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等离子切割数控技术及其智能化 |
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作者：维克多科技(中国)公司 DIRK ott |
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在工业生产中，金属热切割主要有火焰切割、等离子切割、激光切割等。其中等离子切割与火焰切割相比，其切割范围更广、效率更高。而高精度等离子切割技术在材料的切割表面质量方面已接近了激光切割的质量，但成本却远低于激光切割。因此，等离子切割技术自20世纪50年代中期在美国研制成功以来得到迅速发展。
1 现代等离子切割技术的发展
1.1 20世纪50年代的传统等离子切割
自20世纪50年代中期等离子弧工艺以来，相当多的研究曾致力于增加弧压缩而不产生双弧。那个时期应用的等离子弧切割现在称为“传统等离子切割”。如果用户正在切割多种类的和不同板厚的金属，传统等离子切割会很繁琐。例如，使用传统等离子工艺切割不锈钢和铝，需要使用不同的气体和气体流量以求在上述两种金属上都获得最佳切割质量。虽然传统等离子切割从20世纪50年代到20世纪90年代居主导地位，但这种工艺常常需要非常昂贵的氩氢混合气体。
1.2 20世纪60年代的双气流技术
双气流技术是在20世纪60年代发明的，它在等离子喷嘴周围增加了另一种保护气体。通常，在双气流操作中，切割气或叫等离子气是氮气或氩氢混合气，而保护气是按照所切割的金属而选择的，使用的典型保护气切割低碳钢时用空气，切割不锈钢时用CO2，而切割铝时用氩氢混合气。这种技术在切割碳钢时切割速度要比火焰切割快。该方法的主要优点是喷嘴可以被隐藏在陶瓷气罩或保护罩内，阻止喷嘴和工件接触，减少了“双弧”发生的趋势，保护气覆盖了切割区域，改进了切割质量和切割速度，还能冷却喷嘴和护罩。
空气等离子切割是在20世纪60年代早期引入用于切割碳钢的。空气中的氧气与熔化钢板的放热反应可以提供额外的能量。
1.3 20世纪70、80年代氧气等离子切割
20世纪70年代早期，发现了一种工业可利用的铪和锆，它能抗拒在氧气等离子弧切割中因高温而导致的电极材料快速烧损。氧气作为一种等离子气体引起了人们极大兴趣。之后氧气作为等离子气体成为可能，氧气等离子应用于碳钢切割成为等离子弧切割技术的最新发展。氧气等离子切割满足了大范围、无挂渣、高切割速度切割所需要的条件，在较低电流水平操作时，大幅提高切割速度，并且产生光滑、方正和更柔软的切口边缘。这种切口边缘更容易进行弯曲或焊接加工。所有钢板，包括高硬度低合金钢在内，用这种新技术都可以实现基本无挂渣切割。
1.4 现代高精度等离子切割及其智能化发展
20世纪90年代初，“精细等离子”概念进入市场，首次挑战了激光市场。激光切割因其具有在保护准确的精度的同时产生高质量切口的能力，在金属切割工业是等离子切割的一个重要的竞争对手。等离子设备的制造商们加大了其在设计方面的努力，以求进一步提高其设备的切割质量。通过极大地缩小喷嘴孔尺寸而产生极度压缩弧，等离子切割获得了与激光产品竞争所需的高能量密度。精细等离子系统已经成为金属切割工业中与激光相竞争的先进的等离子产品。
2 等离子切割分类及其应用
根据等离子切割等离体形成介质、割矩内部冷却方式和切割质量的不同，在此将等离子切割方法分为三种：空气等离子切割、传统等离子切割，高精度等离子切割。
2.1 空气等离子切割
空气等离子切割方法使用的介质是最普通的空气。它一般用来切割质量要求较低的碳钢。空气等离子切割只有空气／空气组合方式，可用于切割所有导电金属。大多数系统的额定电流为100—120 A。空气等离子自动切割系统的最佳切割厚度通常为15 mm，切割质量可达IS09013四级甚至五级标准(见表1)。随着技术的发展，用于空气等离子切割工艺的易损件寿命显著延长。空气等离子切割系统只有气冷方式。
2.2 传统等离子切割
传统等离子切割(见图1)一般使用同一种气体(通常是空气、氮气或氩氢混合气)来冷却和产生等离子弧。一般用空气切割碳钢，用其他气体切割有色金属，切割工艺可使用多种气体组合。
图1 传统等离子切割工艺示意
传统等离子切割碳钢可达15 mm，而切割不锈钢则可达160 mm，切割质量可达到IS09013四级甚至五级标准(见表1)，主要用于手持切割和普通等离子切割场合。大部分使用水冷方式，在新的技术的支持下易损件寿命显著延长。
2.3 高精度等离子切割
高精度等离子切割(见图2)的等离子弧电流密度很高，它是普通等离子弧电流密度的数倍，电弧稳定性高。目前高精度等离子切割表面质量已达激光切割的下限，切割质量可达IS09013二级甚至三级(见表1)标准，而其成本只有激光切割的1／3。在切割薄于16 mm的板材时可以获得极佳的切割质量。质量的提升源自采用最新技术来非常有效地压缩电弧，从而极大提高能量密度。之所以要求以较低的速度运行是为了让运动设备能够更精确地沿着指定的轮廓行进。此工艺仅用于机用切割场合。
图2 高精度等离子切割工艺示意
高精度等离子切割使用双气流(dual gas)技术。等离子氩气一氢气切割方法利用易电离氩气和导热性能好的氢气作为工作气体，两者的结合能形成稳定、能量密度高的弧柱和切割能力强的等离子束。但由于价格较为昂贵，所以一般用于对切口质量要求较高的不锈钢和铝的切割。等离子氧气切割由于工作介质是离解热高、携热性好、化学性质活泼的氧气，因而具有切割速度快、工件变形小等特点。最新的技术应用使电极寿命显著增长。
水雾保护(water Mist Secondary)等离子切割(见图3)是从双气流工艺演化而来，使用水代替保护气。在切割不锈钢和铝材时可以获得更好的切割质量，尤其是10 mm以下不锈钢和铝板材。此工艺仅用于机用切割场合。由于使用水作为保护气体，切割成本较之氮气／氩氢混合气工艺大大降低。
图3 水雾保护等离子切割工艺示意图
3 现代等离子切割系统中所使用的核心部件的应用和发展
等离子切割系统由电源、气体控制箱、割枪和CNC控制装置组成(见图4)。在此分别介绍各个部件的特点和发展。
图4 等离子切割系统主要部件构成
3.1 等离子电源系统
等离子电源是根据等离子弧产生原理来设计。等离子电源以压缩空气为工作气体，以高温高速的等离子弧为热源，将被切割的金属局部熔化，并同时用高速气流将已熔化的金属吹走，形成狭窄的割缝，从而达到切割的目的。
近年来等离子电源技术得到快速发展，逆变技术创新性的应用在等离子电源上。功率因数校正(PFC)技术的应用大大提高了逆变电源的效率(逆变器主转换技术)，变压器电源效率也有所提高(斩波器次转换技术)。新技术的应用使新一代电源的功耗降低20％。所有的这些都使生产效率大大提高，并节约了成本。由于逆变技术在等离子电源上的使用，等离子切割电源的重量减轻达50％。串行输入辟俞出信号连接技术实现等离子电源与CNC控制系统和气体控制之间无限沟通，系统的整体效率大大提高。通过微处理器控制，故障解决更加简单便捷。微处理器控制设备可实时提供详细操作信息。在高度集成的等离子切割系统中，此信息可以直接显示在CNC控制系统中，方便使用者准确实时了解当前系统运行状况。
3.2 割炬与易损件
割炬是产生等离子弧并进行切割的关键部位。120 A以下的割矩多采用风冷结构，120 A以上多采用水冷结构广般割炬电极采用间接水冷式钨极，工作气体可使用氧气、氮气、空气或氩氢混合气，而保护气体可用氧气、氮气、氩气或水，可切割厚度为100 mm以下的不锈钢、铝、铸铁和铜合金，性能较为良好。现代割炬具有更强的穿孔能力，所产生的高密度电弧大大改善切割质量，实现小割缝、平整切口、材料变形小的效果。新的快速卡座技术使易损件更换便捷并达到历史上最短时间，大大缩短因为更换易损件引起的停机时间。
随着等离子切割技术的发展，易损件的寿命得到极大延长(见图6)。长寿命需要对割炬的流量控制和电源输出的精细控制。例如，现有新型300 A／400 A电极带有多个铪嵌人物(见图7)，有助于在较高电流下延长部件使用寿命。新型双片式喷嘴(见图8)可以持续对孔道整体进行冷却，以确保在整个易损件的使用周期内都可以获得最佳切割质量。
3.3 高度调节控制
高度调节控制是利用等离子电源的基本恒流特性，通过检测等离子弧电压的变化来测定等离子切割过程的割炬高度变化，实现对切割割炬的高度控制。通常具有的基本功能有：初始自动定位、开机穿孔与断弧提升功能、割炬防撞、给定与实际弧压显示监控、手动与自动操作等。
目前，高度调节控制的一大改进(见图9)就是通过更精确的电压控制实现最优的切割质量，电压控制精度提高到±0.5 V。CNC控制系统中的智能逻辑不仅节约时间，并改善性能。智能化工艺参数提高割炬的再次穿孔能力(即割炬穿孔后再次升高)。通过使用更强电机，实现更迅捷的行走控制。在高度集成的系统中，通过使用更强电机，实现更迅捷的行走控制。在高度集成的系统中，通过CNC内置专家系统使高度调节控制更为便捷快速。
图9 高度调节控制实物
3.4 CNC控制系统
为了实现高速、高精度曲面轮廓精加工，必须提高微小轮廓线段的解释处理能力和伺服驱动性能。现代CNC系统已具有足够高的数据处理速度，精确控制切割台行走轨迹，确保高精度、可重复性、速度以及加速，从而达到最优的切割质量。现代CNC控制系统已具备以下技术特点：
(1)自适应控制技术。
数控系统能检测对自己有影响的信息，并自动连续调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。
(2)专家系统技术。
将专家的经验和切削加工的一般规律和特殊规律整理存人计算机，以加工工艺数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统，模仿人类专家的推理过程提供优化的切削参数，使加工系统始终处于最优和最经济的工作状态，从而提高编程效率和降低对操作人员的技术要求，大大缩短准备时间，同时轻松实现精细圆孔一键切割。
(3)故障自诊断技术。
故障诊断专家系统是诊断装置发展的最新动向，它为数控设备提供了一个包括二次监测、故障诊断、安全保障和经济策略等方面在内的智能诊断及维护决策信息集成系统。
(4)强大的软件集成。软件系统可直接从标准(DxF)CAD图纸创建高效的切割程序。它可以在任何Windows木操作系统环境下运行，并可以EIA／ESSI编码为任何CNC系统创建切割程序。
4 结论
等离子切割技术经过了半个多世纪的发展已经日趋成熟，各个核心组件不仅可以独立增配，而且具备相当成熟的相互兼容整合的能力和能够无缝配合，以确保彼此之间的实时协调。随着计算机及数字控制技术的迅速发展，数控切割也得以蓬勃发展，并在改善加工精度、节约材料、提高劳动生产率等方面显示出巨大优势。CNC控制系统的应用成为现代等离子切割走向智能化的重要标志，他的成熟应用为行业提供最为智能化的高精度切割解决方案，使超强切割成为可能，智能化成为等离子切割技术发展的主要方向之一。(end)
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(12/11/2013) |
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