，其余閥關閉。進入空程，直到再切割時，開始下一次循環。

四、結論

本文開發了基于工業PC機和步進電機運動控制器的開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、加工軌跡動態跟蹤顯示、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。該系統已經應用于濟南東港數控科技有限公司的經濟型數控切割機，實踐應用表明該系統能滿足火焰切割的要求，系統使用操作十分方便，適合于我國一般的金屬加工企業。本控制系統的應用對促進我國機械經濟型熱切割工業的自動化，提高企業經濟效益，增加企業的市場競爭力起著積極的促進作用。

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