數控技術在避免激光切割工件燒損上的研究與應用

徐天奇

XU Tian-qi

(江漢大學 物理與信息工程學院，武漢 430056)

0 引言

某機床制造商生產的JGC—5 型激光切割機現在配備三菱M70數控系統。該系統具備強大的加工能力，可以實現6軸4聯動，面板配置前置CF卡插口,可以實現DNC 加工。凡是計算機自動編制的加工程序都可以存放在CF卡中進行自動加工。

但激光切割機在切割工件時遇到的一個問題是:在進行曲線圖案切割時，如果曲率很大，例如出現10°-90°的夾角，就容易出現燒損，造成零件報廢。如圖1所示。

圖1 在零件拐角處出現的燒損

加工零件出現燒損，究其原因是在計算機自動編制的切割加工程序中，遇到轉角時，其運行速度會自動降低，甚至會降低到零速以便換向運行。但在降低運行速度時，其切割激光功率不變，這樣就造成了當切割速度過低時激光功率輸出過大，所以造成了零件的燒損。

即使是使用M70數控系統同樣面臨零件燒損的問題。只有解決這一問題，才能使M70數控系統進入實用階段。如何解決零件燒損的問題呢？

1 解決方案

解決加工零件燒損問題的實質是要求激光輸出功率隨切割頭運行速度的變化而改變。切割頭運行速度越快，激光輸出功率越大，切割頭運行速度越慢，激光輸出功率越小。

根據這一要求，經過綜合分析提出了如下解決方案：

1）使用M70數控系統具備的“窗口”功能，隨時讀取切割運行時的運行速度，特別是曲率變化過大部分的運行速度數值。

2）在M70數控系統硬件配置上，配置一模擬量輸出模塊。通過輸出模擬信號控制激光輸出功率。

3）在M70數控系統的PLC程序或加工程序中，建立“實時速度”與“模擬輸出信號”的關系。用“實時速度”控制“模擬輸出信號”，從而實現對“激光功率”的控制。

2 相關技術的實現

2.1 系統硬件配置的要求

為了實現對模擬信號的處理，必須在數控系統的硬件中配置模擬信號模塊。在M70數控系統中，可以配置的模擬信號模塊為DX140。所以在數控系統的基本配置中特別要求配置模擬信號模塊為DX140。

DX140模塊除配備常規的I/O輸入輸出信號外，還配備有4個模擬信號輸入接口和1個模擬信號輸出接口。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為電壓信號，范圍-10V～+10V。

2.2 運行速度數據的讀出

三菱M70CNC中，提供了讀取NC工作狀態數據的功能，即NC工作狀態的各種數據都可以（通過PLC程序）被讀出，這些數據從而可以被PLC程序所使用實現對外部信號的控制。在三菱M70CNC 中這稱為“讀窗口”功能，意即NC系統開設了多個“窗口”，通過這個窗口可讀出NC工作狀態數據。

使用“讀窗口”功能時要進行若干設置：

1）設置一組構成窗口的“文件寄存器”。這組R寄存器是用戶專用區的寄存器R8300-R9799(備份)，R9800—R9899（非備份）。

2）每一窗口由16個寄存器構成。由“起始寄存器”作為識別標志。“起始寄存器”必須是偶數。

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” 存放控制數據（即指定要讀出的數據，如大區號，小區號）。

（2）RA存放控制指令。

RA的bit0表示啟動信號，要執行讀出操作時，必須使RA bit0=1；

（3）“RA+7”的bit0表示讀出狀態。

bit0=1—讀出完成

bit0=0—等待讀出

（4）“RA+8”—“RA+F” 存放讀出的數據。

在本解決方案中，要求讀取的是“運行速度”。注意對于激光切割而言，必須讀出的是“合成速度”或稱為“矢量速度”即進行曲線切割時X軸Y軸合成速度，而不是各軸的單獨速度。其“合成速度”在系統內置的數據區域內的“大區號=33”，而“小區號=1”。據此編制了讀取速度數據的PLC程序如圖3所示。

圖3 讀取運行速度的PLC程序

在圖3所示的梯形圖中，“起始寄存器=R9800”;

R9087=讀出狀態寄存器；

R9808=讀出的“速度值數據”。

經過以上PLC程序處理，獲得了“實時速度”數據，該數據存放在文件寄存器R9808中。

3 等長度能量輸出的參數整定

激光切割機的能量輸出的原則是 ：

在做曲線切割時（同一產品厚度相同）單位長度內輸出的能量恒定。

對材質相同，厚度相同的板材，在標準切割速度下的“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。

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（同一產品厚度相同）單位長度內輸出的能量恒定。

對應于不同的板材，在標準切割速度下的“切割能量”不同。

為了單獨考察切割速度與激光功率的關系，獲得適當的切割工藝參數，制定了下列實驗方案。

1）根據“激光切割機”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）實驗確定150%額定速度下的最佳功率值；

3）實驗確定10%額定速度下的最佳功率值。

計算“速度—功率”線性方程；

W—功率；

K—比例系數；

S—速度值；

B—調整系數。

表1 激光切割實驗方案

通過以上實驗，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PLC程序奠定了基礎。

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不同板厚的零件加工”，使用了宏程序來選擇預先設置的加工參數，這些加工參數用公共變量設置。如表1中的#111～#130。

實現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程序選擇不同材質板厚的加工對象；

2）由宏程序選擇不同的加工參數組；

3）由PLC程序計算“速度—功率”線性方程，計算應該輸出的功率。最后輸出模擬信號數據。

4.1 由PLC程序選擇不同的材質板厚

不同材質，不同板厚下的“速度—功率”線性方程通過實驗求得，這樣可以在公共變量（#100～#200）中預先設置每一組加工對象的K系數，B系數，如表1所示。

在M70數控系統的顯示屏上通過設置#18001參數，選擇不同材質，不同板厚。同時在PLC程序中進行處理，PLC程序將選擇結果通知“宏程序P9100”，如圖5所示。

4.2 由宏程序選擇不同的加工參數組

宏程序P9100用于選擇不同的加工參數組，根據選擇的加工對象不同，而選擇預先設定的加工參數組。宏程序將不同的變量通知給PLC 程序。如圖4所示：

圖4 用于選擇不同加工參數組的宏程序

4.3 由PLC程序計算“速度—功率”線性方程，最后輸出模擬信號數據

在圖 5 所示的PLC程序中，計算出不同速度下應該輸出的“功率”數據，該數據輸入到模擬輸出接口R200，從而實現對激光功率的控制。

4.4 其他注意事項

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

最大能量輸出：為了避免過燒，必須限制最大能量輸出。

圖5 用于計算激光輸出功率的PLC程序

5 結論

通過開發M70數控系統的“工作數據讀取功能”，結合PLC程序的開發，使M70數控系統能夠隨時獲得運行速度數據，從而實現了根據速度變化對激光功率的控制。這一技術對數控系統在激光切割機上的應用具有極大意義。