一種新型等離子切割設備的研究

聶廣鹿，方懂平

● （1.北京交通大學 電子信息工程學院,北京100044; 2. 巨洋技術開發有限公司,浙江 舟山 316000）

一種新型等離子切割設備的研究

聶廣鹿1，方懂平2

● （1.北京交通大學 電子信息工程學院,北京100044; 2. 巨洋技術開發有限公司,浙江 舟山 316000）

本文研發了基于 CNC系統的數控等離子切割設備，并對相關的配套設備進行了優化設計，對干擾信號進行高效屏蔽隔離。同時開發了與之匹配的新型輔助設計軟件，使得本設備具有良好的切割效果。

信號干擾；數控；等離子切割

0 引言

目前我國船廠的船體分段搭接與舾裝大多在戶外進行，這個環節一般需要大量的成型板件和大型管系。由于管系直徑大，都是通過卷彎機進行卷制，戶外無法采用數控切割，而只能進行人工切割。目前市場上的數控類火焰切割機基本上都體型龐大，主要都在標準廠房內使用，無法進行現場施工，而且切割平板和切割管系都是不同的數控設備，尤其管系數控切割機價格非常昂貴，近六七十萬，并且操作也非常復雜。同時，戶外環境惡劣加上沒有配套的設施，人工切割很難控制切割氧流(即風線)的形狀以至于切口表面粗糙、不干凈、寬窄不一；如果速度過快，會產生較大的拖后量，不易切透，且使鐵渣向上飛；速度過慢，鋼板棱角易熔化，切割薄板時會嚴重變形。在發生塑性變形的同時，也降低了產品的切割精度，同時還要進行二次加工，消耗大量的燃料成本，造成了大量的人力物力浪費。

基于上述原因，急需開發一種適合船舶行業的戶外節能型集平板與管系切割于一體的等離子切割設備，這種設備能在戶外惡劣環境下進行相貫線的切割，以實現平板和管系的一體化切割。

1 電路的隔離設置

目前，在用的非接觸式等離子系統的最主要干擾源是來自于電源供電部分，見圖1、2。一般由于采取高頻引弧器來實現引弧切割，高頻引弧變壓器二次側引弧電壓高達3500V～7000V，脈沖頻率上百赫茲至上千赫茲，輻射干擾及對電網的諧波污染非常強。同時，配合使用的大電流交直流接觸器及各種常規大功率繼電器關斷也會對電網造成波動及浪涌沖擊；目前在用的高功率等離子切割機在不屏蔽的情況下一起弧就引起計算機內部混亂，導致無法正常切割。本設計采用隔離電源模塊方式對主控芯片進行供電，采用金屬格片結構，進行有效的干擾屏蔽與外導，取得了良好的效果。

圖1 隔離控制電源

圖2 隔離驅動電源

2 主控電氣板卡的優化設計

圖3 板卡的光電隔離設置圖

本數控等離子系統是采用基于數控銑床的CNC控制板，見圖3。由于本數控等離子具有很強的干擾性，因此普通的信號隔離輸出構架用于本系統時會產生誤動作，造成設備癱瘓，因此必須對其進行改良設計使其能正常運用于等離子系統。本系統在信號輸出端采用多個光電隔離模塊進行物理隔離，防止干擾源反串到板卡內，同時布置閉環式金屬隔離圈，將控制結構和信號結構部分進行強制分離。因此，取得了良好效果，解決了普通CNC板卡無法用于等離子系統的難題[1]。

3 獨立相關線管系軟件的開發

由于目前的數控切割系統只進行直線和圓弧結構的組合切割，對于需要卷制的平面相貫線口無法切割。因此，本系統開發了基于LISP語言的相貫線生產軟件，用于支持本設備的相貫線切割，見圖4。本軟件根據兩根管子對接所需要的角度，自動生成兩條相貫線，通過打印機打印出來，直接給現場工人進行1∶1進行切割，省去人工放樣的繁瑣及大量精力，且精度很高，大大提高工作效率，尤其適用于戶外大直徑管件的拼接，也可輸入配套數控切設備實現相貫線的自動切割[2]。

圖4 生成的相貫線

4 等離子電源控制線路的改造

本設計基于等離子切割機的供電電源110～220V直接引自公用電網電壓，起/滅弧控制線也直接布置在切割機旁，然后引出至數控電柜內，其間和數控CNC控制芯片的電源系統一起走過多個直角拐彎，并跨越數十米的鐵質線纜架，這樣構建的等離子發生器起/滅弧引起的高頻電流電壓直接向旁邊輻射，大電流引起的輻射干擾通過旁邊的導線直接反向串入電網。本研究采取的措施是把起/滅弧的控制信號通過繼電器隔離為交流24V的相對弱電控制線引入數控電柜，使得在使用中不會出現中途死機現象，見圖5，在實際使用中取得了良好效果。

圖5 控制線路框圖

5 控制軟件的優化設計

本設備采用的控制軟件為基于雕刻機的CNC控制軟件，不能直接用于本等離子切割機，必須加以改進。因此，本設計軟件界面加以了修正，使其能適用于本系統，將原有的主軸控制模式轉移到等離子觸發模式，見圖6，同時增設有1s的停頓功能，使得等離子有足夠的時間將鋼板打穿，然后再進行數控切割，提高切割效果[3]。以下是部分代碼生成示例：

圖6 控制軟件框圖

6 結語

研發的本等離子數控切割系統具有良好的切割效果，具備了相貫線的切割能力；該設備能適應戶外惡劣的供電質量，提高了船廠的生產效率和切割質量，節省了鋼材和降低了能耗；該設備搬運靈活方便，可攜帶到船體甲板上工作；該設備還能實現橫向及垂直切割，提高了戶外作業水平和質量。

[1] 張曉光.信號檢測與控制電路[M]. 北京:中國計量出版社, 2008.

[2] 徐衡.數控銑床和加工中心工藝與編程訣竅[M]. 北京:化學工業出版社, 2013.

[3] 人力資源和社會保障部教材辦公室.數控車床編程與操作[M ]. 北京:中國勞動社會保障出版社, 2012.

[4] 楊書榮,周敏.深入淺出 PowerMILL數控編程[M].北京:中國電力出版社, 2008.

Study on New Type of NC Plasma Cutting Equipment

NIE Guang-lu1, FANG Dong-ping2

(1. School of Electronic and Information Engineering of Beijing Jiaotong University, Beijing100044, China; 2. Juyang Technology Development Ltd., Zhoushan 316000, China)

NC plasma cutting equipment is developed based on CNC system in present paper. The matching system is optimized. The interference signal is effectively separated .A new type aided design software is developed in order to achieve good cutting effect.

interference signal;NC;plasma cutting

TB47

A

聶廣鹿（1992-），男，本科。研究方向：信號與系統。