大型经济型数控切割机设计郭永平，董庆华，姜德（承德石油高等专科学校，河北承德067000）机。设计目的是机器操作简单、价格低廉、可靠性高、维护方便。设计的孩心是数控系统，采用工控机作为控制平台，在其设计、生产中克服了电磁兼容性、系统可靠性、生产成本高等诸多问题，达到了设计目的，并通过了新产品鉴定。

　　目前，我国机械加工行业中钢板下料普遍采用氧乙炔切割，而国外企业的下料工序大部分采用了数控氧乙炔或数控等离子弧切割方法，不仅可提高材料利用率，还改善了产品质量，优化了工作环境，提高了工作效率。数控下料之所以不能在我国普及，主要是因为：资金问题、设备故障维护问题、操作问题。国产数控切割机的控制系统都是产自国外，其操作较为复杂，要求操作人员有较高素质并经专门培训。调查发现，对于用户而言，其产品更新并不频繁，下料的零件形状、尺寸相对有限，对机器要求操作简单、可靠。所以，现有的数控切割机并不能让用户满意。为此，决定自行设计一种面向大部分用户、适合国情的大型经济型数控切割机。

　　1设计要求设计包括：机械部分、数控部分、切割装置等几部分。

　　适用方向：要求适用面广，既可用于大型企业的下料车间，进行大型零件的批量切割；又可用于小型机械厂，进行小型零件的小批量生产。

　　技术水平：其综合技术水平要求超过国内该类产品，接近世界先进水平。

　　生产成本：综合成本低于国内现有同类切割机。

　　加工精度：加工精度超过目前的国家相关标准。

　　适用材料：碳钢、不锈钢、有色金属。

　　故障率：平均无障时间大于3000h.工件尺寸：大于50mx30b，最大圆弧差补半径大于编程方式：图形自动编程f手动ISO代码编辑。

　　切割速度范围：总体设计为实现上述设计目的，在方案的选择上强调设计最优化、系统模块化、加工简单化。为此，在切割机的各部分设计中都进行了多套方案设计，并进行了加工比对和初步试验，最后选择了最优设计。数控切割机主要有下列几部分组成：机械部分其主要作用是支持1=6把割炬芫成！

　　-平面的联动，并且各割炬可以在方向上独立运动以调节割嘴和钢板间的距离。同时，还支持数控装置和配气管路的安装及必要的运动。

　　为实现上述作用，同时便于加工、控制及安装调试，决定整体采用门架式结构，即左右两根纵向导轨上通过行走车支撑一根横梁，在横梁上安装1=6个可横向移动的割炬小车，由纵向导轨上的两个行走车带动横梁在纵向移动。同时，横梁上的割炬小车带动割炬沿横梁做横向移动。这样，对于割炬而言，其运动为纵向和横向的复合运动，所以可在水平面内芫成任意平面曲线的运动，见。为芫成割炬的运动，需要将伺服电机的旋转运动变为行走车和横梁上割炬小车的直线运动，可选的方案有丝杠一丝母运动副、齿形带、齿轮一齿条运动副、滚轮、直线电机等。最终经过权衡综合性能及试验，选择了齿轮一齿条运动副的驱动方式，行走车和轨道间采用滚珠轴承结合，最终形成了两个纵向行走车和若干个横向行走车。

　　数控部分数控部分用于切割机的自动点火、自动打孔、割炬运动的差补运算、等离子弧的引燃及熄灭、工作状态的回显、人机对话等。该部分是整个切割机的核心，它的性能对最终设计的成败有决定性影响。所以对其进行了反复论证试验和改进，最终达到了设计要求。首先是显示和控制，为实现符合国内大部用户的使用习惯，使操作更加简便、直观、决定采用汉化菜单加1：郭永平964一男I焊接设备与材料林奕鸿机床数控技术及其应用。北京：机械工业出版社，图形显示，为加快开发速度、提高系统可靠性、降低生产成本，人机交互部分采用的是普通工控机。其优点是工作可靠、抗干扰能力强、软件通用性好、价格低等。采用工控机后在高级语言平台上可以很方便的开发出人机交互软件，使控制、显示界面简洁、方便，同时，也大大加快了系统的开发速度。对于底层控制硬件，为增加所开发系统的特色，提高控制的灵活性，决定自行研制控制器。控制器可采用的微处理器有单片机、DSP、MPU等，综合考虑性能、开发成本，最终选择INTEL公司的8XC196KC系列单片机。

　　23切割装置该部分用于实现最终板材的切割，将决定切割机可加工的材料种类、厚度、加工质量等关键指标。可芫成切割并能达到设计要求的切割方法有多种，主要有：氧乙炔火焰、大电流等离子弧、氧丙烷火焰、大功率激光、超声波束、高压水等。考虑到设备投资和设备运行费用及企业的生产习惯等因素，决定用氧乙炔火焰作为中厚碳钢板材的切割方法，用大电流等离子弧作为有色金属及薄碳钢板材的切割方法。大电流等离子弧切割机选择对数控系统干扰小、重量轻、体积小的逆变式空气等离子弧切割机，既降低了成本又便于灵活安装。氧乙炔火焰切割系统主要有大型机用割炬、分气一输气、流量调节、气路控制、自动点火等几部分组成。！设计难点及解决方法大型数控切割机是一个复杂的系统，它综合了计算机技术、精密机械制造、电机拖动、数字控制、热加工等多门学科，所以设计、生产、调试、安装、维护等各环节都会遇到困难，经过多方面共同努力，克服了全部困难，使样机达到设计要求。现将设计时遇到的难点及解决方法做以下总结。

　　运算速度和加工精度切割机的控制中实时性强、复杂性高的是割炬运动的差补控制，差补分为圆弧差补和直线差补，其中圆弧差补的运算复杂程度较高。在80C196KC中双字精度的圆弧差补运算每步大约需要280个状态周期，在16MHz的晶振情况下大约需35即每秒钟可进行约28000次差补运算。对运算和精度都有影响的是割炬运动的脉冲当量，也就是说CPU的每次差补运算割炬的移动距离。根据设计，在最高的模拟速度应为100mm/s，这时能达到最小脉冲当量为：100/28000>0.00357<<.考虑到控制程度中的其它运算，取脉冲当量为000625mm.试验证明，可以达到所要求的加工精度。

　　脉冲当量和工件尺寸数据在切割下料时，工作中常常含有大半径尺寸的圆弧，如天车横梁、挂车主梁、桥梁等。本设计要求可达到最大圆弧半径为1000m.当脉冲当量为000625mm时，最大的字长要的二进制位为29bit，实际中取4 bit，所以，在80C196KC的控制程度中运算采用双字运算子程序。

　　工件的复杂程度和控制器的存储空间由于采用独立的控制器，存储空间有限，就80C196KC而言，采用哈佛结构的程序空间和数据空间分离方式，并且通过空余引脚对数据空间进一步扩展的情况下，可达到较为现实的数据空间为64KB.设工件中圆弧和直线各占50H，加上线型标志和校验字，一条直线需要10 bit，―段圆弧需要18 bit，平均为14biE.这样，64KB的数据空间可存储的最大线数为：64x1024/14>4681段。根据统计，钢板下料中零件的平均线数约为1030段，按30段计算，控制器一次加工可排列工件约100件，满足大部分加工要求。

　　数控系统的抗干扰该切割机主要用于工厂的铆焊车间，此类车间大多配有大型机加工设备和电焊机等，可产生竞频谱的强电磁辐射。同时，切割机本身也有多个系统组成，也可产生较强的干扰，特别是容易干扰数控系统的正常工作，造成系统死机、误动作等，所以数控系统的抗干扰能力有非常重要的意义。设计时主要采取的措施有：电磁屏蔽，即将数控系统安装于有较强屏蔽作用的壳体内；电源净化，有很多干扰是从电源线进入机内的，所以在电源的引入端配有多级滤波器，以消除电源噪声；电磁隔离，在控制器的所有输入、输出端均有光电隔离措施，彻底隔绝了数控系统与其它部分的电磁联系，大大提高了抗干扰能力；计算机和控制器都是数字处理设备，工作时都有一定程度的电磁辐射，如果按传统方法，将控制器制作成卡式结构插在计算机的总线插中，不易保证电磁兼容性，所以在本设计中采用了计算机和控制器分离的方式，用有隔离措施的外部通讯进行联系，使可靠性进一步得到提高。

　　氧乙炔火焰切割自动穿孔的可靠性多工件切割时，每切芫一个封闭的轮廓，切割机都需要穿孔以便进行下一轮廓的切割。在板材较厚的情况下，穿孔时会有较多金属飞溅，轻则影响割嘴的使用寿命，降低切割质量，严重时会造成割嘴堵塞引起回火。因此，在自动穿孔时必须采取一定措施，防止金属飞溅。主要措施有两个：一是降低穿孔时的切割氧气压力，在供气回路中切割氧气有两路，一路压力较低，专门用于穿孔，另一路压力较高，用于正常切割。另一措施是打孔时提高割炬高度，使打孔时割嘴和钢板之间的高度大于正常高度，这样，飞溅不易损坏或堵塞割嘴。在穿孔时，控制器首先将切割氧气压力切换为较低的穿孔压力，同时驱动割炬提升电机向割炬升高的方向转动，打开切割氧开始自动穿孔过程，经过一定时间后，钢板被打穿，切割氧切换为正常的压力，同时提升电机将割炬降低到正常高度，并开始零件切割。实践证明，通过以上措施，打孔的可靠性明显提高，大大延长了割嘴的使用寿命。

　　4结论根据设计要求，针对不同的要求采取了不同的措施，最后在实际产品检验中，都达到了设计要求，设计是成功的，现设备已投入实际生产，并销售多台。在实际使用中，为企业节省了大量的人力、物力，达到了良好的效果，同时，生产成本明显低于同类产品，很适合我国国情，有一定竞争优势。

(完)