中车大连机车车辆有限公司钢结构分公司 辽宁大连 116000
1、前言
我车间的数控火焰切割机制造于2000年，承担着HXN3型机车、HXD3型机车、HXD3B型机车、HXD3C型机车、新西兰机车等多种产品车体的下料工作，是机车生产的关键设备。由于年久老化，再加上以铆焊为主的工作厂房环境较差，控制系统程序存储少，故障率高，维修性差，很多老化的元器件已经停产，无法购买，导轨以及升降系统的丝杠已磨损严重，难以保证设备精度。因此本文针对该数控切割机存在的具体问题进行改造研究。
2、数控火焰切割机原理及构成
数控切割机就是将所需切割的零件形状和尺寸以及切割机的各种动作，用数字的形式表示编程，输入到计算机后由计算机进行控制随机配带的切割工具，它是现代自动切割机中切割精度，生产效率和自动化程序最高的一种设备。火焰切割是一种热切割工艺，是将被切割材料的局部加热到燃烧点，并由加热火焰和被切割材料共同产生热量，使被切割材料在切割氧流中连续燃烧。燃烧所产生的熔渣被切割氧流吹除，从而形成割缝。最常见的切割气体为氧-乙炔火焰切割。数控火焰切割机在总体结构上可分为机械部分，气体管路部分和电气电子部分。
3、具体改造方案
数控系统为本次改造中的重点，原数控系统显示器黑屏，控制按钮失效，程序存储少，性能不稳定，故障频发，且功能少，版本已无法升级，不能满足生产需求。GC-M 6.0版本的数控系统，是梅塞尔公司专为火焰切割机设计的专业数控切割系统，故障率低，通用性好，维修方便，操作简单，其切割软件功能强大，而且针对切割机的恶劣工作环境，通过系列的可靠性、稳定性测试，得到美国电工安全认证，可以有效降低故障率。主要功能如下：
本次改造首先对GC-M数控系统进行升级，达到最新版本。
硬件配置： 分辨率 1024 x 768的15”真彩触摸宽视屏；350 G硬盘、4个USB接口、1个RS232接口；2G RAM、Intel? Celeron? 2.2 GHz，2 cores；
软件配置： Windows 7操作系统；TwinCAT NC&PLC 运行软件；Messer HMI 切割软件；微软MSES防病毒软件；
改造后的数控系统有了质的提升，提升的功能为：
●可变参数的宏库，支持自定义宏库，105个基本宏库、可扩展400多种切割程序
● 支持宏库零件和自编零件的单独及混合套料
● 0.01-20mm动态割缝补偿
● 图形可以0.1度为最小增量旋转，使图形编排更紧凑合理，提高板材利用率，降低成本。
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● 切割时能同时显示执行的程序段、切割速度、补偿量、速度倍率、执行程序段及程序号等参数，使操作者更详细直观了解切割的状态
● 无限制的返回定位：程序段的返回；起始点的返回；原轨迹返回
● 零件移动功能
● 可记忆20个参考点坐标
● 软限位功能
● 支持DXF\DWG\DWF\IGES等CAD的图形导入格式
● 二维画图
● 支持图片中寻找轮廓
● 手动及自动套料功能
● 支持矩阵套料
● 支持过桥、连接切割、公共边、补丁等功能
● 手动余料定义和余料切割
● 自动余料定义和余料切割
● 小面积切割功能
● 气路全部更新，4个割枪全部恢复
改造后的切割精度有了明显提高：
● 横向导向精度：±0.40 mm/3.7m
● 纵向导向精度：±0.2mm/10m
● 定位精度：±0.2mm/10m
● 重复精度：+/-0.3mm
● 纵横向导轨直线度：±0.2mm /10m
● 对角线精度：2M×4M方的对角误差≦±0.5mm
数控系统装置和机床的联系环节，数控系统装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。数控机床的性能在很大程度上取决伺服驱动系统的性能，要求伺服驱动调速范围要宽、位置精度要高、速度响应要快、低速大转矩。
伺服系统对执行元件—伺服电动机也相应提出了很高的要求：高精度、快反应、宽调速和大转矩
根据以上原则对开环进给伺服系统，闭环进给伺服系统和半闭环进给伺服系统进行比较。
开环进给伺服系统
开环进给伺服系统是数控机床中最简单的伺服系统，执行元件一般为步进电机，开环进给伺服系统的精度较低，速度也受到步进电动机性能的限制。但由于其结构简单，易于调整，在精度要求不太高的场合中得到较广泛的应用。
闭环控制系统
因为开环系统的精度不能很好地满足数控机床的要求，所以为了保证精度，最根本的办法是采用闭环控制方式。闭环控制系统是采用直线型位置检测装置（直线感应同步器、长光栅等）对数控机床工作台位移进行直接测量并进行反馈控制的位置伺服系统.
闭环控制系统将数控机床本身包括在位置控制环之内，因此机械系统引起的误差可由反馈控制得以消除，但数控机床本身固有频率、阻尼、间隙等的影响，成为系统不稳定的因素，从而增加了系统设计和调试的困难。故闭环控制系统的特点是精度较高，但系统的结构较复杂、成本高，且调试维修较难，因此适用于大型精密机床。
半闭环控制系统
采用旋转型角度测量元件（脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器等）和伺服电动机按照反馈控制原理构成的位置伺服系统，称作半闭环控制系统，半闭环控制系统的检测装置有两种安装方式：一种是把角位移检测装置安装在丝杠末端；另一种是把角位移检测装置安装在电动机轴端。
半闭环控制系统的精度比闭环要差一些，但驱动功率大，快速响应好，因此适用于各种数控机床。对半闭环控制系统的机械误差，可以在数控装置中通过间隙补偿和螺距误差补偿来减小系统误差，所以选择半闭环控制系统。
直流伺服电动机和交流伺服电动机比较具有容易调速，调速范围大等优点，所以直流伺服一直占主导地位。但是，直流伺服电动机结构复杂，造价贵，使用维修不方便。所以交流伺服驱动系统迅速发展占据主导。
综上选择日本安川公司的原装进口电机及交流伺服驱动系统，运行平稳，高速高响应，可弥补机械刚性不足。由于在切割过程中需要不断的供给符合切割工艺的各种气体，所以气路系统是火焰切割机很重要的组成部分。原始气路系统缺少保压风包，不能切割厚板，气管多处龟裂老化。现更换的中央集气系统，各控制阀均采用铅黄铜和锰黄铜或不锈钢等耐腐蚀材料制成，为防止回火，在乙炔和氧气管路中均装有安全回火防止器，并可以满足切割机切割不同板厚的切割需求。
传动系统包括本机传动系统，横、纵向驱动齿轮箱，单割炬升降齿轮箱。其中纵横向导轨存在不同程度的变形，钢带传动时弯折角度过大，导致钢带易断；单割炬升降系统的丝杠已磨损严重，影响产品精度。所以对导轨面重新修刮去掉锈斑，润滑，更换钢带箱；升降机构拆掉原来的丝杠换为新的精密丝杠，使精度提高，运行自如。
纵向导轨二端均有电气限位开关，同时设加橡胶垫的机械限位挡块，以保证在万一电气控制失灵时也能提供防碰撞保护。横向导轨二端及割炬吊架上设有电气限位开关及机械限位挡块，提供电气和机械双重限位防碰撞保护，应急开关，实行对切割机的紧急控制。
4、结 语
经过改造之后，使机床加工精度有了大幅提升，图形编排更合理紧凑，提高了板材的利用率，降低生产成本，提高了生产效率。按钢材每吨5000元计算，一年大约能节省40吨钢材，合计一年节约20万余元。
参考文献：
[1]数控机床及其应用.北京，机械工业出版社，2001.5
[2]数控切割机提高切割质量的有效途径/胡安岭，山东莱钢建设有限公司淄博分公司，2009
论文作者:姜新
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第8期
论文发表时间:2019/5/6
标签：闭环论文; 精度论文; 切割机论文; 控制系统论文; 系统论文; 数控论文; 开环论文; 《建筑模拟》2019年第8期论文;