數控等離子在工程上的應用探討

顧祝云

（七冶壓力容器制造有限責任公司，貴州 貴陽550000）

0 引言

隨著現今社會生產力發展的需要，工程的工期要求之短，工程質量要求之高，施工環境惡劣等客觀因素的存在，降低施工人員的勞動強度和成本，增加可靠性，提高操作舒適性以及生產能力成為當務之急。加之機電類相關加工技術的發展，各類數控設備及其相關配套軟件技術的成熟，現已能夠實現簡單的校正、診斷和刀具補償等功能，從而使得數控火焰／等離子技術在工程上應用具有可行性。數控機床是機電一體化的典型產品，數控機床控制技術是集計算機及軟件技術、自動控制技術、電子技術、自動檢測技術、液壓與氣動技術和精密機械等技術為一體的多學科交叉的綜合技術。隨著科學技術的高速發展，機電一體化技術迅猛發展，數控機床在企業普遍應用，對生產線操作人員的知識和能力要求越來越高。這就需要我們在生產實踐的同時對其進行研討，為同行以及同類數控技術的開發提供參考依據。

1 數控等離子發展概述

數控技術簡稱數控（Numerical Control），采用數字控制的方法對某一工作過程實現控制。一般是采用通用或專用計算機實現數字程序控制，具有運算方式、檢測技術、傳輸技術、控制技術，從而實現人、機械設備、計算機三位一體。然而數控種類繁多，包括數控車床、數控銑床、加工中心、數控火焰、數控等離子、數控激光、數控電火花線切割等。工程的工期要求之短、工程質量要求之高、施工環境惡劣等客觀因素的存在，加上降低施工人員的勞動強度和成本，增加可靠性，提高操作舒適性和生產能力等要求，以及工程上多是非標件，體積大、零件規格多、異形件多、尺寸誤差和形位誤差要求不高等，決定了數控等離子的發展和市場拓展。目前，美國海寶、德國凱爾貝、美國伊薩以及飛馬特和凱博公司都在全力以赴地開發第三代標準化等離子平臺系統，已經陸續推出。目前市場上數控等離子已經有了一個通用的平臺，電源相互可以更換和升級，其他部件全部相同，如相同的遠程起弧器、冷卻液循環器、自動氣體控制、數控系統和調高等。此外，數控等離子具有操作簡單、編程方便、參數控制嚴格、二維模擬功能強、加工速度快等特點，因而在工程上被廣泛應用。

2 數控等離子系統和割炬原理構造

數控系統由機架導軌、齒輪齒條、減速箱、伺服系統、氣路系統、調高系統、割炬、冷卻系統、主機、操作面板及其他相關部件組成。數控等離子由電源、氣路、割炬部件組成，由于冷卻方式的不同分為氣冷式和水冷式。氣路提供規定壓力和流量的潔凈空氣，用于形成等離子弧，在氣冷式數控等離子中冷卻割炬和工件。割炬產生電弧并把電弧壓縮成等離子弧，其由槍體、電極、分配器、噴嘴、保護套（杯）和O型環組成。

3 工程應用的可行性

在現代數控系統中還引進了自適應控制技術，以便于檢測對自己有影響的信息，自動連續調整系統參數，對變化了的加工環境及時作出反應。數控經多年發展，呈高速、高精、高效化、柔性化發展趨勢。數控系統采用了模塊化設計，功能覆蓋面大，具備了用戶界面圖形化、科學計算可視化、插補和補償方式多樣化以及簡化編程、簡化操作方面的智能化等特點。例如，加工過程的自適應控制，工藝參數自動生成，多種切割路線，預處理能力強，可進行各種復雜幾何形狀的控制，在高精度情況下實現高速進給；具有兩維圖形模擬功能，使編程人員能觀察到編程的不足，使加工操作者對零件形狀及加工狀態能很清楚的了解。

對于數控等離子的切割路線、預處理功能的實際運用，下面以FASTCAM軟件運用為例，從重慶京宏源實業有限公司年產20萬t鋁加工合金車間電解槽殼體制作中大面立板切割實例著手進行說明。預處理工藝和切割路徑：依據設計院藍圖用CAD繪圖（圖1），根據經驗公式算出變形量，將焊接以后變形量16mm采用預起拱方式對邊線及內開孔的整體中心線以零件總長的中心為中用圓弧線替換，確定各內開孔的實際位置（圖2）。切割時有2種方式：雙槍切割（圖2）和單槍切割（圖3）。單槍切割時將從左向右采用返回的逆時針切割順序進行切割，先開內孔后切割外輪廓，最后切割中間線。注意中間線（預起拱16mm）的補償方式，若中間線在畫圖時與外輪廓相連接是外邊界，兩端與外邊界不相連存在預留間隔屬于內邊界，補償方式的不同在繪圖時需要對零件尺寸進行修正。當中間線與外邊界相連時，屬于外邊界，補償方式為左補償。在選用公共邊切割方式時，此時將外邊界短邊據中間線的數值加大半個割縫值。單槍切割，中間線最后切割就是2個零件距中線的短邊各加半個割縫值，長度方向單邊各加半個割縫值。雙槍預起拱，由于板寬3.1m，本工程數控的X軸有效切割為5.4m，在數控托架上無法放置2張板，采用雙槍同時切割對于切割效率和工期有利，這就要求編程人員準備雙槍切割大面立板的程序，只需人為控制2把槍距為短邊的長度，做一個簡單的定位模具即可。一切準備就緒后，輸出程序，校驗程序（圖4、圖5）。切割后測量出誤差為＋1mm，達到圖紙上控制誤差±3mm要求。

圖1 設計院藍圖

圖2 雙槍預起拱16 mm，CAD圖形處理

圖3 單槍預起拱16 mm，CAD圖形處理

圖4 雙槍預起拱，FASTPLOT校驗圖形

圖5 單槍預起拱，FASTPLOT校驗圖形

4 數控編程的研析

4.1 數據采集

每一個制造廠家制造精度、每一臺數控設備的性能及選用配件的不同，產生的切割割縫不同，不同的板材選用的切割速度不同，選用的電流大小亦不同。在購買設備時要先試切割質量，在幾何尺寸保證的情況下，觀察零件外觀質量，如切割的紋路、粗糙度等。安裝完成后，需要確定的第一手資料是切割割縫大小，不同板材的切割速度和選用電流，不同切割方式的切割速度和電流，不同材質相同厚度板材的切割速度和電流，設備使用單位須采用試切割試驗取樣。割縫的大小是明確的數值，是后續編程人員在編程時的參數設置依據，而切割速度和切割電流是最佳范圍值。

4.2 相關參數設置方法

4.2.1 引入線的長度設置

火焰切割的變形大，等離子切割變形小，原因在于瞬間局部受熱面積不同，等離子切割板材時是等離子弧瞬間擊穿鋼板，擊穿的同時會產生渦旋流，渦旋流的大小常見直徑為5～8mm，為保證切割質量，在切割不損傷零件的情況下設置10mm長的引入線即可。然而火焰切割與等離子不同之處在于需要預熱，達到切割溫度后方可用切割焰融化鋼板進行切割。不論是切割直線亦或切割曲線，切割速度在數控上都是給定的勻速運動。在人工調整切割速度后，速度確定，若是機器識別的是不同的速度，則設計者在設備上設計研制的人工調整功能無效，同時在理解切割速度時，要明確的是機器具有自適應控制能力，即保證勻速運動功能，否則速度在不斷變化切割效果也會不同。為實現合理設計，可以不設引入線，采用延時功能，達到預熱切割溫度進而穿透鋼板效果后采用借邊切割，之后再進行機械動作。

4.2.2 參數等價法驗證電極在穿孔和起弧情況下的差異性

大型數控設備的價格和配件的消耗成本很高，研究其配件的消耗對于降低消耗和控制成本勢在必行。一般大型工程和常年需使用數控等離子設備的企業就要考慮電極的損耗由哪些因素造成。筆者綜合實踐結果，得出在使用數控等離子時，電極的消耗量為配件中最頻繁的，給出以下計算方法。一般設備廠家在設備使用說明中給出電極的有效切割長度值D，這個等價值為我們建立等式創造了條件。同一切割速度的情況下，幾個不同的電極其有效切割長度A1、A2，起弧數量B1、B2，穿孔數量C1、C2。設起弧等價的切割米數為x1、x2，穿孔等價的切割米數為y1，y2，則可以建立如下等式：A1＋B1x1＋C1y1＝D和A2＋B2x2＋C2y2＝D，解出x和y值，然后再用這些數據驗證D值的正確性。不同制造廠家的電極使用壽命不一樣，得出一數據值，用來驗證其他廠家的配件（電極）的使用壽命，從而找出性價比最高的產品。

綜合實際經驗可以得出如下結論：穿孔對槍體相關配件損耗大，應減少穿孔，盡量起弧。

4.3 自動編程和手動編程軟件應用的相關探討

在保證材料最大使用率的情況下，穿孔的數量越少，切割速度越適中，電流大小選用越合理，對配件的損耗越小，但大多數情況下卻忽略了操作者的難度，進而需要工程技術人員從嚴思考軟件排料的正確性與合理性。

首先要理解的是數控的補償方向、內邊緣和外邊緣這3個基本概念。下面以七冶重慶京宏源小面立板切割實例進行說明（圖6），編程人員在排料時需要思考如下問題：

圖6 七冶重慶京宏源小面立板切割實例

（1）排料時：多排料，少穿孔，多起弧。排料時，數控等離子在大多情況下多是切割多種零件，形狀各異，同種規格同種材質零件，可以套料切割。不論是火焰切割還是等離子切割，切割效率低的主要原因是每個零件都要預熱穿孔，逐個切割。火焰切割20%～30%的時間花費在預熱穿孔上，耗時耗材，切割效率低，等離子切割10%～20%的時間花費在穿孔和更換電極和割嘴上，穿孔嚴重損耗割嘴電極，降低切割效率。減少穿孔，采用借邊切割方式可以降低配件損耗。

（2）排序時：切割掉的零件不撞槍，空程少，最近路線走閉合，無掉落切割。很多野外施工，數控托架是施工單位自己制作的，零件切割后從板材掉落下來，板材掉落的方向與槍體運行的方向相同時易撞壞割炬。在托架制作間隔合理時不易撞槍。套料的情況下，采用最近路線走閉合減少空行程的時間，可以提高切割效率。同時，在指定切割順序的時候，要注意不要在外部零件已經切割下來后再切割內部零件，這樣會導致內部零件的尺寸發生變化和外部零件被傷到。

（3）輸出調整：合理設置引入線長度，不傷零件。設置時注意不要傷到已切割和未切割零件，引入線長度不可過長。

（4）校驗時：起弧點的正確選擇，補償方向的驗證，引入線的驗證（預防顯示的錯誤）。在輸出程序時，校驗過程中要注意第一個起弧點，從不同的位置進入會導致后續的切割順序不同。校驗時可以明確確定之前設置的補償方式和選用的切割方式的正確性。有時雖然設置了引入線，但是由于各方面的原因而在校驗時可以看出是否設置成功，不成功需要重新設置。

此外，還應注意多用添加指令和排列指令，可以有效減少勞動強度。料中套料時，采用零件與外部零件內邊緣引入線共邊，或者是借助已切割割縫即借邊切割（圖7、圖8）。用借邊切割方式處理，少穿一次孔，多一次起弧，從而減小配件損耗。

圖7 圖6中圓孔位置放大圖

圖8 圖6中橢圓孔位置放大圖

5 結語

總之，數控等離子能夠有效切割指定材質和厚度的材料，滿足企業生產產品的切割要求；能夠有效提高切割效率和切割質量，滿足企業高效高質量切割生產的要求；能夠有效提高鋼材套料切割利用率，滿足企業節省鋼材耗材生產的要求。

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