超高壓水射流發(fā)生器的電控設(shè)計(jì)

姚 紅

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

水射流切割技術(shù)作為冷態(tài)切割技術(shù)，因切割過程中無化學(xué)變化，無熱變形及熱變質(zhì)，加工精度高、柔性高等特點(diǎn)正被廣泛地應(yīng)用于汽車、電子、機(jī)械制造、航工航天等各行業(yè)。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(chǎn)生主要通過超高壓水射流發(fā)生器將普通水介質(zhì)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(dá)到切割工件的目的。

水射流技術(shù)最早出現(xiàn)在19 世紀(jì)中期，在上世紀(jì)60年代，隨著高壓柱塞泵的出現(xiàn)，水射流技術(shù)得到快速發(fā)展，80年代以后，出現(xiàn)了磨料射流、自振射流、空化射流等水射流技術(shù)，水射流技術(shù)的發(fā)展邁向新的階段。

目前工業(yè)中常見的水射流技術(shù)主要應(yīng)用在純水射流和磨料射流兩個方面，純水射流的工作介質(zhì)為純水，運(yùn)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(yè)；磨料射流是在純水中加入一定數(shù)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(chǎn)品質(zhì)量高、工作效率高得到廣泛的應(yīng)用，但磨料射流容易產(chǎn)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(jié)水節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用[1]。將超高壓水射流技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床切割加工中，在對工件進(jìn)行精準(zhǔn)加工的同時(shí)，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(zhì)量，防止產(chǎn)生熱變形。

1 超高壓水射流發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)控水射流切割機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

數(shù)控水射流切割機(jī)作為水射流切割技術(shù)的加工設(shè)備，將數(shù)控技術(shù)、超高壓技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等技術(shù)集成并實(shí)現(xiàn)精密加工。數(shù)控水射流機(jī)主要由數(shù)控機(jī)床及控制系統(tǒng)、超高壓系統(tǒng)、切割刀頭系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)及其他輔助裝置組成。數(shù)控機(jī)床及控制系統(tǒng)是數(shù)控水射流切割機(jī)的運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其受到控制系統(tǒng)的控制，帶動切割頭根據(jù)指定的程序運(yùn)動，進(jìn)而對工件進(jìn)行切割加工；超高壓系統(tǒng)是水射流切割機(jī)的核心，其作用是將普通水進(jìn)行過濾后再加壓到300 ～400 MPa 的壓力，獲得持續(xù)穩(wěn)定的高壓水源；切割刀頭系統(tǒng)由切割頭、高壓水開關(guān)、控砂閥等組成，由高壓水開關(guān)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(jìn)行切割；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的作用是將AUTOCAD 繪制的圖形通過專用軟件轉(zhuǎn)換成加工程序，通過傳輸電纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)，由數(shù)控水射流切割機(jī)在零件程序的控制下，實(shí)現(xiàn)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(jī)的關(guān)鍵部件——超高壓水射流發(fā)生器，主要作用是產(chǎn)生高達(dá)幾百兆帕的水射流，需要增壓才能實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用目前國外較多使用的往復(fù)式增壓實(shí)現(xiàn)增壓，其原理[2]如圖1 所示。

圖1 超高壓水射流發(fā)生器原理

水射流的增壓是根據(jù)液壓原理[3]而來，其過程為：普通自來水經(jīng)過濾器水泵加壓后，經(jīng)粗濾、精濾、超精濾共三次過濾后，再經(jīng)過水泵進(jìn)行2 次加壓，被送至增壓器左右兩側(cè)的高壓缸內(nèi)等待增壓；當(dāng)未按下開高壓水按鈕，電液換向閥位于中位時(shí)，液壓系統(tǒng)的壓力油經(jīng)高壓溢流閥流回油箱，增壓器不工作；當(dāng)按下開高壓水按鈕，電液換向閥左位工作，壓力油進(jìn)入液壓缸推動活塞向右運(yùn)動，液壓缸右側(cè)的水因受到活塞的壓力而成為壓力水，假設(shè)液壓系統(tǒng)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(dāng)活塞被推至右低壓缸的末端，觸動接近開關(guān)動作并發(fā)出電信號，驅(qū)動電液換向閥對進(jìn)出油方向進(jìn)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(guān)可以起到觸發(fā)換向閥換向的作用，通過接近開關(guān)不斷觸發(fā)換向閥換向，就可以實(shí)現(xiàn)增壓器來回往復(fù)運(yùn)動，從而不斷從高壓腔內(nèi)產(chǎn)生超高壓水。由于高壓腔內(nèi)產(chǎn)生的高壓水是由增壓器的交替運(yùn)動而產(chǎn)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(shè)置高壓蓄能器，以達(dá)到穩(wěn)定壓力的目的。

1.3 主電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)超高壓水射流發(fā)生器的工作原理，超高壓水射流發(fā)生器需要控制的對象包括：過濾器水泵電機(jī)、油泵電機(jī)、二次加壓水泵電機(jī)、電液換向閥，高壓溢流閥、冷卻風(fēng)機(jī)等。

圖2 主電路電氣原理

根據(jù)不同設(shè)備對電源的不同要求，按照電源的不同電壓等級，分配相應(yīng)的電源給設(shè)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(jī)的電源取自變壓器一次側(cè)電源?？紤]到電動機(jī)直接啟動時(shí)對電網(wǎng)及負(fù)載的沖擊問題，油泵電機(jī)采用軟啟動方式，使用新西蘭公司生產(chǎn)的CSX-C45-V1-C1 軟啟動器來啟動油泵電機(jī)。

1.4 PLC 控制電路的設(shè)計(jì)

數(shù)控水射流切割機(jī)作為自動控制設(shè)備，通常通過自動控制的方式進(jìn)行工作，數(shù)控機(jī)床的控制通過CNC 內(nèi)置PLC，PLC 通過輸入輸出接口與超高壓系統(tǒng)及機(jī)床連接，通過采集CNC 內(nèi)部和超高壓系統(tǒng)以及機(jī)床各輸入設(shè)備，如按鈕、接觸器、繼電器、傳感器等開關(guān)信號狀態(tài)，按照預(yù)先設(shè)定的邏輯順序?qū)崿F(xiàn)對超高壓系統(tǒng)的故障報(bào)警、開關(guān)信號、加工就緒等機(jī)床設(shè)備的控制。

控制電路采用PLC 與文本屏同時(shí)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(tǒng)工作狀態(tài)信號與報(bào)警信號、機(jī)床側(cè)遠(yuǎn)程控制信號等，PLC 的輸出信號包括系統(tǒng)的本地控制信號和系統(tǒng)到機(jī)床側(cè)的聯(lián)調(diào)控制信號。

根據(jù)超高壓系統(tǒng)的控制要求，考慮到設(shè)計(jì)使用的經(jīng)濟(jì)性方面的因素，決定選用臺達(dá)公司的DVP-32EH型PLC。該款PLC 搭載的是具有高速特殊擴(kuò)展功能的功能卡，可滿足設(shè)備對于即時(shí)反應(yīng)的要求。由于文本屏上需要動態(tài)顯示超高壓系統(tǒng)的壓力等數(shù)據(jù)，故選用DVP-F2AD 功能擴(kuò)展卡，DVP-F2AD 功能擴(kuò)展卡與PLC 之間的通信通過RS232 接口來進(jìn)行，壓力傳感器的模擬電流信號轉(zhuǎn)換成與F2AD 卡匹配的模擬電流信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后以壓力值的形式輸出為相應(yīng)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(fā)生器的控制由文本屏控制和遠(yuǎn)程控制（機(jī)床側(cè)控制）兩個部分組成，無論是在文本屏上還是在數(shù)控機(jī)床側(cè)，都可以控制超高壓水射流發(fā)生器的工作狀態(tài)。超高壓水射流發(fā)生器的開機(jī)步驟：首先打開過濾器水泵，再開油泵，最后開高壓，關(guān)機(jī)順序則正好相反，先關(guān)高壓，接著關(guān)油泵，最后關(guān)過濾器水泵，PLC 流程如圖4 所示。

圖4 PLC 流程

當(dāng)PLC 得電后，高壓計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，同時(shí)將超高壓水射流發(fā)生器的運(yùn)行計(jì)時(shí)時(shí)間通過文本屏顯示，PLC 寄存器D1118 的設(shè)定值則表示壓力采樣周期。運(yùn)行中一旦PLC 有報(bào)警輸出，則紅色報(bào)警燈HL2 被點(diǎn)亮。在油泵電機(jī)啟動而軟啟動未結(jié)束時(shí)，綠色指示燈出現(xiàn)閃爍，周期為1 s；當(dāng)油泵電機(jī)軟啟動已經(jīng)結(jié)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(dāng)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(fā)生器各部件的工作狀況及故障報(bào)警。

1.5 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

采用臺達(dá)公司的TP04 型文本式人機(jī)屏的人機(jī)界面（圖5），相對于傳統(tǒng)的按鈕式控制面板，文本式人機(jī)屏具有高性價(jià)比、功能齊全的優(yōu)點(diǎn)，為了滿足PLC與文本屏之間的通信要求，本設(shè)計(jì)采用串口通信速率高達(dá)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(dāng)選型確定，開始設(shè)計(jì)人機(jī)界面，為了體現(xiàn)方便、易于操作等人性化特點(diǎn)，人機(jī)界面的主菜單除了設(shè)置控制界面、壓力監(jiān)控界面、設(shè)定界面、報(bào)警界面、狀態(tài)界面等一級菜單，還設(shè)置了開關(guān)過濾器水泵、開關(guān)油泵、開關(guān)高壓、顯示時(shí)間、顯示壓力值、設(shè)定時(shí)間、設(shè)定壓力值、顯示報(bào)警狀態(tài)、顯示輸入狀態(tài)等二級菜單。比如在壓力監(jiān)控界面中（圖6），增加了數(shù)值顯示、高壓計(jì)時(shí)、條狀圖等信息，使監(jiān)控界面的顯示更加直觀。在報(bào)警菜單中，設(shè)置了3個報(bào)警彈出界面，當(dāng)壓力值不在0 ～ 400 MPa 范圍內(nèi)時(shí)，彈出壓力傳感器斷線報(bào)警界面；壓力超出控制范圍時(shí)，彈出高壓報(bào)警界面；當(dāng)有信息發(fā)出或水壓報(bào)警時(shí)彈出檢查外部報(bào)警界面。

圖6 文本屏壓力監(jiān)控界面

2 切割實(shí)驗(yàn)

切割實(shí)驗(yàn)選用龍門式水射流切割機(jī)，可以提高加工精度，獲得光滑的切割面，防止切割面出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。為了檢驗(yàn)水射流發(fā)生器的設(shè)計(jì)效果，在磨料水射流的工作環(huán)境下，利用數(shù)控機(jī)床和水切割專用CAM系統(tǒng)——NEWCAM 軟件，對工件進(jìn)行了斜度切割實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)切出的五角星樣品

通過對切割樣品的觀察，發(fā)現(xiàn)切割面光滑，邊緣無飛邊和毛刺現(xiàn)象，加工表面也沒有被氧化，樣品切割表面的質(zhì)量較高，利用游標(biāo)卡尺對測量樣品尺寸進(jìn)行測量。根據(jù)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(shù)據(jù)中可見，實(shí)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(dá)到2.45 mm。

表1 樣品的尺寸參數(shù)及誤差

經(jīng)分析，該誤差產(chǎn)生的主要原因是高壓水射流對焦時(shí)，加工刀具與工件的上表面沒有落在同一平面上，即起刀點(diǎn)的位置不夠精準(zhǔn)，在加工完成后退刀點(diǎn)沒有回到起刀點(diǎn)處，即起刀點(diǎn)和退刀點(diǎn)不能完全重合，加工出來的實(shí)際尺寸比理論尺寸小，且誤差隨偏擺角的增大而增大，實(shí)際應(yīng)用中，為了提高水射流切割加工精度，可根據(jù)偏擺角度的不同，對尺寸進(jìn)行修正處理，即將切割零件的長度適當(dāng)加大，以減小因?qū)Φ恫粔蚓珳?zhǔn)帶來的誤差值。

3 結(jié)語

將超高壓水射流技術(shù)與數(shù)控加工技術(shù)相結(jié)合，采用往復(fù)式增壓器產(chǎn)生超高壓水流，并通過PLC 控制超高壓系統(tǒng)，最后，在磨料水射流的環(huán)境下利用數(shù)控機(jī)床，結(jié)合水切割專用CAM 系統(tǒng)對工件進(jìn)行了斜度切割實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表明，超高壓水射流技術(shù)可以提高產(chǎn)品加工的質(zhì)量和加工精度，加工成本低。本研究設(shè)計(jì)的超高壓水射流發(fā)生器可應(yīng)用于實(shí)際工件切割，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用和研究借鑒。