基于嵌入式的中厚板等離子切割機控制系統(tǒng)設計

摘要：傳統(tǒng)人工等離子切割機在切割中厚板時，由于存在自動化程度低、穩(wěn)定性差、切割精度低等問題，嚴重制約了其領(lǐng)域拓展。本文基于嵌入式平臺，開發(fā)了智能化等離子離子切割系統(tǒng)，其斜邊傾角、切面平整度、切割速度、掛渣量等參數(shù)得以改善，提升了中厚板切割工藝水平，具有重要的工程意義。

關(guān)鍵詞：嵌入式;中厚板;等離子切割系統(tǒng)

中圖分類號：TP23 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0073-02

0 ?引言

我國作為鋼鐵生產(chǎn)大國，占全球鋼鐵總產(chǎn)量比重超過了70%。鋼鐵中板材廣泛應用于建筑、機械裝備、石油化工、電力能源、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。板材的切割工藝對后續(xù)的材料加工有著深遠影響，也是提升加工品質(zhì)，提高市場競爭力，降低生產(chǎn)成品的關(guān)鍵因素[1]。與輕薄板材相比，中厚板是指厚度為10-35mm的板材，其切割強度大、難度大且切割質(zhì)量不易控制。在中厚板切割領(lǐng)域，等離子切割工藝是混合氣體或壓縮氣體作為等離子氣和保護氣，與火焰切割、激光切割相比，成本較低、切割速度較快，具有一定的優(yōu)勢。然而國內(nèi)的等離子切割技術(shù)與西方發(fā)達國家相比，自動化程度低，穩(wěn)定性差，切割精度低。為提升國內(nèi)等離子切割技術(shù)，提出了基于嵌入式平臺的智能化等離子離子切割系統(tǒng)。

1 ?系統(tǒng)設計

智能化等離子離子切割系統(tǒng)在Linux操作系統(tǒng)下運行，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，核心MCU采用了基于ARM CortexM4內(nèi)核的STM32F407ZGT6高端嵌入式芯片，支持的外設端口非常豐富，片內(nèi)資源豐富，即擁有最高168MHz的主頻，1024K的FLASH，192K的SRAM，3個ADC24通道，2個CAN總線，6個串行通信口。綜合參考該芯片手冊與設計資料，使用Altium Designer6.9軟件設計了智能化等離子離子切割工藝MCU最小系統(tǒng)。

2 ?切割工藝的主要影響因素

等離子切割系統(tǒng)優(yōu)化了影響切割工藝的關(guān)鍵參數(shù)，主要包括氣體流量、切割電壓、切割電流、切割速度等方面[2-4]。

2.1 氣體流量

等離子切割工藝選用的切割氣體是根據(jù)所切割的工件材料、切割厚度、切口質(zhì)量等方面而定。氫氣的導熱性能優(yōu)異，分子質(zhì)量較輕，如果通過氣流量過大，將會帶走大量熱量，切割平面將會粗糙不平;相反，如果通過的氣流量過小，等離子電弧性能降低，將會產(chǎn)生大量掛渣。綜上所述，氣體流量與切割速度應匹配一定的函數(shù)關(guān)系，從而既獲得較高的切割質(zhì)量，又降低氣源成本，可通過調(diào)控氣體壓力來控制氣體流量。

2.2 切割電壓

對于厚度適中的板材，電壓一定程度上影響了電弧的切割能力。通常電弧電壓越高，等離子弧可以獲得較高切割穩(wěn)定性。

2.3 切割電流

切割電流可謂是等離子切割工藝至關(guān)重要的影響因素。切割電流越大，電弧能量和切割功率密度增大，此時，可增大切割速度，提高切割效率，但是伴隨著等離子束口徑變大，切縫也會變寬，噴嘴的工作強度也變大，已發(fā)生損傷，影響切割質(zhì)量。

2.4 切割速度

最佳的切割速度是等離子切割工藝追求的平衡點，需要根據(jù)所切割材料材質(zhì)、材料厚度等因素，經(jīng)實驗分析來設定。切割速度過快時，切縫板材單位時間單位面積上的能量不足，導致未切透或切割面粗糙且出現(xiàn)較多掛渣;相反，當切割速度過慢時，切縫板材單位時間單位面積上的能量過高，切縫寬度變大且出現(xiàn)大面積熔堆。因此適度調(diào)高切割速度，既可提高切口質(zhì)量，獲得平整切面，又可提高加工效率[5-6]。

3 ?軟件操控設計

良好的人機交互環(huán)境有助于一線操作者的使用和生產(chǎn)管理，為此本文采用Qt 5.0軟件設計了UI圖形界面如圖2所示。左側(cè)的菜單包括賬號登錄、系統(tǒng)設置、數(shù)據(jù)庫、返回桌面、查找?guī)椭⑵迷O置、報警信息和開關(guān)機等項目。

3.1 賬號登錄

在該項目里設置了權(quán)限等級不同的登錄賬號，分為Administrator（管理員）和User（使用者）兩項。只有Administrator擁有最高的訪問權(quán)限，可以增加或刪除User賬戶，可以進行系統(tǒng)參數(shù)設置，保障了設備在運動過程中絕對安全，以免對人員或周圍環(huán)境造成損傷。User賬戶要求操作者按照加工規(guī)范對中厚板進行切割，基本上經(jīng)過短暫培訓即可熟練使用本軟件。登錄界面如圖3所示。

3.2 系統(tǒng)設置

在該項目里，可對不同材質(zhì)、不同板厚的鋼板進行參數(shù)設置。設置的主要參數(shù)有切割電流、切割電壓、氣體流量、切割速度、噴嘴高度調(diào)節(jié)和噴嘴尺寸型號。開始自動模式后，可實現(xiàn)一鍵對同一類型板材連續(xù)切割操作。手動模式適用于對某一類板材的試切，操作者試切某板材時，倘若上述參數(shù)出現(xiàn)異常狀態(tài)，系統(tǒng)的報警功能會及時響應，并記錄下異常狀態(tài)發(fā)生時間、位置等信息，以便于進行異常分析和工藝改進。

3.3 數(shù)據(jù)庫

方便客戶隨時查看或分析采集現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，智能中厚板等離子切割系統(tǒng)使用SQLServer 2008數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)管理，該軟件使用數(shù)據(jù)表的形式進行數(shù)據(jù)存儲，并且擁有多種安全模式環(huán)境應以保證客戶信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全性，憑借強大的事務處理能力在國內(nèi)中小型企業(yè)應用非常廣泛。在數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)所管理的數(shù)據(jù)不同，將分別采用不同的的數(shù)據(jù)信息格式。

賬戶登錄信息表如表1所示。

設備參數(shù)信息如表2所示。

采集信息表記錄了等離子切割機工藝流程中的關(guān)鍵參數(shù)信息，如表3所示。

4 ?結(jié)語

傳統(tǒng)等離子切割機由于目前工藝上的缺陷，在切割中厚板時下料比不高。本文設計了基于嵌入式的中厚板等離子切割機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動化程度高，有效改善了切割參數(shù)，對于降低一線工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率有著重要意義。

參考文獻：

[1]李孟.中厚板機器人數(shù)字化等離子切割機系統(tǒng)及工藝研究研究[D].廣州：華南理工大學測試計量技術(shù)及儀器學科碩士學位論文，2016：1-25.

[2]傅中明.等離子切割機在中厚板切割中的應用研究[J].焊接與切割，2012，22：19-22.

[3]張洪海，朱華，王波.小型數(shù)控等離子切割機控制系統(tǒng)優(yōu)化設計[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2011，10：78-83.

[4]劉夏麗，黃智琦，鄧耀華.智能視覺數(shù)控切割系統(tǒng)[J].自動化與信息工程，2020，41（4）：30-33.

[5]朱寶林.等離子去板坯熔渣機器人本體設計與研究[D].馬鞍山：安徽工業(yè)大學機械工程學科碩士學位論文，2018：28-40.

[6]鄭洛斌.大功率等離子切割機關(guān)鍵技術(shù)研究與設計[D].杭州：浙江工業(yè)大學控制科學與工程學科碩士學位論文，2017：37-47.

課題項目：本文系河北省邢臺市科技局重點研發(fā)計劃自籌項目“基于空氣等離子弧切割技術(shù)的中厚板切割工藝的關(guān)鍵技術(shù)研究”的研究成果（課題編號：2020ZC064）。

作者簡介：崔向群（1963-），女，河北秦皇島人，邢臺職業(yè)技術(shù)學院副教授，碩士研究生，研究方向為數(shù)控加工、數(shù)控工藝。