徐天奇

XU Tian-qi

(江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，武漢 430056)

0 引言

某機(jī)床制造商生產(chǎn)的JGC—5 型激光切割機(jī)現(xiàn)在配備三菱M70數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備強(qiáng)大的加工能力，可以實(shí)現(xiàn)6軸4聯(lián)動(dòng)，面板配置前置CF卡插口,可以實(shí)現(xiàn)DNC 加工。凡是計(jì)算機(jī)自動(dòng)編制的加工程序都可以存放在CF卡中進(jìn)行自動(dòng)加工。

但激光切割機(jī)在切割工件時(shí)遇到的一個(gè)問(wèn)題是:在進(jìn)行曲線圖案切割時(shí)，如果曲率很大，例如出現(xiàn)10°-90°的夾角，就容易出現(xiàn)燒損，造成零件報(bào)廢。如圖1所示。

圖1 在零件拐角處出現(xiàn)的燒損

加工零件出現(xiàn)燒損，究其原因是在計(jì)算機(jī)自動(dòng)編制的切割加工程序中，遇到轉(zhuǎn)角時(shí)，其運(yùn)行速度會(huì)自動(dòng)降低，甚至?xí)档偷搅闼僖员銚Q向運(yùn)行。但在降低運(yùn)行速度時(shí)，其切割激光功率不變，這樣就造成了當(dāng)切割速度過(guò)低時(shí)激光功率輸出過(guò)大，所以造成了零件的燒損。

即使是使用M70數(shù)控系統(tǒng)同樣面臨零件燒損的問(wèn)題。只有解決這一問(wèn)題，才能使M70數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)用階段。如何解決零件燒損的問(wèn)題呢？

1 解決方案

解決加工零件燒損問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是要求激光輸出功率隨切割頭運(yùn)行速度的變化而改變。切割頭運(yùn)行速度越快，激光輸出功率越大，切割頭運(yùn)行速度越慢，激光輸出功率越小。

根據(jù)這一要求，經(jīng)過(guò)綜合分析提出了如下解決方案：

1）使用M70數(shù)控系統(tǒng)具備的“窗口”功能，隨時(shí)讀取切割運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行速度，特別是曲率變化過(guò)大部分的運(yùn)行速度數(shù)值。

2）在M70數(shù)控系統(tǒng)硬件配置上，配置一模擬量輸出模塊。通過(guò)輸出模擬信號(hào)控制激光輸出功率。

3）在M70數(shù)控系統(tǒng)的PLC程序或加工程序中，建立“實(shí)時(shí)速度”與“模擬輸出信號(hào)”的關(guān)系。用“實(shí)時(shí)速度”控制“模擬輸出信號(hào)”，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)“激光功率”的控制。

2 相關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件配置的要求

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的處理，必須在數(shù)控系統(tǒng)的硬件中配置模擬信號(hào)模塊。在M70數(shù)控系統(tǒng)中，可以配置的模擬信號(hào)模塊為DX140。所以在數(shù)控系統(tǒng)的基本配置中特別要求配置模擬信號(hào)模塊為DX140。

DX140模塊除配備常規(guī)的I/O輸入輸出信號(hào)外，還配備有4個(gè)模擬信號(hào)輸入接口和1個(gè)模擬信號(hào)輸出接口。如圖2 所示為模擬量輸出回路：

圖2 輸出模塊DX140的模擬量輸出回路

DX140所能夠輸出的模擬信號(hào)為電壓信號(hào)，范圍-10V～+10V。

2.2 運(yùn)行速度數(shù)據(jù)的讀出

三菱M70CNC中，提供了讀取NC工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的功能，即NC工作狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)都可以（通過(guò)PLC程序）被讀出，這些數(shù)據(jù)從而可以被PLC程序所使用實(shí)現(xiàn)對(duì)外部信號(hào)的控制。在三菱M70CNC 中這稱(chēng)為“讀窗口”功能，意即NC系統(tǒng)開(kāi)設(shè)了多個(gè)“窗口”，通過(guò)這個(gè)窗口可讀出NC工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。

使用“讀窗口”功能時(shí)要進(jìn)行若干設(shè)置：

1）設(shè)置一組構(gòu)成窗口的“文件寄存器”。這組R寄存器是用戶專(zhuān)用區(qū)的寄存器R8300-R9799(備份)，R9800—R9899（非備份）。

2）每一窗口由16個(gè)寄存器構(gòu)成。由“起始寄存器”作為識(shí)別標(biāo)志。“起始寄存器”必須是偶數(shù)。

3）窗口寄存器的功能定義

假定“起始寄存器”=RA, 則RA—“RA+F”這一組寄存器的功能被定義如下：

（1）RA—“RA+7” 存放控制數(shù)據(jù)（即指定要讀出的數(shù)據(jù)，如大區(qū)號(hào)，小區(qū)號(hào)）。

（2）RA存放控制指令。

RA的bit0表示啟動(dòng)信號(hào)，要執(zhí)行讀出操作時(shí)，必須使RA bit0=1；

（3）“RA+7”的bit0表示讀出狀態(tài)。

bit0=1—讀出完成

bit0=0—等待讀出

（4）“RA+8”—“RA+F” 存放讀出的數(shù)據(jù)。

在本解決方案中，要求讀取的是“運(yùn)行速度”。注意對(duì)于激光切割而言，必須讀出的是“合成速度”或稱(chēng)為“矢量速度”即進(jìn)行曲線切割時(shí)X軸Y軸合成速度，而不是各軸的單獨(dú)速度。其“合成速度”在系統(tǒng)內(nèi)置的數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)的“大區(qū)號(hào)=33”，而“小區(qū)號(hào)=1”。據(jù)此編制了讀取速度數(shù)據(jù)的PLC程序如圖3所示。

圖3 讀取運(yùn)行速度的PLC程序

在圖3所示的梯形圖中，“起始寄存器=R9800”;

R9087=讀出狀態(tài)寄存器；

R9808=讀出的“速度值數(shù)據(jù)”。

經(jīng)過(guò)以上PLC程序處理，獲得了“實(shí)時(shí)速度”數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)存放在文件寄存器R9808中。

3 等長(zhǎng)度能量輸出的參數(shù)整定

激光切割機(jī)的能量輸出的原則是 ：

在做曲線切割時(shí)（同一產(chǎn)品厚度相同）單位長(zhǎng)度內(nèi)輸出的能量恒定。

對(duì)材質(zhì)相同，厚度相同的板材，在標(biāo)準(zhǔn)切割速度下的“切割能量”相同。而不同切割速度下的切割能量成比例。

換句話，切割速度與切割能量之比等于常數(shù)。

切割速度越大，切割能量越大，切割速度越小，切割能量越小。在做曲線切割時(shí)（同一產(chǎn)品厚度相同）單位長(zhǎng)度內(nèi)輸出的能量恒定。

對(duì)應(yīng)于不同的板材，在標(biāo)準(zhǔn)切割速度下的“切割能量”不同。

為了單獨(dú)考察切割速度與激光功率的關(guān)系，獲得適當(dāng)?shù)那懈罟に噮?shù)，制定了下列實(shí)驗(yàn)方案。

1）根據(jù)“激光切割機(jī)”額定功率輸出確定激光切割速度。以此速度作為基本切割速度；

2）實(shí)驗(yàn)確定150%額定速度下的最佳功率值；

3）實(shí)驗(yàn)確定10%額定速度下的最佳功率值。

計(jì)算“速度—功率”線性方程；

W—功率；

K—比例系數(shù)；

S—速度值；

B—調(diào)整系數(shù)。

表1 激光切割實(shí)驗(yàn)方案

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，獲得了同一板材不同板厚的“速度—功率”線性方程，為編制相關(guān)PLC程序奠定了基礎(chǔ)。

4 柔性化的加工程序

為了使加工程序柔性化，即“同一加工程序可用于不同材質(zhì)不同板厚的零件加工”，使用了宏程序來(lái)選擇預(yù)先設(shè)置的加工參數(shù)，這些加工參數(shù)用公共變量設(shè)置。如表1中的#111～#130。

實(shí)現(xiàn)柔性化的加工程序的方法

PLC 程序和宏程序之間的信息交流如下：

1）由PLC程序選擇不同材質(zhì)板厚的加工對(duì)象；

2）由宏程序選擇不同的加工參數(shù)組；

3）由PLC程序計(jì)算“速度—功率”線性方程，計(jì)算應(yīng)該輸出的功率。最后輸出模擬信號(hào)數(shù)據(jù)。

4.1 由PLC程序選擇不同的材質(zhì)板厚

不同材質(zhì)，不同板厚下的“速度—功率”線性方程通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得，這樣可以在公共變量（#100～#200）中預(yù)先設(shè)置每一組加工對(duì)象的K系數(shù)，B系數(shù)，如表1所示。

在M70數(shù)控系統(tǒng)的顯示屏上通過(guò)設(shè)置#18001參數(shù)，選擇不同材質(zhì)，不同板厚。同時(shí)在PLC程序中進(jìn)行處理，PLC程序?qū)⑦x擇結(jié)果通知“宏程序P9100”，如圖5所示。

4.2 由宏程序選擇不同的加工參數(shù)組

宏程序P9100用于選擇不同的加工參數(shù)組，根據(jù)選擇的加工對(duì)象不同，而選擇預(yù)先設(shè)定的加工參數(shù)組。宏程序?qū)⒉煌淖兞客ㄖoPLC 程序。如圖4所示：

圖4 用于選擇不同加工參數(shù)組的宏程序

4.3 由PLC程序計(jì)算“速度—功率”線性方程，最后輸出模擬信號(hào)數(shù)據(jù)

在圖 5 所示的PLC程序中，計(jì)算出不同速度下應(yīng)該輸出的“功率”數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)輸入到模擬輸出接口R200，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光功率的控制。

4.4 其他注意事項(xiàng)

最小能量輸出：為了保證切割完成，必須有最小能量輸出。在轉(zhuǎn)角處切割速度最小為零，如果能量輸出為零，則不能實(shí)施切割，所以即使在切割速度瞬間為零時(shí)，也必須保證有能量輸出。

最大能量輸出：為了避免過(guò)燒，必須限制最大能量輸出。

圖5 用于計(jì)算激光輸出功率的PLC程序

5 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)發(fā)M70數(shù)控系統(tǒng)的“工作數(shù)據(jù)讀取功能”，結(jié)合PLC程序的開(kāi)發(fā)，使M70數(shù)控系統(tǒng)能夠隨時(shí)獲得運(yùn)行速度數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了根據(jù)速度變化對(duì)激光功率的控制。這一技術(shù)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)在激光切割機(jī)上的應(yīng)用具有極大意義。