數(shù)控等離子在工程上的應(yīng)用探討

顧祝云

（七冶壓力容器制造有限責(zé)任公司，貴州 貴陽550000）

0 引言

隨著現(xiàn)今社會生產(chǎn)力發(fā)展的需要，工程的工期要求之短，工程質(zhì)量要求之高，施工環(huán)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(chǎn)能力成為當(dāng)務(wù)之急。加之機電類相關(guān)加工技術(shù)的發(fā)展，各類數(shù)控設(shè)備及其相關(guān)配套軟件技術(shù)的成熟，現(xiàn)已能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的校正、診斷和刀具補償?shù)裙δ?，從而使得?shù)控火焰／等離子技術(shù)在工程上應(yīng)用具有可行性。數(shù)控機床是機電一體化的典型產(chǎn)品，數(shù)控機床控制技術(shù)是集計算機及軟件技術(shù)、自動控制技術(shù)、電子技術(shù)、自動檢測技術(shù)、液壓與氣動技術(shù)和精密機械等技術(shù)為一體的多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，機電一體化技術(shù)迅猛發(fā)展，數(shù)控機床在企業(yè)普遍應(yīng)用，對生產(chǎn)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(chǎn)實踐的同時對其進行研討，為同行以及同類數(shù)控技術(shù)的開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)控等離子發(fā)展概述

數(shù)控技術(shù)簡稱數(shù)控（Numerical Control），采用數(shù)字控制的方法對某一工作過程實現(xiàn)控制。一般是采用通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C實現(xiàn)數(shù)字程序控制，具有運算方式、檢測技術(shù)、傳輸技術(shù)、控制技術(shù)，從而實現(xiàn)人、機械設(shè)備、計算機三位一體。然而數(shù)控種類繁多，包括數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、數(shù)控火焰、數(shù)控等離子、數(shù)控激光、數(shù)控電火花線切割等。工程的工期要求之短、工程質(zhì)量要求之高、施工環(huán)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(chǎn)能力等要求，以及工程上多是非標(biāo)件，體積大、零件規(guī)格多、異形件多、尺寸誤差和形位誤差要求不高等，決定了數(shù)控等離子的發(fā)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(fā)第三代標(biāo)準(zhǔn)化等離子平臺系統(tǒng)，已經(jīng)陸續(xù)推出。目前市場上數(shù)控等離子已經(jīng)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(huán)器、自動氣體控制、數(shù)控系統(tǒng)和調(diào)高等。此外，數(shù)控等離子具有操作簡單、編程方便、參數(shù)控制嚴(yán)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(yīng)用。

2 數(shù)控等離子系統(tǒng)和割炬原理構(gòu)造

數(shù)控系統(tǒng)由機架導(dǎo)軌、齒輪齒條、減速箱、伺服系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、調(diào)高系統(tǒng)、割炬、冷卻系統(tǒng)、主機、操作面板及其他相關(guān)部件組成。數(shù)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(guī)定壓力和流量的潔凈空氣，用于形成等離子弧，在氣冷式數(shù)控等離子中冷卻割炬和工件。割炬產(chǎn)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(huán)組成。

3 工程應(yīng)用的可行性

在現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)中還引進了自適應(yīng)控制技術(shù)，以便于檢測對自己有影響的信息，自動連續(xù)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，對變化了的加工環(huán)境及時作出反應(yīng)。數(shù)控經(jīng)多年發(fā)展，呈高速、高精、高效化、柔性化發(fā)展趨勢。數(shù)控系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，功能覆蓋面大，具備了用戶界面圖形化、科學(xué)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(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成，多種切割路線，預(yù)處理能力強，可進行各種復(fù)雜幾何形狀的控制，在高精度情況下實現(xiàn)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(tài)能很清楚的了解。

對于數(shù)控等離子的切割路線、預(yù)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(yè)有限公司年產(chǎn)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(yù)處理工藝和切割路徑：依據(jù)設(shè)計院藍圖用CAD繪圖（圖1），根據(jù)經(jīng)驗公式算出變形量，將焊接以后變形量16mm采用預(yù)起拱方式對邊線及內(nèi)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(nèi)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(nèi)孔后切割外輪廓，最后切割中間線。注意中間線（預(yù)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(yù)留間隔屬于內(nèi)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(dāng)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(jù)中間線的數(shù)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(yù)起拱，由于板寬3.1m，本工程數(shù)控的X軸有效切割為5.4m，在數(shù)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(zhǔn)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(zhǔn)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(shè)計院藍圖

圖2 雙槍預(yù)起拱16 mm，CAD圖形處理

圖3 單槍預(yù)起拱16 mm，CAD圖形處理

圖4 雙槍預(yù)起拱，F(xiàn)ASTPLOT校驗圖形

圖5 單槍預(yù)起拱，F(xiàn)ASTPLOT校驗圖形

4 數(shù)控編程的研析

4.1 數(shù)據(jù)采集

每一個制造廠家制造精度、每一臺數(shù)控設(shè)備的性能及選用配件的不同，產(chǎn)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(shè)備時要先試切割質(zhì)量，在幾何尺寸保證的情況下，觀察零件外觀質(zhì)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(zhì)相同厚度板材的切割速度和電流，設(shè)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(shù)值，是后續(xù)編程人員在編程時的參數(shù)設(shè)置依據(jù)，而切割速度和切割電流是最佳范圍值。

4.2 相關(guān)參數(shù)設(shè)置方法

4.2.1 引入線的長度設(shè)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(chǎn)生渦旋流，渦旋流的大小常見直徑為5～8mm，為保證切割質(zhì)量，在切割不損傷零件的情況下設(shè)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(yù)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(shù)控上都是給定的勻速運動。在人工調(diào)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(shè)計者在設(shè)備上設(shè)計研制的人工調(diào)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(yīng)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(xiàn)合理設(shè)計，可以不設(shè)引入線，采用延時功能，達到預(yù)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(shù)等價法驗證電極在穿孔和起弧情況下的差異性

大型數(shù)控設(shè)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(shù)控等離子設(shè)備的企業(yè)就要考慮電極的損耗由哪些因素造成。筆者綜合實踐結(jié)果，得出在使用數(shù)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(shè)備廠家在設(shè)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(chuàng)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(shù)量B1、B2，穿孔數(shù)量C1、C2。設(shè)起弧等價的切割米數(shù)為x1、x2，穿孔等價的切割米數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(chǎn)品。

綜合實際經(jīng)驗可以得出如下結(jié)論：穿孔對槍體相關(guān)配件損耗大，應(yīng)減少穿孔，盡量起弧。

4.3 自動編程和手動編程軟件應(yīng)用的相關(guān)探討

在保證材料最大使用率的情況下，穿孔的數(shù)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(shù)情況下卻忽略了操作者的難度，進而需要工程技術(shù)人員從嚴(yán)思考軟件排料的正確性與合理性。

首先要理解的是數(shù)控的補償方向、內(nèi)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(shù)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(guī)格同種材質(zhì)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(yù)熱穿孔，逐個切割?；鹧媲懈?0%～30%的時間花費在預(yù)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(yán)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(shù)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(jīng)切割下來后再切割內(nèi)部零件，這樣會導(dǎo)致內(nèi)部零件的尺寸發(fā)生變化和外部零件被傷到。

（3）輸出調(diào)整：合理設(shè)置引入線長度，不傷零件。設(shè)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(yù)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(dǎo)致后續(xù)的切割順序不同。校驗時可以明確確定之前設(shè)置的補償方式和選用的切割方式的正確性。有時雖然設(shè)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(shè)置成功，不成功需要重新設(shè)置。

此外，還應(yīng)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(nèi)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(jié)語

總之，數(shù)控等離子能夠有效切割指定材質(zhì)和厚度的材料，滿足企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的切割要求；能夠有效提高切割效率和切割質(zhì)量，滿足企業(yè)高效高質(zhì)量切割生產(chǎn)的要求；能夠有效提高鋼材套料切割利用率，滿足企業(yè)節(jié)省鋼材耗材生產(chǎn)的要求。

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