机械设计制造及其自动化专业毕业设计论文数控火焰切割机电容式调高控制器设计

1 前言
1.1 课题研究背景与意义
在工业发展过程中，各种型材的切割工序对于现代工业越来越重要。

数控火焰切割机自从研制成功以后就一直作为金属型材重要的加工设备之一，它被广泛用于现代的机械产品的加工，加工的领域以及覆盖到机械制造、军工、航天、船舶制造、石油化工、冶金、汽车制造等行业。

通过数控系统数控系统的控制，使火焰割炬按要求的速度和轨迹移动，从而在板材上切割出所需要的零件，以代替落后的手工下料成为机械加工业的一项重要的技术进步。

但是在切割过程中，由于代加工的板材可能高低不平、薄厚不一，为了提高切割端口的质量，减少废料的产生，需要保持割炬到板材的高度为恒定数值[1]，随着现代工业对板材的精度要求越来越严格，高度控制系统满足了对切割质量精度的要求。

在当今的调高控制器市场上，多数产品属于高精度、高成本的器件，然而，对精度要求不高且成本很低的调高器加工却很少，数控切割机是加工制造业的重要的加工机械，而高度控制系统是其重要的组成部分[2]。

高度控制器以及控制器通的研发具有越来越重要的意义。

自动调高控制器是数控切割机的辅助设备，它保证了割炬和板材之间的高度。

此高度值是操作人员依据板材的厚度、切割机的切割精度设置的参数，通过传感器测出的数据反馈到高度控制系统中，自动也可以手动调整之间的距离。

与传统手工下料相比，这种设备大大降低了人员劳动负荷，同时也提高了工作效率，具有很高的性价比。

本论文中以数控火焰切割机为载体，设计了电容式自动调高控制装置并且也设计了装在调高控制器的割炬挂架，具有很好的完整性。

火焰切割机高度控制系统一般采用电容传感器检测高度变化，因为切割机的工作环境通常较差，嗓声大，灰尘多，尤其割炬在工作时温度很高，为了达到调高目的，检测切割高度的位移传感器的安装位置不能离割炬太远，对传感器的要求比较苛刻，要求能耐高温，不受磁场影响，并考虑机器的性能价格比。

检测位移的传感器很多，但对于火焰切割来说，不易实现，相比而言只有电容式位移传感器比较符合条件[3]。

本次论文所研究的自动调高控制器是由单片机控制，电容式微位移传感器作为检测装置，查阅步进电机生产商选择了性价比很高的步进电机和驱动器，在整套系统中可以自动调高也可以手动调高，适用于数控火焰切割机。

1.2 国内外发展水平与趋势
随着近几年数控切割机市场的快速发展，目前数控切割机的竞争已经进入到了白热化。

一方面对于数控切割机的生产厂家慎重地选择数控切割控制系统是决定企业今后发展好坏的决定性因素之一，另一方面对于数控切割机使用用户慎重地选择数控切割控制系统是决定企业设备使用好坏的决定性因素之一。

目前全球最具有代表性的切割专用数控系统是美国海宝自动化公司(HYPERTHERM AUTOMATION)生产的EDGE系列控制器以及美国CMC公司生产的BURNY系列控制器，这些数控系统与上面通用数控系统最大的不同就是他们的硬件平台都是基于PC（PC-BASED）的，再安装一套专用的切割控制软件就组成了一台所谓的切割专用数控系统了。

国外数控切割机的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。

从机械结构上看，其发展经历了十字架型（轻型）、门型（小型）、龙门型（大型）3个阶段，相应的型号种类繁多。

能够代表数控切割技术最高水平的厂家主要集中在德国、美国、日本，如德国ESAB公司。

ESAB （伊萨）公司生产的精细等离子切割机在热切削工艺领域处于世界的领先水平。

我国的数控切割技术起步于20世纪80年代，目前，我国金属加工行业使用的数控切割机是以火焰和普通等离子切割机为主，但纯火焰切割，已不能适应现代化生产的需要，而目前市场需求的数控切割机多为数控等离子切割机，但与国外的差距仍极为明显。

究其原因，较高的设备成本、复杂和维护和操作制约了数控切割在我国的进一步普及。

因此国内数控切割机生产厂家引进了国外控制系统技术，经过二次开发后运用到了切割领域中，设计出了适合我国国情的数控切割机。

从国外数控切割行业发展的趋势来看，智能化精密切割将成为切割行业今后发展的方向。

我国钢产量早已达亿吨级，再加上加工制造业的飞速发展，这必将促进国内数控切割技术的良性发展。

总体来说，我国数控切割在基本功能上已达到国外同类产品水平，但要完全达到或超过国外水平还有很长的路要走。

调高控制器作为数控切割机的辅助设备，国内外也有很多厂家生产，生产的调高控制器大体上可分为两种：一种是电容式调高控制器，另一种是弧压式调高控制器。

国外产的调高控制器精度高，反应迅速，但是价格昂贵。

如上述提到的美国海宝自动化公司生产的弧压式调高系统，还有SONY公司的ARC300电容式调高控制器。

国内产的调高控制器精度低，可靠性能差，反应速度慢等缺点。

但随着国内技术上的发展也有部分厂家达到了所需的精度要求[4]。

本文中设计的系统主要依托国内数控结构和设计思路，结合国内火焰切割机的切割特点和较低的成本，设计出能够运用到国内机械加工一套硬件系统。

1.3 课题研究的内容和要解决的问题
论文研究的内容是以单片机为控制核心，设计一套完整的自动调高控制器硬件系统以及与之配套的安装设备即割炬挂架。

数控火焰切割是集数控技术、计算机技术、检测技术等于一体的高新技术。

调高控制器是数控火焰切割机不可或缺的部分，它不但可以防止割枪由于碰触钢板受到损害，而且可以提高生产效率。

电容式调高控制器是一个闭环控制系统，如图1.1所示。

它包括位置信号检测、A/D转换、逻辑控制、电机驱动四个部分。

本文要解决的问题：
（1）通过选用硬件设计出火焰切割机高度控制系统软硬件；
（2）根据控制系统要求，设计接口电路；
（3）人机交互模块下的接口电路；
（4）机械结构割炬挂架的设计与校核。

图1.1自动调控控制系统原理图
自动调高控制器的组成部分如图1.2所示，升降电机带动割炬上下移动，电容环电容式微位移传感器测量电容后，转化成的位移量通过控制线输送到控制单元。

图1.2 顶调高控制器的外部结构
2 主控制模块的设计
在选用单片型号上，传统的8031单片机虽然性能不高，但是本次设计对单片机要求不是很高，容量也可以通过扩展完善，而且8031的管脚功能比较简单易于理解，所以选用其作为控制单元的核心。

2.1 8031型芯片主要管脚与功能
8031是40管脚双列直插式芯片，主要管脚如图2.1所示。

图2.1 8031引脚接线
（1）RESET：设计中8031外接复位电路，复位电路输入高电平时，即可复位单片机。

（2）ALE：允许地址所存信号输出，与8155芯片的ALE端口相连，还与地址锁存器74LS373的LE端口相连，访问外部存储器时，ALE信号的负跳变将P0口上的低8位地址送入锁存器74LS373。

（3）/PSEN：接芯片2764的/PGM端口，低电平有效。

（4）/EA/VPP：访问内部或外部程序的存储器选择信号。

当/EA端高电平时，为访问内部程序存储器，本次设计是端口接地，即访问的是外部程序，通过编程后即可接受访问。

（5）多功能I/O口引脚
P0口：P0口的P00-P07口接到地址锁存器74LS373的D0口，这样实现了数据总线和地址总线的复用。

把P0口输出地数据、地址输入到锁存器当中P1口：P10接口接到手动升按钮，P12接到手动降按钮，这样可以方便操作人员进行手工操作，P14端口接自动升按钮，P16接自动降按钮，其余P0口可以接升降指示灯或者复位按钮均可以。

P2口：做扩展电路高八位的地址总线,接到另一地址锁存器（U6）的D0口。

（6）XTAL1，XTAL2：采用接外部时钟，晶振频率12MHz即可，此电路是8031不可或缺的电路[5]。

8031所要实现的功能：P10,P12口设为高电平，按下按钮后则变为低电平，,8031读信息后便可以控制其他电路，实现步进电机上下调节。

2.1.1程序存储器的扩展
因课题所设计的所需容量不高，所涉及的接口含有接收数据的3个，输出数据端口4个，所以选用2764EPROM，其容量为8K*8位。

可以为设计的控制器预留出足够的容量。

2764采用+5V供电，封装形式DIP24.
2764芯片主要引脚如图2.2所示。

图2.2 2764存储器扩展
（1）A0-A12 ：其中A0-A7接到地址锁存器的Q0-Q7端口。

（2）D0-D7 ：数据总线，接8031的P0口，用于8031的扩展。

（3）/OE ：数据输出的允许信号，低电平有效。

可以与74LS373的/OE端。