數(shù)控火焰切割機(jī)屬于熱切割機(jī)的一種，屬于對金屬結(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，控制帶有割炬的小車沿橫向運(yùn)動，其橫、縱向的運(yùn)動合成為割炬的運(yùn)動軌跡，也就是所要切割的工件的形狀。同時，火焰切割數(shù)控系統(tǒng)中的PLC實(shí)現(xiàn)切割氣路的閥動作和時序控制。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)動控制，其中工業(yè)控制機(jī)和運(yùn)動控制卡協(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)動器能實(shí)現(xiàn)斬波恒流細(xì)分驅(qū)動，提高了電機(jī)運(yùn)動精度，并較好的解決了大扭矩驅(qū)動時的發(fā)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(shí)現(xiàn)氣路的時序控制。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(shù)形式設(shè)計，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

該模塊是整個系統(tǒng)運(yùn)動控制的核心模塊。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)過程中的運(yùn)算時間，需要對數(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)果通過運(yùn)動控制卡控制步進(jìn)電機(jī)的速度和位移。在插補(bǔ)及運(yùn)動控制過程中，系統(tǒng)將按照實(shí)際運(yùn)行的軌跡，對運(yùn)動路徑進(jìn)行實(shí)時動態(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，插補(bǔ)得到平面任意圖形。

在插補(bǔ)過程中，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個脈沖就旋轉(zhuǎn)1個固定的角度，因此系統(tǒng)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(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)床的直線過渡形式。熱加工機(jī)床的刀補(bǔ)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(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的工件的尖角被長時間灼燒而變形的問題。

三、切割氣路設(shè)計及切割時序

數(shù)控火焰切割機(jī)利用的是氧氣和乙炔對鋼板進(jìn)行的熱切割。本系統(tǒng)利用OMRON的小型機(jī)CPIHPLC對應(yīng)的閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)切割氣路的時序控制。當(dāng)數(shù)控火焰切割機(jī)工作時，主要由點(diǎn)火、預(yù)熱、穿孔、切割、放氣和空程等幾個時序構(gòu)成。各閥的控制時序工作過程是：當(dāng)PLC從數(shù)控系統(tǒng)接收到預(yù)熱開信號時，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。延時一段時間后，點(diǎn)火器關(guān)閉，并對板材進(jìn)行預(yù)熱；當(dāng)板材預(yù)熱一段時間并從數(shù)控系統(tǒng)接收到切割開信號后，四級切換切割閥依次打開。根據(jù)不同的板材厚度用切割，對板材進(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)馀懦觯溆嚅y關(guān)閉。進(jìn)入空程，直到再切割時，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，適合于我國一般的金屬加工企業(yè)。本控制系統(tǒng)的應(yīng)用對促進(jìn)我國機(jī)械經(jīng)濟(jì)型熱切割工業(yè)的自動化，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，增加企業(yè)的市場競爭力起著積極的促進(jìn)作用。

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