开放式数控火焰切割机系统设计与开发

　　数控火焰切割机属于热切割机的一种，属于对金属结构件进行切割下料的气割设备，广泛地应用在机械、船舶、压力容器、金属切削的行业中。我国数控火焰切割技术起步于20世纪80年代中期，随着工业PC机性价比的大幅度提高，以工业PC机为核心， 在Windows操作系统下发展通用的数控系统，已成为数控技术发展的新潮流。本系统以国际先进的开放式数控结构形式为主导思想，以功能可靠的工控机为硬件基础，结合热切割机床的加工特点，在最低投入的基础上，使热切割机床获得较大的加工精度和柔性，可为现有的热切割机床提供一整套的软件、硬件和气路控制系统，方便的实现数控热切割的CAD／CAM功能。

2 火焰切割机数控系统软硬件结构和原理

　　数控火焰切割机设备的数控系统控制主横梁上的小车沿纵向运动，控制带有割炬的小车沿横向运动，其横、纵向的运动合成为割炬的运动轨迹，也就是所要切割的工件的形状。同时，火焰切割数控系统中的PLC实现切割气路的阀动作和时序控制。在数控火焰切割机系统中，为保持切割机头与钢板之间的距离不变，必须配备自动调高装置。

　　2.1 控制系统软硬件组成

　　由于数控火焰切割机控制精度、工作速度及载荷要求都不是很高，所以可以采用步进电机以开环方式实现运动控制。控制系统硬件框图如图1所示，其中工业控制机和运动控制卡协同完成控制系统的控制功能，本控制系统电机驱动器能实现斩波恒流细分驱动，提高了电机运动精度，并较好的解决了大扭矩驱动时的发热问题。外围控制电路由PLC、继电器等组成，其输出可控制气路的电磁阀、接触器线圈等，实现气路的时序控制。

 
图1控制系绩网!僻框图

　　本数控系统软件以WINDOWS XP为操作系统，采用VC++6.0面向对象开发平台开发功能强大、界面友好的控制系统。软件系统采用模块化思想，有利于CAD／CAM的实现。控制软件主要包括四大模块，其中文档模块完成文件的存储与读取，图形输入模块和加工模块共同完成零件的加工，实现CAD／CAM。系统设置模块负责完成初始化参数及运动参数的设置。

　　2.2 图形信息输入模块

　　本控制系统的图形信息输入模块采用多种方式，主要的输入方式为：手工输入G代码方式，该模式下，在主控制界面的G代码显示区，允许用户手工输入IS0标准格式的数控加工代码；鼠标绘图方式输入，此模式下用户可以直接输入任意直线和圆弧，自动生成相应的数控加工代码，为后续加工做好准备；图形库方式输入，在图形库中存有几十种常用加工零件的图形，图形库中的每种图形都以参数形式设计，可以按实际需要设置各参数；DXF文件导入方式，系统可以接收CAD图形文件，将CAD图形转化为系统识别的图元，并生成数控加工代码。

　　2.3 加工模块

　　该模块是整个系统运动控制的核心模块。首先，系统从输入的图形信息中读出加工数据信息，对其进行分析及编译，使其成为插补运算可以直接应用的数据，并进行相应的插补运算。为了节省在插补过程中的运算时间，需要对数控加工程序作预处理，主要包括直线段和圆弧的预处理。工控机根据插补结果通过运动控制卡控制步进电机的速度和位移。在插补及运动控制过程中，系统将按照实际运行的轨迹，对运动路径进行实时动态显示。本控制系统的插补运算采用DDA插补原理，应用两轴的协调运动，插补得到平面任意图形。

　　在插补过程中，工控机根据数控加工程序中的数值以及各轴的脉冲当量，计算出各轴应得的脉冲数。步进电机的构造特点是每接受1个脉冲就旋转1个固定的角度，因此系统向X轴或Y轴每输出一个脉冲，切割轨迹就沿X轴或Y轴移动一个最小的进给位移单位，这样在精度允许的范围内，可以得到近似的加工轨迹。图2说明插补与运动实现的关系。如图所示，如果要加工一条曲线，那么切割机实际运动的轨迹为数字点连线，只要步进电机的步进角足够小就能精确的逼近该曲线。

 
图2插补与运动实现

　　热切割时需要进行“刀具补偿”，热加工机床的刀具补偿方式与冷加工机床是不同的，由于加工可行洼和连续性的需要，热加工机床需要在切削各段连续曲线前穿孔，而在冷加工领域是没有这种情况的，所以热加工机床的刀补建立有别于冷加工机床的直线过渡形式。热加工机床的刀补建立时需要沿着第一段加工曲线轨迹切线方向首先让出刀具半径的距离，然后实现穿孔，否则容易破坏被加工零件的轮廓。同样，刀补的撤销也需要这种方法以实现刀具中心与曲线终点的最终对准。在插补型刀补中应该采用直线段插补，以免发生用圆弧插入所带来的工件的尖角被长时间灼烧而变形的问题。
 

3 切割气路设计及切割时序

　　数控火焰切割机利用的是氧气和乙炔对钢板进行的热切割。本系统利用OMRON的小型机CPIH PLC对相应的阀进行控制，从而实现切割气路的时序控制。气路原理图如图3所示。该系统可配置6个割炬，其编号为6。图中的KF1、KF2、KF3为燃气和氧气主截止阀；JP1到JP8为减压阀；YB1到YB3为气压表；其余的为电磁阀，根据其功能分为燃气阀、点火阀、切割阀和预热阀。

 
图3气路原理图

　　当数控火焰切割机工作时，主要由点火、预热、穿孔、切割、放气和空程等几个时序构成。各阀的控制时序如图4所示，其工作过程是：当PLC从数控系统接收到预热开信号时，PLC控制点火器、燃气阀、燃气高阀和预热阀打开，完成点火。延时一殴时间后，点火器关闭，并对板材进行预热；当板材预热一段时间并从数控系统接收到切割开信号后，四级切换切割阀依次打开。根据不同的板材厚睚．用切割氧四级切换阀进行切割氧的逐渐增压，对板材进行穿孔以便进行切割，从而完成穿孔工艺。穿孔完成后燃气高阀和预热氧高阀关闭，进人工件切割时序。切割完成后，燃气高阀和预热氧高阀打开以便害4炬不熄灭，并目放气阀打开将气路管道中剩余的燃气排出，其余阀关闭。

 
图4电磁阀控制时序图

4 结论

　　本文开发了基于工业PC机和步进电机运动控制器的开放式数控火焰切割机系统。该数控系统具有完善的图形编程、加工轨迹动态跟踪显示、加工程序通讯传输等多种功能，气路系统采用了穿孔四级切换控制。该系统已经应用于哈尔滨海宝科技有限公司的经济型数控切割机，实践应用表明该系统能满足火焰切割的要求，系统使用操作十分方便，适合于我国一般的金属加工企业。本控制系统的应用对促进我国机械经济型热切割工业的自动化，提高企业经济效益，增加企业的市场竞争力起着积极的促进作用。