大型經(jīng)濟型數(shù)控切割機設計郭永平，董慶華，姜德（承德石油高等?？茖W校，河北承德067000）機。設計目的是機器操作簡單、價格低廉、可靠性高、維護方便。設計的孩心是數(shù)控系統(tǒng)，采用工控機作為控制平臺，在其設計、生產(chǎn)中克服了電磁兼容性、系統(tǒng)可靠性、生產(chǎn)成本高等諸多問題，達到了設計目的，并通過了新產(chǎn)品鑒定。
目前，我國機械加工行業(yè)中鋼板下料普遍采用氧乙炔切割，而國外企業(yè)的下料工序大部分采用了數(shù)控氧乙炔或數(shù)控等離子弧切割方法，不僅可提高材料利用率，還改善了產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化了工作環(huán)境，提高了工作效率。數(shù)控下料之所以不能在我國普及，主要是因為：資金問題、設備故障維護問題、操作問題。國產(chǎn)數(shù)控切割機的控制系統(tǒng)都是產(chǎn)自國外，其操作較為復雜，要求操作人員有較高素質(zhì)并經(jīng)專門培訓。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對于用戶而言，其產(chǎn)品更新并不頻繁，下料的零件形狀、尺寸相對有限，對機器要求操作簡單、可靠。所以，現(xiàn)有的數(shù)控切割機并不能讓用戶滿意。為此，決定自行設計一種面向大部分用戶、適合國情的大型經(jīng)濟型數(shù)控切割機。
1設計要求設計包括：機械部分、數(shù)控部分、切割裝置等幾部分。
適用方向：要求適用面廣，既可用于大型企業(yè)的下料車間，進行大型零件的批量切割；又可用于小型機械廠，進行小型零件的小批量生產(chǎn)。
技術(shù)水平：其綜合技術(shù)水平要求超過國內(nèi)該類產(chǎn)品，接近世界先進水平。
生產(chǎn)成本：綜合成本低于國內(nèi)現(xiàn)有同類切割機。
加工精度：加工精度超過目前的國家相關標準。
適用材料：碳鋼、不銹鋼、有色金屬。
故障率：平均無障時間大于3000h.工件尺寸：大于50mx30b，*大圓弧差補半徑大于編程方式：圖形自動編程f手動ISO代碼編輯。
切割速度范圍：總體設計為實現(xiàn)上述設計目的，在方案的選擇上強調(diào)設計*優(yōu)化、系統(tǒng)模塊化、加工簡單化。為此，在切割機的各部分設計中都進行了多套方案設計，并進行了加工比對和初步試驗，*后選擇了*優(yōu)設計。數(shù)控切割機主要有下列幾部分組成：機械部分其主要作用是支持1=6把割炬芫成！
-平面的聯(lián)動，并且各割炬可以在方向上獨立運動以調(diào)節(jié)割嘴和鋼板間的距離。同時，還支持數(shù)控裝置和配氣管路的安裝及必要的運動。
為實現(xiàn)上述作用，同時便于加工、控制及安裝調(diào)試，決定整體采用門架式結(jié)構(gòu)，即左右兩根縱向?qū)к壣贤ㄟ^行走車支撐一根橫梁，在橫梁上安裝1=6個可橫向移動的割炬小車，由縱向?qū)к壣系膬蓚€行走車帶動橫梁在縱向移動。同時，橫梁上的割炬小車帶動割炬沿橫梁做橫向移動。這樣，對于割炬而言，其運動為縱向和橫向的復合運動，所以可在水平面內(nèi)芫成任意平面曲線的運動，見。為芫成割炬的運動，需要將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)樾凶哕嚭蜋M梁上割炬小車的直線運動，可選的方案有絲杠一絲母運動副、齒形帶、齒輪一齒條運動副、滾輪、直線電機等。*終經(jīng)過權(quán)衡綜合性能及試驗，選擇了齒輪一齒條運動副的驅(qū)動方式，行走車和軌道間采用滾珠軸承結(jié)合，*終形成了兩個縱向行走車和若干個橫向行走車。
數(shù)控部分數(shù)控部分用于切割機的自動點火、自動打孔、割炬運動的差補運算、等離子弧的引燃及熄滅、工作狀態(tài)的回顯、人機對話等。該部分是整個切割機的核心，它的性能對*終設計的成敗有決定性影響。所以對其進行了反復論證試驗和改進，*終達到了設計要求。首先是顯示和控制，為實現(xiàn)符合國內(nèi)大部用戶的使用習慣，使操作更加簡便、直觀、決定采用漢化菜單加1：郭永平964一男I焊接設備與材料林奕鴻機床數(shù)控技術(shù)及其應用。北京：機械工業(yè)出版社，圖形顯示，為加快開發(fā)速度、提高系統(tǒng)可靠性、降低生產(chǎn)成本，人機交互部分采用的是普通工控機。其優(yōu)點是工作可靠、抗干擾能力強、軟件通用性好、價格低等。采用工控機后在高級語言平臺上可以很方便的開發(fā)出人機交互軟件，使控制、顯示界面簡潔、方便，同時，也大大加快了系統(tǒng)的開發(fā)速度。對于底層控制硬件，為增加所開發(fā)系統(tǒng)的特色，提高控制的靈活性，決定自行研制控制器?？刂破骺刹捎玫奈⑻幚砥饔袉纹瑱C、DSP、MPU等，綜合考慮性能、開發(fā)成本，*終選擇INTEL公司的8XC196KC系列單片機。
23切割裝置該部分用于實現(xiàn)*終板材的切割，將決定切割機可加工的材料種類、厚度、加工質(zhì)量等關鍵指標?？绍境汕懈畈⒛苓_到設計要求的切割方法有多種，主要有：氧乙炔火焰、大電流等離子弧、氧丙烷火焰、大功率激光、超聲波束、高壓水等。考慮到設備投資和設備運行費用及企業(yè)的生產(chǎn)習慣等因素，決定用氧乙炔火焰作為中厚碳鋼板材的切割方法，用大電流等離子弧作為有色金屬及薄碳鋼板材的切割方法。大電流等離子弧切割機選擇對數(shù)控系統(tǒng)干擾小、重量輕、體積小的逆變式空氣等離子弧切割機，既降低了成本又便于靈活安裝。氧乙炔火焰切割系統(tǒng)主要有大型機用割炬、分氣一輸氣、流量調(diào)節(jié)、氣路控制、自動點火等幾部分組成。！設計難點及解決方法大型數(shù)控切割機是一個復雜的系統(tǒng)，它綜合了計算機技術(shù)、精密機械制造、電機拖動、數(shù)字控制、熱加工等多門學科，所以設計、生產(chǎn)、調(diào)試、安裝、維護等各環(huán)節(jié)都會遇到困難，經(jīng)過多方面共同努力，克服了全部困難，使樣機達到設計要求?，F(xiàn)將設計時遇到的難點及解決方法做以下總結(jié)。
運算速度和加工精度切割機的控制中實時性強、復雜性高的是割炬運動的差補控制，差補分為圓弧差補和直線差補，其中圓弧差補的運算復雜程度較高。在80C196KC中雙字精度的圓弧差補運算每步大約需要280個狀態(tài)周期，在16MHz的晶振情況下大約需35即每秒鐘可進行約28000次差補運算。對運算和精度都有影響的是割炬運動的脈沖當量，也就是說CPU的每次差補運算割炬的移動距離。根據(jù)設計，在*高的模擬速度應為100mm/s，這時能達到*小脈沖當量為：100/28000>0.00357<<.考慮到控制程度中的其它運算，取脈沖當量為000625mm.試驗證明，可以達到所要求的加工精度。
脈沖當量和工件尺寸數(shù)據(jù)在切割下料時，工作中常常含有大半徑尺寸的圓弧，如天車橫梁、掛車主梁、橋梁等。本設計要求可達到*大圓弧半徑為1000m.當脈沖當量為000625mm時，*大的字長要的二進制位為29bit，實際中取4 bit，所以，在80C196KC的控制程度中運算采用雙字運算子程序。
工件的復雜程度和控制器的存儲空間由于采用獨立的控制器，存儲空間有限，就80C196KC而言，采用哈佛結(jié)構(gòu)的程序空間和數(shù)據(jù)空間分離方式，并且通過空余引腳對數(shù)據(jù)空間進一步擴展的情況下，可達到較為現(xiàn)實的數(shù)據(jù)空間為64KB.設工件中圓弧和直線各占50H，加上線型標志和校驗字，一條直線需要10 bit，―段圓弧需要18 bit，平均為14biE.這樣，64KB的數(shù)據(jù)空間可存儲的*大線數(shù)為：64x1024/14>4681段。根據(jù)統(tǒng)計，鋼板下料中零件的平均線數(shù)約為1030段，按30段計算，控制器一次加工可排列工件約100件，滿足大部分加工要求。
數(shù)控系統(tǒng)的抗干擾該切割機主要用于工廠的鉚焊車間，此類車間大多配有大型機加工設備和電焊機等，可產(chǎn)生競頻譜的強電磁輻射。同時，切割機本身也有多個系統(tǒng)組成，也可產(chǎn)生較強的干擾，特別是容易干擾數(shù)控系統(tǒng)的正常工作，造成系統(tǒng)死機、誤動作等，所以數(shù)控系統(tǒng)的抗干擾能力有非常重要的意義。設計時主要采取的措施有：電磁屏蔽，即將數(shù)控系統(tǒng)安裝于有較強屏蔽作用的殼體內(nèi)；電源凈化，有很多干擾是從電源線進入機內(nèi)的，所以在電源的引入端配有多級濾波器，以消除電源噪聲；電磁隔離，在控制器的所有輸入、輸出端均有光電隔離措施，徹底隔絕了數(shù)控系統(tǒng)與其它部分的電磁聯(lián)系，大大提高了抗干擾能力；計算機和控制器都是數(shù)字處理設備，工作時都有一定程度的電磁輻射，如果按傳統(tǒng)方法，將控制器制作成卡式結(jié)構(gòu)插在計算機的總線插中，不易保證電磁兼容性，所以在本設計中采用了計算機和控制器分離的方式，用有隔離措施的外部通訊進行聯(lián)系，使可靠性進一步得到提高。
氧乙炔火焰切割自動穿孔的可靠性多工件切割時，每切芫一個封閉的輪廓，切割機都需要穿孔以便進行下一輪廓的切割。在板材較厚的情況下，穿孔時會有較多金屬飛濺，輕則影響割嘴的使用壽命，降低切割質(zhì)量，嚴重時會造成割嘴堵塞引起回火。因此，在自動穿孔時必須采取一定措施，防止金屬飛濺。主要措施有兩個：一是降低穿孔時的切割氧氣壓力，在供氣回路中切割氧氣有兩路，一路壓力較低，專門用于穿孔，另一路壓力較高，用于正常切割。另一措施是打孔時提高割炬高度，使打孔時割嘴和鋼板之間的高度大于正常高度，這樣，飛濺不易損壞或堵塞割嘴。在穿孔時，控制器首先將切割氧氣壓力切換為較低的穿孔壓力，同時驅(qū)動割炬提升電機向割炬升高的方向轉(zhuǎn)動，打開切割氧開始自動穿孔過程，經(jīng)過一定時間后，鋼板被打穿，切割氧切換為正常的壓力，同時提升電機將割炬降低到正常高度，并開始零件切割。實踐證明，通過以上措施，打孔的可靠性明顯提高，大大延長了割嘴的使用壽命。
4結(jié)論根據(jù)設計要求，針對不同的要求采取了不同的措施，*后在實際產(chǎn)品檢驗中，都達到了設計要求，設計是成功的，現(xiàn)設備已投入實際生產(chǎn)，并銷售多臺。在實際使用中，為企業(yè)節(jié)省了大量的人力、物力，達到了良好的效果，同時，生產(chǎn)成本明顯低于同類產(chǎn)品，很適合我國國情，有一定競爭優(yōu)勢。
