數控等離子切割技術(shù)現狀同發(fā)展

1、國內數控等離子切割的現狀

我國工廠(chǎng)的板材下料中應用最為普遍的是火焰切割和等離子切割，所用的設備包括手工下料、仿形機下料、半自動(dòng)切割機下料及數控切割機下料等。與其他切割方式比較而言，手工下料隨意性大、靈活方便，并且不需要專(zhuān)用配套下料設備。但手工切割下料的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，其割縫質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后道加工工序的工作量大，同時(shí)勞動(dòng)條件惡劣。用仿形機下料，雖可大大提高下料工件的質(zhì)量，但必須預先加工與工件相適應的靠模，不適于單件、小批量和大工件下料。半自動(dòng)切割機雖然降低了工人勞動(dòng)強度，但其功能簡(jiǎn)單，只適合一種形狀的切割。上述3種切割方式，相對于數控切割來(lái)說(shuō)由于設備成本較低、操作簡(jiǎn)單，所以在我國的中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中仍在廣泛使用。

在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬熱切割一般有氣割、等離子切割、激光切割等。其中等離子切割與氣割相比，其切割范圍更廣、效率更高。而精細等離子切割技術(shù)在材料的切割表面質(zhì)量方面已接近了激光切割的質(zhì)量，但成本卻遠低于激光切割。因此，等離子切割自20世紀50年代中期在美國研制成功以來(lái)，得到迅速發(fā)展。隨著(zhù)計算機及數字控制技術(shù)的迅速發(fā)展，數控切割也得以蓬勃發(fā)展，并在改善加工精度。節約材料、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等方面顯示出巨大優(yōu)勢。這促使等離子切割技術(shù)從手工或半自動(dòng)逐步向數控方向發(fā)展，并成為數控切割技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。數控等離子切割技術(shù)是集數控技術(shù)、等離子切割技術(shù)、逆變電源技術(shù)等于一體的高新技術(shù)，它的發(fā)展建立在計算機控制、等離子弧特性研究、電力電子等學(xué)科共同進(jìn)步基礎之上。我國的數控切割技術(shù)起步于20世紀80年代，而數控等離子切割技術(shù)起步更晚。但近年來(lái)，國內一些高校、科研單位、制造廠(chǎng)商對數控等離子切割技術(shù)進(jìn)行了研究，并逐步開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了各種規格的數控等離子切割設備，縮小了與國外先進(jìn)技術(shù)的差距。

隨著(zhù)國內經(jīng)濟形勢的蓬勃發(fā)展以及“以焊代鑄趨勢的加速，數控切割的優(yōu)勢正在逐漸為人們所認識。數控切割不僅使板材利用率大幅度提高，產(chǎn)品質(zhì)量得到改進(jìn)，而且改善了工人的勞動(dòng)環(huán)境，勞動(dòng)效率進(jìn)一步提高。目前，我國金屬加工行業(yè)使用的數控切割機是以火焰和普通等離子切割機為主，但純火焰切割，已不能適應現代生產(chǎn)的需要，而目前市場(chǎng)需求的數控切割機多為數控等離子切割機，該類(lèi)切割機可滿(mǎn)足不同材料、不同厚度的金屬板材的下料以及金屬零件的加工的需要，因此需求量將會(huì )越來(lái)越大，但與國外的差距仍極為明顯，主要表現為：發(fā)達國家金屬加工行業(yè)90%為數控切割機下料，僅10%為手工下料；而我國數控切割機下料僅占下料總量的10%，其中數控等離子切割下料所占比例更小。究其原因，較高的設備成本、復雜和維護和操作制約了數控切割在我國的進(jìn)一步普及。因此國內數控切割機生產(chǎn)廠(chǎng)家引進(jìn)了國外控制系統技術(shù)，經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)后運用到了切割領(lǐng)域中，設計出了適合我國國情的數控切割機。某些廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的專(zhuān)用數控切割設備，在技術(shù)上已經(jīng)達到或超過(guò)了國外同類(lèi)產(chǎn)品。

我國數控切割機每年市場(chǎng)需求量約在400~500臺之間，產(chǎn)品主要以數控等離子切割機為主。相較而言，仿形切割機每年銷(xiāo)售幾千臺，半自動(dòng)切割機每年銷(xiāo)售達上萬(wàn)臺。由此可見(jiàn)，我國數控切割市場(chǎng)，尤其是數控等離子切割市場(chǎng)的發(fā)展潛力是巨大的。

1.1等離子切割種類(lèi)介紹

a．普通等離子弧切割。根據所使用的主要工作氣體，主要分為氬等離子弧切割、氧等離子弧切割。氧等離子弧切割和空氣等離子弧切割等幾類(lèi)。切割電流一般在100A以下，切割厚度小于30mm。

b．再約束等離子弧切割。根據等離子弧的再約束方式，主要分為水再壓縮等離子弧切割、磁場(chǎng)再約束等離子弧切割等。由于等離子弧受到再次壓縮，其電流密度、切割弧的能量進(jìn)一步集中，從而提高了切割速度和加工質(zhì)量。

c．精細等離子弧切割。等離子弧電流密度很高，通常是普通等離子弧電流密度的數倍，由于引進(jìn)了諸如旋轉磁場(chǎng)等技術(shù)，其電弧的穩定性也得以提高，因此，其切割精度相當高。國外的精細等離子切割表面質(zhì)量已達激光切割的下限，而其成本只有激光切割的三分之一。

1.2等離子切割電源

原先在我國應用較多的高漏抗變壓器加二次側整流式的切割機電源已逐漸被逆變式等離子切割電源所代替，其原理如圖1所示。國產(chǎn)等離子電源大多用于手工切割和配在小車(chē)切割機上，近年來(lái)由于性能有所改善，因此也逐步配用于數控切割機，但仍需進(jìn)一步提高。

1.3數控技術(shù)的現狀與發(fā)展

計算機技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了數控技術(shù)的更新?lián)Q代，而這也日益完善了數控等離子切割的高精、高速、高效功能。代表世界先進(jìn)水平的歐洲、美國、日本的數控系統生產(chǎn)商利用工控機豐富的軟硬件資源開(kāi)發(fā)的新一代數控系統具有開(kāi)放式體系結構，即數控系統的開(kāi)發(fā)可以在統一的運行平臺上，面向最終用戶(hù)，通過(guò)改變、增加或剪裁結構對象（數控功能），形成系列化，并可方便地將用戶(hù)的特殊應用和技術(shù)訣竅集成到控制系統中，快速實(shí)現不同品種、不同檔次產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

開(kāi)放式體系結構使數控系統有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，并向智能化、網(wǎng)絡(luò )化方向發(fā)展。

目前，開(kāi)放系統具體有2種基本結構：

a．CNC+工控機主板。將一塊工控機主板插入傳統的CNC機器中，工控板主要用作實(shí)時(shí)控制，CNC主要用作以坐標軸運動(dòng)為主的實(shí)時(shí)控制。

b．工控機+運動(dòng)控制板。將運動(dòng)控制板插入工控機的標準插槽中作實(shí)時(shí)控制用，而工控機主要作非實(shí)時(shí)控制。

我國生產(chǎn)的數控等離子切割機的數控系統多是在引進(jìn)國外數控技術(shù)的基礎上，加以自主開(kāi)發(fā)而成，并逐步形成了更能適應國內用戶(hù)的數控系統?？傮w來(lái)說(shuō)，在數控系統方面具備了國外同類(lèi)系統的基本功能，但與國外先進(jìn)的數控系統相比，在錯誤記錄、網(wǎng)絡(luò )化生產(chǎn)、全自動(dòng)生產(chǎn)等方面還存在較大差距。

1.4數控等離子切割系統的抗干擾措施

切割電源具有強烈的電磁干擾，這就要求計算機控制系統必須具有很高的抗干擾能力，既能抵抗等離子引弧時(shí)的高頻干擾，也能抵抗工作時(shí)大電流等離子弧的干擾，還能抵抗工作現場(chǎng)的其他干擾源。經(jīng)過(guò)抗干擾設計，改善了數控等離子切割系統的可靠性，其故障率也降低。

2、國內外數控等離子切割現狀與發(fā)展趨勢

國外數控切割機的生產(chǎn)廠(chǎng)家主要集中在德國、美國和日本。從機械結構上看，其發(fā)展經(jīng)歷了十字架型（輕型）、門(mén)型（小型）、龍門(mén)型（大型）3個(gè)階段，相應的型號種類(lèi)繁多。能夠代表數控等離子切割技術(shù)最高水平的廠(chǎng)家主要集中在德國，如德國ESAB公司的精細等離子切割機的切割精度已達激光切割下限，目前，國外已有廠(chǎng)家在龍門(mén)式切割機上安裝一個(gè)專(zhuān)用切割機械手，開(kāi)發(fā)出五軸控制系統的龍門(mén)式專(zhuān)用切割工具，該系統可以在空間切割出各種軌跡，利用特殊的跟蹤探頭，在切割過(guò)程中控制切割運行軌跡。相比之下，國內雖然十字架型、門(mén)型、龍門(mén)型都有所生產(chǎn)，但廣度不夠，生產(chǎn)廠(chǎng)家產(chǎn)品型號較為單一，尚無(wú)龍門(mén)式專(zhuān)用型材切割機產(chǎn)品。

近幾年來(lái)，由于對切割質(zhì)量、勞動(dòng)環(huán)境等的要求越來(lái)越高，國外的大型水下等離子切割法、精細等離子切割法等先進(jìn)等離子切割技術(shù)得到較快發(fā)展，其相應產(chǎn)品在我國的市場(chǎng)需求量也逐年上升。在我國的等離子切割設備生產(chǎn)行業(yè)中，由于缺乏等離子切割理論研究與生產(chǎn)實(shí)踐相轉換的機制，因此新技術(shù)運用不廣、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度不快，制約了等離子切割技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和運用。

可以預見(jiàn)，我國的數控切割機的市場(chǎng)需求仍將以數控等離子切割機為主。與此同時(shí)，國外廣泛應用的大型水下等離子切割、精細等離子切割等先進(jìn)切割設備在我國的市場(chǎng)需求量呈逐年上升趨勢。

從國外數控等離子切割行業(yè)發(fā)展的趨勢來(lái)看，智能化精密切割將成為切割行業(yè)今后發(fā)展的方向。

3、結論

我國鋼產(chǎn)量早已達億噸級，再加上制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，這必將促進(jìn)國內數控等離子切割技術(shù)的良性發(fā)展?？傮w來(lái)說(shuō)，我國數控等離子切割在基本功能上已達到國外同類(lèi)產(chǎn)品水平，但要完全達到或超過(guò)國外水平還有很長(cháng)的路要走。國內各企業(yè)、科研單位應加大科研力度，重視企業(yè)間的橫向合作，形成優(yōu)勢互補，并在以下方面爭取進(jìn)一步提高：

a．應加強等離子理論研究與生產(chǎn)的相關(guān)轉換；b．等離子電源應進(jìn)一步提高穩定性；c．積極開(kāi)發(fā)適合我國國情、經(jīng)濟可靠的數控等離子切割設備；d．人機對話(huà)界面友好，適合切割下料工人操作；e．網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)功能。