數(shù)控等離子切割技術-----武漢數(shù)控技術篇

1、國內(nèi)數(shù)控等離子切割的現(xiàn)狀

　　我國工廠的板材下料中應用zui為普遍的是火焰切割和等離子切割，所用的設備包括手工下料、仿形機下料、半自動切割機下料及數(shù)控切割機下料等。與其他切割方式比較而言，手工下料隨意性大、靈活方便，并且不需要配套下料設備。但手工切割下料的缺點也是顯而易見的，其割縫質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后道加工工序的工作量大，同時勞動條件惡劣。用仿形機下料，雖可大大提高下料工件的質(zhì)量，但必須預先加工與工件相適應的靠模，不適于單件、小批量和大工件下料。半自動切割機雖然降低了工人勞動強度，但其功能簡單，只適合一種形狀的切割。上述3種切割方式，相對于數(shù)控切割來說由于設備成本較低、操作簡單，所以在我國的中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中仍在廣泛使用。

　　在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬熱切割一般有氣割、等離子切割、激光切割等。其中等離子切割與氣割相比，其切割范圍更廣、效率更高。而精細等離子切割技術在材料的切割表面質(zhì)量方面已接近了激光切割的質(zhì)量，但成本卻遠低于激光切割。因此，等離子切割自20世紀50年代中期在美國研制成功以來，得到迅速發(fā)展。隨著計算機及數(shù)字控制技術的迅速發(fā)展，數(shù)控切割也得以蓬勃發(fā)展，并在改善加工精度。節(jié)約材料、提高勞動生產(chǎn)率等方面顯示出巨大優(yōu)勢。這促使等離子切割技術從手工或半自動逐步向數(shù)控方向發(fā)展，并成為數(shù)控切割技術發(fā)展的主要方向之一。數(shù)控等離子切割技術是集數(shù)控技術、等離子切割技術、逆變電源技術等于一體的*，它的發(fā)展建立在計算機控制、等離子弧特性研究、電力電子等學科共同進步基礎之上。我國的數(shù)控切割技術起步于20世紀80年代，而數(shù)控等離子切割技術起步更晚。但近年來，國內(nèi)一些高校、科研單位、制造廠商對進行了研究，并逐步開發(fā)生產(chǎn)了各種規(guī)格的數(shù)控等離子切割設備，縮小了與*技術的差距。

　　隨著國內(nèi)經(jīng)濟形勢的蓬勃發(fā)展以及“以焊代鑄趨勢的加速，數(shù)控切割的優(yōu)勢正在逐漸為人們所認識。數(shù)控切割不僅使板材利用率大幅度提高，產(chǎn)品質(zhì)量得到改進，而且改善了工人的勞動環(huán)境，勞動效率進一步提高。目前，我國金屬加工行業(yè)使用的數(shù)控切割機是以火焰和普通等離子切割機為主，但純火焰切割，已不能適應現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，而目前市場需求的數(shù)控切割機多為數(shù)控等離子切割機，該類切割機可滿足不同材料、不同厚度的金屬板材的下料以及金屬零件的加工的需要，因此需求量將會越來越大，但與國外的差距仍極為明顯，主要表現(xiàn)為：發(fā)達國家金屬加工行業(yè)90%為數(shù)控切割機下料，僅10%為手工下料；而我國數(shù)控切割機下料僅占下料總量的10%，其中數(shù)控等離子切割下料所占比例更小。究其原因，較高的設備成本、復雜和維護和操作制約了數(shù)控切割在我國的進一步普及。因此國內(nèi)數(shù)控切割機生產(chǎn)廠家引進了國外控制系統(tǒng)技術，經(jīng)過二次開發(fā)后運用到了切割領域中，設計出了適合我國國情的數(shù)控切割機。某些廠家開發(fā)生產(chǎn)的數(shù)控切割設備，在技術上已經(jīng)達到或超過了國外同類產(chǎn)品。

具體體現(xiàn)在：
    1.數(shù)控系統(tǒng)與等離子系統(tǒng)的電磁兼容技術

    這是數(shù)控等離子切割機成功的關鍵，只有解決了這一難題，才能實現(xiàn)數(shù)字控制下的等離子切割。

    2.符合熱切割工藝要求的控制軟件

    該類控制軟件的特點如下：

    （1）采用圖形輸入方式，比代碼輸入更加直觀，操作快捷方便。

    （2）中文界面，更適合中國國情。

    （3）輸入方式多元化，所有調(diào)控指令化。

    （4）利用自動套料編程軟件，可提高板材利用率10%左右。

     3.大功率等離子系統(tǒng)

     該系統(tǒng)具有100%暫載率和完備的數(shù)控接口、弧壓接口、遙控接口，并提供全套的接口附件，從而實現(xiàn)與數(shù)控系統(tǒng)的緊密結合。

    二、國外發(fā)展現(xiàn)狀

    國外數(shù)控切割機的生產(chǎn)廠家主要集中在德國、美國和日本。其主要廠家有德國的伊薩（ESAB）、梅塞爾（MESSER），日本的田中（TANAKA）、小池（KOIKE），美國的L-TEC、林德（LINDA）等。能夠代表zui高水平的廠家集中在德國，德國伊薩的數(shù)控切割機是當今世界上品種zui全，功能zui多，水平zui高，幾乎包括了所有非接觸式切割手段的數(shù)控切割機。其中NEC520連續(xù)軌跡控制器與RPC600（單臺或雙臺并聯(lián)）水射流式等離子系統(tǒng)配合可以切割130mm以下金屬板材；與HD3070精細等離子配合可對1～12mm金屬材料實施高速（7.6m/min）和高精度（接近激光切割下限）切割。

    上述配置代表了數(shù)控等離子切割機的zui高配置，其主要特點如下：

    （1）自動化切割即等離子切割的全部過程（如初始定位、引弧、穿孔、切割、調(diào)高、升降水等）均在數(shù)控指揮下完成，并可通過編程來修改其參數(shù)。

    （2）多功能即通過加掛不同附件增加數(shù)控機床的柔性，為下道工序提供定位、焊接、儲存基礎。例如打標記功能可提供安裝和定位基準。等離子切割可進行X、V、Y和K形等坡口加工，且不僅可完成直線坡口還可完成曲線、圓弧形坡口，為焊接提供方便。

    （3）水下切割可有效地減小鋼板熱變形，充分抑制塵粉、弧光、噪聲和飛濺。

    美國海寶公司的等離子系統(tǒng)代表著當今世界等離子系統(tǒng)的zui高水平，其產(chǎn)品規(guī)格覆蓋從普通等離子、水射流式等離子直至精細等離子等所有熱切割用等離子系統(tǒng)。普通等離子電源輸出電流為20～200A，切割厚度可達50mm以下；水射流式等離子電源輸出電流zui高可達1000A，切割厚度可達130mm以下；精細等離子電源輸出電流zui高可達100A，切割厚度可達12mm以下，其中精細等離子割縫寬0.65～0.75mm，與數(shù)控切割機配合可達±0.2mm的切割精度。
 

　　我國數(shù)控切割機每年市場需求量約在400~500臺之間，產(chǎn)品主要以數(shù)控等離子切割機為主。相較而言，仿形切割機每年銷售幾千臺，半自動切割機每年銷售達上萬臺。由此可見，我國數(shù)控切割市場，尤其是數(shù)控等離子切割市場的發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮摹?/p>

1.1 等離子切割種類介紹

　　a．普通等離子弧切割。根據(jù)所使用的主要工作氣體，主要分為氬等離子弧切割、氧等離子弧切割。氧等離子弧切割和空氣等離子弧切割等幾類。切割電流一般在100 A以下，切割厚度小于 30 mm。

　　b．再約束等離子弧切割。根據(jù)等離子弧的再約束方式，主要分為水再壓縮等離子弧切割、磁場再約束等離子弧切割等。由于等離子弧受到再次壓縮，其電流密度、切割弧的能量進一步集中，從而提高了切割速度和加工質(zhì)量。

　　c．精細等離子弧切割。等離子弧電流密度很高，通常是普通等離子弧電流密度的數(shù)倍，由于引進了諸如旋轉磁場等技術，其電弧的穩(wěn)定性也得以提高，因此，其切割精度相當高。國外的精細等離子切割表面質(zhì)量已達激光切割的下限，而其成本只有激光切割的三分之一。

1.2 等離子切割電源

　　原先在我國應用較多的高漏抗變壓器加二次側整流式的切割機電源已逐漸被逆變式等離子切割電源所代替，其原理如圖1所示。國產(chǎn)等離子電源大多用于手工切割和配在小車切割機上，近年來由于性能有所改善，因此也逐步配用于數(shù)控切割機，但仍需進一步提高。

1.3 數(shù)控技術的現(xiàn)狀與發(fā)展

　　計算機技術的飛速發(fā)展推動了數(shù)控技術的更新?lián)Q代，而這也日益完善了數(shù)控等離子切割的高精、高速、功能。代表*水平的歐洲、美國、日本的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商利用工控機豐富的軟硬件資源開發(fā)的新一代數(shù)控系統(tǒng)具有開放式體系結構，即數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向zui終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次產(chǎn)品的開發(fā)。

開放式體系結構使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，并向智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。

目前，開放系統(tǒng)具體有2種基本結構：

　　a．CNC+工控機主板。將一塊工控機主板插入傳統(tǒng)的CNC機器中，工控板主要用作實時控制，CNC主要用作以坐標軸運動為主的實時控制。

　　b．工控機+運動控制板。將運動控制板插入工控機的標準插槽中作實時控制用，而工控機主要作非實時控制。

　　我國生產(chǎn)的數(shù)控等離子切割機的數(shù)控系統(tǒng)多是在引進國外數(shù)控技術的基礎上，加以自主開發(fā)而成，并逐步形成了更能適應國內(nèi)用戶的數(shù)控系統(tǒng)。總體來說，在數(shù)控系統(tǒng)方面具備了國外同類系統(tǒng)的基本功能，但與*的數(shù)控系統(tǒng)相比，在錯誤記錄、網(wǎng)絡化生產(chǎn)、全自動生產(chǎn)等方面還存在較大差距。

1.4 數(shù)控等離子切割系統(tǒng)的抗干擾措施

　　切割電源具有強烈的電磁干擾，這就要求計算機控制系統(tǒng)必須具有很高的抗*力，既能抵抗等離子引弧時的高頻干擾，也能抵抗工作時大電流等離子弧的干擾，還能抵抗工作現(xiàn)場的其他干擾源。經(jīng)過抗干擾設計，改善了數(shù)控等離子切割系統(tǒng)的可靠性，其故障率也降低。

2、國內(nèi)外數(shù)控等離子切割現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

　　國外數(shù)控切割機的生產(chǎn)廠家主要集中在德國、美國和日本。從機械結構上看，其發(fā)展經(jīng)歷了十字架型（輕型）、門型（小型）、龍門型（大型）3個階段，相應的型號種類繁多。能夠代表zui高水平的廠家主要集中在德國，如德國ESAB公司的精細等離子切割機的切割精度已達激光切割下限，目前，國外已有廠家在龍門式切割機上安裝一個切割機械手，開發(fā)出五軸控制系統(tǒng)的龍門式切割工具，該系統(tǒng)可以在空間切割出各種軌跡，利用特殊的跟蹤探頭，在切割過程中控制切割運行軌跡。相比之下，國內(nèi)雖然十字架型、門型、龍門型都有所生產(chǎn)，但廣度不夠，生產(chǎn)廠家產(chǎn)品型號較為單一，尚無龍門式型材切割機產(chǎn)品。

　　近幾年來，由于對切割質(zhì)量、勞動環(huán)境等的要求越來越高，國外的大型水下等離子切割法、精細等離子切割法等*等離子切割技術得到較快發(fā)展，其相應產(chǎn)品在我國的市場需求量也逐年上升。在我國的等離子切割設備生產(chǎn)行業(yè)中，由于缺乏等離子切割理論研究與生產(chǎn)實踐相轉換的機制，因此新技術運用不廣、新產(chǎn)品開發(fā)速度不快，制約了等離子切割技術的進一步發(fā)展和運用。

　　可以預見，我國的數(shù)控切割機的市場需求仍將以數(shù)控等離子切割機為主。與此同時，國外廣泛應用的大型水下等離子切割、精細等離子切割等*切割設備在我國的市場需求量呈逐年上升趨勢。從國外數(shù)控等離子切割行業(yè)發(fā)展的趨勢來看，智能化精密切割將成為切割行業(yè)今后發(fā)展的方向。

3、結論

　　我國鋼產(chǎn)量早已達億噸級，再加上制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，這必將促進國內(nèi)的良性發(fā)展。總體來說，我國數(shù)控等離子切割在基本功能上已達到國外同類產(chǎn)品水平，但要*達到或超過國外水平還有很長的路要走。國內(nèi)各企業(yè)、科研單位應加大科研力度，重視企業(yè)間的橫向合作，形成優(yōu)勢互補，并在以下方面爭取進一步提高：

　　a．應加強等離子理論研究與生產(chǎn)的相關轉換； b．等離子電源應進一步提高穩(wěn)定性； c．積極開發(fā)適合我國國情、經(jīng)濟可靠的數(shù)控等離子切割設備； d．人機對話界面友好，適合切割下料工人操作； e．網(wǎng)絡互聯(lián)功能。