数控等离子在工程上的应用探讨

顾祝云

（七冶压力容器制造有限责任公司，贵州 贵阳550000）

0 引言

随着现今社会生产力发展的需要，工程的工期要求之短，工程质量要求之高，施工环境恶劣等客观因素的存在，降低施工人员的劳动强度和成本，增加可靠性，提高操作舒适性以及生产能力成为当务之急。加之机电类相关加工技术的发展，各类数控设备及其相关配套软件技术的成熟，现已能够实现简单的校正、诊断和刀具补偿等功能，从而使得数控火焰／等离子技术在工程上应用具有可行性。数控机床是机电一体化的典型产品，数控机床控制技术是集计算机及软件技术、自动控制技术、电子技术、自动检测技术、液压与气动技术和精密机械等技术为一体的多学科交叉的综合技术。随着科学技术的高速发展，机电一体化技术迅猛发展，数控机床在企业普遍应用，对生产线操作人员的知识和能力要求越来越高。这就需要我们在生产实践的同时对其进行研讨，为同行以及同类数控技术的开发提供参考依据。

1 数控等离子发展概述

数控技术简称数控（Numerical Control），采用数字控制的方法对某一工作过程实现控制。一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，具有运算方式、检测技术、传输技术、控制技术，从而实现人、机械设备、计算机三位一体。然而数控种类繁多，包括数控车床、数控铣床、加工中心、数控火焰、数控等离子、数控激光、数控电火花线切割等。工程的工期要求之短、工程质量要求之高、施工环境恶劣等客观因素的存在，加上降低施工人员的劳动强度和成本，增加可靠性，提高操作舒适性和生产能力等要求，以及工程上多是非标件，体积大、零件规格多、异形件多、尺寸误差和形位误差要求不高等，决定了数控等离子的发展和市场拓展。目前，美国海宝、德国凯尔贝、美国伊萨以及飞马特和凯博公司都在全力以赴地开发第三代标准化等离子平台系统，已经陆续推出。目前市场上数控等离子已经有了一个通用的平台，电源相互可以更换和升级，其他部件全部相同，如相同的远程起弧器、冷却液循环器、自动气体控制、数控系统和调高等。此外，数控等离子具有操作简单、编程方便、参数控制严格、二维模拟功能强、加工速度快等特点，因而在工程上被广泛应用。

2 数控等离子系统和割炬原理构造

数控系统由机架导轨、齿轮齿条、减速箱、伺服系统、气路系统、调高系统、割炬、冷却系统、主机、操作面板及其他相关部件组成。数控等离子由电源、气路、割炬部件组成，由于冷却方式的不同分为气冷式和水冷式。气路提供规定压力和流量的洁净空气，用于形成等离子弧，在气冷式数控等离子中冷却割炬和工件。割炬产生电弧并把电弧压缩成等离子弧，其由枪体、电极、分配器、喷嘴、保护套（杯）和O型环组成。

3 工程应用的可行性

在现代数控系统中还引进了自适应控制技术，以便于检测对自己有影响的信息，自动连续调整系统参数，对变化了的加工环境及时作出反应。数控经多年发展，呈高速、高精、高效化、柔性化发展趋势。数控系统采用了模块化设计，功能覆盖面大，具备了用户界面图形化、科学计算可视化、插补和补偿方式多样化以及简化编程、简化操作方面的智能化等特点。例如，加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成，多种切割路线，预处理能力强，可进行各种复杂几何形状的控制，在高精度情况下实现高速进给；具有两维图形模拟功能，使编程人员能观察到编程的不足，使加工操作者对零件形状及加工状态能很清楚的了解。

对于数控等离子的切割路线、预处理功能的实际运用，下面以FASTCAM软件运用为例，从重庆京宏源实业有限公司年产20万t铝加工合金车间电解槽壳体制作中大面立板切割实例着手进行说明。预处理工艺和切割路径：依据设计院蓝图用CAD绘图（图1），根据经验公式算出变形量，将焊接以后变形量16mm采用预起拱方式对边线及内开孔的整体中心线以零件总长的中心为中用圆弧线替换，确定各内开孔的实际位置（图2）。切割时有2种方式：双枪切割（图2）和单枪切割（图3）。单枪切割时将从左向右采用返回的逆时针切割顺序进行切割，先开内孔后切割外轮廓，最后切割中间线。注意中间线（预起拱16mm）的补偿方式，若中间线在画图时与外轮廓相连接是外边界，两端与外边界不相连存在预留间隔属于内边界，补偿方式的不同在绘图时需要对零件尺寸进行修正。当中间线与外边界相连时，属于外边界，补偿方式为左补偿。在选用公共边切割方式时，此时将外边界短边据中间线的数值加大半个割缝值。单枪切割，中间线最后切割就是2个零件距中线的短边各加半个割缝值，长度方向单边各加半个割缝值。双枪预起拱，由于板宽3.1m，本工程数控的X轴有效切割为5.4m，在数控托架上无法放置2张板，采用双枪同时切割对于切割效率和工期有利，这就要求编程人员准备双枪切割大面立板的程序，只需人为控制2把枪距为短边的长度，做一个简单的定位模具即可。一切准备就绪后，输出程序，校验程序（图4、图5）。切割后测量出误差为＋1mm，达到图纸上控制误差±3mm要求。

图1 设计院蓝图

图2 双枪预起拱16 mm，CAD图形处理

图3 单枪预起拱16 mm，CAD图形处理

图4 双枪预起拱，FASTPLOT校验图形

图5 单枪预起拱，FASTPLOT校验图形

4 数控编程的研析

4.1 数据采集

每一个制造厂家制造精度、每一台数控设备的性能及选用配件的不同，产生的切割割缝不同，不同的板材选用的切割速度不同，选用的电流大小亦不同。在购买设备时要先试切割质量，在几何尺寸保证的情况下，观察零件外观质量，如切割的纹路、粗糙度等。安装完成后，需要确定的第一手资料是切割割缝大小，不同板材的切割速度和选用电流，不同切割方式的切割速度和电流，不同材质相同厚度板材的切割速度和电流，设备使用单位须采用试切割试验取样。割缝的大小是明确的数值，是后续编程人员在编程时的参数设置依据，而切割速度和切割电流是最佳范围值。

4.2 相关参数设置方法

4.2.1 引入线的长度设置

火焰切割的变形大，等离子切割变形小，原因在于瞬间局部受热面积不同，等离子切割板材时是等离子弧瞬间击穿钢板，击穿的同时会产生涡旋流，涡旋流的大小常见直径为5～8mm，为保证切割质量，在切割不损伤零件的情况下设置10mm长的引入线即可。然而火焰切割与等离子不同之处在于需要预热，达到切割温度后方可用切割焰融化钢板进行切割。不论是切割直线亦或切割曲线，切割速度在数控上都是给定的匀速运动。在人工调整切割速度后，速度确定，若是机器识别的是不同的速度，则设计者在设备上设计研制的人工调整功能无效，同时在理解切割速度时，要明确的是机器具有自适应控制能力，即保证匀速运动功能，否则速度在不断变化切割效果也会不同。为实现合理设计，可以不设引入线，采用延时功能，达到预热切割温度进而穿透钢板效果后采用借边切割，之后再进行机械动作。

4.2.2 参数等价法验证电极在穿孔和起弧情况下的差异性

大型数控设备的价格和配件的消耗成本很高，研究其配件的消耗对于降低消耗和控制成本势在必行。一般大型工程和常年需使用数控等离子设备的企业就要考虑电极的损耗由哪些因素造成。笔者综合实践结果，得出在使用数控等离子时，电极的消耗量为配件中最频繁的，给出以下计算方法。一般设备厂家在设备使用说明中给出电极的有效切割长度值D，这个等价值为我们建立等式创造了条件。同一切割速度的情况下，几个不同的电极其有效切割长度A1、A2，起弧数量B1、B2，穿孔数量C1、C2。设起弧等价的切割米数为x1、x2，穿孔等价的切割米数为y1，y2，则可以建立如下等式：A1＋B1x1＋C1y1＝D和A2＋B2x2＋C2y2＝D，解出x和y值，然后再用这些数据验证D值的正确性。不同制造厂家的电极使用寿命不一样，得出一数据值，用来验证其他厂家的配件（电极）的使用寿命，从而找出性价比最高的产品。

综合实际经验可以得出如下结论：穿孔对枪体相关配件损耗大，应减少穿孔，尽量起弧。

4.3 自动编程和手动编程软件应用的相关探讨

在保证材料最大使用率的情况下，穿孔的数量越少，切割速度越适中，电流大小选用越合理，对配件的损耗越小，但大多数情况下却忽略了操作者的难度，进而需要工程技术人员从严思考软件排料的正确性与合理性。

首先要理解的是数控的补偿方向、内边缘和外边缘这3个基本概念。下面以七冶重庆京宏源小面立板切割实例进行说明（图6），编程人员在排料时需要思考如下问题：

图6 七冶重庆京宏源小面立板切割实例

（1）排料时：多排料，少穿孔，多起弧。排料时，数控等离子在大多情况下多是切割多种零件，形状各异，同种规格同种材质零件，可以套料切割。不论是火焰切割还是等离子切割，切割效率低的主要原因是每个零件都要预热穿孔，逐个切割。火焰切割20%～30%的时间花费在预热穿孔上，耗时耗材，切割效率低，等离子切割10%～20%的时间花费在穿孔和更换电极和割嘴上，穿孔严重损耗割嘴电极，降低切割效率。减少穿孔，采用借边切割方式可以降低配件损耗。

（2）排序时：切割掉的零件不撞枪，空程少，最近路线走闭合，无掉落切割。很多野外施工，数控托架是施工单位自己制作的，零件切割后从板材掉落下来，板材掉落的方向与枪体运行的方向相同时易撞坏割炬。在托架制作间隔合理时不易撞枪。套料的情况下，采用最近路线走闭合减少空行程的时间，可以提高切割效率。同时，在指定切割顺序的时候，要注意不要在外部零件已经切割下来后再切割内部零件，这样会导致内部零件的尺寸发生变化和外部零件被伤到。

（3）输出调整：合理设置引入线长度，不伤零件。设置时注意不要伤到已切割和未切割零件，引入线长度不可过长。

（4）校验时：起弧点的正确选择，补偿方向的验证，引入线的验证（预防显示的错误）。在输出程序时，校验过程中要注意第一个起弧点，从不同的位置进入会导致后续的切割顺序不同。校验时可以明确确定之前设置的补偿方式和选用的切割方式的正确性。有时虽然设置了引入线，但是由于各方面的原因而在校验时可以看出是否设置成功，不成功需要重新设置。

此外，还应注意多用添加指令和排列指令，可以有效减少劳动强度。料中套料时，采用零件与外部零件内边缘引入线共边，或者是借助已切割割缝即借边切割（图7、图8）。用借边切割方式处理，少穿一次孔，多一次起弧，从而减小配件损耗。

图7 图6中圆孔位置放大图

图8 图6中椭圆孔位置放大图

5 结语

总之，数控等离子能够有效切割指定材质和厚度的材料，满足企业生产产品的切割要求；能够有效提高切割效率和切割质量，满足企业高效高质量切割生产的要求；能够有效提高钢材套料切割利用率，满足企业节省钢材耗材生产的要求。

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