大型經濟型數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。設計的孩心是數控系統，采用工控機作為控制平臺，在其設計、生產中克服了電磁兼容性、系統可靠性、生產成本高等諸多問題，達到了設計目的，并通過了新產品鑒定。

 

　　目前，我國機械加工行業中鋼板下料普遍采用氧乙炔切割，而國外企業的下料工序大部分采用了數控氧乙炔或數控等離子弧切割方法，不僅可提高材料利用率，還改善了產品質量，優化了工作環境，提高了工作效率。數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。國產數控切割機的控制系統都是產自國外，其操作較為復雜，要求操作人員有較高素質并經專門培訓。調查發現，對于用戶而言，其產品更新并不頻繁，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，現有的數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、適合國情的大型經濟型數控切割機。

 

　　1設計要求設計包括：機械部分、數控部分、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。

 

　　技術水平：其綜合技術水平要求超過國內該類產品，接近世界先進水平。

 

　　生產成本：綜合成本低于國內現有同類切割機。

 

　　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：總體設計為實現上述設計目的，在方案的選擇上強調設計*優化、系統模塊化、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*優設計。數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！

 

　　-平面的聯動，并且各割炬可以在方向上獨立運動以調節割嘴和鋼板間的距離。同時，還支持數控裝置和配氣管路的安裝及必要的運動。

 

　　為實現上述作用，同時便于加工、控制及安裝調試，決定整體采用門架式結構，即左右兩根縱向導軌上通過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，由縱向導軌上的兩個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運動變為行走車和橫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。*終經過權衡綜合性能及試驗，選擇了齒輪一齒條運動副的驅動方式，行走車和軌道間采用滾珠軸承結合，*終形成了兩個縱向行走車和若干個橫向行走車。

 

　　數控部分數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，為實現符合國內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控技術及其應用。北京：機械工業出版社，圖形顯示，為加快開發速度、提高系統可靠性、降低生產成本，人機交互部分采用的是普通工控機。其優點是工作可靠、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，也大大加快了系統的開發速度。對于底層控制硬件，為增加所開發系統的特色，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*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?？紤]到設備投資和設備運行費用及企業的生產習慣等因素，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控系統干擾小、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主要有大型機用割炬、分氣一輸氣、流量調節、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控切割機是一個復雜的系統，它綜合了計算機技術、精密機械制造、電機拖動、數字控制、熱加工等多門學科，所以設計、生產、調試、安裝、維護等各環節都會遇到困難，經過多方面共同努力，克服了全部困難，使樣機達到設計要求?，F將設計時遇到的難點及解決方法做以下總結。

 

　　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據在切割下料時，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，采用哈佛結構的程序空間和數據空間分離方式，并且通過空余引腳對數據空間進一步擴展的情況下，可達到較為現實的數據空間為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的數據空間可存儲的*大線數為：64x1024/14>4681段。根據統計，鋼板下料中零件的平均線數約為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。

 

　　數控系統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，可產生競頻譜的強電磁輻射。同時，切割機本身也有多個系統組成，也可產生較強的干擾，特別是容易干擾數控系統的正常工作，造成系統死機、誤動作等，所以數控系統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，即將數控系統安裝于有較強屏蔽作用的殼體內；電源凈化，有很多干擾是從電源線進入機內的，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，徹底隔絕了數控系統與其它部分的電磁聯系，大大提高了抗干擾能力；計算機和控制器都是數字處理設備，工作時都有一定程度的電磁輻射，如果按傳統方法，將控制器制作成卡式結構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，同時驅動割炬提升電機向割炬升高的方向轉動，打開切割氧開始自動穿孔過程，經過一定時間后，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結論根據設計要求，針對不同的要求采取了不同的措施，*后在實際產品檢驗中，都達到了設計要求，設計是成功的，現設備已投入實際生產，并銷售多臺。在實際使用中，為企業節省了大量的人力、物力，達到了良好的效果，同時，生產成本明顯低于同類產品，很適合我國國情，有一定競爭優勢。