新型火焰切割機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電氣控制設(shè)計(jì)①

韓慶林， 姜永成， 張成龍， 孫忠偉， 謝風(fēng)偉， 溫佩松

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯154007)

0 引言

隨著機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，如何提高火焰切割機(jī)的加工性能成為研究熱點(diǎn)［1，2］.桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校的鄒愛(ài)成設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的PWM直流電機(jī)控制硬件電路［3］，北京焊切工具廠的曹克強(qiáng)對(duì)半自動(dòng)火焰切割機(jī)電控部分進(jìn)行了改進(jìn)，天津大學(xué)的葉振忠采用三極管、比較器、電阻、電容等器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)等離子切割機(jī)的控制［4］.本文設(shè)計(jì)了一套火焰切割機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了火焰切割機(jī)的穩(wěn)定控制，提高了火焰切割機(jī)系統(tǒng)加工性能.

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電氣控制的總體架構(gòu)

火焰切割機(jī)硬件部分包含兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，大電機(jī)用來(lái)驅(qū)動(dòng)平移工作臺(tái)在Y軸方向運(yùn)動(dòng)，固定在切割機(jī)控制箱上;小電機(jī)固定到平移工作臺(tái)上，負(fù)責(zé)切割機(jī)噴嘴在X軸方向上的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng).電氣控制設(shè)計(jì)中主要使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)并且速度可調(diào)，基于步進(jìn)電機(jī)的自身工作原理與規(guī)格參數(shù)，在驅(qū)動(dòng)器得電下接受單片機(jī)發(fā)送的脈沖，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)與停止的方式，間接控制平移工作臺(tái)在X軸、Y軸的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到加工工件的目的.系統(tǒng)平臺(tái)電氣控制電路圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)平臺(tái)電氣控制電路圖

如圖1所示，空氣開(kāi)關(guān)起到保護(hù)主電路的作用，電源開(kāi)關(guān)接通后電路開(kāi)始供電，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓源，220V交流電變?yōu)?4V直流電，電路串聯(lián)了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的上電開(kāi)關(guān)與停電開(kāi)關(guān)，連接到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上;驅(qū)動(dòng)器設(shè)有四個(gè)接口，用來(lái)與單片機(jī)通訊，兩相端口分別與各自所控制的步進(jìn)電機(jī)相連.當(dāng)電源開(kāi)關(guān)接通，上電開(kāi)關(guān)按下，驅(qū)動(dòng)器得電，步進(jìn)電機(jī)具有使能，上位機(jī)發(fā)送指令后，單片機(jī)接受指令發(fā)送脈沖給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)啟動(dòng).其速度、方向由上位機(jī)程序調(diào)節(jié).

控制箱外面操作面板共有兩個(gè)按鈕，電源開(kāi)關(guān)與指示燈按鈕采用左右對(duì)稱布置，左邊是停止按鈕，右邊是啟動(dòng)按鈕;指示燈安置在電源開(kāi)關(guān)的左邊，按下開(kāi)關(guān)時(shí)可及時(shí)觀察到電源是否接通.系統(tǒng)電氣布置圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)電氣布置圖

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與調(diào)試

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

研制的系統(tǒng)平臺(tái)樣機(jī)如圖3所示.在安裝時(shí)，控制平移工作臺(tái)在Y軸方向運(yùn)動(dòng)時(shí)采用一個(gè)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，中同步輪固定在步進(jìn)電機(jī)上，大同步輪固定在光杠中間位置，二者通過(guò)同步帶相連接，形成傳動(dòng)鏈.光杠兩端分別固定一個(gè)小同步輪，與控制柜另一端支架上的小同步輪通過(guò)長(zhǎng)條的同步帶相連接，同步帶的某一位置與平移工作臺(tái)支架緊固在一起.當(dāng)步進(jìn)電機(jī)收到驅(qū)動(dòng)脈沖后，傳動(dòng)鏈開(kāi)始傳動(dòng)，光杠帶動(dòng)同步輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使與之連接的同步帶傳動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)平移工作臺(tái)沿著導(dǎo)軌在Y軸方向移動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)Y軸的運(yùn)動(dòng)控制.固定同步輪采用頂絲頂緊，導(dǎo)軌、滑塊、平移工作臺(tái)都進(jìn)行了水平或垂直校準(zhǔn)，并對(duì)其硬件部分進(jìn)行了合理的優(yōu)化調(diào)試.

圖3 系統(tǒng)機(jī)械平臺(tái)樣機(jī)

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)調(diào)試

火焰切割機(jī)電氣控制接線部分包括上位機(jī)與單片機(jī).上位機(jī)和單片機(jī)之間通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口線連接，單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的公共端、脈沖、方向三個(gè)端口連接，控制箱內(nèi)部線路與操作按鈕連接，電源與220V交流電連接，如圖4所示.

調(diào)試步驟如下:

第一步，接通電源，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān);

圖4 系統(tǒng)平臺(tái)調(diào)試

第二步，按下上電按鈕，步進(jìn)電氣驅(qū)動(dòng)器得電，使電機(jī)使能;

第三步，接通單片機(jī)電源，按下復(fù)位鍵，等待上位機(jī)發(fā)出指令;

第四步，在 PC機(jī)上打開(kāi)上位機(jī)軟件，找到COM口，在程序界面選擇“軸1”，或者“軸2”，將平移工作臺(tái)調(diào)整到合適的位置;

第五步，在程序界面選擇“載入外部文件”，找到之前編寫測(cè)試用的一段G代碼程序，點(diǎn)擊“執(zhí)行”，火焰切割機(jī)開(kāi)始加工試驗(yàn).系統(tǒng)測(cè)試加工過(guò)程圖如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)測(cè)試加工過(guò)程圖

圖6 試驗(yàn)加工最后的圖形軌跡

程序按行依次執(zhí)行載入的G代碼，直到執(zhí)行完最后一行代碼，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，平移工作臺(tái)停止運(yùn)動(dòng).

第六步，按下停止按鈕，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器停止供電;

第七步，關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)，停止供電;

最后，關(guān)閉單片機(jī)，關(guān)閉上位機(jī)程序，加工試驗(yàn)完畢.

在火焰切割機(jī)調(diào)試過(guò)程中，遇到了許多需注意的問(wèn)題，在解決問(wèn)題中也完善了設(shè)計(jì)上的不足之處.加工試驗(yàn)結(jié)果表明，火焰切割機(jī)電氣控制設(shè)計(jì)方案具有可行性.試驗(yàn)加工最后的圖形軌跡如圖6所示.

3 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的火焰切割機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電氣控制系統(tǒng)可以靈活控制各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng).

(2)研制的火焰切割機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定.

［1］任意，石小英，曾勝.全自動(dòng)型材切割機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2009，36(9):31 －33.

［2］石從繼，趙燕，吳斌方.一種新型可調(diào)式切割機(jī)的研究設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電技術(shù)，2011(1):64 －66.

［3］鄒愛(ài)成，楊華，魏真.數(shù)控火焰切割機(jī)自動(dòng)調(diào)高器中直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.裝備制造技術(shù)，2009，(7)60 －61.

［4］葉振忠，孫梅，孫立星.一種簡(jiǎn)單的等離子切割機(jī)邏輯控制電路［J］.電焊機(jī)，2005，35(1)11 －12.