大型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控切割機(jī)設(shè)計(jì)郭永平，董慶華，姜德（承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校，河北承德067000）機(jī)。設(shè)計(jì)目的是機(jī)器操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、可靠性高、維護(hù)方便。設(shè)計(jì)的孩心是數(shù)控系統(tǒng)，采用工控機(jī)作為控制平臺(tái)，在其設(shè)計(jì)、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(wèn)題，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，并通過(guò)了新產(chǎn)品鑒定。
目前，我國(guó)機(jī)械加工行業(yè)中鋼板下料普遍采用氧乙炔切割，而國(guó)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(guó)普及，主要是因?yàn)椋嘿Y金問(wèn)題、設(shè)備故障維護(hù)問(wèn)題、操作問(wèn)題。國(guó)產(chǎn)數(shù)控切割機(jī)的控制系統(tǒng)都是產(chǎn)自國(guó)外，其操作較為復(fù)雜，要求操作人員有較高素質(zhì)并經(jīng)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對(duì)于用戶(hù)而言，其產(chǎn)品更新并不頻繁，下料的零件形狀、尺寸相對(duì)有限，對(duì)機(jī)器要求操作簡(jiǎn)單、可靠。所以，現(xiàn)有的數(shù)控切割機(jī)并不能讓用戶(hù)滿(mǎn)意。為此，決定自行設(shè)計(jì)一種面向大部分用戶(hù)、適合國(guó)情的大型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控切割機(jī)。
1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)包括：機(jī)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(chē)間，進(jìn)行大型零件的批量切割；又可用于小型機(jī)械廠(chǎng)，進(jìn)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(guò)國(guó)內(nèi)該類(lèi)產(chǎn)品，接近水平。
生產(chǎn)成本：綜合成本低于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有同類(lèi)切割機(jī)。
加工精度：加工精度超過(guò)目前的國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
適用材料：碳鋼、不銹鋼、有色金屬。
故障率：平均無(wú)障時(shí)間大于3000h.工件尺寸：大于50mx30b，*大圓弧差補(bǔ)半徑大于編程方式：圖形自動(dòng)編程f手動(dòng)iso代碼編輯。
切割速度范圍：總體設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目的，在方案的選擇上強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)*優(yōu)化、系統(tǒng)模塊化、加工簡(jiǎn)單化。為此，在切割機(jī)的各部分設(shè)計(jì)中都進(jìn)行了多套方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了加工比對(duì)和初步試驗(yàn)，*后選擇了*優(yōu)設(shè)計(jì)。數(shù)控切割機(jī)主要有下列幾部分組成：機(jī)械部分其主要作用是支持1=6把割炬芫成！
-平面的聯(lián)動(dòng)，并且各割炬可以在方向上獨(dú)立運(yùn)動(dòng)以調(diào)節(jié)割嘴和鋼板間的距離。同時(shí)，還支持?jǐn)?shù)控裝置和配氣管路的安裝及必要的運(yùn)動(dòng)。
為實(shí)現(xiàn)上述作用，同時(shí)便于加工、控制及安裝調(diào)試，決定整體采用門(mén)架式結(jié)構(gòu)，即左右兩根縱向?qū)к壣贤ㄟ^(guò)行走車(chē)支撐一根橫梁，在橫梁上安裝1=6個(gè)可橫向移動(dòng)的割炬小車(chē)，由縱向?qū)к壣系膬蓚€(gè)行走車(chē)帶動(dòng)橫梁在縱向移動(dòng)。同時(shí)，橫梁上的割炬小車(chē)帶動(dòng)割炬沿橫梁做橫向移動(dòng)。這樣，對(duì)于割炬而言，其運(yùn)動(dòng)為縱向和橫向的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，所以可在水平面內(nèi)芫成任意平面曲線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)。為芫成割炬的運(yùn)動(dòng)，需要將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾凶哕?chē)和橫梁上割炬小車(chē)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，可選的方案有絲杠一絲母運(yùn)動(dòng)副、齒形帶、齒輪一齒條運(yùn)動(dòng)副、滾輪、直線(xiàn)電機(jī)等。*終經(jīng)過(guò)權(quán)衡綜合性能及試驗(yàn)，選擇了齒輪一齒條運(yùn)動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)方式，行走車(chē)和軌道間采用滾珠軸承結(jié)合，*終形成了兩個(gè)縱向行走車(chē)和若干個(gè)橫向行走車(chē)。
數(shù)控部分?jǐn)?shù)控部分用于切割機(jī)的自動(dòng)點(diǎn)火、自動(dòng)打孔、割炬運(yùn)動(dòng)的差補(bǔ)運(yùn)算、等離子弧的引燃及熄滅、工作狀態(tài)的回顯、人機(jī)對(duì)話(huà)等。該部分是整個(gè)切割機(jī)的核心，它的性能對(duì)*終設(shè)計(jì)的成敗有決定性影響。所以對(duì)其進(jìn)行了反復(fù)論證試驗(yàn)和改進(jìn)，*終達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。首先是顯示和控制，為實(shí)現(xiàn)符合國(guó)內(nèi)大部用戶(hù)的使用習(xí)慣，使操作更加簡(jiǎn)便、直觀(guān)、決定采用漢化菜單加1：郭永平964一男i焊接設(shè)備與材料林奕鴻機(jī)床數(shù)控技術(shù)及其應(yīng)用。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，圖形顯示，為加快開(kāi)發(fā)速度、提高系統(tǒng)可靠性、降低生產(chǎn)成本，人機(jī)交互部分采用的是普通工控機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是工作可靠、抗力強(qiáng)、軟件通用性好、價(jià)格低等。采用工控機(jī)后在高級(jí)語(yǔ)言平臺(tái)上可以很方便的開(kāi)發(fā)出人機(jī)交互軟件，使控制、顯示界面簡(jiǎn)潔、方便，同時(shí)，也大大加快了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)速度。對(duì)于底層控制硬件，為增加所開(kāi)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。控制器可采用的微處理器有單片機(jī)、dsp、mpu等，綜合考慮性能、開(kāi)發(fā)成本，*終選擇intel公司的8xc196kc系列單片機(jī)。
23切割裝置該部分用于實(shí)現(xiàn)*終板材的切割，將決定切割機(jī)可加工的材料種類(lèi)、厚度、加工質(zhì)量等關(guān)鍵指標(biāo)。可芫成切割并能達(dá)到設(shè)計(jì)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(shè)備投資和設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用及企業(yè)的生產(chǎn)習(xí)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(jī)選擇對(duì)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(jī)，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(jī)用割炬、分氣一輸氣、流量調(diào)節(jié)、氣路控制、自動(dòng)點(diǎn)火等幾部分組成。！設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方法大型數(shù)控切割機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密機(jī)械制造、電機(jī)拖動(dòng)、數(shù)字控制、熱加工等多門(mén)學(xué)科，所以設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試、安裝、維護(hù)等各環(huán)節(jié)都會(huì)遇到困難，經(jīng)過(guò)多方面共同努力，克服了全部困難，使樣機(jī)達(dá)到設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)將設(shè)計(jì)時(shí)遇到的難點(diǎn)及解決方法做以下總結(jié)。
運(yùn)算速度和加工精度切割機(jī)的控制中實(shí)時(shí)性強(qiáng)、復(fù)雜性高的是割炬運(yùn)動(dòng)的差補(bǔ)控制，差補(bǔ)分為圓弧差補(bǔ)和直線(xiàn)差補(bǔ)，其中圓弧差補(bǔ)的運(yùn)算復(fù)雜程度較高。在80c196kc中雙字精度的圓弧差補(bǔ)運(yùn)算每步大約需要280個(gè)狀態(tài)周期，在16mhz的晶振情況下大約需35即每秒鐘可進(jìn)行約28000次差補(bǔ)運(yùn)算。對(duì)運(yùn)算和精度都有影響的是割炬運(yùn)動(dòng)的脈沖當(dāng)量，也就是說(shuō)cpu的每次差補(bǔ)運(yùn)算割炬的移動(dòng)距離。根據(jù)設(shè)計(jì)，在*高的模擬速度應(yīng)為100mm/s，這時(shí)能達(dá)到*小脈沖當(dāng)量為：100/28000>0.00357<<.考慮到控制程度中的其它運(yùn)算，取脈沖當(dāng)量為000625mm.試驗(yàn)證明，可以達(dá)到所要求的加工精度。
脈沖當(dāng)量和工件尺寸數(shù)據(jù)在切割下料時(shí)，工作中常常含有大半徑尺寸的圓弧，如天車(chē)橫梁、掛車(chē)主梁、橋梁等。本設(shè)計(jì)要求可達(dá)到*大圓弧半徑為1000m.當(dāng)脈沖當(dāng)量為000625mm時(shí)，*大的字長(zhǎng)要的二進(jìn)制位為29bit，實(shí)際中取4 bit，所以，在80c196kc的控制程度中運(yùn)算采用雙字運(yùn)算子程序。
工件的復(fù)雜程度和控制器的存儲(chǔ)空間由于采用獨(dú)立的控制器，存儲(chǔ)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(guò)空余引腳對(duì)數(shù)據(jù)空間進(jìn)一步擴(kuò)展的情況下，可達(dá)到較為現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)空間為64kb.設(shè)工件中圓弧和直線(xiàn)各占50h，加上線(xiàn)型標(biāo)志和校驗(yàn)字，一條直線(xiàn)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(chǔ)的*大線(xiàn)數(shù)為：64x1024/14>4681段。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼板下料中零件的平均線(xiàn)數(shù)約為1030段，按30段計(jì)算，控制器一次加工可排列工件約100件，滿(mǎn)足大部分加工要求。
數(shù)控系統(tǒng)的抗干擾該切割機(jī)主要用于工廠(chǎng)的鉚焊車(chē)間，此類(lèi)車(chē)間大多配有大型機(jī)加工設(shè)備和電焊機(jī)等，可產(chǎn)生競(jìng)頻譜的強(qiáng)電磁輻射。同時(shí)，切割機(jī)本身也有多個(gè)系統(tǒng)組成，也可產(chǎn)生較強(qiáng)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(jī)、誤動(dòng)作等，所以數(shù)控系統(tǒng)的抗力有非常重要的意義。設(shè)計(jì)時(shí)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(qiáng)屏蔽作用的殼體內(nèi)；電源凈化，有很多干擾是從電源線(xiàn)進(jìn)入機(jī)內(nèi)的，所以在電源的引入端配有多級(jí)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，*隔絕了數(shù)控系統(tǒng)與其它部分的電磁聯(lián)系，大大提高了抗力；計(jì)算機(jī)和控制器都是數(shù)字處理設(shè)備，工作時(shí)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(jì)算機(jī)的總線(xiàn)插中，不易保證電磁兼容性，所以在本設(shè)計(jì)中采用了計(jì)算機(jī)和控制器分離的方式，用有隔離措施的外部通訊進(jìn)行聯(lián)系，使可靠性進(jìn)一步得到提高。
氧乙炔火焰切割自動(dòng)穿孔的可靠性多工件切割時(shí)，每切芫一個(gè)封閉的輪廓，切割機(jī)都需要穿孔以便進(jìn)行下一輪廓的切割。在板材較厚的情況下，穿孔時(shí)會(huì)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(yán)重時(shí)會(huì)造成割嘴堵塞引起回火。因此，在自動(dòng)穿孔時(shí)必須采取一定措施，防止金屬飛濺。主要措施有兩個(gè)：一是降低穿孔時(shí)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(zhuān)門(mén)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(shí)提高割炬高度，使打孔時(shí)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(shí)，控制器首先將切割氧氣壓力切換為較低的穿孔壓力，同時(shí)驅(qū)動(dòng)割炬提升電機(jī)向割炬升高的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，打開(kāi)切割氧開(kāi)始自動(dòng)穿孔過(guò)程，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，鋼板被打穿，切割氧切換為正常的壓力，同時(shí)提升電機(jī)將割炬降低到正常高度，并開(kāi)始零件切割。實(shí)踐證明，通過(guò)以上措施，打孔的可靠性明顯提高，大大延長(zhǎng)了割嘴的使用壽命。
4結(jié)論根據(jù)設(shè)計(jì)要求，針對(duì)不同的要求采取了不同的措施，*后在實(shí)際產(chǎn)品檢驗(yàn)中，都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)是成功的，現(xiàn)設(shè)備已投入實(shí)際生產(chǎn)，并銷(xiāo)售多臺(tái)。在實(shí)際使用中，為企業(yè)節(jié)省了大量的人力、物力，達(dá)到了良好的效果，同時(shí)，生產(chǎn)成本明顯低于同類(lèi)產(chǎn)品，很適合我國(guó)國(guó)情，有一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。