嚴(yán) 妍

(上海機(jī)床廠有限公司 上海 200093)

自從第一臺(tái)激光器于1960年問(wèn)世以來(lái)，激光技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到了各行各業(yè)。當(dāng)?shù)谝慌_(tái)數(shù)控激光切割機(jī)(1975年)在德國(guó)展示時(shí)引起了人們的驚嘆，如今激光切割占據(jù)了激光工業(yè)應(yīng)用的主導(dǎo)地位。切割的對(duì)象為金屬、石英、硅錠、塑料、陶瓷甚至木材和紙張，其中冷熱軋板為大宗切割。與機(jī)械切割、等離子體切割和電弧切割相比，激光切割具有很大的優(yōu)勢(shì)。上海機(jī)床廠有限公司根據(jù)近年來(lái)鈑金工業(yè)的特點(diǎn)和需要，開(kāi)發(fā)研制并生產(chǎn)了JGJ-3015激光切割機(jī)，并對(duì)該激光切割機(jī)配置的FAGOR 8055i數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)。

1 FAGOR 8055i數(shù)控系統(tǒng)在激光切割機(jī)上的應(yīng)用

JGJ-3015激光切割機(jī)選用西班牙FAGOR公司生產(chǎn)的通用型CNC 8055i系列數(shù)控系統(tǒng)以及配套的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為硬件設(shè)備[1]。CNC 8055i系列數(shù)控系統(tǒng)以及配套的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是FAGOR公司專(zhuān)門(mén)為高速加工應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的一種高性價(jià)比的通用型高檔數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)7軸聯(lián)動(dòng)控制，具有很強(qiáng)的通用性和開(kāi)放性，可以執(zhí)行用戶嵌入的控制軟件，適用于對(duì)多種數(shù)控機(jī)床的控制[2]。另外，控制機(jī)床中的橫梁和切割頭運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)均采用了FAGOR的FXM系列同步伺服電動(dòng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)理想的進(jìn)給和位置軸的控制，具有平穩(wěn)的扭矩輸出特性，維護(hù)調(diào)試簡(jiǎn)單。該伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用SERCOS連接，所有數(shù)據(jù)和命令都以數(shù)字格式通過(guò)光纜傳送，提高了系統(tǒng)的抗電噪音能力，從而使系統(tǒng)更加可靠。內(nèi)置的輔助調(diào)試工具可以為調(diào)試維修提供幫助并縮短了裝配維修的時(shí)間使安裝調(diào)試極為容易，提高了工作效率。

但在用數(shù)控激光切割機(jī)的控制時(shí)，由于該系列的數(shù)控系統(tǒng)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)用于激光切割機(jī)控制方面的軟件，僅提供了專(zhuān)用的高級(jí)語(yǔ)言，用戶可以自己編制固定循環(huán)等程序功能。如果按照日常的編程方式，編制出切割加工的程序會(huì)很長(zhǎng)，而且激光切割機(jī)加工程序涉及的加工工藝參數(shù)繁多，為機(jī)床調(diào)試及工件首件試制都帶來(lái)極大的不便，因此對(duì)該數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)。

2 激光切割工藝程序的設(shè)計(jì)

激光切割過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的熱加工過(guò)程，涉及到材料、激光束和切割氣體三者之間復(fù)雜的相互作用。整個(gè)切割過(guò)程受到眾多因素的影響，參數(shù)之間的組合非常復(fù)雜，導(dǎo)致工藝參數(shù)數(shù)據(jù)量非常大，并且工藝參數(shù)的取舍非常困難，切割試驗(yàn)繁重，這樣實(shí)際切割成本較大。激光切割是一個(gè)高度的非線性過(guò)程，涉及的參數(shù)多，要精確地預(yù)測(cè)或選取工藝參數(shù)是相當(dāng)困難的。因此只有先在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上獲得大量的切割工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，建立激光切割工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，并在數(shù)控系統(tǒng)或者自動(dòng)編程軟件中進(jìn)行預(yù)先編制，可以大大降低機(jī)床最終使用者的加工成本，并且可以解決在激光加工中“入門(mén)難”的問(wèn)題。但是自動(dòng)編程軟件需要在PC機(jī)上操作，生成后置程序后再導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)。如果各種參數(shù)在編程軟件中進(jìn)行直接編制，會(huì)產(chǎn)生加工程序長(zhǎng)、可讀性差、修改不方便等問(wèn)題。所以在JGJ-3015的數(shù)控系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置了參數(shù)化編程的子程序，這樣可以大大地減少程序段，操作者可以在數(shù)控系統(tǒng)中直接方便地通過(guò)修改變量值來(lái)改變切割工藝參數(shù)，無(wú)需在PC機(jī)上進(jìn)行操作。

2.1 加工過(guò)程中的工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)控制

對(duì)不同板厚的金屬板材來(lái)說(shuō)，切割的工藝參數(shù)是不一樣的。工藝參數(shù)主要包括:激光工作模式、激光功率、切割速度和輔助氣體壓力。激光功率隨著板厚的增加而加大，切割速度隨著板厚的增加而減小，輔助氣體壓力隨著板厚的增加而減小。

2.1.1 激光工作模式的選擇

激光應(yīng)采用一定頻率和占空比的脈沖波對(duì)板料進(jìn)行打孔和切割。在切口沒(méi)有形成之前，必須在開(kāi)始切割的部位上加工一個(gè)通孔，以引導(dǎo)輔助氣體把熔融金屬?gòu)墓ぜ南虏颗懦鋈?，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)作打孔點(diǎn)，即指激光束在輪廓切割之前應(yīng)在板上擊穿一個(gè)很小的孔，此小孔被稱(chēng)為引弧孔或切割起始孔。

在實(shí)際加工中的打孔一般存在以下幾種情況:

(1)對(duì)于一般精度較高的產(chǎn)品都將打孔點(diǎn)設(shè)置在板材廢料區(qū)以保證加工質(zhì)量，同時(shí)要插入必要的切割引入、引出線；

(2)直接在加工路線上打孔；

(3)對(duì)厚板需要穿孔。

在加工過(guò)程中，不同工件的工藝要求和編程路線對(duì)孔的要求也是不同的。在工件加工時(shí)，需要根據(jù)不同的情況選擇不同的打孔模式。在加工薄板時(shí)，激光的能量很容易熔化板材實(shí)現(xiàn)穿孔，而且隨著板材厚度的增加，穿孔越來(lái)越不穩(wěn)定。同理，在打孔后板料切割過(guò)程中，根據(jù)板料的不同材質(zhì)、不同厚度以及不同的形狀大小，需要選擇不同的激光工作模式。

激光切割機(jī)選用了南京東方CO2激光器，在加工過(guò)程中無(wú)法通過(guò)激光發(fā)生器直接修改激光工作模式，需要在采用參數(shù)調(diào)用方式后，才可以在加工中自動(dòng)地切換所需的加工模式。在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)調(diào)用全局參數(shù)P104來(lái)控制打孔模式，通過(guò)參數(shù)P105來(lái)控制切割模式。

2.1.2 激光功率的控制

機(jī)床使用了 FAGOR 8055i主軸控制模擬輸出量，由內(nèi)部 PLC進(jìn)行處理來(lái)改變加工過(guò)程中的功率大小。在程序編制時(shí)，可以直接使用代碼 S(單位為 W)編寫(xiě)的激光功率，同時(shí)也可以通過(guò) CNC操作面板上的 SPINDLE 鍵 “+” 和 “－” 來(lái)改變激光功率。

2.1.3 CNC對(duì)輔助氣體的控制

就輔助氣體而言，在切割不同材料時(shí)所使用的氣體種類(lèi)是不一樣的。在切割普通碳板時(shí)需要使用氧氣，在切割不銹鋼鋼板時(shí)需要使用氮?dú)?，切割非金屬材料時(shí)需要使用壓縮空氣。在確定使用輔助氣體時(shí)，氣體壓力大小是一個(gè)極為重要的因素。在高速切割薄型材料時(shí)，需要較高氣體壓力以防止切口背面粘渣；當(dāng)材料厚度增加或切割速度較慢時(shí)，則氣體壓力可以適當(dāng)降低。JGJ-3015P配置了電氣比例閥，設(shè)計(jì)中采用了數(shù)控系統(tǒng)全局參數(shù)的變量，通過(guò)內(nèi)置PLC對(duì)其進(jìn)行調(diào)用，來(lái)控制電氣比例閥。使用了全局參數(shù)P100控制氧氣的穿孔壓力，P101控制氧氣的切割壓力，P102控制氮?dú)獾拇┛讐毫?，P103控制氮?dú)獾那懈顗毫?。通過(guò)分開(kāi)控制可以對(duì)加工程序一次賦值，并在加工過(guò)程中多次調(diào)用，避免了在多次賦值后會(huì)延長(zhǎng)加工時(shí)間 。

內(nèi)置PLC相關(guān)程序如下:

2.2 板料的尋邊和校直

在實(shí)際應(yīng)用中，操作者不可能把鋼板放置得非常直，每次放置的位置也不可能相同。FAGOR 8055i同樣也沒(méi)有這個(gè)功能，為此編寫(xiě)了一個(gè)子程序，在每次操作時(shí)只需調(diào)用該程序就能解決這個(gè)問(wèn)題。具體方法如下。

程序如下:

操作方法是把需要切割的鋼板放在工作臺(tái)上，利用在工作臺(tái)上的機(jī)械靠山進(jìn)行校直。用點(diǎn)動(dòng)方式將激光切割頭對(duì)準(zhǔn)鋼板的右下角。使用M154指令(調(diào)用9154子程序)建立G54所對(duì)應(yīng)的機(jī)床坐標(biāo)系，并將軸清零。如果工件切割的板超過(guò)2 m或者切割頭離板的邊緣非常近時(shí)，就需要被切割的板盡可能的垂直，可以再將切割頭移到板的右上角，調(diào)用M150指令(調(diào)用9996子程序)，編程時(shí)在程序中加入G73 QP112，啟動(dòng)程序后，坐標(biāo)會(huì)按照需要發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

2.3 激光切割頭調(diào)光

在激光切割板料時(shí)，激光與切割頭的垂直度是影響板料切割質(zhì)量的重要因素。為此設(shè)計(jì)時(shí)，編制了激光頭調(diào)光程序，并用M20代碼進(jìn)行調(diào)用，方便了使用者。

3 切割工藝子程序

3.1 子程序示例

3.2 子程序表(見(jiàn)表1)

表1 子程序代碼功能

在鈑金切割程序編制時(shí)，操作者只用根據(jù)不同的板料材質(zhì)、厚度和所需輔助氣體，按照表1所示調(diào)用不同的子程序。其中標(biāo)注(參數(shù)2)的子程序一般用于需要慢速切割的工藝(如:小圓孔、尖角等)。用戶在以后的操作使用中，如有需要也可以按照實(shí)際情況進(jìn)行修改或重新編制子程序。

3.3 程序中使用的變量

A: 氧氣穿孔壓力(用%表示，分辨率為0.001 s)；

B: 氧氣切割壓力(用%表示，分辨率為0.001 s)；

C: 氮?dú)獯┛讐毫?用%表示，分辨率為0.001 s)；

D: 氮?dú)馇懈顗毫?用%表示，分辨率為0.001 s)；

H: 穿孔模式(序號(hào)與發(fā)生器的參數(shù)序號(hào)相對(duì)應(yīng))；

M: 切割模式(序號(hào)與發(fā)生器的參數(shù)序號(hào)相對(duì)應(yīng))；

T: 穿孔延時(shí)時(shí)間(分辨率為1% s)；

4 結(jié)語(yǔ)

將預(yù)先設(shè)定的激光切割工藝參數(shù)輸入數(shù)控系統(tǒng)，在切割不同的鋼板板厚時(shí)，只要在編程過(guò)程中輸入相應(yīng)的代碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種材料的切割工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)控調(diào)節(jié)，使機(jī)床操作更加簡(jiǎn)單和安全，同時(shí)降低了對(duì)操作者的專(zhuān)業(yè)知識(shí)要求。目前，機(jī)床已通過(guò)了用戶的最終驗(yàn)收并正式投入使用，所有指標(biāo)都達(dá)到或超過(guò)客戶的要求。機(jī)床運(yùn)行以來(lái)性能穩(wěn)定、可靠，所切割的零件均達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)在實(shí)際應(yīng)用中得到了客戶的好評(píng)，極大地提高了生產(chǎn)效率。

[1]北京發(fā)格自動(dòng)化設(shè)備有限公司.CNC 8055/ CNC 8055i安裝手冊(cè)[Z].北京發(fā)格自動(dòng)化設(shè)備有限公司,1999.

[2]北京發(fā)格自動(dòng)化設(shè)備有限公司.CNC 8040M/8055M/CNC 8055i-M 編程手冊(cè)[Z].1999.