等離子切割數控技術智能化發展

　　工控摘要：在工業生產中，金屬熱切割主要有火焰切割、等離子切割、激光切割等。其中等離子切割與火焰切割相比，其切割范圍更廣、效率更高。
　　
　　高精度等離子切割技術在材料的切割表面質量方面已接近了激光切割的質量，但成本卻遠低于激光切割。因此，等離子切割技術自20世紀50年代中期在美國研制成功以來得到迅速發展。
　　
　　1現代等離子切割技術的發展
　　
　　1.120世紀50年代的傳統等離子切割
　　
　　自20世紀50年代中期等離子弧工藝以來，相當多的研究曾致力于增加弧壓縮而不產生雙弧。那個時期應用的等離子弧切割現在稱為“傳統等離子切割”。如果用戶正在切割多種類的和不同板厚的金屬，傳統等離子切割會很繁瑣。例如，使用傳統等離子工藝切割不銹鋼和鋁，需要使用不同的氣體和氣體流量以求在上述兩種金屬上都獲得*切割質量。雖然傳統等離子切割從20世紀50年代到20世紀90年代居主導地位，但這種工藝常常需要非常昂貴的氬氫混合氣體。
　　
　　1.220世紀60年代的雙氣流技術
　　
　　雙氣流技術是在20世紀60年代發明的，它在等離子噴嘴周圍增加了另一種保護氣體。通常，在雙氣流操作中，切割氣或叫等離子氣是氮氣或氬氫混合氣，而保護氣是按照所切割的金屬而選擇的，使用的典型保護氣切割低碳鋼時用空氣，切割不銹鋼時用CO2，而切割鋁時用氬氫混合氣。這種技術在切割碳鋼時切割速度要比火焰切割快。該方法的主要優點是噴嘴可以被隱藏在陶瓷氣罩或保護罩內，阻止噴嘴和工件接觸，減少了“雙弧”發生的趨勢，保護氣覆蓋了切割區域，改進了切割質量和切割速度，還能冷卻噴嘴和護罩。
　　
　　空氣等離子切割是在20世紀60年代早期引入用于切割碳鋼的。空氣中的氧氣與熔化鋼板的放熱反應可以提供額外的能量。
　　
　　1.320世紀70、80年代氧氣等離子切割
　　
　　20世紀70年代早期，發現了一種工業可利用的鉿和鋯，它能抗拒在氧氣等離子弧切割中因高溫而導致的電極材料快速燒損。氧氣作為一種等離子氣體引起了人們極大興趣。之后氧氣作為等離子氣體成為可能，氧氣等離子應用于碳鋼切割成為等離子弧切割技術的發展。氧氣等離子切割滿足了大范圍、無掛渣、高切割速度切割所需要的條件，在較低電流水平操作時，大幅提高切割速度，并且產生光滑、方正和更柔軟的切口邊緣。這種切口邊緣更容易進行彎曲或焊接加工。所有鋼板，包括高硬度低合金鋼在內，用這種新技術都可以實現基本無掛渣切割。
　　
　　1.4現代高精度等離子切割及其智能化發展
　　
　　20世紀90年代初，“精細等離子”概念進入市場，挑戰了激光市場。激光切割因其具有在保護準確的精度的同時產生高質量切口的能力，在金屬切割工業是等離子切割的一個重要的競爭對手。等離子設備的制造商們加大了其在設計方面的努力，以求進一步提高其設備的切割質量。通過極大地縮小噴嘴孔尺寸而產生極度壓縮弧，等離子切割獲得了與激光產品競爭所需的高能量密度。精細等離子系統已經成為金屬切割工業中與激光相競爭的*的等離子產品。
　　
　　2等離子切割分類及其應用
　　
　　根據等離子切割等離體形成介質、割矩內部冷卻方式和切割質量的不同，在此將等離子切割方法分為三種：空氣等離子切割、傳統等離子切割，高精度等離子切割。
　　
　　2.1空氣等離子切割
　　
　　空氣等離子切割方法使用的介質是zui普通的空氣。它一般用來切割質量要求較低的碳鋼。空氣等離子切割只有空氣／空氣組合方式，可用于切割所有導電金屬。大多數系統的額定電流為100—120A。空氣等離子自動切割系統的*切割厚度通常為15mm，切割質量可達IS09013四級甚至五級標準（見表1）。隨著技術的發展，用于空氣等離子切割工藝的易損件壽命顯著延長。空氣等離子切割系統只有氣冷方式。
　　
　　2.2傳統等離子切割
　　
　　傳統等離子切割（見圖1）一般使用同一種氣體（通常是空氣、氮氣或氬氫混合氣）來冷卻和產生等離子弧。一般用空氣切割碳鋼，用其他氣體切割有色金屬，切割工藝可使用多種氣體組合。
　　
　　傳統等離子切割碳鋼可達15mm，而切割不銹鋼則可達160mm，切割質量可達到IS09013四級甚至五級標準（見表1），主要用于手持切割和普通等離子切割場合。大部分使用水冷方式，在新的技術的支持下易損件壽命顯著延長。
　　
　　2.3高精度等離子切割
　　
　　高精度等離子切割（見圖2）的等離子弧電流密度很高，它是普通等離子弧電流密度的數倍，電弧穩定性高。目前高精度等離子切割表面質量已達激光切割的下限，切割質量可達IS09013二級甚至三級（見表1）標準，而其成本只有激光切割的1／3。在切割薄于16mm的板材時可以獲得的切割質量。質量的提升源自采用技術來非常有效地壓縮電弧，從而極大提高能量密度。之所以要求以較低的速度運行是為了讓運動設備能夠更地沿著的輪廓行進。此工藝僅用于機用切割場合。
　　
　　高精度等離子切割使用雙氣流（dualgas）技術。等離子氬氣一氫氣切割方法利用易電離氬氣和導熱性能好的氫氣作為工作氣體，兩者的結合能形成穩定、能量密度高的弧柱和切割能力強的等離子束。但由于價格較為昂貴，所以一般用于對切口質量要求較高的不銹鋼和鋁的切割。等離子氧氣切割由于工作介質是離解熱高、攜熱性好、化學性質活潑的氧氣，因而具有切割速度快、工件變形小等特點。的技術應用使電極壽命顯著增長。
　　
　　水霧保護（waterMistSecondary）等離子切割（見圖3）是從雙氣流工藝演化而來，使用水代替保護氣。在切割不銹鋼和鋁材時可以獲得更好的切割質量，尤其是10mm以下不銹鋼和鋁板材。此工藝僅用于機用切割場合。由于使用水作為保護氣體，切割成本較之氮氣／氬氫混合氣工藝大大降低。
　　
　　3現代等離子切割系統中所使用的核心部件的應用和發展
　　
　　等離子切割系統由電源、氣體控制箱、割槍和CNC控制裝置組成（見圖4）。在此分別介紹各個部件的特點和發展。
　　
　　3.1等離子電源系統
　　
　　等離子電源是根據等離子弧產生原理來設計。等離子電源以壓縮空氣為工作氣體，以高溫高速的等離子弧為熱源，將被切割的金屬局部熔化，并同時用高速氣流將已熔化的金屬吹走，形成狹窄的割縫，從而達到切割的目的。
　　
　　近年來等離子電源技術得到快速發展，逆變技術創新性的應用在等離子電源上。功率因數校正（PFC）技術的應用大大提高了逆變電源的效率（逆變器主轉換技術），變壓器電源效率也有所提高（斬波器次轉換技術）。新技術的應用使新一代電源的功耗降低20％。所有的這些都使生產效率大大提高，并節約了成本。由于逆變技術在等離子電源上的使用，等離子切割電源的重量減輕達50％。串行輸入辟俞出信號連接技術實現等離子電源與CNC控制系統和氣體控制之間無限溝通，系統的整體效率大大提高。通過微處理器控制，故障解決更加簡單便捷。微處理器控制設備可實時提供詳細操作信息。在高度集成的等離子切割系統中，此信息可以直接顯示在CNC控制系統中，方便使用者準確實時了解當前系統運行狀況。
　　
　　3.2割炬與易損件
　　
　　割炬是產生等離子弧并進行切割的關鍵部位。120A以下的割矩多采用風冷結構，120A以上多采用水冷結構廣般割炬電極采用間接水冷式鎢極，工作氣體可使用氧氣、氮氣、空氣或氬氫混合氣，而保護氣體可用氧氣、氮氣、氬氣或水，可切割厚度為100mm以下的不銹鋼、鋁、鑄鐵和銅合金，性能較為良好。現代割炬具有更強的穿孔能力，所產生的高密度電弧大大改善切割質量，實現小割縫、平整切口、材料變形小的效果。新的快速卡座技術使易損件更換便捷并達到歷*zui短時間，大大縮短因為更換易損件引起的停機時間。
　　
　　隨著等離子切割技術的發展，易損件的壽命得到極大延長（見圖6）。長壽命需要對割炬的流量控制和電源輸出的精細控制。例如，現有新型300A／400A電極帶有多個鉿嵌人物（見圖7），有助于在較高電流下延長部件使用壽命。新型雙片式噴嘴（見圖8）可以持續對孔道整體進行冷卻，以確保在整個易損件的使用周期內都可以獲得*切割質量。
　　
　　3.3高度調節控制
　　
　　高度調節控制是利用等離子電源的基本恒流特性，通過檢測等離子弧電壓的變化來測定等離子切割過程的割炬高度變化，實現對切割割炬的高度控制。通常具有的基本功能有：初始自動定位、開機穿孔與斷弧提升功能、割炬防撞、給定與實際弧壓顯示監控、手動與自動操作等。
　　
　　目前，高度調節控制的一大改進（見圖9）就是通過更的電壓控制實現*的切割質量，電壓控制精度提高到±0.5V。CNC控制系統中的智能邏輯不僅節約時間，并改善性能。智能化工藝參數提高割炬的再次穿孔能力（即割炬穿孔后再次升高）。通過使用更強電機，實現更迅捷的行走控制。在高度集成的系統中，通過使用更強電機，實現更迅捷的行走控制。在高度集成的系統中，通過CNC內置專家系統使高度調節控制更為便捷快速。
　　
　　3.4CNC控制系統
　　
　　為了實現高速、高精度曲面輪廓精加工，必須提高微小輪廓線段的解釋處理能力和伺服驅動性能。現代CNC系統已具有足夠高的數據處理速度，控制切割臺行走軌跡，確保高精度、可重復性、速度以及加速，從而達到*的切割質量。現代CNC控制系統已具備以下技術特點：
　　
　　（1）自適應控制技術。
　　
　　數控系統能檢測對自己有影響的信息，并自動連續調整系統的有關參數，達到改進系統運行狀態的目的。
　　
　　（2）專家系統技術。
　　
　　將專家的經驗和切削加工的一般規律和特殊規律整理存人計算機，以加工工藝數據庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統，模仿人類專家的推理過程提供優化的切削參數，使加工系統始終處于*和的工作狀態，從而提高編程效率和降低對操作人員的技術要求，大大縮短準備時間，同時輕松實現精細圓孔一鍵切割。
　　
　　（3）故障自診斷技術。
　　
　　故障診斷專家系統是診斷裝置發展的動向，它為數控設備提供了一個包括二次監測、故障診斷、安全保障和經濟策略等方面在內的智能診斷及維護決策信息集成系統。
　　
　　（4）強大的軟件集成。軟件系統可直接從標準（DxF）CAD圖紙創建的切割程序。它可以在任何Windows木操作系統環境下運行，并可以EIA／ESSI編碼為任何CNC系統創建切割程序。
　　
　　4結論
　　
　　等離子切割技術經過了半個多世紀的發展已經日趨成熟，各個核心組件不僅可以獨立增配，而且具備相當成熟的相互兼容整合的能力和能夠無縫配合，以確保彼此之間的實時協調。隨著計算機及數字控制技術的迅速發展，數控切割也得以蓬勃發展，并在改善加工精度、節約材料、提高勞動生產率等方面顯示出巨大優勢。CNC控制系統的應用成為現代等離子切割走向智能化的重要標志，他的成熟應用為行業提供zui為智能化的高精度切割解決方案，使*切割成為可能，智能化成為等離子切割技術發展的主要方向之一。