新型火焰切割机实验平台电气控制设计①

韩庆林， 姜永成， 张成龙， 孙忠伟， 谢风伟， 温佩松

(佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯154007)

0 引言

随着机械制造业的不断发展，如何提高火焰切割机的加工性能成为研究热点［1，2］.桂林航天工业高等专科学校的邹爱成设计了一种基于单片机的PWM直流电机控制硬件电路［3］，北京焊切工具厂的曹克强对半自动火焰切割机电控部分进行了改进，天津大学的叶振忠采用三极管、比较器、电阻、电容等器件实现了对等离子切割机的控制［4］.本文设计了一套火焰切割机实验平台电气控制系统，实现了火焰切割机的稳定控制，提高了火焰切割机系统加工性能.

1 实验平台电气控制的总体架构

火焰切割机硬件部分包含两台步进电机，大电机用来驱动平移工作台在Y轴方向运动，固定在切割机控制箱上;小电机固定到平移工作台上，负责切割机喷嘴在X轴方向上的实时运动.电气控制设计中主要使步进电机正常运转并且速度可调，基于步进电机的自身工作原理与规格参数，在驱动器得电下接受单片机发送的脉冲，驱动步进电机正转、停止、反转，实现通过控制步进电机的启动与停止的方式，间接控制平移工作台在X轴、Y轴的实时运动，以达到加工工件的目的.系统平台电气控制电路图如图1所示.

图1 系统平台电气控制电路图

如图1所示，空气开关起到保护主电路的作用，电源开关接通后电路开始供电，经过稳压源，220V交流电变为24V直流电，电路串联了步进电机驱动器的上电开关与停电开关，连接到步进电机驱动器上;驱动器设有四个接口，用来与单片机通讯，两相端口分别与各自所控制的步进电机相连.当电源开关接通，上电开关按下，驱动器得电，步进电机具有使能，上位机发送指令后，单片机接受指令发送脉冲给步进电机驱动器，电机启动.其速度、方向由上位机程序调节.

控制箱外面操作面板共有两个按钮，电源开关与指示灯按钮采用左右对称布置，左边是停止按钮，右边是启动按钮;指示灯安置在电源开关的左边，按下开关时可及时观察到电源是否接通.系统电气布置图如图2所示.

图2 系统电气布置图

2 实验平台的搭建与调试

2.1 实验平台的搭建

研制的系统平台样机如图3所示.在安装时，控制平移工作台在Y轴方向运动时采用一个机械传动结构，中同步轮固定在步进电机上，大同步轮固定在光杠中间位置，二者通过同步带相连接，形成传动链.光杠两端分别固定一个小同步轮，与控制柜另一端支架上的小同步轮通过长条的同步带相连接，同步带的某一位置与平移工作台支架紧固在一起.当步进电机收到驱动脉冲后，传动链开始传动，光杠带动同步轮转动，使与之连接的同步带传动，进而带动平移工作台沿着导轨在Y轴方向移动，最终实现对Y轴的运动控制.固定同步轮采用顶丝顶紧，导轨、滑块、平移工作台都进行了水平或垂直校准，并对其硬件部分进行了合理的优化调试.

图3 系统机械平台样机

2.2 实验平台调试

火焰切割机电气控制接线部分包括上位机与单片机.上位机和单片机之间通过USB转串口线连接，单片机与步进电机驱动器的公共端、脉冲、方向三个端口连接，控制箱内部线路与操作按钮连接，电源与220V交流电连接，如图4所示.

调试步骤如下:

第一步，接通电源，打开电源开关;

图4 系统平台调试

第二步，按下上电按钮，步进电气驱动器得电，使电机使能;

第三步，接通单片机电源，按下复位键，等待上位机发出指令;

第四步，在 PC机上打开上位机软件，找到COM口，在程序界面选择“轴1”，或者“轴2”，将平移工作台调整到合适的位置;

第五步，在程序界面选择“载入外部文件”，找到之前编写测试用的一段G代码程序，点击“执行”，火焰切割机开始加工试验.系统测试加工过程图如图5所示.

图5 系统测试加工过程图

图6 试验加工最后的图形轨迹

程序按行依次执行载入的G代码，直到执行完最后一行代码，电机停止转动，平移工作台停止运动.

第六步，按下停止按钮，步进电机驱动器停止供电;

第七步，关闭电源开关，停止供电;

最后，关闭单片机，关闭上位机程序，加工试验完毕.

在火焰切割机调试过程中，遇到了许多需注意的问题，在解决问题中也完善了设计上的不足之处.加工试验结果表明，火焰切割机电气控制设计方案具有可行性.试验加工最后的图形轨迹如图6所示.

3 结论

(1)设计的火焰切割机实验平台电气控制系统可以灵活控制各个轴的运动.

(2)研制的火焰切割机实验平台电气控制系统运行稳定.

［1］任意，石小英，曾胜.全自动型材切割机设计与实现［J］.电机与控制应用，2009，36(9):31 －33.

［2］石从继，赵燕，吴斌方.一种新型可调式切割机的研究设计［J］.机电技术，2011(1):64 －66.

［3］邹爱成，杨华，魏真.数控火焰切割机自动调高器中直流电机控制系统设计［J］.装备制造技术，2009，(7)60 －61.

［4］叶振忠，孙梅，孙立星.一种简单的等离子切割机逻辑控制电路［J］.电焊机，2005，35(1)11 －12.