基于嵌入式的中厚板等离子切割机控制系统设计

摘要：传统人工等离子切割机在切割中厚板时，由于存在自动化程度低、稳定性差、切割精度低等问题，严重制约了其领域拓展。本文基于嵌入式平台，开发了智能化等离子离子切割系统，其斜边倾角、切面平整度、切割速度、挂渣量等参数得以改善，提升了中厚板切割工艺水平，具有重要的工程意义。

关键词：嵌入式;中厚板;等离子切割系统

中图分类号：TP23                                        文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）09-0073-02

0  引言

我国作为钢铁生产大国，占全球钢铁总产量比重超过了70%。钢铁中板材广泛应用于建筑、机械装备、石油化工、电力能源、交通运输等领域。板材的切割工艺对后续的材料加工有着深远影响，也是提升加工品质，提高市场竞争力，降低生产成品的关键因素[1]。与轻薄板材相比，中厚板是指厚度为10-35mm的板材，其切割强度大、难度大且切割质量不易控制。在中厚板切割领域，等离子切割工艺是混合气体或压缩气体作为等离子气和保护气，与火焰切割、激光切割相比，成本较低、切割速度较快，具有一定的优势。然而国内的等离子切割技术与西方发达国家相比，自动化程度低，稳定性差，切割精度低。为提升国内等离子切割技术，提出了基于嵌入式平台的智能化等离子离子切割系统。

1  系统设计

智能化等离子离子切割系统在Linux操作系统下运行，该系统的结构框图如图1所示，核心MCU采用了基于ARM CortexM4内核的STM32F407ZGT6高端嵌入式芯片，支持的外设端口非常丰富，片内资源丰富，即拥有最高168MHz的主频，1024K的FLASH，192K的SRAM，3个ADC24通道，2个CAN总线，6个串行通信口。综合参考该芯片手册与设计资料，使用Altium Designer6.9软件设计了智能化等离子离子切割工艺MCU最小系统。

2  切割工艺的主要影响因素

等离子切割系统优化了影响切割工艺的关键参数，主要包括气体流量、切割电压、切割电流、切割速度等方面[2-4]。

2.1 气体流量

等离子切割工艺选用的切割气体是根据所切割的工件材料、切割厚度、切口质量等方面而定。氢气的导热性能优异，分子质量较轻，如果通过气流量过大，将会带走大量热量，切割平面将会粗糙不平;相反，如果通过的气流量过小，等离子电弧性能降低，将会产生大量挂渣。综上所述，气体流量与切割速度应匹配一定的函数关系，从而既获得较高的切割质量，又降低气源成本，可通过调控气体压力来控制气体流量。

2.2 切割电压

对于厚度适中的板材，电压一定程度上影响了电弧的切割能力。通常电弧电压越高，等离子弧可以获得较高切割稳定性。

2.3 切割电流

切割电流可谓是等离子切割工艺至关重要的影响因素。切割电流越大，电弧能量和切割功率密度增大，此时，可增大切割速度，提高切割效率，但是伴随着等离子束口径变大，切缝也会变宽，喷嘴的工作强度也变大，已发生损伤，影响切割质量。

2.4 切割速度

最佳的切割速度是等离子切割工艺追求的平衡点，需要根据所切割材料材质、材料厚度等因素，经实验分析来设定。切割速度过快时，切缝板材单位时间单位面积上的能量不足，导致未切透或切割面粗糙且出现较多挂渣;相反，当切割速度过慢时，切缝板材单位时间单位面积上的能量过高，切缝宽度变大且出现大面积熔堆。因此适度调高切割速度，既可提高切口质量，获得平整切面，又可提高加工效率[5-6]。

3  软件操控设计

良好的人机交互环境有助于一线操作者的使用和生产管理，为此本文采用Qt 5.0软件设计了UI图形界面如图2所示。左侧的菜单包括账号登录、系统设置、数据库、返回桌面、查找帮助、偏好设置、报警信息和开关机等项目。

3.1 账号登录

在该项目里设置了权限等级不同的登录账号，分为Administrator（管理员）和User（使用者）两项。只有Administrator拥有最高的访问权限，可以增加或删除User账户，可以进行系统参数设置，保障了设备在运动过程中绝对安全，以免对人员或周围环境造成损伤。User账户要求操作者按照加工规范对中厚板进行切割，基本上经过短暂培训即可熟练使用本软件。登录界面如图3所示。

3.2 系统设置

在该项目里，可对不同材质、不同板厚的钢板进行参数设置。设置的主要参数有切割电流、切割电压、气体流量、切割速度、喷嘴高度调节和喷嘴尺寸型号。开始自动模式后，可实现一键对同一类型板材连续切割操作。手动模式适用于对某一类板材的试切，操作者试切某板材时，倘若上述参数出现异常状态，系统的报警功能会及时响应，并记录下异常状态发生时间、位置等信息，以便于进行异常分析和工艺改进。

3.3 数据库

方便客户随时查看或分析采集现场生产数据，智能中厚板等离子切割系统使用SQLServer 2008数据库进行数据管理，该软件使用数据表的形式进行数据存储，并且拥有多种安全模式环境应以保证客户信息和生产数据的安全性，凭借强大的事务处理能力在国内中小型企业应用非常广泛。在数据库中，根据所管理的数据不同，将分别采用不同的的数据信息格式。

账户登录信息表如表1所示。

设备参数信息如表2所示。

采集信息表记录了等离子切割机工艺流程中的关键参数信息，如表3所示。

4  结语

传统等离子切割机由于目前工艺上的缺陷，在切割中厚板时下料比不高。本文设计了基于嵌入式的中厚板等离子切割机控制系统，该系统自动化程度高，有效改善了切割参数，对于降低一线工人的劳动强度，提高生产效率有着重要意义。

参考文献：

[1]李孟.中厚板机器人数字化等离子切割机系统及工艺研究研究[D].广州：华南理工大学测试计量技术及仪器学科硕士学位论文，2016：1-25.

[2]傅中明.等离子切割机在中厚板切割中的应用研究[J].焊接与切割，2012，22：19-22.

[3]张洪海，朱华，王波.小型数控等离子切割机控制系统优化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2011，10：78-83.

[4]刘夏丽，黄智琦，邓耀华.智能视觉数控切割系统[J].自动化与信息工程，2020，41（4）：30-33.

[5]朱宝林.等离子去板坯熔渣机器人本体设计与研究[D].马鞍山：安徽工业大学机械工程学科硕士学位论文，2018：28-40.

[6]郑洛斌.大功率等离子切割机关键技术研究与設计[D].杭州：浙江工业大学控制科学与工程学科硕士学位论文，2017：37-47.

课题项目：本文系河北省邢台市科技局重点研发计划自筹项目“基于空气等离子弧切割技术的中厚板切割工艺的关键技术研究”的研究成果（课题编号：2020ZC064）。

作者简介：崔向群（1963-），女，河北秦皇岛人，邢台职业技术学院副教授，硕士研究生，研究方向为数控加工、数控工艺。