專利名稱：基于壓力傳感器的水刀切割速度優化控制方法
技術領域：
本發明涉及機械切割領域，特指一種高壓水射流切割(水刀)速度優化控制系統。
背景技術：
水刀是高壓水射流切割刀，已在諸多行業被廣泛應用，可以切割500種以上軟硬材料，對一些難加工的高強度、高硬度材料，如陶瓷、合金材料等，需要采用混合磨料射流切割。水刀的切割質量(光滑度，粗糙度等)與水刀的速度、噴流壓力、砂粒直徑、流量摩擦流速及噴嘴的幾何參數(長度、入口角、直徑、孔的直徑)等有關，這是一種多變量參數非線性映射關系。目前國際上主要通過試驗數據，結合數據處理手段分析水刀切割質量和多個參數的定性、定量關系。在一般切割過程中，噴流壓力、砂粒直徑、流量摩擦流速、噴嘴的幾何參數等基本保持不變，速度是影響切割質量首要考慮的因素，對優化控制效果起到關鍵的作用。目前，已有的數控水射流切割機主要由超高壓系統、數控機床及控制系統、計算機輔助設計系統、切割刀頭系統及自動排砂系統組成，是由人為設定切割速度，切割的質量和效率完全取決于操作人員的經驗。

發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術中人為設定水刀切割速度的不足而提供一種基于壓力傳感器的水刀切割速度優化控制方法，能自動得出優化的切割速度。本發明采用的技術方案是包括如下步驟(1)在待切割工件的四個角下方均設置一個壓力傳感器，將各個壓力傳感器通過相應的變送器分別連接單片機；(2)采用厚度為3. 5 mm、5mm、7mm、10mm、16mm的鋼板進行實驗切割，記錄下實驗切通時間和實驗優化切割速度，對實驗切通時間和實驗優化切割速度進行指數擬合，得到擬合曲線方程為V= a*exp(b*t)，V是實驗優化切割速度；t是實驗切通時間；a = 631. 9 ;b = -0.08381 ； (3) 過擬合曲線方程，從實驗切通時間0秒至50秒，以實驗切通時間0. 1秒為一個累加單元計算相應的一個速度值，建立實驗優化速度數據庫，并將實驗優化速度數據庫存儲于單片機中；(4)通過單片機不斷地檢測待切割工件的壓力變化，當第一次壓力變化范圍大于設定值El時，啟動定時器，再進行壓力檢測，當第二次壓力變化范圍大于設定值E2時，關閉定時器，由單片機處理得出待切割工件的切通時間，再通過所述實驗優化速度數據庫，調出待切割工件的最優切割速度，采用該最優切割速度進行切割。本發明結合了切割工程中壓力信號在線檢測和信號分析處理的方法，得出優化的切割速度，在保證切割質量的前提下提高切割效率。


圖1是本發明水刀切割速度優化控制系統的結構圖；圖2是圖1中壓力傳感器模塊6與單片機控制系統7的連接圖； 圖3是工件切通時間與切割優化速度的關系圖； 圖4是切割工件的壓力變化圖； 圖5是速度優化控制流程圖中1.超高壓系統；2.數控機床及控制系統；3.計算機輔助設計系統；4.切割刀頭系統；5.自動排砂系統；6.壓力傳感器模塊；7.單片機控制系統；8.工作臺；9.待切割工件。
具體實施例方式如圖1所示，本系統主要由超高壓系統1、數控機床及控制系統2、計算機輔助設計系統3、切割刀頭系統4、自動排砂系統5、壓力在線檢測系統6和單片機控制系統7組成。 超高壓系統1、計算機輔助設計系統3和自動排砂系統5均連接切割刀頭系統4，計算機輔助設計系統3還通過數控機床及控制系統2連接單片機控制系統7。切割刀頭系統4的正下方是設在工作臺8上的待切割工件9，在待切割工件9的下方設置壓力傳感器模塊6，實時測得待切割工件9的壓力，壓力傳感器模塊6連接單片機控制系統7，對壓力進行檢測。如圖2所示，單片機控制系統7中的單片機采用型號為ATMEGA16的芯片，單片機通過不同的端口分別連接電源模塊、液晶顯示器、按鍵、時鐘電路以及四個變送器。壓力傳感器模塊6由四個壓力傳感器組成，這四個壓力傳感器放置在工件9的四個角下，將四個壓力傳感器分別連接四個變送器，壓力信號通過變送器傳送到單片機中，通過單片機實時檢測待切割工件9的壓力變化。超高壓系統1是水切割機的核心部分，它把普通的水過濾后加壓至30(T400MPa， 為整個切割機提供持續穩定的高壓水源。超高壓系統1的壓力大小、壓力的穩定性、連續工作時間以及高壓零部件的壽命和可靠性直接影響切割效率、切割表面的質量以及切割精度。數控平臺及控制系統2既是運動執行機構，又是工件支撐機構，它受數控系統的控制進行X-Y-Z方位的定位，又帶動切割刀頭按照指定程序運動，從而對工作臺8上的待切割工件 9進行任意曲線的切割。計算機輔助設計系統3是水切割機的大腦，通過AUTOCAD繪制的圖形可以通過專用軟件自動轉換成加工程序，然后再通過專用電纜傳輸到數控系統中。在零件程序(NC代碼)的控制下，數控水切割平臺可以精確控制切割頭的運行軌跡，從而可以實現任意復雜平面圖形的切割。切割刀頭系統4由高壓水開關、切割頭、控砂閥組成。高壓水開關可以瞬間開啟和關斷高壓水流，控砂閥可瞬間開啟和關斷磨料的供給。高壓水和磨料在切割頭內混合后的射流即可對任何材料進行切割。自動排砂系統5是把水箱工作臺內的砂自動排出并進行砂水分離，提高工作效率，降低勞動強度。待切 割工 件 9 的切 割質量 Ra (表面粗糙度值，單位是可用如下數學表達式來描述；J^ = C^FVZwV1 ；式中 V是噴嘴移動速度，單位是^^;/!!^!,噴嘴移動速度Γ對應的是切通時間，P是水射流壓力，單位是iMHi ；A是噴嘴懸距，單位是乂是沙礫磨料尺寸，單位是^3 ^是磨料流量，單位是gh 是實驗誤差；d^W々是要用實驗數據進行估計的模型參數。由上式可知，在其它量不變的情況下，切割質量主要與噴嘴移動速度即切割速度有關。而當高壓水射流切割不同材質和厚度的工件時，切通工件所需的時間不一樣，工件越厚、越堅固，切通所需時間越長，則切割速度越慢；相反，越薄、越不堅固的工件，切通時間越短，則切割速度越快。工件切通時間與切割速度之間的關系符合指數函數關系，如圖3所示。對待切割工件9切割時，在不同的切割階段，水射流切割時的壓力特征不同，切割過程中壓力的變化情況如圖4所示，在切割前，壓力傳感器只承受待切割工件9的重量壓力，開始切割時，由于高壓水射流對待切割工件9進行沖擊切割，因此壓力傳感器承受的壓力是待切割工件9重量與高壓水射流全部壓力之和；當水射流將待切割工件9切通時，即切穿后，高壓水射流的一部分壓力通過孔隙流失了，因而壓力傳感器承受的壓力是待切割工件9的重量壓力與高壓水射流的另一部分壓力之和。由于待切割工件9的重量是可確定的，所以可通過提取高壓水射流切割過程中的壓力變化來確定待切割工件9的切通時間。基于上述的分析，本發明對水刀切割速度優化控制時，通過壓力傳感器測出開始切割及切通時壓力的變化，傳輸到單片機，進行計算處理，得出切通所需時間，再通過單片機里已存儲的實驗切通時間與實驗切割速度的關系數據，自動得出各種模式下待切割工件9的切割所需的給點速度。具體如下
先通過實驗數據進行指數擬合，得到擬合曲線。實驗時，分別采用厚度為3. 5 mm,5mm, 7mm、10mm、16mm的鋼板進行切割，在切割不同厚度的鋼板時，記錄下切通的時間和切割速度如下表1所示
表1不同工件厚度實驗切通時間與實驗優化切割速度的對應關系
權利要求
1. 一種基于壓力傳感器的水刀切割速度優化控制方法，其特征是包括如下步驟(1)在待切割工件的四個角下方均設置一個壓力傳感器，將各個壓力傳感器通過相應的變送器分別連接單片機；(2)采用厚度為3.5 mm、5mm、7mm、10mm、16mm的鋼板進行實驗切割，記錄下實驗切通時間和實驗優化切割速度，對實驗切通時間和實驗優化切割速度進行指數擬合，得到擬合曲線方程為V= a*exp (b*t)，V是實驗優化切割速度；t是實驗切通時間；a = 631. 9 ;b = -0.08381 ；(3)通過擬合曲線方程，從實驗切通時間0秒至50秒，以實驗切通時間0.1秒為一個累加單元計算相應的一個速度值，建立實驗優化速度數據庫，并將實驗優化速度數據庫存儲于單片機中；(4)通過單片機不斷地檢測待切割工件的壓力變化，當第一次壓力變化范圍大于設定值El時，啟動定時器，再進行壓力檢測，當第二次壓力變化范圍大于設定值E2時，關閉定時器，由單片機處理得出待切割工件的切通時間，再通過所述實驗優化速度數據庫，調出待切割工件的最優切割速度，采用該最優切割速度進行切割。
全文摘要
本發明公開一種基于壓力傳感器的水刀切割速度優化控制方法，先進行實驗切割，記錄下實驗切通時間和實驗優化切割速度并進行指數擬合，得到擬合曲線方程；再從實驗切通時間0秒至50秒，以實驗切通時間0.1秒為一個累加單元計算相應的一個速度值，建立實驗優化速度數據庫并存儲于單片機中，最后通過單片機不斷地檢測待切割工件的壓力變化，當第一次壓力變化范圍大于設定值E1時啟動定時器，當第二次壓力變化范圍大于設定值E2時關閉定時器，由單片機處理得出待切割工件的切通時間，通過實驗優化速度數據庫調出待切割工件的最優切割速度，在保證切割質量的前提下提高切割效率。
文檔編號B24C9/00GK102398226SQ20111038014
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者張軍, 徐禮龍, 趙德安, 陳波 申請人:江蘇大學