一種等離子切割機控制系統的設計

摘要：本文首先介紹了目前常見的切割方式及等離子切割機的特點；然后介紹了一種IPC+MC206+PLC的等離子切割機控制系統的設計；最后詳細闡述了控制系統的軟件設計，滿足控制系統性能的需求，提高了生產效率。

關鍵詞：等離子切割機；MC206；運動控制

1 引言

在機械制造等工業生產中，作為首道工序的鋼板切割，其工藝水平及切割質量的高低對后續生產工序有著重要的影響[1]。常見的鋼板切割方式主要有：火焰切割、等離子切割和激光切割等[2]。等離子切割是以壓縮空氣（或惰性氣體）為工作氣體，以高溫高速的等離子弧為熱源，將被切割的金屬局部熔化并用高速氣流將已熔化的金屬吹走形成狹窄的割縫，從而達到切割的目的切割方式。其有可切割厚度大、割縫窄、切口垂直度好、不掛渣、速度快等優點，是三者切割方式中性價比最高的切割方式，是現代金屬切割技術發展的趨勢之一，廣泛為各種機械制造行業采用。

本論文主要研究的是等離子切割機的控制系統，硬件平臺在分析等離子切割機控制特點后，設計了IPC+MC206+PLC開放式控制方式；確認軟件需求后，采用Visual C++開發上位機軟件，采用Trio Basic語言開發出電機驅動平臺，并進行實際運用測試，滿足系統系能要求。

2 系統組成與控制原理

2.1 等離子切割機機械部分

本文分采龍門架式機械結構，如圖1所示。其X、Y方向均采用齒輪、齒條驅動，兼顧精度和成本，主要完成切割圖形的運動；Z方向采用精密直線導軌驅動，主要完成等離子切割槍頭與鋼板間距離的調整。

圖1 切割機機械結構示意圖

2.2 等離子切割機控制

完整的等離子切割工藝主要包括：切割前的括噴粉劃線、切割過程中割槍的割矩調節、切割圖形加工等運動[3]。

噴粉劃線是在切割前，通過噴粉劃線槍，切割工件上表面標記工藝線、圖形和件號，在未切割工件的前期可以及時調整所繪圖形，預知切割圖形是否存在誤差。實現噴粉劃線需要控制鋅粉槍的開關及調節Z軸高度。

割矩調節是在切割過程中，需保持等離子等割槍的割嘴電極與板材之間的弧壓值，以實現割嘴高度的恒定。弧壓檢測電路實時探測割嘴電極與待切鋼板之間的弧壓值DC，并通過控制伺服電機驅動割炬自動升降以確保弧壓值的恒定而保證割嘴與待切鋼板的距離恒定不變[4]。

切割圖形加工是依據輸入的G code，控制X與Y方向的電機驅動，實現需要圖形的切割。

2.3 等離子切割機控制系統方案

基于TRIO MC206的等離子切割機控制系統由三部分組成：工控機（IPC）+上位機軟件，TRIO MC206多軸運動控制部分，PLC控制及驅動部分。各部分專職完成不通的任務，通過各軸的伺服電機聯動，實現精準的圖形切割。

3 控制軟件的設計

采用IPC機和液晶觸摸屏來完成控制系統的人機交互功能，用戶獲得良好的人機環境。控制軟件集成了各軸的運動控制，點火流程，限位報警信號，鋼板測量和加工以及文件的保存備份等操作。控制系統結構圖如圖3所示：

圖3 軟件功能結構示意圖

綜合考慮到上位機軟件運行速率和軟件開發的延續性，本系統采用Visual Studio 2010作為開發環境，采用Visual C++作為開發語言。上位機軟件主要由：零件代碼（G code）輸入模塊、系統設置模塊、切割狀態顯示模塊、底層通信模塊四個分組成，實現切割信息輸入、切割過程監控及底層驅動部分的控制。

在MC206中，采用TRIO BASIC語言進行程序的編寫，主要實現兩方面工作:（１）依據上位機軟件傳遞的圖形運動指令，完成相應的插補功能，驅動X（包括X1和X2）、Y兩方向的電機運轉，使整個機械系統平穩、快速的運動；（２）和下層PLC通信，并將相關數據傳遞給上位機軟件。

PLC控制部分采用三菱FX/2N系列PLC，主要是接受MC206傳遞的控制指令，實現割槍與鋼板間高度的自動調節，控制等離子電源開閉，保護切割機限位開關等功能。

4 結束語

本文在分析等離子切割機控制需求的基礎上，搭建了IPC+MC206+PLC的等離子切割機控制硬件平臺，在此基礎上開發了上位機軟運動控制軟件及PLC邏輯控制軟件，實現切割過程中的劃線、切割、弧壓調高等功。

參考文獻

[1]孫容磊，朱李瑾，萬興獎.等離子切割多參數智能決策與控制[J].組合機床與自動化加工技術，2005(6)：50-51.

[2]F.Rotundo，C.Martini，C.Chiavari，L.Ceschini.Plasma arc cutting:Microstructural modifications of hafnium cathodes during first cycles [J]．Materials Chemistry and Physics，2012(4)：1323-1325.

[3]黃豐磊.等離子切割機數控系統的研究[D].杭州：浙江工業大學，2010.

[4]等離子切割機智能控制策略的研究 [D].廣州：廣東工業大學，2012.