超高壓水切割系統(tǒng)

1、超高壓水切割系統(tǒng)姓名：王鵬玲學號：200917383摘要 通過對這個課題的分析和研究，使我能夠對超高壓水射流切割原理作進一步的學習和了解。超高壓水切割機主要由數控平臺、CNC控制器、超高壓發(fā)生器、水射流切割頭、數控操作系統(tǒng)、計算機及CAD/CAM軟件等組成。課題主要是通過對超高壓水刀數控操作系統(tǒng)的認識及軟件的操作使用，完成一個圖形的加工。在調試加工的過程中，利用CAD/CAM軟件系統(tǒng)，配合數控執(zhí)行機構（CNC），按設定的軌跡運動，在材料的任意起點開始加工和結束，實現切割加工要求。由于水射流的“柔性”特點，切割工件時水射流進出工件沿進給方向存在滯后，其結果是在工件上出現加工下表面的弧紋和錐度。因

2、此，必須通過軟件精確控制水射流的進給速度和加速度，實現軟件補償，從而消除其缺陷。水射流加工是利用具有很高動能的高速水射流束來沖蝕材料，從而實現材料切削，屬于高能束加工范疇，是一種可與激光、等離子體、電子束加工方法媲美的新型切割加工工具。高速水射流是用高壓泵將普通水介質增壓至300-420MPa，然后通過一個大約0.05 -0.25mm的小孔以約1000m/s噴出，從而形成高速、高能、高穿透力水束即高速水射流。Summary Through the analysis on the subject and research, I was able to make to high pressure

3、water jet cutting theory for further study and understand. High pressure water cutting machine mainly by the numerical control platform, CNC controller, high pressure generators, water jet machining head, numerical control operating system, computer and CAD/CAM software etc. Assignment is through to

4、 the high pressure water knife numerical control operating system and software of the understanding of the operation, complete a graphics processing. In the process of debugging process, use CAD/CAM software system, integrate CNC (CNC), set according to trajectory in any materials, the starting poin

5、t and end, realize processing cutting processing requirements. Because water jet "flexible" features the abrasive water jet cutting when in and out into the direction to the existing lag, the result is on the work piece appear under the surface processing of arc lines and taper. Therefore,

6、 must through the software precise control of water jet into to velocity and acceleration, implementing software compensation, and eliminate the defects. Water jet machining utilizes the kinetic energy has the very high speed of water jet to erosion materials, so as to realize the material cutting,

7、belong to high energy beam processing category of laser, plasma, electron beam machining method of cutting tools as new processing. The water jet is with high pressure pumps will ordinary water medium pressurization to 300 420 MPa, and then through the one about 0.05 0.25 mm holes to about 1000 m/s

8、jet, so as to form the high speed, high energy, high penetration of water-that the high-speed water jet.關鍵詞 ： 超高壓 水射流 CAD 數控Key words ：high pressure water jet CAD numerical control目 次1 引言 32 認識超高壓水切割數控機床 42.1 數控機床的運行 42.2 NC代碼和G代碼 42.3 CAD/CAM軟件 53 數控水刀控制分析 53.1 數控水刀的控制系統(tǒng)介紹 53.2 數控水刀數字程序控制流程 64 數控技術

9、在超高壓水射流切割機床中的應用 74.1 信息處理 84.2 信息采集 84.3 信息加工 94.4 信息傳輸 94.5 自動控制 105 水射流切割的加工特點 116 水射流切割實例操作 126.1 操作步驟 126.2 加工過程 12結論15參考文獻161 引言數控超高壓水射流切割機是一種典型的集數控、機、電、液一體化的高科技產品。最簡單的理解就是：水刀就是利用高壓水來進行各種材料的切割，而水源就是生活中普通的自來水。普通的水能有這么大的能耐嗎？在大自然中，水的力量，具體表現為水的侵蝕，所謂滴水穿石。幾千萬年來，水對地球表面的沖刷和侵蝕已屢見不鮮。對水束的有效利用，一百多年前在采石業(yè)已經開

10、始了，后來不斷得以完善、推廣。“水滴石穿”體現了在人們眼中秉性柔弱的水本身潛在的威力，然而，作為一項獨立而完整的加工技術，高壓水射流(WJ)、磨料水射流(AWJ)的產生卻是最近三十年的事，利用高壓水為人們的生產服務始于十九世紀七十年代左右，用來開采金礦，剝落樹皮，直到二戰(zhàn)期間，飛機運行中“雨蝕”使雷達艙破壞這一現象啟發(fā)了人們思維。直到二十世紀五十年代，高壓水射流切割的可能性才源于蘇聯，但第一項切割技術專利卻在美國產生，即1968年由美國密蘇里大學林學教授諾曼·弗蘭茲博士獲得。在最近十多年里，水射流(WJ、AWJ)切割技術和設備有了長足進步，其應用遍及工業(yè)生產和人們生活各個方面。許多大

11、學、公司和工廠競相研究開發(fā)，新思維、新理論、新技術不斷涌現，形成了一種你追我趕的勢頭。目前已有3000多套水射流切割設備在數十個國家?guī)资畟€行業(yè)應用，尤其是在航空航天、艦船、軍工、核能等高、尖、難技術上更顯優(yōu)勢。已可切割500余種材料，其設備年增長率超過20。水射流加工的優(yōu)點是適應性好，轉換快，只需兩分鐘時間就能開始加工另一種不同材料、不同形狀的制品，無需更換加工刀具。可以將幾件較薄的材料疊在一起同時加工，較軟材料的切割厚度可達127mm。非常安全（不會產生爆炸，由于水的不可壓縮性），加工過程清潔，無氣體或油污染。根據制品加工特征，可以方便的在切割速度和加工尺寸誤差之間進行調節(jié)。水射流特種精密加

12、工技術的研究與應用受到世界各國的高度重視。一些國際知名的水射流公司，如Aqua_dyne、Aqua Energy System Co. Ltd.、Flow Corp.、Hydro_dyne、Jet Edge、NLB Corp.、OMAX、WOMA 等，為了搶占中國市場，已在中國大陸、臺灣和香港設立分公司或辦事處。目前僅FLOW 一家就已向全世界45個國家提供近10,000套水射流切割設備，其中向國內銷售100多套。我國的水射流技術研究起步較晚，發(fā)展較快。但整體水平還有差距，這主要和我國整個機械工業(yè)技術水平有關。隨著我國科技發(fā)展和機械行業(yè)水平的提高，目前國產水射流設備在全國銷售已近500套，近年

13、來還出口美國、歐洲和東南亞，顯示出巨大的市場潛力。就目前情況看，我國水射流切割機床目前絕大部分用于石材、民用陶瓷、玻璃等建材的加工。這些行業(yè)仍具有廣闊的市場空間。另一方面，隨著全球制造中心向中國的轉移，用于機械、電子、環(huán)保等產業(yè)的高端水射流特種精密加工技術和設備在我國具有更廣闊的市場。2 認識超高壓水切割數控機床2.1 數控機床的運行普通機床的操作基本上都是操作者的手工操作，而數控機床（即NC機床）的運行完全根據加工指令，機床根據操作者事先輸好的加工程序（即NC代碼）來執(zhí)行相應的操作。決定加工工件質量的因素或者說評價一臺數控機床的因素主要有：機床自身的制造加工的質量，數控系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性及處

14、理信號的能力，所選用電機的性能等。由此可見，數控機床的運行完全根據加工程序，也就是說，操作者輸入什么樣的加工程序（必須是數控機床所能識別的程序），數控機床就會加工出相應的工件來。這就為加工出特別復雜的零件提供了實現方法。2.2 NC代碼和G代碼數控機床能識別的有嚴格語法定義、有固定格式的數控加工程序就是NC代碼。G代碼是普遍使用的NC代碼，水刀正是采用了國際上通用的G代碼，通用的標準G代碼總共有數百條指令，而水刀常用的G代碼有:1) G00 快速點定位格式：G00 X* Y* 注：*為輸入的數值以設定的最快速度從當前點移動到*號所表示的坐標點上。2) G01 直線插補格式：G01 X* Y*

15、3) G02 順圓插補格式：G02 X* Y* I* J* F*X*、Y*是圓弧的終點坐標，I*、J*是圓心相對于圓弧起點的坐標。4) G03 逆圓插補格式：G03 X* Y* I* J* F*X*、Y*是圓弧的終點坐標，I*、J*是圓心相對于圓弧起點的坐標。2.3 CAD/CAM軟件有了NC代碼，機床才可以加工，那么NC代碼如何形成呢？雖然有詳細的語法定義，只要熟練掌握了語法定義就能寫出NC代碼了，但對某些程序寫起來就很困難，特別是一些復雜的、形狀不規(guī)則的情況。為了解決此類問題，在這里便可以引入計算機輔助設計/計算機輔助加工（即CAD/CAM）的概念。CAD/CAM軟件的作用就是方便用戶進行

16、加工圖形的設計、NC代碼的生成等工作。其中CAD軟件主要用來完成圖形的精確設計，然后用CAM軟件根據設計好的圖形進行G代碼的生成。市面上的CAD/CAM軟件種類很多，有些軟件也將CAD/CAM功能融為一體，即既有CAD模塊，又有CAM模塊。有些CAD/CAM軟件還具備和掃描儀相連的接口，即使是復雜的圖形也能輕松地處理，提高了工作效率。比較知名的CAD/CAM軟件有：AutoCAD、CAXA、MasterCAM、UG、Pro-E、AutoSketch、TurboCAD、Type3、ArtCAM等。3 數控水刀控制分析3.1 數控水刀的控制系統(tǒng)介紹數控超高壓水射流切割機是由超高壓發(fā)生器、切割平臺、

17、數控系統(tǒng)及高壓管線四部分組成。四部分通過高壓管線和信號線路形成一個有機整體。數控切割平臺是執(zhí)行機構，帶著切割刀頭執(zhí)行數控系統(tǒng)下達的各項切割指令完成任意復雜平面圖形的切割工作。超高壓發(fā)生器不斷地將普通水源的水變?yōu)楦邏核魉椭燎懈铑^，并通過能量轉換器把超高壓水的壓力能轉換成動能，同時超高壓發(fā)生器的各種控制信號也是由數控系統(tǒng)發(fā)出。高壓管線的作用是將超高壓發(fā)生器產生的高壓水輸送到切割刀頭。數控系統(tǒng)是整個水刀的“大腦” ，負責處理、輸出各項切割指令。數控機床所有的動作執(zhí)行所依據的指令都是由控制系統(tǒng)根據操作者輸入的NC代碼而發(fā)出的。水刀的數控系統(tǒng)主要采用的是基于PC的控制系統(tǒng)，采用性能可靠的工控機?？刂?/p>

18、系統(tǒng)軟件采用全中文界面，全屏幕編輯器，支持超長文件編輯；具有圖形靜態(tài)和動態(tài)仿真功能，并能自動計算切割長度；具有回零點功能，能夠斷電后恢復斷點坐標；具有從任意段開始加工功能；具有軟硬限位自動檢測功能，以及診斷功能；具有聯網功能，支持DXF文件加工；具有拐點延時功能；電機控制方向及繼電器控制順序等可調，便于不同用戶需求；支持直線和園弧插補，具有MDI功能。3.2 數控水刀數字程序控制流程 數字程序控制（Numerical Control縮寫為NC）是用數字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法。如下圖1為數字程序控制的流程圖：圖樣工作臺程序控制器執(zhí)行機構圖1 數字程序控的流程圖根據工件圖樣

19、的尺寸編寫程序（NC代碼），然后將程序輸入數字控制器，控制器會根據程序控制驅動電機，由驅動電機帶動絲桿使刀頭相對于工件做切割運動。執(zhí)行機構也即數控系統(tǒng)的伺服驅動裝置。數控系統(tǒng)發(fā)出的進給位移和速度指令，經過轉換和功率放大后作為伺服驅動裝置的輸入信號，并控制其做某一速度和距離的角位移和直線位移，從而驅動執(zhí)行部件實現給定的速度和位移量?？刂屏鞒倘鐖D2： 步進系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)Y軸CPU步進電機驅動器步進電機 運動控制卡 工作臺步進電機步進電機驅動器X軸CPU伺服電機驅動器伺服電機 運動控制卡 工作臺伺服電機伺服電機驅動器X軸Y軸編碼器編碼器圖2 執(zhí)行機構控制流程圖硬件系統(tǒng)由工控機、運動控制卡、X、Y軸電

20、機及驅動器（步進、伺服）和工作臺構成。在該系統(tǒng)中，通過運動控制卡控制兩臺電機，由電機帶動X軸、Y軸絲桿，從而控制工作臺的運動。4 數控技術在超高壓水射流切割機床中的應用數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品，即所謂的數字化裝備，其技術范圍覆蓋很多領域： 1) 機械制造技術 2) 信息處理技術3) 自動控制技術4) 伺服驅動技術 5) 傳感器技術6) 軟件技術等二維超高壓水射流數控切割機床是20世紀90年代在中國開始發(fā)展的一種高性能切割設備, 原理是利用超高壓水通過計算機的實時自動控制切割任意

21、材料的任意二維圖形。二維超高壓水射流數控切割機床的控制就涉及了數控技術應用的六個方面，以下側重從信息處理和自動控制兩個方面進行介紹。4.1 信息處理信息處理貫穿了數控技術在機床應用中的全部過程。它是數控技術中的主脈，也是數控技術中最關鍵、最精彩的部分。在二維超高壓水射流數控切割機床中信息處理包括采集、加工、傳輸三個部分。二維超高壓水射流數控切割機床的信息處理系統(tǒng)流程如下（圖3）：圖3 二維超高壓水射流數控切割機床的信息處理系統(tǒng)流程圖4.2 信息采集 對圖形信息采集，是CAD/CAM的關鍵技術，數據的采集精度，數據的處理速度直接影響了數控系統(tǒng)的效率。數據的采集精度越高其數據處理速度越慢，數控系統(tǒng)

22、的效率越低。二維超高壓水射流切割機床的加工對象是任何平面材料的任何二維圖形，其采集精度在小數點后四位時，加工精度，控制效率都可達到滿意的效果。在二維超高壓水射流切割機床中信息采集有四部分：圖形信息采集、材料性能及相關加工信息采集、狀態(tài)信息采集、實時位置信息采集。圖1顯示了待加工象素圖形的信息采集，任何的二維圖形可以通過在AUTOCAD中繪制或通過AUTOCAD調入掃描、數碼照像圖片后描繪封閉面并形成DXF文件進行數據采集。其二是涉及材料的物理性能、在水切割加工中的加工速度、切點延時、加工計時等經驗數據錄入和保存。第三部分信息采集是應用在對壓力主機高壓、電壓、電流等采集，對機器工作狀態(tài)實時監(jiān)視。

23、這部分信息采集只要注意在采樣線路安裝過程中，對信號線路進行了良好的屏蔽，并對采樣數據進行了軟件濾波，就達到了預期的數據要求。第四部分的信息采集與自動控制相輔相成，實時信息的采集保證了自動控制的運動軌跡。除圖形信息采集數據外，其余信息采集數據可以采用簡單易用，開發(fā)速度較快的ACCESS數據庫進行管理。4.3 信息加工這里依然是以AUTOCAD 為作業(yè)平臺，要對其進行二次開發(fā)，實現排料、自動識別移刀和進刀、定義加工速度和延時的有效性、自動機床加工代碼輸出的功能。在這當中應注意移刀和進刀點定義的方便靈活性，以便充分發(fā)揮編程員在加工不同材料的加工路徑走法經驗，避免因工件加工完畢蹺起導致與運動中的刀頭碰

24、撞的問題。機床代碼生成模塊設計流程圖如（圖4）：圖4 G代碼生成模塊程序設計流程圖4.4 信息傳輸 信息的傳輸是指將G代碼通過控制模塊傳遞給執(zhí)行元件執(zhí)行，在WINDOWS的系統(tǒng)平臺下，文件的傳輸簡單并且高效，因此采用文件交換和網絡傳輸。在二維超高壓水射流數控切割機床自動控制系統(tǒng)中，是以工控系統(tǒng)為中心，讀取并處理運動G代碼，對機床各動作部件進行統(tǒng)一控制，對運動過程的各項參數進行實時采集，以便對機床進行有效的安全控制。原理圖如圖5：圖5 工控系統(tǒng)原理圖4.5 自動控制技術本控制系統(tǒng)的核心主要在X,Y軸的電機插補控制，首先我們對G代碼數據進行實時處理，以串行的方式傳給插補函數，并同時向運動控制器發(fā)出

25、插補命令，運動控制器按G代碼行號順序地進行插補，并向伺服（步進）驅動器發(fā)出脈沖信號，達到控制X、Y平臺聯動的目的?？刂圃砣鐖D6：圖6 運動控制器控制原理圖在控制過程中，可采用脈沖加方向的信號控制方式，運動模式為位置模式。其速度曲線（梯形包絡線）如圖7：圖7 速度曲線（梯形包絡線） 在上圖中，它的加減速值相等。該梯形的面積就是電機轉動的距離。由于伺服（步進）電機所帶負載有一定的機械慣性質量，速度不可能立刻達到設定值，所以應有加減速階段。實際上只要向插補函數發(fā)出距離、速度和加速度，運動控制器就能自動完成梯形包絡線運動，并向驅動器發(fā)出脈沖信號。編程示例如下：absacc (0,10000);/*設

26、置0軸加速度*/ absvel (0,10000);/*設置0軸速度*/ absacc (1,10000);/*設置1軸加速度*/ absvel (1,10000);/*設置1軸速度*/ absacc (2,10000);/*設置2軸加速度*/ absvel (2,10000);/*設置2軸速度*/ LineInterpolation (3, AxisNO, NowPos, PerPos, IpolSpeed); /*對直線進行插補*/在對X，Y平臺驅動可以采用步進控制或伺服控制，以步進電機為運動主體的開環(huán)系統(tǒng)在加速時間長時將出現了低速共振，加速過程掉步嚴重的現象，如果加速時間過短，電機起動力

27、矩就不夠，造成控制系統(tǒng)誤差過大，影響了加工精度。采用數字伺服系統(tǒng)的配套，也會存在輕微掉步現象，但機床得到了良好的加速度性能，脈沖損失率降低,實際控制精度效果令人滿意。在二維控制機床中大多采用伺服控制系統(tǒng)。5 水射流切割的加工特點水射流具有介質成本低,、清潔、環(huán)境好, 而且對被加工材料無熱損傷(被切割材料溫度小于100ºC)等優(yōu)點，在許多材料的切割加工、表面處理中，水射流具有其獨特的優(yōu)越性。另一方面，水射流切割無(機械)接觸，適應性好、切割表面精度高、切縫窄、材料損耗少、清潔無污染，配合數控執(zhí)行機構可精確切割加工任意復雜形狀工件。高速水射流尤其適用于高硬度、高脆性難加工材料、復合材料、

28、鋼筋混凝土、陶瓷、石材等的切割加工。高速水射流切割加工具有如下特點：多功能和高效能：可完成任意材質從紙板到鋼板、花崗石、陶瓷、混凝土等的切割；同時，配合軟件可以實現數控銑功能和藝術雕刻。高度自動化、柔性化：配合數控系統(tǒng)，可進行任意復雜形狀的異形加工，且切口平整、加工精度高、無需二次加工。唯一冷切割加工工具：水射流切割時，工件溫度在100ºC以內，絕無熱應力或熱變形產生，特別適用于熱敏感材料、特殊合金材料和復合材料的切割加工。綠色環(huán)保、安全：水射流切割時不會產生粉塵和有毒氣體、無二次污染，可提供一個安全、清潔的工作環(huán)境。操作簡單、方便：利用CAD/CAM系統(tǒng)，配合數控執(zhí)行機構（CNC）

29、可容易實現數控精確切割加工。用戶可在計算機上直接繪圖、輸入或掃描所需工件，標明工件材料種類、厚度、所需切邊品質等，即可開始加工，形成最終產品。這是一種真正意義上的柔性制造系統(tǒng)。投資成本低、效率高、效益好：同其它數控機床相比，數控水射流切割機床具有一機多用，投資成本低、生產效率高、經濟效益好等特點。6 水射流切割實例操作6.1 操作步驟1) 利用CAD/CAM軟件畫出需要加工的圖形（包括進刀、退刀線）后，連接成多段線，并添加刀補，最后保存為DXF文件；2) 把畫好的圖形拷貝到水刀的數控系統(tǒng)中，并轉換代碼；3) 在仿真菜單中，將輸入要加工的程序文件名進行“仿真”，觀察圖形是否正確，仿真完用“加工范

30、圍”看該NC代碼的兩個軸的最大值和最小值是否正確，一般最小值一定大于0，最后回到主菜單；4) 將工件安裝好，移動機床兩個軸到左下角零點處，進入“手動”功能中“對刀設置”菜單中將坐標清零，回到主菜單；5) 進入參數設置，根據材料與加工精度的不同選取加工速度和開關延時；6) 進入自動功能菜單，選擇“從頭加工”，直接進行加工；6.2 加工過程下面就以切割自行車為例簡要說一下加工的全過程。首先：打開AUTOCAD，畫一輛自行車，接著把所畫的圖進行修改，從而使它可以直接加工，具體操作如下：1) 把自行車上所有的封閉曲線打斷，用一條線勾勒出自行車的外型。2) 給圖形加上進刀線和退刀線。3) 把整個圖形連接

31、成一條多段線，包括進刀線和退刀線。4) 按照加工所用砂管內徑的大小給圖形做刀補。5) 移動整個圖形，使它最左端和最下端的邊界交點和原點重合。（原點坐標：0，0）6) 保存所畫的圖形為DXF格式。（要在“Select Object”項前打“”選中并確定，單擊保存。）如圖8： 圖8 保存圖形時選中Select Object 下面就可以把我們要加工的自行車圖形拷貝到水刀的控制電腦里。例如：在DOS下輸入命令：copy X:bike.dxf d:waternc（X為文件所在盤符）接著就可以進入水切割系統(tǒng)軟件，在操作界面里選擇“仿真”“轉換代碼”，先把DXF文件轉換成NC文件，接著選擇“從頭仿真”，把需要加工的文件調出來。在水刀前期準備工作都做好后就可以點“自動加工”進行加工了，短短幾分鐘時間，一個完整的自行車就切割出來了。如圖9即是用超高壓水刀切出的模型:圖9自行車切割出的模型 結 論隨著對水射流技術不斷研發(fā)、提升、應用，其發(fā)展和使用前景將無可限量。水切割應用于造紙業(yè)、橡膠業(yè)，而加砂水刀則可應用于石材業(yè)、陶瓷業(yè)、航空航天業(yè)、汽車制造業(yè)、金屬加工業(yè)。尤其值得一提的汽車制造業(yè)，隨著近幾年中