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某公司加工面包时，根据工艺要求要在发酵过的生面包粉团皮面上切出一道直线口，洒上椰肉粉后，再经过烘焙使面包表面形成一个长10cm、宽3cm、深2cm的槽，以便在槽中填充火腿肠等其他配料，如图1所示。在面包表面割槽口的传统做法是使用金属刀片，但存在的问题是刀片刀锋容易磨损，刀片不锋利会出现锯齿状切槽甚至使生面包粉团的变形。另外，因产品的不同需要，生面包粉团的软硬和筋道发生改变时，刀片和切割力都要改变，但更换刀片不方便且切割力不好控制，从而造成面包质量无法控制，生产效率低，不适合大批量面包生产。经过研究发现，如果改造成高压水柱来进行切割，以上问题都很容易解决。
一、食品用高压水刀系统
1. 系统结构
食品用高压水刀系统结构如图2所示。
2. 工作过程
面包盘在流水线输送带拖动，到达切割水刀下方时，光电位置传感器动作，传送带停止，挡盘汽缸移动上升，将面包盘升起，高压水刀水平向右移动，进行面包切割，切割到位后，右限位传感器动作，挡盘汽缸下降，面包托盘下降，流水线输送带启动，将面包传送到下一工位，同时，高压水刀向左水平移动，等待下一盘面包到来，这样就完成了一个周期工作。
3. 高压水刀的控制
切割水刀是由高压水柱形成的，高压水柱由高压泵产生。高压泵将低压油泵出来，低压油推动增压器的大活塞，使其往复运动，大活塞推动小活塞，大活塞的运动方向由换向阀自动控制。另一方面，供水系统先经过净化处理，然后由水泵打出低压水，进入增压器的低压水被小活塞增压后，压力升高。由于高压水是经过增压器不断往复压缩后产生的，而增压器的活塞又需要换向，因而从喷嘴所发出的水射流压力是脉动的,为获得稳定的高压水射流，需要使产生的高压水进入一个蓄能器，然后再流向喷嘴，从而达到稳定压力的目的。水切割就是由普通水经过一个超高压加压器，将水加压至400MPa(60000psi)，然后通过一个直径为0.1mm至0.4mm左右极细的喷嘴，产生一道速度每秒近千米（约音速的3倍）的水柱，像刀一样对面包进行切割加工。因面包粉团比较软，水切不需要超高压水柱。普通的微型变频器恒压供水系统压力在0.1～10MPa之间可调，符合本设备的压力要求，标准微型变频器恒压水压供水系统压力采用PID控制如图3所示。通过压力传感器，以4～20mA的电流回馈压力数据，构成回馈系统进行PID 控制。压力传感器选用YTZ-150电位器式远程压力表，安装在水泵的出水管上，该压力表适用于一般压力表适用的工作环境场所，既可直观测出压力值，又可以输出相应的电信号，输出的电信号传至远程的控制器。压力表电气技术参数：电阻满量程：400Ω；零压力起始电阻值：≤20Ω； 满量程压力上限电阻值：≤360Ω；接线端外加电压：≤6V。
4. 水刀移动控制
水刀的横向左右移动的位置尺寸和运行速度要求精度不高，但因不同的产品品种长短规格不同，要求喷头移动位置调整方便，水刀的运行速度也要可调，所以采用经济型步进电动机拖动滚珠丝杠，再利用滚珠丝杠带动导轨滑块水平移动，水刀固定在滑块上。步进电动机采用斯达微步SH3F130M型步进电动机驱动器进行驱动，具有高度的抗干扰性及快速的响应性，不会像单片机控制那样易发生死机及丢步现象。高细分数能满足水切喷头移动的精度要求。超小型外观设计使安装更方便，独特的“说明式”面板使操作使用一目了然，方便直观的电流设定方法（由面板上的拨位开关设定）可使操作人员方便快捷地改变电动机的相电流。水刀移动控制采用开环控制。
5. 水切机总体自动控制
考虑到本机在运行上基本是无人看守，面包生产速度快，品种多，一般每盘4排，一排5个，0.6min生产一盘面包。在自动控制方面采用三菱FX1s-MT20分三路分别控制恒压水压变频器开启关闭，水压根据口压力传感器反馈变频器内部PID自动压力控制。一路控制面包盘停止汽缸，一路控制步进马达驱动器驱动步进马达带动滚珠丝杠导轨上的水切喷头往复运动。根据不同的产品调整喷头水平移动速度和调整水压压力保持恒定。整个控制电路如图4和图5
所示。
二、调试
1. 水刀压力调试
检查接线无误后，合上空气开关和漏电开关，变频器上电，数码管显示0.0，按JOG键，检查水泵的转向，若反向，改变电动机相序。按运行键RUN，运行指示灯亮（绿色），顺时针方向旋转键盘旋钮，输出频率上升，观察压力表的压力指示，同时用万用表直流电压测量变频器端子VF和GND之间电压值，随着变频器输出频率升高，压力增加，VF和GND之间的回馈电压上升，记录下将要设定的恒定压力对应的回馈电压值。按停车键STOP，变频器减速停车。合上启停开关，变频器运行指示灯亮，输出频率从0.0Hz到达30.0Hz后，根据用水情况自动调节，保证出水口的压力恒定为5kg。增大F4.06的参数设定值，出水口的压力增加，减小F4.06的参数设定值，出水口的压力降低。
2. 水刀水平移动速度调试
步进驱动器是把计算机控制系统提供的弱电信号放大为步进电动机能够接受的强电流信号，三菱FX1S-MT有高速脉冲输出功能。可驱动伺服电动机驱动器、步进驱动器等。FX1S有两个端子输出脉冲信号即Y0、Y1。在相对定位指令里，方向控制脉冲可用其他端控制输出。到脉冲输出只有Y1和Y0。Y0作为水平驱动脉冲输出，Y1是方向脉冲输出。为了减小步进电机在高速运转时产生的转距下降、在喷头移动要停止时产生的惯性、机械间隙产生的震荡和失步现象，对软元件D8145 、D8146 、D8148不断进行调试达到了良好的效果。控制系统提供给驱动器的信号主要有以下三种：
（1）步进脉冲信号CP：这是最重要的一路信号，因为步进电动机驱动器的原理就是要把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电动机的角位移。或者说：驱动器每接受一个脉冲信号CP，就驱动步进电动机旋转一步距角， CP的频率和步进电动机的转速成正比，CP的脉冲个数决定了步进电动机旋转的角度。这样，控制系统通过脉冲信号CP就可以达到电动机调速和定位的目的。
（2）方向电平信号DIR：此信号决定电动机的旋转方向。比如说，此信号为高电平时电动机为顺时针旋转，此信号为低电平时电动机则为反方向逆时针旋转。此种换向方式，我们称之为单脉冲方式。另外，还有一种双脉冲换向方式：驱动器接受两路脉冲信号（一般标注为CW和CCW），当其中一路（如CW）有脉冲信号时，电动机正向运行，当另一路（如CCW）有脉冲信号时，电动机反向运行。
（3）脱机信号FREE：此信号为选用信号，并不是必须要用的，只在一些特殊情况下使用，此端为低电平有效, 这时电动机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时, 此功能无效, 电动机可正常运行，此功能若用户不采用，只需将此端悬空即可。
三、系统联调
1. 回原点
按下启动按键，恒压变频器启动变频器高速运行，水压达到设定要求后转换为低速运行，并保持恒定压力。同时步进电动机转动，水刀滑块向原点方向慢速运行，当到达原点时，步进电动机停止运转运行，完成回原点定位。应注意在回原设定的速度不宜过快，因为原点检测到移动的物体有一定的响应时间，响应时间和物体的惯性有一点关系，这样可保持定位一致性和精度，本控制属于开环控制，无位置反馈信号。
2. 正常加工
设备启动，面包盘被流水线输送带拖动，到达切割刀下方时，光电位置传感器动作，传送带停止，挡盘汽缸移动上升，将面包盘升起，高压水刀水平向右移动，进行面包切割，切割到位后，右限位传感器动作，挡盘汽缸下降，面包托盘下降，流水线输送带启动，将面包传送到下一工位，同时，高压水刀水平向左移动，准备等待下一盘，这样就完成了一个周期工作。水刀滑块移动位移大小由CP脉冲数来决定。SH3F130M驱动器提供的技术资料以20细分驱动器、0.09度为例，步进电动机转一圈就需要4000个脉冲。步进电动机同步轮与滚珠丝杠的同步轮的比例为3：1。步进电动机转一圈丝杠就要转三圈，就需要12000个脉冲。滚珠丝杠的导程为20mm，丝杠转三圈滑块就移动60mm，一个毫米就是200脉冲。根据面包的长度就可以知道脉冲数，如800mm就应加16000个脉冲。
3. 停止
在正常的生产情况下要停止使用水切设备时，按下停止按键，为保证加工的连续性，如果正在切一盘面包，水刀不会立即停止，等切完这盘之后，水刀移动运行方向的尾端才停止，保证每次面包切完。同时挡盘汽缸下降，步进驱动器不断电，水切喷头保持原来的状态。下一次启动时，水刀滑块不用回原点，减少开机时间，方便操作。在长时间（5分钟）不用水刀时，恒压变频器自动停止工作。按下启动键后变频启动，水切正常工作。
4. 急停
在紧急的情况下，为了保证符合人身安全和设备安全设计的要求，在一个水切喷头移动时，来自外部干扰或其他原因步进电动机失步超越两端限位，水切喷头就停止移动，步进驱动器断电。故障排除后再启动回到原点。在按下急停后，所有的状态复位到初始状态。
5.喷头移动超越限位及安全控制
为了防止误动作或断线等其他因素，在这里采用国际通用的常闭PNP型电感式接近开关。为了防止水切喷头在工作移动过位置或出现失步现象造成撞击轨道变形，只要水刀滑至超越任何一边限位开关，步进驱动器瞬间断电，步进电动机停止工作并报警。
本系统不管是在操作上还是在运行上，均经过调试观察，没有出现过死机故障，同时，完全可实现无人值守。经过长时间运行和应用检测，达到了产品工艺要求。设备的整体性价比高，达到了良好的经济实用价值。
（作者单位：广东省机械技师学院）
一、食品用高压水刀系统
1. 系统结构
食品用高压水刀系统结构如图2所示。
2. 工作过程
面包盘在流水线输送带拖动，到达切割水刀下方时，光电位置传感器动作，传送带停止，挡盘汽缸移动上升，将面包盘升起，高压水刀水平向右移动，进行面包切割，切割到位后，右限位传感器动作，挡盘汽缸下降，面包托盘下降，流水线输送带启动，将面包传送到下一工位，同时，高压水刀向左水平移动，等待下一盘面包到来，这样就完成了一个周期工作。
3. 高压水刀的控制
切割水刀是由高压水柱形成的，高压水柱由高压泵产生。高压泵将低压油泵出来，低压油推动增压器的大活塞，使其往复运动，大活塞推动小活塞，大活塞的运动方向由换向阀自动控制。另一方面，供水系统先经过净化处理，然后由水泵打出低压水，进入增压器的低压水被小活塞增压后，压力升高。由于高压水是经过增压器不断往复压缩后产生的，而增压器的活塞又需要换向，因而从喷嘴所发出的水射流压力是脉动的,为获得稳定的高压水射流，需要使产生的高压水进入一个蓄能器，然后再流向喷嘴，从而达到稳定压力的目的。水切割就是由普通水经过一个超高压加压器，将水加压至400MPa(60000psi)，然后通过一个直径为0.1mm至0.4mm左右极细的喷嘴，产生一道速度每秒近千米（约音速的3倍）的水柱，像刀一样对面包进行切割加工。因面包粉团比较软，水切不需要超高压水柱。普通的微型变频器恒压供水系统压力在0.1～10MPa之间可调，符合本设备的压力要求，标准微型变频器恒压水压供水系统压力采用PID控制如图3所示。通过压力传感器，以4～20mA的电流回馈压力数据，构成回馈系统进行PID 控制。压力传感器选用YTZ-150电位器式远程压力表，安装在水泵的出水管上，该压力表适用于一般压力表适用的工作环境场所，既可直观测出压力值，又可以输出相应的电信号，输出的电信号传至远程的控制器。压力表电气技术参数：电阻满量程：400Ω；零压力起始电阻值：≤20Ω； 满量程压力上限电阻值：≤360Ω；接线端外加电压：≤6V。
4. 水刀移动控制
水刀的横向左右移动的位置尺寸和运行速度要求精度不高，但因不同的产品品种长短规格不同，要求喷头移动位置调整方便，水刀的运行速度也要可调，所以采用经济型步进电动机拖动滚珠丝杠，再利用滚珠丝杠带动导轨滑块水平移动，水刀固定在滑块上。步进电动机采用斯达微步SH3F130M型步进电动机驱动器进行驱动，具有高度的抗干扰性及快速的响应性，不会像单片机控制那样易发生死机及丢步现象。高细分数能满足水切喷头移动的精度要求。超小型外观设计使安装更方便，独特的“说明式”面板使操作使用一目了然，方便直观的电流设定方法（由面板上的拨位开关设定）可使操作人员方便快捷地改变电动机的相电流。水刀移动控制采用开环控制。
5. 水切机总体自动控制
考虑到本机在运行上基本是无人看守，面包生产速度快，品种多，一般每盘4排，一排5个，0.6min生产一盘面包。在自动控制方面采用三菱FX1s-MT20分三路分别控制恒压水压变频器开启关闭，水压根据口压力传感器反馈变频器内部PID自动压力控制。一路控制面包盘停止汽缸，一路控制步进马达驱动器驱动步进马达带动滚珠丝杠导轨上的水切喷头往复运动。根据不同的产品调整喷头水平移动速度和调整水压压力保持恒定。整个控制电路如图4和图5
所示。
二、调试
1. 水刀压力调试
检查接线无误后，合上空气开关和漏电开关，变频器上电，数码管显示0.0，按JOG键，检查水泵的转向，若反向，改变电动机相序。按运行键RUN，运行指示灯亮（绿色），顺时针方向旋转键盘旋钮，输出频率上升，观察压力表的压力指示，同时用万用表直流电压测量变频器端子VF和GND之间电压值，随着变频器输出频率升高，压力增加，VF和GND之间的回馈电压上升，记录下将要设定的恒定压力对应的回馈电压值。按停车键STOP，变频器减速停车。合上启停开关，变频器运行指示灯亮，输出频率从0.0Hz到达30.0Hz后，根据用水情况自动调节，保证出水口的压力恒定为5kg。增大F4.06的参数设定值，出水口的压力增加，减小F4.06的参数设定值，出水口的压力降低。
2. 水刀水平移动速度调试
步进驱动器是把计算机控制系统提供的弱电信号放大为步进电动机能够接受的强电流信号，三菱FX1S-MT有高速脉冲输出功能。可驱动伺服电动机驱动器、步进驱动器等。FX1S有两个端子输出脉冲信号即Y0、Y1。在相对定位指令里，方向控制脉冲可用其他端控制输出。到脉冲输出只有Y1和Y0。Y0作为水平驱动脉冲输出，Y1是方向脉冲输出。为了减小步进电机在高速运转时产生的转距下降、在喷头移动要停止时产生的惯性、机械间隙产生的震荡和失步现象，对软元件D8145 、D8146 、D8148不断进行调试达到了良好的效果。控制系统提供给驱动器的信号主要有以下三种：
（1）步进脉冲信号CP：这是最重要的一路信号，因为步进电动机驱动器的原理就是要把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电动机的角位移。或者说：驱动器每接受一个脉冲信号CP，就驱动步进电动机旋转一步距角， CP的频率和步进电动机的转速成正比，CP的脉冲个数决定了步进电动机旋转的角度。这样，控制系统通过脉冲信号CP就可以达到电动机调速和定位的目的。
（2）方向电平信号DIR：此信号决定电动机的旋转方向。比如说，此信号为高电平时电动机为顺时针旋转，此信号为低电平时电动机则为反方向逆时针旋转。此种换向方式，我们称之为单脉冲方式。另外，还有一种双脉冲换向方式：驱动器接受两路脉冲信号（一般标注为CW和CCW），当其中一路（如CW）有脉冲信号时，电动机正向运行，当另一路（如CCW）有脉冲信号时，电动机反向运行。
（3）脱机信号FREE：此信号为选用信号，并不是必须要用的，只在一些特殊情况下使用，此端为低电平有效, 这时电动机处于无力矩状态；此端为高电平或悬空不接时, 此功能无效, 电动机可正常运行，此功能若用户不采用，只需将此端悬空即可。
三、系统联调
1. 回原点
按下启动按键，恒压变频器启动变频器高速运行，水压达到设定要求后转换为低速运行，并保持恒定压力。同时步进电动机转动，水刀滑块向原点方向慢速运行，当到达原点时，步进电动机停止运转运行，完成回原点定位。应注意在回原设定的速度不宜过快，因为原点检测到移动的物体有一定的响应时间，响应时间和物体的惯性有一点关系，这样可保持定位一致性和精度，本控制属于开环控制，无位置反馈信号。
2. 正常加工
设备启动，面包盘被流水线输送带拖动，到达切割刀下方时，光电位置传感器动作，传送带停止，挡盘汽缸移动上升，将面包盘升起，高压水刀水平向右移动，进行面包切割，切割到位后，右限位传感器动作，挡盘汽缸下降，面包托盘下降，流水线输送带启动，将面包传送到下一工位，同时，高压水刀水平向左移动，准备等待下一盘，这样就完成了一个周期工作。水刀滑块移动位移大小由CP脉冲数来决定。SH3F130M驱动器提供的技术资料以20细分驱动器、0.09度为例，步进电动机转一圈就需要4000个脉冲。步进电动机同步轮与滚珠丝杠的同步轮的比例为3：1。步进电动机转一圈丝杠就要转三圈，就需要12000个脉冲。滚珠丝杠的导程为20mm，丝杠转三圈滑块就移动60mm，一个毫米就是200脉冲。根据面包的长度就可以知道脉冲数，如800mm就应加16000个脉冲。
3. 停止
在正常的生产情况下要停止使用水切设备时，按下停止按键，为保证加工的连续性，如果正在切一盘面包，水刀不会立即停止，等切完这盘之后，水刀移动运行方向的尾端才停止，保证每次面包切完。同时挡盘汽缸下降，步进驱动器不断电，水切喷头保持原来的状态。下一次启动时，水刀滑块不用回原点，减少开机时间，方便操作。在长时间（5分钟）不用水刀时，恒压变频器自动停止工作。按下启动键后变频启动，水切正常工作。
4. 急停
在紧急的情况下，为了保证符合人身安全和设备安全设计的要求，在一个水切喷头移动时，来自外部干扰或其他原因步进电动机失步超越两端限位，水切喷头就停止移动，步进驱动器断电。故障排除后再启动回到原点。在按下急停后，所有的状态复位到初始状态。
5.喷头移动超越限位及安全控制
为了防止误动作或断线等其他因素，在这里采用国际通用的常闭PNP型电感式接近开关。为了防止水切喷头在工作移动过位置或出现失步现象造成撞击轨道变形，只要水刀滑至超越任何一边限位开关，步进驱动器瞬间断电，步进电动机停止工作并报警。
本系统不管是在操作上还是在运行上，均经过调试观察，没有出现过死机故障，同时，完全可实现无人值守。经过长时间运行和应用检测，达到了产品工艺要求。设备的整体性价比高，达到了良好的经济实用价值。
（作者单位：广东省机械技师学院）