数控技术在超高压水射流切割机床中的应用

摘要 本文通过介绍信息处理和自动控制在超高压水射流切割机床中的应用向读者展示 了一般二维数控机床的控制原理。 关键字：数控技术 超高压水射流切割 机床 信息处理 自动控制 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备， 其技术范围覆盖很多领域： (1)机械制造技术； (2)信息处理技术； (3)自动控制技术； (4)伺服驱动技术； (5)传感器技术； (6)软件技术等。 二维超高压水射流数控切割机床是20世纪90年代在中国开始发展的一种高性能切割设备, 原理是利用超高压水通过计算机的实时自动控制切割任意材料的任意二维图形。二维超高压水射流数控切割机床的控制就涉及了数控技术应用的六个方面，以下我们侧重从信息处理和自动控制两个方面进行介绍。 信息处理贯穿了数控技术在机床应用中的全部过程。它是数控技术中的主脉，也是数控技术中最关键、最精彩的部分。在二维超高压水射流数控切割机床中信息处理包括采集、加工、传输三个部分。二维超高压水射流数控切割机床的信息处理系统流程如下（图1）： 1、信息采集 对图形信息采集，是CAD/CAM的关键技术，数据的采集精度，数据的处理速度直接影响了数控系统的效率。数据的采集精度越高其数据处理速度越慢，数控系统的效率越低。二维超高压水射流切割机床的加工对象是任何平面材料的任何二维图形，其采集精度在小数点后四位时，加工精度，控制效率都可达到满意的效果。在二维超高压水射流切割机床中信息采集有四部分：图形信息采集、材料性能及相关加工信息采集、状态信息采集、实时位置信息采集。 图1显示了待加工象素图形的信息采集，任何的二维图形可以通过在AUTOCAD中绘制或通过AUTOCAD调入扫描、数码照像图片后描绘封闭面并形成DXF文件进行数据采集。 其二是涉及材料的物理性能、在水切割加工中的加工速度、切点延时、加工计时等经验数据录入和保存。 第三部分信息采集是应用在对压力主机高压、电压、电流等采集，对机器工作状态实时监视。这部分信息采集只要注意在采样线路安装过程中，对信号线路进行了良好的屏蔽，并对采样数据进行了软件滤波，就达到了预期的数据要求。 第四部分的信息采集与自动控制相辅相成，实时信息的采集保证了自动控制的运动轨迹。 除图形信息采集数据外，其余信息采集数据可以采用简单易用，开发速度较快的ACCESS数据库进行管理。 2、信息加工 这里依然是以AUTOCAD 为作业平台，要对其进行二次开发，实现排料、自动识别移刀和进刀、定义加工速度和延时的有效性、自动机床加工代码输出的功能。在这当中应注意移刀和进刀点定义的方便灵活性，以便充分发挥编程员在加工不同材料的加工路径走法经验，避免因工件加工完毕跷起导致与运动中的刀头碰撞的问题。 机床代码生成模块设计流程图如（图2）下： 3、信息的传输是指将G代码通过控制模块传递给执行元件执行，在WINDOWS的系统平台下，文件的传输简单并且高效，因此采用文件交换和网络传输。 在二维超高压水射流数控切割机床自动控制系统中，是以工控系统为中心，读取并处理运动G代码，对机床各动作部件进行统一控制，对运动过程的各项参数进行实时采集，以便对机床进行有效的安全控制。 原理图如图3： 本控制系统的核心主要在X,Y轴的电机插补控制，首先我们对G代码数据进行实时处理，以串行的方式传给插补函数，并同时向运动控制器发出插补命令，运动控制器按G代码行号顺序地进行插补，并向伺服（步进）驱动器发出脉冲信号，达到控制X、Y平台联动的目的。控制原理如图4. 在控制过程中，可采用脉冲加方向的信号控制方式，运动模式为位置模式，其速度曲线（梯形包络线）如图5. 在上图中，它的加减速值相等。该梯形的面积就是电机转动的距离。由于伺服（步进）电机所带负载有一定的机械惯性质量，速度不可能立刻达到设定值，所以应有加减速阶段。实际上只要向插补函数发出距离、速度和加速度，运动控制器就能自动完成梯形包络线运动，并向驱动器发出脉冲信号。 编程示例如下： 在对X，Y平台驱动可以采用步进控制或伺服控制，以步进电机为运动主体的开环系统在加速时间长时将出现了底速共震，加速过程掉步严重的现象，如果加速时间过短，电机起动力矩就不够，造成控制系统误差过大，影响了加工精度。采用数字伺服系统的配套，也会存在轻微掉步现象，但机床得到了良好的加速度性能，脉冲损失率降低, 实际控制精度效果令人满意。在二维控制机床中推荐采用伺服控制系统。