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激光切割机简易自动控制系统

Writer: admin Time:2022-07-19 Browse:99

  恩佐3娱乐激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术,也是激光加工中应用最 早、使用最多的加工方法。它占整个激光加工业的 70%以上。激光切割与其他 切割方法相比,最大区别是它具有高速、高精度和高适应性的特点。同时还具有 割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切缝边缘垂直度好、切边 光滑、切割过程容易实现自动化控制等优点。可切割碳钢、不锈钢、合金钢、木 材、塑料、橡胶、布、石英、陶瓷、玻璃、复合材料等。激光切割板材时,不需 要模具,可以替代一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方法,能大大缩短生产 周期和降低成本。因此,目前激光切割已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航 空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。

  近年来,激光切割技术发展很快,国际上每年都以 15%—20%的速度增长。 我国自 1985 年以来,更以每年 25%以上的速度增长。当然,由于我国激光工业 基础较差,激光加工技术的应用尚不普遍,激光加工整体水平与先进国家相比仍 有较大差距。相信随着激光加工技术的不断进步,这些障碍和不足会逐步得到解 决,激光切割技术必将成为 20 世纪不可缺少的主流的钣金加工手段。以日本为 例,目前拥有 CO2 激光加工机的数量约占全球激光加工机总量的 1/3,其中 80% 为激光切割设备。而我国至今却只有几百套激光切割机在使用中。因此,在我国, 激光切割技术的推广和应用潜力很大。随着我国国民经济的飞速发展,许多传统 产业需要改造,许多钣金加工领域有待开发,许多工业城市也需要建立激光加工 中心。

  CO2 激光切割机技术正在我国工业生产中得到越来越多的应用,国外正研究 开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置。为了满足工业生产对质量和生 产效率越来越高的要求,必须重视解决各种关键技术及执行质量标准,以使这一 新技术在我国获得更广泛的应用。激光切割技术 激光切割技术广泛应用于金属 和非金属材料的加工中,可大大减少加工时间,降低加工成本,提高工件质量。 激光切割技术有两种: 一种是脉冲激光适用于金属材料。第二种是连续激光适

  用于非金属材料,后者是激光切割技术的重要应用领域。现代的激光成了人们所 幻想追求的“削铁如泥”的“宝剑”。

  自从第一台红宝石激光器于 1960 年问世以来,激光技术已被广泛应用到各 行各业,走进了干家万户,渗入我们的日常生活。诸如激光打印、CD 唱盘与光 盘、VCD 与 DVD 视盘、光纤通信、激光测距、激光扫描条码。在工业上,激光被 用于四大加工领域:切割、焊接、标记与热处理。和半导体工业一样,中国的工 业激光起步并不比西方国家晚。但由于基础工业的薄弱和投资力度的不足,使商 品化的激光切割机研究远远落后于发达国家。目前最大的制造厂家是上海雷鸥激 光设备厂(上海嘉定),每年可生产 30 台 2—5kw 的横流式 CO2 激光器,供焊接与 表面热处理使用,也可少量生产 1.0~1.5kw 轴流式 CO2 激光器供切割用,南京东 方激光公司引进德国技术,每年可生产 10 台 1.5、2.0kW 封闭式轴流式 CO2 激光 器。此外,长春光机所和上海光机所也生产少量工业激光器。

  我国北京机床研究所、核工业部济南铸造锻压机械研究所、北京机电研究院 近年也相继推出了国产的数控激光切割机。沈阳机床股份有限公司引进意大利普 瑞玛公司数控激光切割机制造技术合资生产,推出了自己的激光器。

  目前我国拥有的整台套的激光切割加工系统不足千台,而且分布在全国近 200 家的激光加工部门中,其中 90%为 CO2 激光器。

  国产数控激光切割机的主要持点是,价格较低,约是进口价格的三分之一; 激光器功率较低,一般为 1.5kw 以下。与国外机相比表现为切缝宽,表面质量、 机械精度、整机的稳定性、柔性较差。但由于价格方面的优势,在国内市场上也 逐渐打开了销路。近几年,我国的汽车、纺织机械、等制造业中一些实力较雄厚 的企业引进了不少激光切割机,以满足小批量、多品种金屑薄板的加工需要,但 由于进口机价格昂贵,大多数企业都只能望“机”兴叹。因此,继续深入开发和 发展国产化的较高质量的数控激光切割机,以较低的价格推向市场,是一项很重 要的工作。

  激光切割的工作原理如图 1.1 所示。它是利用从激光发生器发射出的激光 束,经外光路系统,聚焦成具有高功率密度的激光束照射工件,激光能量被工件 材料吸收。工件温度急剧上升。到达沸点后,材料开始汽化并形成孔洞。随着光 束与工件相对位置的移动,最终使材料形成割缝。切割时的工艺参数(切割速度、 激光器功率、气体压力等)及运动轨迹均由数控系统控制。割缝处的熔渣被一定 压力的辅助气体吹除。

  自动控制系统通常由控制器、执行机构和信息反馈装置三部分组成。反馈装 置的任务是监视和测量执行机构和工作对象的状态变化和执行结果,把这些信息 反馈给控制器。控制器则根据任务的定义和当前执行情况决定以后应该采取的措 施,以机械的、光电的或其他的物理方式向执行机构发出指令,以便后者准确地 加以执行。执行机构可能是某种工作母机,如机床、化学反应器、作战武器的发 射器等。 本文所需要介绍的是激光切割机调节离焦量的简易自动控制系统, 总体系统方框图如图 2.1 所示:

  特点是可控。在有控制信号时,伺服电机就转动,且转速大小正比于控制电压的 大小。去掉控制电压后,伺服电机就立即停止转动。伺服电机的应用甚广,几乎 所有的自动控制系统都需要用到。在家电产品中,例如录相机、激光唱机等都是 不可缺少的重要组成部分。

  图 2.2 示出了伺服电机的最简单的应用。电位器 RV1 由伺服电机带动。电 机可选用电流不超过 700mA,电压为 12~24V 的任一种伺服电机。图中 RV1 和 RV2 是接成惠斯登(Wheatstone)电桥。集成电路 LM378 是双路 4 瓦功率放大器,也以 桥接方式构成电机驱动差分放大器。当 RV2 的任意变化,都将破坏电桥的平衡, 使 RV1—RV2 之间产生一差分电压,并且加以放大后送至电机。电机将转动,拖 动电位器 RV1 到新的位置,使电桥重新达到新的平衡。所以说,RV1 是跟踪了 RV2 的运动。

  电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属 导体距探头表面的距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准 确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。 在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析,振动研究、分析测量中,对非接 触的高精度振动、位移信号,能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如 轴的径向振动、振幅以及轴向位置。从转子动力学、轴承学的理论上分析,大型 旋转机械的运动状态,主要取决于其核心—转轴,而电涡流传感器,能直接非接 触测量转轴的状态,对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩 擦等机械问题的早期判定,可提供关键的信息。电涡流传感器以其长期工作可靠 性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污 等介质的影响、结构简单等优点,在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中 得到广泛应用

  涡流传感器分为低频透设式和高频反射式两种。当传感器线KHZ 以下时,电涡流趋肤效应大大减弱,穿透能力加强,可检测金属板的厚度。 而此次设计采用的是高频反射式电涡流传感器。

  高频反射式电涡流传感器结构简单,主要由安置于骨架上的扁平圆形线 所示。传感线圈由高频电流 I 激磁,产生高频交变磁场i ,此i 在被

  测平面上产生电涡流 ie 。根据电磁感应定律,电涡流 ie 对i 起去磁作用,以阻止i

  的变化。图中e 表示由电涡流 ie 产生的磁场,因而e 与i 反向。显然传感线圈与 被测物体之间的距离 H 越小,电涡流效应越强,从而把非电量 转换为电量,以 实现位移量的测量。

  电涡流传感器的等效电路如图 3.2 所示,它类似于次级短路的空心变压器。 图中 R1 和 L1 为传感线圈的电阻和自感,M 为传感线圈与被测体间磁耦合等效互 感。

  是一个四变量函数,实际上当被测体材料及激磁频率一定时,阻抗 Z 将是 的单值函数,因而高频反射式电涡流传感器可以实现位移量的测量。

  电桥法是将传感器线圈的阻抗变化转化为电压或电流的变化。为了提高传感 器的灵敏度,我们可以选差动电桥法,图 3.3 是带相敏整流电桥的原理图,图中 线圈 A 和 B 为传感器线圈。传感器线圈的阻抗作为电桥的桥臂,起始状态,使 电桥平衡。在进行测量时,由于传感器线圈的阻抗发生变化,使电桥失去平衡, 将电桥不平衡造成的输出信号进行相敏整流,就可以得到与被测量成正比的输 出。电桥法主要用于两个电涡流线圈组成的差动式传感器。

  在非电测量中,由于传感器输出的变化量测量值太小,难以直接用,故进行 放大后再进行测量。为了保证测量精度的要求,传感器输出信号要求放大器具有 如下特点:

  1) 足够的放大倍数和相应速度; 2) 输入阻抗高,输出阻抗低; 3) 高共模抑制能力; 4) 低温漂,低噪声,低失调电压和电流。

  如图 3.4 所示的三运放放大电路结构,这种结构可以较好地满足上面三条要 求。由运放虚短虚断分析此电路,可以得到公式:

  5G1403 稳定电压比较提供电路可以为 MC14433A/D 转换器提供稳定的比较 电压的电路,提高系统电路的稳定性,如图 3.5 所示:

  A/D 转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备,它是模拟系统 与数字系统或计算机之间的接口。A/D 转换的实现方法有很多种,常用的有:积 分式、逐次比较式、并行比较式、二进制胁迫式(又称为计数式)、量化反馈式 等。在该电路中使用的是 3-1/2 位双积分式 A/D 转化器 MC14433。以下是 MC14433 特性。

  特点:MC14433 采用双积分原理完成 A/D 转换,全部转换电路用 CMOS 大 规模集成电路技术设计,具有功耗低、精度高、功能完整等优点。

  转换精度:读数的±0.05%±1 字 电压量程:1.999V 和 199.9mV 两档。量程的扩展通过外加控制电路实现。 转换速率:4~10Hz,相应时钟频率变化范围为 50~150kHz。 输入阻抗:大于 100MΩ。 工作电压范围:±4.5~±8V 或 9~16V. 典型功耗:当电压为±5V 时,功耗为 8mW. 外型封装:24 引脚双列直插式。 片内具有自动极性转换和自动调零功能。有过量程和欠量程标志信号输出, 配上控制电路可以完成自动量程切换。片内提供时钟脉冲发生电路,使用时只需 外接一电阻,也可以使用外部输入时钟。时钟频率范围为 50~150kHz。外接单一 正电压基准,基准电压值和量程有关。当量称为 1.999V 时,基准电压为 2V;当 量程为 199.9mV 时,基准电压为 200mV。转换结果输出形式为经过多路条值得 BCD 码,并有多路调制选通脉冲输出,通过外接译码电路可实现 LED 动态扫描 显示或 LCD 显示。图 4.1 为 MC14433 的整体电路结构框图。

  MC14433 芯片采用 24 引脚双列直插式外型封装,如图 4.2 所示。

  1 端:VAG 模拟地,为高阻抗输入端,作为输入被测电压Vx 和基准电压Vn 的 地。

  2 端:Vn ,基准电压,为外接基准电压输入端,若此端加一个大于 5 个时钟

  周期的负脉冲(VEE 电平);则系统复位到转换周期的起点。 3 端:Vx ,输入被测电压,为被测电压输入端。 4 端: R1,外接积分电阻端。 5 端:R1/C1,外接积分元件端。 6 端: C1 ,外接积分元件端,积分波形输出端。 7 端: C01 ,外接失调补偿电容端。 8 端: C02 ,外接失调补偿电容端。 9 端:DU,实时输出控制端,主要控制转换结果的输出, 若在双积分放电周期(即阶段 5)开始前 DU 端输入一正脉冲,则该转换周

  期所得到的转换结果将被送入输出锁存器经多路开关输出,否则输出端就继续输 出锁存器原来的转换结果。在使用中,若该端和 14 端(EOC)输出连接,则每 一转换周期的结果都将被输出。

  10、11 端:CLKI、CLKO,时钟信号输入、输出端。 12 端:VEE ,负电源端。VEE 是整个电路的电源负端,主要作为内部模拟部 分的电源,所有输出驱动电路的电流不流过该端,而是流向VSS 端。 13 端:VSS ,数字地。 14 端:EOC,转换周期结束标志输出。每个 A/D 转换周期结束时,EOC 端输 出一正脉冲,宽度为时钟信号周期的 1/2。 15 端:OR,溢出标志输出。当 Vx Vn 时,OR 时输出低电平,平时 OR 位高电 平。 16、17、18、19 端:DS4、DS3 、DS2 、DS1,多路调制选通脉冲信号输出的 个位、十位、百位、千位。 20、21、22、23 端:Q0 、Q1 、Q2 、Q3,A/D 转换结果输出信号(BCD 码), Q0 为 MSB 位。24 端:VDD ,正电源端。

  MC14433 转换的结果采用 BCD 码动态扫描输出,它的千位,百位,十位,

  个位 4 个数位分别与 DS4,DS3,DS2,DS1 输出高电平是相对应。输出数据除了 在选通信号 DS4,DS3,DS2 对应位上,Q0,Q1,Q2,Q3 输出 BCD 码之外,还 在选通信号 DS1 对应位上输出了‘’千‘’位数和别的信号(欠,过量程标志, 正,负极性标志等)。例如:DS1 为“1”时,Q0,Q1,Q2,Q3 各位代码作用见 线 位,输出低电压对应“1”,输出高电平对应“0”; Q2 表示极性,输出“1”表示正极性,输出“0”表示负极性;Q0 指量程是否合适, 若输出为“0”,表示量程合适,若输出为“1”,则说明Vx 超出量程范围,当与 Q3 一起使用时,就可以表示过量程或者欠量程。过量程时 Q3 为“0”:欠量程 时 Q3 与 Q0 均为“1”。

  应显示的数据 Q3(反码)Q2(极性) Q1 Q0 进制数 位的实际显示值

  二---十进制译码器(BCD 码),用 4 位二进制 0000—1001 分别代表十进制 数 0-9,称为二-十进制数,又称为 BCD 码。常用的 BCD 码---7 段译码显示译 码器 CD4511 引脚如下图 5.1 所示。

  A1、A2、A3、A4(1、2、6、7)脚:BCD 码输入端 a、b、c、d、e、f、g(13、12、11、10、9、15、14)脚:为译码输出,输 出“1”有效,用来驱动共阴极 LED 数码管。 BI(4)脚: BI 为消隐功能端: BI =1,正常显示: BI =0 时译码输出全为 “0”,字型消隐。 LT(3)脚: LT 为灯测试端, LT =1,正常显示; LT =0 时,译码输出全为 “1”,这时数码管全段点亮,显示器显示 8,可以检测数码显示器的好坏。 LE(5)脚:LE 为锁存端,LE=0 不锁存,译码器输出随输入 BCD 码变化; 当 LE 由 0 变 1 时,将输入的 BCD 码锁存;

  本系统使用的是共阴数码管 TOS-5101BH,共有四个,分别显示距离的十位

  个位十分位百分位。七段数码管在工业控制中有着很广泛的应用,例如用来显示 温度,数量,重量,日期,时间,还可以用来显示比赛的比分,具有醒目,直观 的优点。

  根据数码(0,1,2,3,4,5,6,7,8,9)来决定七段中的某一段或几段 进行描绘。例如如果数码为 0,则显示 a,b,c,d,e,f 段,数码为 2,则显示 a,b,g,e,d 段,依次类推。

  该报警保护器能在电压高于或低于规定值时,进行声光报警,同时自动切断 电器电源,保护用电器不被损坏。该装置体积小、功能全、制作简单、实用性强。 其工作原理图如图 6.1 所示:

  电压一路由 C3 降压,DW 稳压,VD6、VD7、C2 整流滤波输出 12V 稳定的直流 电压供给电路。另一路由 VD1 整流、R1 降压、C1 滤波,在 RP1、RP2 上产生约 10.5V 电压检测市电电压变化输入信号。门 IC1A、IC1B 组成过压检测电路,IC1C 为欠压检测,IC1D 为开关,IC1E、IC1F 及蜂鸣器等组成音频脉冲振荡器。三极

  管 VT 和继电器 J 等组成保护动作电路。红色 LED1 作市电过压指示,绿色管 LED2 作市电欠压指示。 市电正常时,非 IC1A 输出高电平,IC1B、IC1C 输出低电 平,LED1、LED2 均截止不发光,VT 截止,J 不动作,电器正常供电,此时 B 点 为高电平,F4 输出低电平,VD5 导通,C 点为低电平,音频脉冲振荡器停振,蜂 鸣器不发声。当市电过压或欠压时,IC1B、IC1C 其中有一个输出高电平,使 A 点变为高电位,VT 饱和导通,J 通电吸合,断开电器电源,此时 B 点变为低电位, IC1D 输出高电平,VD5 截止,反向电阻很大,相当于开路,音频脉冲振荡器起振, 蜂鸣器发出报警声,同时相应的发光二极管发光指示。

  调试时,用一台调压器供电,调节电压为正常值(220V),用一白炽灯作负 载,使 LED1、LED2 均熄灭,白炽灯亮,然后将调压器调至上限值或下限值,调 RP1 或 RP2 使 LED1 或 LED2 刚好发光,白炽灯熄灭,即调试成功。 全部元件 可安装于一个小塑料盒中,将盒盖上打两个孔固定发光二极管,打一个较大一点 的圆孔固定蜂鸣器,使其有较响的鸣叫声。

  经过了近半年的学习和工作,我终于完成了《激光切割机简易自动控制系 统》的论文。从开始接到论文题目到系统的实现,再到论文文章的完成,每走一 步对我来说都是新的尝试与挑战,这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。 在这段时间里,我学到了很多知识也有很多感受,从对相关技术很不了解的状态, 我开始了独立的学习和试验,查看相关的资料和书籍,让自己头脑中模糊的概念 逐渐清晰,使自己非常稚嫩作品一步步完善起来,每一次改进都是我学习的收获, 每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。

  虽然我的论文作品不是很成熟,还有很多不足之处,但我可以自豪的 说,这里面的每一句话,都有我的劳动。当看着自己的论文,最终打印出版,真 是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。

  这次做论文的经历也会使我终身受益,我感受到做论文是要真真正正 用心去做的一件事情,是真正的自己学习的过程和研究的过程,没有学习就不可 能有研究的能力,没有自己的研究,就不会有所突破,那也就不叫论文了。希望 这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。

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