數(shù)控等離子切割技術(shù)

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(xì)等離子切割技術(shù)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(yuǎn)低于激光切割。因此，等離子切割自20世紀(jì)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(jī)及數(shù)字控制技術(shù)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(shù)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(shù)發(fā)展的主要方向之一。數(shù)控等離子切割技術(shù)是集數(shù)控技術(shù)、等離子切割技術(shù)、逆變電源技術(shù)等于一體的高新技術(shù)，它的發(fā)展建立在計算機(jī)控制、等離子弧特性研究、電力電子等學(xué)科共同進(jìn)步基礎(chǔ)之上。我國的數(shù)控切割技術(shù)起步于20世紀(jì)80年代，而數(shù)控等離子切割技術(shù)起步更晚。但近年來，國內(nèi)一些高校、科研單位、制造廠商對數(shù)控等離子切割技術(shù)進(jìn)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(shè)備，縮小了與國外先進(jìn)技術(shù)的差距。

　　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(yīng)用最為普遍的是火焰切割和等離子切割，所用的設(shè)備包括手工下料、仿形機(jī)下料、半自動切割機(jī)下料及數(shù)控切割機(jī)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，并且不需要專用配套下料設(shè)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(jī)下料，雖可大大提高下料工件的質(zhì)量，但必須預(yù)先加工與工件相適應(yīng)的靠模，不適于單件、小批量和大工件下料。半自動切割機(jī)雖然降低了工人勞動強(qiáng)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(shè)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。

　　隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)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(rèn)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(jìn)，而且改善了工人的勞動環(huán)境，勞動效率進(jìn)一步提高。目前，我國金屬加工行業(yè)使用的數(shù)控切割機(jī)是以火焰和普通等離子切割機(jī)為主，但純火焰切割，已不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，而目前市場需求的數(shù)控切割機(jī)多為數(shù)控等離子切割機(jī)，該類切割機(jī)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(dá)國家金屬加工行業(yè)90%為數(shù)控切割機(jī)下料，僅10%為手工下料；而我國數(shù)控切割機(jī)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(shè)備成本、復(fù)雜和維護(hù)和操作制約了數(shù)控切割在我國的進(jìn)一步普及。因此國內(nèi)數(shù)控切割機(jī)生產(chǎn)廠家引進(jìn)了國外控制系統(tǒng)技術(shù)，經(jīng)過二次開發(fā)后運用到了切割領(lǐng)域中，設(shè)計出了適合我國國情的數(shù)控切割機(jī)。某些廠家開發(fā)生產(chǎn)的專用數(shù)控切割設(shè)備，在技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到或超過了國外同類產(chǎn)品。

　　我國數(shù)控切割機(jī)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(jī)為主。相較而言，仿形切割機(jī)每年銷售幾千臺，半自動切割機(jī)每年銷售達(dá)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?br>
　　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(jìn)一步集中，從而提高了切割速度和加工質(zhì)量。
　　c．精細(xì)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(jìn)了諸如旋轉(zhuǎn)磁場等技術(shù)，其電弧的穩(wěn)定性也得以提高，因此，其切割精度相當(dāng)高。國外的精細(xì)等離子切割表面質(zhì)量已達(dá)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(yīng)用較多的高漏抗變壓器加二次側(cè)整流式的切割機(jī)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(jī)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(jī)，但仍需進(jìn)一步提高。

　　1.3 數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

　　計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動了數(shù)控技術(shù)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、高效功能。代表世界先進(jìn)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(jī)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(jié)構(gòu)，即數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)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(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

　　目前，開放系統(tǒng)具體有2種基本結(jié)構(gòu)：

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

　　b．工控機(jī)+運動控制板。將運動控制板插入工控機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)插槽中作實時控制用，而工控機(jī)主要作非實時控制。

　　我國生產(chǎn)的數(shù)控等離子切割機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)多是在引進(jìn)國外數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，加以自主開發(fā)而成，并逐步形成了更能適應(yīng)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，但與國外先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)相比，在錯誤記錄、網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)烈的電磁干擾，這就要求計算機(jī)控制系統(tǒng)必須具有很高的抗干擾能力，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(shè)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(jī)的生產(chǎn)廠家主要集中在德國、美國和日本。從機(jī)械結(jié)構(gòu)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(yīng)的型號種類繁多。能夠代表數(shù)控等離子切割技術(shù)最高水平的廠家主要集中在德國，如德國ESAB公司的精細(xì)等離子切割機(jī)的切割精度已達(dá)激光切割下限，目前，國外已有廠家在龍門式切割機(jī)上安裝一個專用切割機(jī)械手，開發(fā)出五軸控制系統(tǒng)的龍門式專用切割工具，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，尚無龍門式專用型材切割機(jī)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(xì)等離子切割法等先進(jìn)等離子切割技術(shù)得到較快發(fā)展，其相應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)換的機(jī)制，因此新技術(shù)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(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和運用。

　　可以預(yù)見，我國的數(shù)控切割機(jī)的市場需求仍將以數(shù)控等離子切割機(jī)為主。與此同時，國外廣泛應(yīng)用的大型水下等離子切割、精細(xì)等離子切割等先進(jìn)切割設(shè)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(jié)論

　　我國鋼產(chǎn)量早已達(dá)億噸級，再加上制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，這必將促進(jìn)國內(nèi)數(shù)控等離子切割技術(shù)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(dá)到國外同類產(chǎn)品水平，但要完全達(dá)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(yīng)加大科研力度，重視企業(yè)間的橫向合作，形成優(yōu)勢互補(bǔ)，并在以下方面爭取進(jìn)一步提高：

　　a．應(yīng)加強(qiáng)等離子理論研究與生產(chǎn)的相關(guān)轉(zhuǎn)換；
　　b．等離子電源應(yīng)進(jìn)一步提高穩(wěn)定性；
　　c．積極開發(fā)適合我國國情、經(jīng)濟(jì)可靠的數(shù)控等離子切割設(shè)備；
　　d．人機(jī)對話界面友好，適合切割下料工人操作；
　　e．網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能。