超高壓水射流發生器的電控設計

姚 紅

（廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

水射流切割技術作為冷態切割技術，因切割過程中無化學變化，無熱變形及熱變質，加工精度高、柔性高等特點正被廣泛地應用于汽車、電子、機械制造、航工航天等各行業。水射流切割需要借助超高壓水射流完成切割，目前，超高壓水射流的產生主要通過超高壓水射流發生器將普通水介質增壓至300 ～ 400 MPa（超高壓），再將高壓水通過一個孔徑很小的噴嘴（約為0.05 ～ 0.25 mm）以高速噴出，從而形成高速、高能、高穿透力的水束，達到切割工件的目的。

水射流技術最早出現在19 世紀中期，在上世紀60年代，隨著高壓柱塞泵的出現，水射流技術得到快速發展，80年代以后，出現了磨料射流、自振射流、空化射流等水射流技術，水射流技術的發展邁向新的階段。

目前工業中常見的水射流技術主要應用在純水射流和磨料射流兩個方面，純水射流的工作介質為純水，運用高速水或高壓水的動能，來切割或加工工件，純水射流主要用于清洗作業；磨料射流是在純水中加入一定數量的磨料顆粒，通過加大磨粒與被加工工件的磨削和沖擊作用，提高切割能力。與純水射流相比，磨料射流因加工成本低，產品質量高、工作效率高得到廣泛的應用，但磨料射流容易產生污染，相比而言，純水射流具有無污染、不腐蝕金屬、成本低、節水節能等優點，因而得到廣泛應用[1]。將超高壓水射流技術應用到數控機床切割加工中，在對工件進行精準加工的同時，對刀具和加工件起到冷卻和潤滑作用，保證了加工件表面質量，防止產生熱變形。

1 超高壓水射流發生器的設計

1.1 數控水射流切割機的結構組成

數控水射流切割機作為水射流切割技術的加工設備，將數控技術、超高壓技術、計算機應用技術等技術集成并實現精密加工。數控水射流機主要由數控機床及控制系統、超高壓系統、切割刀頭系統、計算機輔助設計系統及其他輔助裝置組成。數控機床及控制系統是數控水射流切割機的運動執行機構，其受到控制系統的控制，帶動切割頭根據指定的程序運動，進而對工件進行切割加工；超高壓系統是水射流切割機的核心，其作用是將普通水進行過濾后再加壓到300 ～400 MPa 的壓力，獲得持續穩定的高壓水源；切割刀頭系統由切割頭、高壓水開關、控砂閥等組成，由高壓水開關控制高壓水的開和停，控砂閥控制磨料的供給和切斷，最后將高壓水和磨料混合后形成射流即可對材料進行切割；計算機輔助設計系統的作用是將AUTOCAD 繪制的圖形通過專用軟件轉換成加工程序，通過傳輸電纜將數據傳輸到數控系統，由數控水射流切割機在零件程序的控制下，實現任何圖形的切割加工。

1.2 增壓原理

作為超高壓水射流切割機的關鍵部件——超高壓水射流發生器，主要作用是產生高達幾百兆帕的水射流，需要增壓才能實現。本設計采用目前國外較多使用的往復式增壓實現增壓，其原理[2]如圖1 所示。

圖1 超高壓水射流發生器原理

水射流的增壓是根據液壓原理[3]而來，其過程為：普通自來水經過濾器水泵加壓后，經粗濾、精濾、超精濾共三次過濾后，再經過水泵進行2 次加壓，被送至增壓器左右兩側的高壓缸內等待增壓；當未按下開高壓水按鈕，電液換向閥位于中位時，液壓系統的壓力油經高壓溢流閥流回油箱，增壓器不工作；當按下開高壓水按鈕，電液換向閥左位工作，壓力油進入液壓缸推動活塞向右運動，液壓缸右側的水因受到活塞的壓力而成為壓力水，假設液壓系統油壓為p，液壓缸活塞有效面積為A1，活塞桿面積A2，超高壓水的壓力即為p A1/A2，A1/A2稱為增壓比，由于液壓缸活塞有效面積為A1、A2為固定值，故增壓比固定，只要通過控制油壓就可以控制水壓；當活塞被推至右低壓缸的末端，觸動接近開關動作并發出電信號，驅動電液換向閥對進出油方向進行切換，活塞回程。對于增壓器來說，低壓缸末端安裝的接近開關可以起到觸發換向閥換向的作用，通過接近開關不斷觸發換向閥換向，就可以實現增壓器來回往復運動，從而不斷從高壓腔內產生超高壓水。由于高壓腔內產生的高壓水是由增壓器的交替運動而產生，因此高壓水的壓力也是脈動的，為了消除水壓脈動，需要在增壓器之后，噴嘴之前設置高壓蓄能器，以達到穩定壓力的目的。

1.3 主電路的設計

根據超高壓水射流發生器的工作原理，超高壓水射流發生器需要控制的對象包括：過濾器水泵電機、油泵電機、二次加壓水泵電機、電液換向閥，高壓溢流閥、冷卻風機等。

圖2 主電路電氣原理

根據不同設備對電源的不同要求，按照電源的不同電壓等級，分配相應的電源給設備供電，其中軟啟動器GS1 的電源為220 V 交流電、中間繼電器KA1、換向閥和高壓溢流閥電源為24 V 直流電，水泵電機的電源取自變壓器一次側電源。考慮到電動機直接啟動時對電網及負載的沖擊問題，油泵電機采用軟啟動方式，使用新西蘭公司生產的CSX-C45-V1-C1 軟啟動器來啟動油泵電機。

1.4 PLC 控制電路的設計

數控水射流切割機作為自動控制設備，通常通過自動控制的方式進行工作，數控機床的控制通過CNC 內置PLC，PLC 通過輸入輸出接口與超高壓系統及機床連接，通過采集CNC 內部和超高壓系統以及機床各輸入設備，如按鈕、接觸器、繼電器、傳感器等開關信號狀態，按照預先設定的邏輯順序實現對超高壓系統的故障報警、開關信號、加工就緒等機床設備的控制。

控制電路采用PLC 與文本屏同時控制的方式。PLC 的輸入信號主要包括文本屏輸入信號、壓力傳感器信號、系統工作狀態信號與報警信號、機床側遠程控制信號等，PLC 的輸出信號包括系統的本地控制信號和系統到機床側的聯調控制信號。

根據超高壓系統的控制要求，考慮到設計使用的經濟性方面的因素，決定選用臺達公司的DVP-32EH型PLC。該款PLC 搭載的是具有高速特殊擴展功能的功能卡，可滿足設備對于即時反應的要求。由于文本屏上需要動態顯示超高壓系統的壓力等數據，故選用DVP-F2AD 功能擴展卡，DVP-F2AD 功能擴展卡與PLC 之間的通信通過RS232 接口來進行，壓力傳感器的模擬電流信號轉換成與F2AD 卡匹配的模擬電流信號，經過模數轉換，最后以壓力值的形式輸出為相應的壓力值，其PLC 接線圖如3 所示。

圖3 PLC 接線

超高壓水射流發生器的控制由文本屏控制和遠程控制（機床側控制）兩個部分組成，無論是在文本屏上還是在數控機床側，都可以控制超高壓水射流發生器的工作狀態。超高壓水射流發生器的開機步驟：首先打開過濾器水泵，再開油泵，最后開高壓，關機順序則正好相反，先關高壓，接著關油泵，最后關過濾器水泵，PLC 流程如圖4 所示。

圖4 PLC 流程

當PLC 得電后，高壓計時器開始計時，同時將超高壓水射流發生器的運行計時時間通過文本屏顯示，PLC 寄存器D1118 的設定值則表示壓力采樣周期。運行中一旦PLC 有報警輸出，則紅色報警燈HL2 被點亮。在油泵電機啟動而軟啟動未結束時，綠色指示燈出現閃爍，周期為1 s；當油泵電機軟啟動已經結束，但高壓水沒有打開，綠色指示燈閃爍也會，但周期為2 s；當高壓水開啟，綠色指示燈一直亮，在文本屏上顯示超高壓水射流發生器各部件的工作狀況及故障報警。

1.5 人機界面設計

采用臺達公司的TP04 型文本式人機屏的人機界面（圖5），相對于傳統的按鈕式控制面板，文本式人機屏具有高性價比、功能齊全的優點，為了滿足PLC與文本屏之間的通信要求，本設計采用串口通信速率高達115200bps 的RS232 接口，可滿足PLC 與文本屏的通信要求。

圖5 文本屏功能圖譜

當選型確定，開始設計人機界面，為了體現方便、易于操作等人性化特點，人機界面的主菜單除了設置控制界面、壓力監控界面、設定界面、報警界面、狀態界面等一級菜單，還設置了開關過濾器水泵、開關油泵、開關高壓、顯示時間、顯示壓力值、設定時間、設定壓力值、顯示報警狀態、顯示輸入狀態等二級菜單。比如在壓力監控界面中（圖6），增加了數值顯示、高壓計時、條狀圖等信息，使監控界面的顯示更加直觀。在報警菜單中，設置了3個報警彈出界面，當壓力值不在0 ～ 400 MPa 范圍內時，彈出壓力傳感器斷線報警界面；壓力超出控制范圍時，彈出高壓報警界面；當有信息發出或水壓報警時彈出檢查外部報警界面。

圖6 文本屏壓力監控界面

2 切割實驗

切割實驗選用龍門式水射流切割機，可以提高加工精度，獲得光滑的切割面，防止切割面出現氧化現象。為了檢驗水射流發生器的設計效果，在磨料水射流的工作環境下，利用數控機床和水切割專用CAM系統——NEWCAM 軟件，對工件進行了斜度切割實驗。實驗加工的材料為120 mm 伊120 mm 伊20 mm的鋁板，加工的零件為五角星，具體尺寸如圖7 所示，切割得到的切割樣品如8 所示[4]。

圖7 待加工零件的尺寸

圖8 偏擺角為30°時切出的五角星樣品

通過對切割樣品的觀察，發現切割面光滑，邊緣無飛邊和毛刺現象，加工表面也沒有被氧化，樣品切割表面的質量較高，利用游標卡尺對測量樣品尺寸進行測量。根據要求，五角星的邊長加工尺寸為36.33 mm，齒距尺寸為22.45 mm（圖7），從表1 的數據中可見，實際加工出來的尺寸與要求尺寸之間有一定誤差，邊長最大誤差達到2.45 mm。

表1 樣品的尺寸參數及誤差

經分析，該誤差產生的主要原因是高壓水射流對焦時，加工刀具與工件的上表面沒有落在同一平面上，即起刀點的位置不夠精準，在加工完成后退刀點沒有回到起刀點處，即起刀點和退刀點不能完全重合，加工出來的實際尺寸比理論尺寸小，且誤差隨偏擺角的增大而增大，實際應用中，為了提高水射流切割加工精度，可根據偏擺角度的不同，對尺寸進行修正處理，即將切割零件的長度適當加大，以減小因對刀不夠精準帶來的誤差值。

3 結語

將超高壓水射流技術與數控加工技術相結合，采用往復式增壓器產生超高壓水流，并通過PLC 控制超高壓系統，最后，在磨料水射流的環境下利用數控機床，結合水切割專用CAM 系統對工件進行了斜度切割實驗。實驗結果數據表明，超高壓水射流技術可以提高產品加工的質量和加工精度，加工成本低。本研究設計的超高壓水射流發生器可應用于實際工件切割，值得進一步推廣應用和研究借鑒。