數(shù)控技術(shù)在超高壓水射流切割機(jī)床中的應(yīng)用

數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：
(1) 機(jī)械制造技術(shù)
(2) 信息處理技術(shù)
(3) 自動(dòng)控制技術(shù)
(4) 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)
(5) 傳感器技術(shù)
(6) 軟件技術(shù)等
二維超高壓水射流數(shù)控切割機(jī)床是20世紀(jì)90年代在中國(guó)開始發(fā)展的一種高性能切割設(shè)備, 原理是利用超高壓水通過計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制切割任意材料的任意二維圖形。二維超高壓水射流數(shù)控切割機(jī)床的控制就涉及了數(shù)控技術(shù)應(yīng)用的六個(gè)方面，以下我們側(cè)重從信息處理和自動(dòng)控制兩個(gè)方面進(jìn)行介紹。
信息處理貫穿了數(shù)控技術(shù)在機(jī)床應(yīng)用中的全部過程。它是數(shù)控技術(shù)中的主脈，也是數(shù)控技術(shù)中最關(guān)鍵、最精彩的部分。在二維超高壓水射流數(shù)控切割機(jī)床中信息處理包括采集、加工、傳輸三個(gè)部分。二維超高壓水射流數(shù)控切割機(jī)床的信息處理系統(tǒng)流程如下（圖1）：

圖1
1、信息采集
對(duì)圖形信息采集，是CAD/CAM的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)的采集精度，數(shù)據(jù)的處理速度直接影響了數(shù)控系統(tǒng)的效率。數(shù)據(jù)的采集精度越高其數(shù)據(jù)處理速度越慢，數(shù)控系統(tǒng)的效率越低。二維超高壓水射流切割機(jī)床的加工對(duì)象是任何平面材料的任何二維圖形，其采集精度在小數(shù)點(diǎn)后四位時(shí)，加工精度，控制效率都可達(dá)到滿意的效果。在二維超高壓水射流切割機(jī)床中信息采集有四部分：圖形信息采集、材料性能及相關(guān)加工信息采集、狀態(tài)信息采集、實(shí)時(shí)位置信息采集。
圖1顯示了待加工象素圖形的信息采集，任何的二維圖形可以通過在AUTOCAD中繪制或通過AUTOCAD調(diào)入掃描、數(shù)碼照像圖片后描繪封閉面并形成DXF文件進(jìn)行數(shù)據(jù)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、切點(diǎn)延時(shí)、加工計(jì)時(shí)等經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入和保存。
第三部分信息采集是應(yīng)用在對(duì)壓力主機(jī)高壓、電壓、電流等采集，對(duì)機(jī)器工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視。這部分信息采集只要注意在采樣線路安裝過程中，對(duì)信號(hào)線路進(jìn)行了良好的屏蔽，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了軟件濾波，就達(dá)到了預(yù)期的數(shù)據(jù)要求。
第四部分的信息采集與自動(dòng)控制相輔相成，實(shí)時(shí)信息的采集保證了自動(dòng)控制的運(yùn)動(dòng)軌跡。
除圖形信息采集數(shù)據(jù)外，其余信息采集數(shù)據(jù)可以采用簡(jiǎn)單易用，開發(fā)速度較快的ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。
2、信息加工
這里依然是以AUTOCAD 為作業(yè)平臺(tái)，要對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)排料、自動(dòng)識(shí)別移刀和進(jìn)刀、定義加工速度和延時(shí)的有效性、自動(dòng)機(jī)床加工代碼輸出的功能。在這當(dāng)中應(yīng)注意移刀和進(jìn)刀點(diǎn)定義的方便靈活性，以便充分發(fā)揮編程員在加工不同材料的加工路徑走法經(jīng)驗(yàn)，避免因工件加工完畢蹺起導(dǎo)致與運(yùn)動(dòng)中的刀頭碰撞的問題。
機(jī)床代碼生成模塊設(shè)計(jì)流程圖如（圖2）下：

圖2 G代碼生成模塊程序設(shè)計(jì)流程圖
3、信息的傳輸是指將G代碼通過控制模塊傳遞給執(zhí)行元件執(zhí)行，在WINDOWS的系統(tǒng)平臺(tái)下，文件的傳輸簡(jiǎn)單并且高效，因此采用文件交換和網(wǎng)絡(luò)傳輸。
在二維超高壓水射流數(shù)控切割機(jī)床自動(dòng)控制系統(tǒng)中，是以工控系統(tǒng)為中心，讀取并處理運(yùn)動(dòng)G代碼，對(duì)機(jī)床各動(dòng)作部件進(jìn)行統(tǒng)一控制，對(duì)運(yùn)動(dòng)過程的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以便對(duì)機(jī)床進(jìn)行有效的安全控制。
原理圖如圖3：

圖3
本控制系統(tǒng)的核心主要在X,Y軸的電機(jī)插補(bǔ)控制，首先我們對(duì)G代碼數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以串行的方式傳給插補(bǔ)函數(shù)，并同時(shí)向運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出插補(bǔ)命令，運(yùn)動(dòng)控制器按G代碼行號(hào)順序地進(jìn)行插補(bǔ)，并向伺服（步進(jìn)）驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖信號(hào)，達(dá)到控制X、Y平臺(tái)聯(lián)動(dòng)的目的。控制原理如圖4：

圖4
在控制過程中，可采用脈沖加方向的信號(hào)控制方式，運(yùn)動(dòng)模式為位置模式，其速度曲線（梯形包絡(luò)線）如圖5：

圖5 速度曲線（梯形包路線）
在上圖中，它的加減速值相等。該梯形的面積就是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的距離。由于伺服（步進(jìn)）電機(jī)所帶負(fù)載有一定的機(jī)械慣性質(zhì)量，速度不可能立刻達(dá)到設(shè)定值，所以應(yīng)有加減速階段。實(shí)際上只要向插補(bǔ)函數(shù)發(fā)出距離、速度和加速度，運(yùn)動(dòng)控制器就能自動(dòng)完成梯形包絡(luò)線運(yùn)動(dòng)，并向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖信號(hào)。
編程示例如下：
absacc (0,10000);/*設(shè)置0軸加速度*/
absvel (0,10000);/*設(shè)置0軸速度*/
absacc (1,10000);/*設(shè)置1軸速度*/
absvel (1,10000);/*設(shè)置1軸速度*/
absacc (2,10000);/*設(shè)置2軸速度*/
absvel (2,10000);/*設(shè)置2軸速度*/
LineInterpolation (3, AxisNO, NowPos, PerPos, IpolSpeed); /*對(duì)直線進(jìn)行插補(bǔ)*/
在對(duì)X，Y平臺(tái)驅(qū)動(dòng)可以采用步進(jìn)控制或伺服控制，以步進(jìn)電機(jī)為運(yùn)動(dòng)主體的開環(huán)系統(tǒng)在加速時(shí)間長(zhǎng)時(shí)將出現(xiàn)了底速共震，加速過程掉步嚴(yán)重的現(xiàn)象，如果加速時(shí)間過短，電機(jī)起動(dòng)力矩就不夠，造成控制系統(tǒng)誤差過大，影響了加工精度。采用數(shù)字伺服系統(tǒng)的配套，也會(huì)存在輕微掉步現(xiàn)象，但機(jī)床得到了良好的加速度性能，脈沖損失率降低, 實(shí)際控制精度效果令人滿意。在二維控制機(jī)床中推薦采用伺服控制系統(tǒng)。