高压水射流切割系统的研究与设计赵陶1，周松斌2，宋敬伟（1.中山大学，广东广州5102752.广东省科学院，广东广州510073 3.广州华臻机械设备有限公司，广东广州510520）电路设计及软件实现。讨论了局部阴力系数对动压力的影响，并给出算例。。31文献标识码：A随着我国经济的迅猛发展，各行各业对切割机械的需求越来越大，对切割质量的要求也越来越高，高压水射流切割系统以其切割缝隙小，材料利用率高，且切割时无尘、无味、无毒、振动小、切割精确等特点，广泛应用于各种金属、非金属、复合材料板的切割，以及陶瓷、石材的拼花加工。是一种很有发展前途的切割机械。
1高压水射流切割系统的工作原理高压水射流切割系统采用三柱塞泵增压供水系统如图1所示。该系统把水加压至200～250 MPa的超高压力，再加入金刚沙磨料送入0.8 mm或1.0 mm直径喷嘴，以2倍音速将水喷出，完成对物料的切割过程。水射流喷头作用是加速磨料到非常高的速度，并保持射流的凝聚性，由计算机控制其起停及在工件上的移动，达到精确切割的目的。
由于水是不可压缩的，水加入金刚沙磨料形成混合流体仍具有不可压缩的性质，高压混合流体由管道经喷嘴喷出，保留了一束高速射流的特性，设高压混合流体是定常流动，该流体与气流低于90 m/s时不可压缩的性质相同，因而从管道到喷嘴出口应满足贝努里能量方程：式中P为高压水射流的全压力， P为喷嘴出？设计计算？
机械开发口压力，η为混合流体的密度，ζ为局部阻力系数。
高压水射流从喷嘴喷出直通大气，因而， P≈0接近大气压力通常局部阻力系数ζ是由实验确定。高压水射流切割混合流体的动压力从（1）式可得：该动压力是高压水射流作功的动力。
2系统的硬件电路设计该控制系统由操作台及控制柜组成，操作台内装工业计算机、I/O模块、运动控制模块控制柜内装：水泵控制电路（含：电机保护电路、变频器）伺服电机（或步进电机）驱动器及相关控制线路。系统通过计算机控制变频器带动电机驱动三柱塞泵把水加压至200～250 M Pa的超高压力，并保持恒定。再通过运动控制模块驱动伺服（步进）电机，使安装在直线轴承上的水射流喷头沿X方向（水平方向）或Y方向（垂直方向）作精确的平面运动。通过I/O模块控制的高压电磁阀开启时，放在喷头下方的工件，将按喷头的运动轨迹被切割。系统的硬件结构框图如图2所示。
3系统的软件设计软件采用如下方案：（1）待加工产品的几何图形在通用PC电脑上用AutoCAD或其他应用程序绘制及编辑，利用AutoCAD的文件管理及图形处理能力，利用VB对AutoCAD进行二次开发，以将图形数据提取，翻译成符合国际/国家标准的G码指令程序指令，存入信息体，输入工控机，以控制数控设备工作。
（2）工控机内的监控软件（数控软件）在Windows 98或WIN NT操作平台下运行，采用模块化结构，以便于功能扩展及维护。其主要功能模块有：①插补处理：按一定的规则将G码指令转换成符合数控设备精度的X、Y坐标数据及输出信号。
②加工仿真：在屏幕上显示仿真加工过程。
③设备状态信号采集：采集设备状态信号，供控制分析用。
④设备控制信号输出：根据设备状态输出控制设备信息及加工信息。
⑤人机操作界面：提供宜人的人机交互操作界面。
4算例及应用新型水射流喷头，三柱塞增压供水压力P 250 M Pa，局部阻力损失系数ζ=0.1代入（2）式得已知水密度η水射流以接近声音在空气传递速度的2倍传递，水射流动压力为227.3M Pa，产生巨大的切割能量。
若高压水经过喷头局部阻力损失系数增大，水射流动压力将迅速降低。例如ζ=0.3时， P = 192.3 MPa ，下降了15.4 ，此时，水射流的速度降低至620.2m/s.降低局部阻力系数，提高水射流切割效率，是水射喷头的设计必须充分重视的问题。
本研究成果在华臻高压水射流切割系统上进行试验，试验结果表明：高压水射流切割系统对各种高硬度材料、钢板、不锈钢、玻璃、大理石、复合材料等进行切割，切割时物料温度80℃，对材料的分子结构及物理性能毫无影响。本文介绍的计算机控制方案，简便易学，可对各种复杂的图形进行加工，具有很高的推广应用价值。
郭金基，气体喷射器流控端口特性的研究及应**作者简介：赵陶，男， 1961年生，工程师。研究领域：水动力学、自动化控制。已发表论文2篇。
机械开发
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