數控技術在超高壓水射流切割機床中的應用

數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統制造產業和新興制造業的滲透形成的機電一體化產品，即所謂的數字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域：
(1) 機械制造技術
(2) 信息處理技術
(3) 自動控制技術
(4) 伺服驅動技術
(5) 傳感器技術
(6) 軟件技術等
二維超高壓水射流數控切割機床是20世紀90年代在中國開始發展的一種高性能切割設備, 原理是利用超高壓水通過計算機的實時自動控制切割任意材料的任意二維圖形。二維超高壓水射流數控切割機床的控制就涉及了數控技術應用的六個方面，以下我們側重從信息處理和自動控制兩個方面進行介紹。
信息處理貫穿了數控技術在機床應用中的全部過程。它是數控技術中的主脈，也是數控技術中最關鍵、最精彩的部分。在二維超高壓水射流數控切割機床中信息處理包括采集、加工、傳輸三個部分。二維超高壓水射流數控切割機床的信息處理系統流程如下（圖1）：

圖1
1、信息采集
對圖形信息采集，是CAD/CAM的關鍵技術，數據的采集精度，數據的處理速度直接影響了數控系統的效率。數據的采集精度越高其數據處理速度越慢，數控系統的效率越低。二維超高壓水射流切割機床的加工對象是任何平面材料的任何二維圖形，其采集精度在小數點后四位時，加工精度，控制效率都可達到滿意的效果。在二維超高壓水射流切割機床中信息采集有四部分：圖形信息采集、材料性能及相關加工信息采集、狀態信息采集、實時位置信息采集。
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調入掃描、數碼照像圖片后描繪封閉面并形成DXF文件進行數據采集。
其二是涉及材料的物理性能、在水切割加工中的加工速度、切點延時、加工計時等經驗數據錄入和保存。
第三部分信息采集是應用在對壓力主機高壓、電壓、電流等采集，對機器工作狀態實時監視。這部分信息采集只要注意在采樣線路安裝過程中，對信號線路進行了良好的屏蔽，并對采樣數據進行了軟件濾波，就達到了預期的數據要求。
第四部分的信息采集與自動控制相輔相成，實時信息的采集保證了自動控制的運動軌跡。
除圖形信息采集數據外，其余信息采集數據可以采用簡單易用，開發速度較快的ACCESS數據庫進行管理。
2、信息加工
這里依然是以AUTOCAD 為作業平臺，要對其進行二次開發，實現排料、自動識別移刀和進刀、定義加工速度和延時的有效性、自動機床加工代碼輸出的功能。在這當中應注意移刀和進刀點定義的方便靈活性，以便充分發揮編程員在加工不同材料的加工路徑走法經驗，避免因工件加工完畢蹺起導致與運動中的刀頭碰撞的問題。
機床代碼生成模塊設計流程圖如（圖2）下：

圖2 G代碼生成模塊程序設計流程圖
3、信息的傳輸是指將G代碼通過控制模塊傳遞給執行元件執行，在WINDOWS的系統平臺下，文件的傳輸簡單并且高效，因此采用文件交換和網絡傳輸。
在二維超高壓水射流數控切割機床自動控制系統中，是以工控系統為中心，讀取并處理運動G代碼，對機床各動作部件進行統一控制，對運動過程的各項參數進行實時采集，以便對機床進行有效的安全控制。
原理圖如圖3：

圖3
本控制系統的核心主要在X,Y軸的電機插補控制，首先我們對G代碼數據進行實時處理，以串行的方式傳給插補函數，并同時向運動控制器發出插補命令，運動控制器按G代碼行號順序地進行插補，并向伺服（步進）驅動器發出脈沖信號，達到控制X、Y平臺聯動的目的。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控制方式，運動模式為位置模式，其速度曲線（梯形包絡線）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轉動的距離。由于伺服（步進）電機所帶負載有一定的機械慣性質量，速度不可能立刻達到設定值，所以應有加減速階段。實際上只要向插補函數發出距離、速度和加速度，運動控制器就能自動完成梯形包絡線運動，并向驅動器發出脈沖信號。
編程示例如下：
absacc (0,10000);/*設置0軸加速度*/
absvel (0,10000);/*設置0軸速度*/
absacc (1,10000);/*設置1軸速度*/
absvel (1,10000);/*設置1軸速度*/
absacc (2,10000);/*設置2軸速度*/
absvel (2,10000);/*設置2軸速度*/
LineInterpolation (3, AxisNO, NowPos, PerPos, IpolSpeed); /*對直線進行插補*/
在對X，Y平臺驅動可以采用步進控制或伺服控制，以步進電機為運動主體的開環系統在加速時間長時將出現了底速共震，加速過程掉步嚴重的現象，如果加速時間過短，電機起動力矩就不夠，造成控制系統誤差過大，影響了加工精度。采用數字伺服系統的配套，也會存在輕微掉步現象，但機床得到了良好的加速度性能，脈沖損失率降低, 實際控制精度效果令人滿意。在二維控制機床中推薦采用伺服控制系統。