應(yīng) 坤，補(bǔ)家武，周 敏

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢 430074)

等離子割炬初始高度自動(dòng)定位研究

應(yīng) 坤，補(bǔ)家武，周 敏

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢 430074)

針對(duì)等離子割炬初始高度定位方式存在的一些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了兩種定位方式：一是利用鋼板導(dǎo)電性進(jìn)行接觸定位，在電路中利用共模電感等元件來(lái)增強(qiáng)抗干擾性能；二是采用限位開(kāi)關(guān)進(jìn)行初始定位，割炬調(diào)高體采用扭輪摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將限位開(kāi)關(guān)合理地安裝在該調(diào)高體內(nèi)，簡(jiǎn)化定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)。對(duì)比分析了所設(shè)計(jì)的兩種定位方式與目前國(guó)內(nèi)常用的幾種定位方式，結(jié)果表明，限位開(kāi)關(guān)定位方式更具經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

等離子割炬；初始高度定位；限位開(kāi)關(guān)；扭輪摩擦

0 前言

在制造業(yè)中，采用等離子切割機(jī)加工金屬板材已越來(lái)越普遍，其切割效果和經(jīng)濟(jì)性也倍受關(guān)注。

在等離子切割機(jī)起弧前應(yīng)對(duì)割炬高度進(jìn)行初始定位，即使割炬處于鋼板上方一個(gè)確定的高度。割炬自動(dòng)調(diào)高裝置是通過(guò)電機(jī)傳動(dòng)使割炬進(jìn)行升降，從而調(diào)節(jié)割炬頭與鋼板的距離。該距離的準(zhǔn)確性不僅影響等離子起弧能否建立，還會(huì)影響初始切割質(zhì)量。

文獻(xiàn)[1]概述了初始高度定位方式可采用接觸式和非接觸式。接觸式是調(diào)高裝置接觸到鋼板；非接觸式是通過(guò)接近開(kāi)關(guān)或電容式傳感器來(lái)感應(yīng)鋼板，調(diào)高體不接觸鋼板。據(jù)調(diào)查，目前等離子割炬初始高度定位方式有三種：傳感器接觸定位方式、接近開(kāi)關(guān)定位方式、升降電機(jī)電流檢測(cè)定位方式。

通過(guò)分析這幾種定位方式的原理和特點(diǎn)，它們或多或少存在著一定的局限性。因此，本研究設(shè)計(jì)了鋼板導(dǎo)電性的接觸定位方式和限位開(kāi)關(guān)定位方式。

1 鋼板導(dǎo)電性的接觸定位

1.1 電路設(shè)計(jì)與分析

電路設(shè)計(jì)原理是利用具有導(dǎo)電性的金屬割炬頭與鋼板接觸實(shí)現(xiàn)割炬初始定位，如圖1所示。主要由共模電感、磁珠、繼電器、光耦PC817等元件組成。導(dǎo)線在割炬和鋼板上的安裝示意如圖2所示，圖1中信號(hào)線signal1與圖2中割炬上的鋼片套環(huán)3相連(套環(huán)緊套于割炬，并與割炬接觸良好)；繼電器常閉觸點(diǎn)與信號(hào)線signal2相連，與鋼板上鋼夾相連的絕緣導(dǎo)線和圖1中兩腳插座JP3的2腳相連。自動(dòng)定位過(guò)程為：割炬體下降(先加速后減速運(yùn)行)，當(dāng)割炬頭接觸到鋼板時(shí)，光耦PC817左端電路形成回路，光耦右端導(dǎo)通，單片機(jī)的P2.2腳由高電平變?yōu)榈碗娖?；單片機(jī)P1.7輸出低電平執(zhí)行繼電器觸點(diǎn)切換，使觸點(diǎn)與GND-E相連；單片機(jī)通過(guò)P2.0(該P(yáng)2.0口控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向)和P2.1口輸出脈沖控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)使電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)割炬以一定的速度(6～10 mm／s)勻速上升到指定高度，此時(shí)完成割炬初始高度定位。

圖1 接觸定位硬件設(shè)計(jì)原理

圖2 導(dǎo)線在割炬和鋼板上的安裝示意

由于干擾源較多，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，該電路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下方面：

電路中采用共模電感、磁珠、續(xù)流二極管N4008來(lái)增強(qiáng)電路的抗干擾性能。共模電感工作過(guò)程如圖3所示，當(dāng)共模電感輸入端A、B加兩個(gè)電流變化相同、幅值相等的信號(hào)時(shí)(電流i1，磁通Φ1)，磁通因方向相同而互相加強(qiáng)，每一線圈的電感值為單獨(dú)存在時(shí)的兩倍，能較好地抑制高壓的信號(hào)，接線方式如圖1所示。磁珠能有效抑制高頻噪聲和尖峰干擾，也能吸收靜電脈沖。經(jīng)過(guò)多次修改和調(diào)試，該電路具有較好的抗干擾能力。

1.2 注意事項(xiàng)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，鋼板導(dǎo)電性的接觸定位方式是可行的，但也有一定的局限性。

(1)割炬與鋼板接觸后，抗干擾性能較好。初始高度定位完成后，需將繼電器的觸動(dòng)切換到引腳GNDE，以免起弧后產(chǎn)生的高弧壓(一般大于100 V)損壞電路板。

(2)割炬下降速度緩慢，一般為6～10 mm／s，以免對(duì)割炬頭損壞。

(3)加工薄鋼板時(shí)，割炬下降速度為2～4 mm／s，以免初始定位時(shí)割炬頭使鋼板變形。

(4)當(dāng)鋼板銹蝕嚴(yán)重時(shí)，定位之前必須清除鋼板表面的銹斑。

2 限位開(kāi)關(guān)的割炬初始高度定位

2.1 割炬初始高度定位原理

割炬調(diào)高體采用扭輪摩擦的傳動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)割炬的升降。扭輪摩擦傳動(dòng)是摩擦傳動(dòng)與螺旋傳動(dòng)相結(jié)合的傳動(dòng)方式，扭輪摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由光軸、三個(gè)圓錐滾子軸承、軸承座等部件組成。割炬調(diào)高體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示，電機(jī)1通過(guò)滑塊聯(lián)軸器3帶動(dòng)光軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承座5通過(guò)光軸4與滾珠軸承之間的扭輪摩擦實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)割炬?zhèn)鲃?dòng)件11在圓柱形導(dǎo)桿2上移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)割炬升降。

圖4中限位開(kāi)關(guān)安裝于小薄鋼板6上，小薄鋼板6通過(guò)緊定螺釘固定于軸承座5的側(cè)面；薄板9固定于軸承座下部，六角螺栓8穿過(guò)薄板9的孔(間隙1 mm)與割炬?zhèn)鲃?dòng)件11相連，套筒7穿過(guò)薄板孔套于六角螺栓8上，套筒下端部與矩形平板10上表面相接觸。

定位原理：電機(jī)正轉(zhuǎn)，割炬下降，當(dāng)碰到鋼板后，傳動(dòng)件停止下降，此時(shí)軸承座5、薄板9與限位開(kāi)關(guān)12會(huì)繼續(xù)向下移動(dòng)，在套筒7的外壁上穿梭；當(dāng)限位開(kāi)關(guān)12的薄片與矩形平板10的上表面相碰使限位開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，單片機(jī)P1.3端口輸入低電平(電路見(jiàn)5)，單片機(jī)輸出控制信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，軸承座和薄板8一起上升，割炬?zhèn)鲃?dòng)件11在自身重力(約20 N)作用下仍與鋼板接觸，直至軸承座上升H＝10mm時(shí)，薄板上表面與六角螺栓頭部8接觸；在薄板與六角螺栓頭部的作用力下，帶動(dòng)傳動(dòng)件上升，將割炬上升到指定高度，完成割炬初始高度定位。

圖5 限位開(kāi)關(guān)硬件接口

2.2 軟件編程

若要較準(zhǔn)確地定位高度，需確定導(dǎo)程ly(電機(jī)帶動(dòng)光軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，軸承座移動(dòng)的距離)。

光軸與滾珠軸承間傳動(dòng)示意如圖6所示，滾珠軸承軸線與光軸軸線形成一定角度θ＝5°。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)(光軸角加速度α＝0)[3]時(shí)，三個(gè)滾珠軸承受光軸摩擦力產(chǎn)生速度v，將v分解為軸向速度vl和徑向速度vr，導(dǎo)程ly和軸承座移動(dòng)速度vl表達(dá)式為

式中 π為圓周率；R為光軸半徑；n為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速；θ為滾珠軸承軸線與光軸軸線間的夾角。

圖6 光軸與滾珠軸承間傳動(dòng)示意

軸承座移動(dòng)速度vl＝10 mm／s為已知，則由式(2)可確定步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)速n，進(jìn)而確定單片機(jī)向步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器發(fā)的脈沖數(shù)和頻率。軟件編程算法流程如圖7所示。

圖7 軟件編程算法流程

2.3 兩方案對(duì)比分析

兩方案對(duì)比分析如表1所示。

由表1可知，方案1與方案2的升降調(diào)高方式都采用了扭輪摩擦調(diào)高機(jī)構(gòu)，初始高度定位精度±0.1 mm(滿足初始定位要求)，較絲杠調(diào)高方式更為經(jīng)濟(jì)。方案2適用范圍更廣，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，抗干擾性能好。

3 幾種定位方式比較

傳感器接觸式定位方式、接近開(kāi)關(guān)定位方式、升降電機(jī)電流檢測(cè)定位方式與研究中的兩種方式的定位原理及適用范圍對(duì)比如表2所示。

由表2可知，升降電機(jī)電流檢測(cè)定位方式適用于較厚的鋼板初始定位，但此方式對(duì)割炬有損傷，一般情況下不采用。文獻(xiàn)[4]、[5]設(shè)計(jì)的傳感器接觸式定位方式與文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的接近開(kāi)關(guān)定位方式類(lèi)似，都是單獨(dú)設(shè)計(jì)初始定位機(jī)械夾具，再將機(jī)械夾具安裝于割炬調(diào)高體上；都是采用通過(guò)機(jī)械夾具來(lái)使傳感器感應(yīng)鋼板，定位完成后將夾具上的感應(yīng)裝置向上提升的定位方式。限位開(kāi)關(guān)定位方式是在割炬調(diào)高體內(nèi)添加限位開(kāi)關(guān)來(lái)定位。限位開(kāi)關(guān)定位方式的整體機(jī)械裝置設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，成本低，能滿足要求。

表1 兩方案對(duì)比分析

表2 幾種定位方式比較

[1]尹明康.等離子弧割炬初始高度設(shè)定裝置[J].造船技術(shù)，2002(3)：23.

[2]戴一帆，李圣怡.扭輪摩擦驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，21(2)：85-88.

[3]劉 波，劉 賓.壓力可調(diào)式扭輪摩擦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)研制[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2005(8)：47-49.

[4]何曉陽(yáng).等離子割炬初始定位裝置[P].中國(guó)：200710133193.8，2008.3.12.

[5]高龍軍.數(shù)控等離子切割機(jī)初始定位裝置[P].中國(guó)：200820 117223.6，2009.6.24.

[6]趙么子，孫 兵.切割機(jī)割炬初始定位裝置[P].中國(guó)：2004 20025389.7，2005.4.13.

Research for automatic positioning of initial height on plasma cutting torch

YING Kun，BU Jia-wu，ZHOU Min
(Faculty of Mechnical＆Electronic Information，CUG，Wuhan 430074，China)

With regard to some problem of initial height positioning on plasma cutting torch，this paper has introduced two ways of initial height positioning.One way is to use conductivity of armor plate to make location,the designed circuit has used the commonmode inductor and others to enhance anti-jamming performance.Another way is to use the limit switch for positioning，and lifting device of cutting torch has used the twist-roller frictional drive.Meanwhile，the limit switch is integrated into the lifting device，making this positioning mechanism designed to be simple.Finally，the paper have done a comparative analysis between two ways referred to the paper and the current domestic positioning ways，and have concluded that such limit switch positioning mode have been more economical and practical.

plasma cutting torch；initial height positioning；limit switch；twist-roller frictional

TG483

A

1001-2303(2010)01-0062-04

2009-11-30

應(yīng) 坤(1986—)，男，湖北荊州人，在讀碩士，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)及應(yīng)用、數(shù)控系統(tǒng)研究等工作。