摘要：本文通過對等離子切割機工作原理進行分析研究。并且切割工藝進行優化。通過提高控制系統的控制精度來提高加工精度將會得到一種低成本高收益的效果。對控制系統與外圍電路信息交換進行了光耦隔離,減少了外界干擾,增加了系統的安全性,并且根據計算選擇了合適的電機驅動。通過對控制系統的優化設計提高了切割機的切割精度和抗干擾性能,經實驗論證切割精度能夠達到±0.5mm左右。

1前言

數控等離子切割機的數控切割：是指數控火焰、等離子、激光和水射流等切割機，根據數控切割套料軟件提供的優化套料切割程序進行全時、自動、高效、高質量、高利用率的數控切割。數控切割代表了現代高科技的生產方式，是先進的優化套料計算技術與計算機數控技術和切割機械相結合的產物。目前我國制造業中，手動和半自動切割的應用還比較普遍。隨著我國現代化建設的不斷進行，機械制造業的鋼材使用量也不斷增加，對切割的精度、效率的要求也不斷提升。具有高智能化、高集成度的數控切割機設備大大降低了生產成本及資源浪費，成為現代化制造業發展的必然趨勢。

對于那些采用傳統方式難以切割的材料,可通過數控等離子切割機完成。此外,在切割速度上,在切割小厚度普通碳素鋼薄板時,數控等離子切割速度快于傳統氧切割速度的數倍,同時,切割面保持光潔,熱變形情況較好。數控等離子切割機切割件質量對于產品質量有著十分關鍵的影響,科學合理的優化切割路徑具有重要價值。切割件熱變形的原因分析在進行數控等離子切割機操作的過程中,出現時熱變形的情況的概率較小,然而,在金屬板材軋制和冷卻中難以避免產生殘余內應力。這是因為,在切割過程中,由于受到局部高溫熱源因素的影響,金屬板材會沿著切割的方向發生膨脹,膨脹后的金屬板材周圍的母板便會受到一定的限制,導致金屬板材在切口邊緣的位置上發生較大的應力作用。

數控等離子切割機具有多功能、高效、高速、高精度、低勞動強度和高度自動化等特點，適合于加工多品種、小批量、形狀復雜、調換頻繁的零件，廣泛運用予汽車、機車、壓力容器、化工機械、核工業、通用機械、工程機械、鋼結構等許多行業。數控等離子切割能切割氧氣難以切割的各種金屬材料(利用等離子弧還能切割某些非金屬材料)，其主要優點在于切割厚度不大的普通碳素鋼薄板時，切割速度可達氧切割法的5—6倍、切割面光潔、熱變形小、切口寬度和切割面斜角較大，切割薄板時采用特種切割割炬或工藝可獲得接近垂直的切割面等。數控等離子切割機切割件的加工質量對整個產品起著關鍵性的作用，所以有效防止加工件的變形顯得尤為重要。

2切割工藝優化

為了盡量減小切割變形，切割前必須保證金屬板材的定位準確牢靠，在條件許可的情況下，使用多點接觸的電磁平臺進行適當的校平處理，以消除金屬板材不均勻的殘余內應力，提高板材平整度。數控等離子切割機是利用高速度、高溫度、高能量的等離子切割機與計算機控制相結合起來的切割金屬板材的設備。其工作過程都是按照事先編制好的程序自動控制的，其識別的是加工程序，所以在加工前選擇合理的切割工藝——切割的起點、方向、順序、速度等對切割件的加工質量起著決定性的作用。

2.1起弧點選擇

一般情況下，切割件的起弧點應在金屬板材邊緣，或在已切割加工件的割縫中間最為理想。當距離太大時，出現不起弧或斷弧，使加工件切割不透，造成產品浪費或報廢；當距離過小時，噴嘴與工件間易短路而燒壞噴嘴，破壞切割過程的正常進行。實踐證明：噴嘴距離工件的高度一般在6—8mm為宜，空氣等離子切割和水再壓縮等離子弧切割的噴嘴距離工件高度可略小于6—8mm。

2.2切割方向選擇

正確的切割方向應該保證最后一條割邊與母板大部分脫離。如果過早地與母板大部分脫離，則周邊的邊角框不足以抵抗切割過程中出現的熱變形應力，造成切割件在切割過程中移位，出現尺寸超差。

2.3切割速度選擇

切割速度是切割過程中割炬與工件間的相對移動速度。合適的切割速度是切口表面平直的重要條件。切割速度決定于材質板厚、切割電流、氣體種類及流量、噴嘴結構和合適的后拖量等。在同樣的功率下，增加切割速度將導致切口變斜。切割時割炬應垂直工件表面，但為了有利于排除熔渣，可稍帶一定的后傾角(一般情況下傾斜角不大于3。)，故為提高生產率，應在保證切透的前提下盡可能選用大的切割速度。

2.4切割順序影響

切割順序是指對鋼板上若干大小嵌套的套排零件依次進行切割的順序。一般應遵循“先內后外，先小后大”的原則：即先切割加工件的內輪廓(或內輪廓中嵌套的零件)，后切割外輪廓；先切割面積小的零件，后切割大尺寸零件。否則，在金屬板材上切割內輪廓或其它小零件時會產生變形，造成加工件的報廢。

3步進電機驅動的選擇

本文所設計的數控等離子切割機選用的步進電機型號：

（1）工作臺橫向驅動電機型號為MT86STH60—6004A。

（2）割槍架縱向驅動電機型號為MT42STH33—1334A。

步進電機作為數控等離子切割機的執行元件，是一種能將電脈沖信號轉化為角位移的執行機構。通過驅動器和控制器來控制整個切割機的運行，如圖1所示。本系統驅動器的作用是對控制脈沖進行環形分配、功率放大，使步進電機繞組按一定順序通電，控制電機轉動。當給驅動器一個脈沖信號和一個正方向信號時，驅動器經過環形分配器和功率放大后，給電機繞組通電的順序為，其四個狀態周而復始進行變化，電機順時針轉動；若方向信號變為負時，通電時序就變為電機逆時針轉動。

為了提高步進電機的性能，細分驅動器用于改變電機工作轉動角度，細分驅動器的工作原理是通過改變A，B相電流的大小。以改變合成磁場的夾角，一個步距角被細分為多步。步進電機均有固定的共振區域，二、四相步進電機的共振區一般在180—250Hz之間(步距角1.8度)。電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區向上偏移，反之亦然。為使電機輸出力矩大，不失步和整個系統的噪音降低，一般工作點均應偏移共振區較多。為了減小低速時的系統低速運動時的振動，在設計中采用帶有細分器的驅動。在采用細分步距角時，細分數越高，電流越平滑，電機轉動就越平穩。

驅動器一般都具有細分功能，細分后步進電機步距角按下列方法計算：

步距角=電機固有步距角／細分數

根據計算得到的細分倍數和步進電機的型號選擇驅動器的型號MT一2HB05HM驅動器。

4控制系統I/O

I/O接口在控制系統中非常的重要，它是控制系統獲取反饋信號，發出控制信號的中轉站點。在絕大數的系統中均需要對控制系統進行隔離保護。在這些隔離保護中可以轉化I/O的控制電平；可以讓控制器與外界隔絕，杜絕主電路里的大電流流進控制器，而發生控制器燒毀的意外。

4.1光耦輸入模塊優化

一般限位／啟動／暫停等使用機械開關，為防止干擾的進入，通常使用機械開關的常閉觸點，按照圖2方式連接。

系統要求的急停，啟動，暫停，限位的邏輯是一致的，都接常閉點。系統開機后自動檢測啟動位的狀態，作為控制依據。因此，在不接啟動開關式，則相應的啟動位應接到24V地。

4.2輸出模塊優化

系統中輸出分兩種接法：一種是有利用系統后面提供的繼電器，直接接接電磁繼電器等感性負載；第二種是無源接法只有兩路。控制信號=0開關／繼電器接通(+24V形成回路，低有效，信號發出)；控制信號=l開關／繼電器斷開(+24V未形成回路，信號撤銷)。光耦輸出電路連接如圖3所示。

5控制系統典型接線

本優化設計中采用北京斯達微步公司的SH2012AH-QC切割機專用數控系統該系統具有抗等離子干擾，防雷擊，浪涌的能力。應用于等離子加工時，自動完成拐角速度控制，斷電恢復，自動斷電恢復功能，回退，選段，選穿孔點加工，適用于厚板的外延穿孔，任選穿孔點等功能，極大方便用戶的操作。采用小線段處理功能，可廣泛的應用于金屬下料及廣告、鐵藝等。含24種圖形(可擴充和自定義)的零件庫，包含了常用的基本加工零件。

切割機數控系統適用于火焰／等離子切割，它的輸入／輸出接口中分別有針對火焰和等離子的功能。圖4給出的是該系統應用在等離子切割上的典型接線。

在實際控制接線中步進電機驅動器采用共陽極接法。數控系統的DB25接口中調高器控制接口(7、8、19、20)以及其公共端懸空。在不使用www.huisheliren.com限位的情況下將限位接口與其公共端端接。

改造前后分別對試驗樣機進行了測試，取1.5cm厚的鋼板進行試驗，每次切除1CM長度鋼板，然后測量誤差，分別得到20組誤差平均值，比較前后可明顯看出改進前后的區別如圖5所示。

試驗表明改進后的誤差明顯低于改進前的誤差，改進后誤差被控制在0.5mm左右，所以經改造后的控制系統抗干擾能力更強，切割精度更高。

6結束語

本文根據步進電機細分倍數及脈沖當量計算選用了合適的驅動器可以達到設計的要求精度。在控制系統的控制電路的輸入、輸出模塊加進了光電耦合技術，使得外圍電路對控制系統的干擾大大降低，從而提高了設備的切割精度。對控制系統的接線路徑進行改進，使得控制系統更好更平穩得運行，提高了設備的穩定性。通過對控制系統的改進設計，設備精度得到了很大提高，精度能達到0.5mm左右，大大提高了板材的利用率。