等離子切割在總線控制技術(shù)上的應(yīng)用

愛科曼自動(dòng)化技術(shù)（北京）有限公司（100041）果 磊

等離子、火焰、激光或水切割，在切割過程中從技術(shù)上通常需要對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行個(gè)別的調(diào)整。有時(shí)需要考慮切割過程的物理特性，如火焰或等離子，它們體積受熱時(shí)會(huì)膨脹；同時(shí)需要考慮加工尺寸精度、斷面的質(zhì)量等。

等離子切割具有熱熔融切割工藝特性，其主要觀點(diǎn)也適用于其他與之類似的切割工藝。本文將以等離子切割工藝為例，講述如何根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整控制器，即以我公司的切割解決方案來說，就是要用一個(gè)智能型的控制器來彌補(bǔ)程序的負(fù)面特性。

等離子切割是通過一種電離的、離子化的導(dǎo)電氣體（等離子）使材料實(shí)現(xiàn)熱分離（見圖1）。此時(shí)等離子束中的極度高溫和釋放的復(fù)合熱量可使任何材料瞬間熔化。等離子切割時(shí)的溫度根據(jù)不同的氣體和能源供應(yīng)可達(dá)20 000K，甚至更高。

圖1 等離子切割

等離子氣體的溫度在等離子生成時(shí)急劇上升，瞬間產(chǎn)生氣體膨脹，等離子氣體極度加速并使割縫熔化。高熱能和動(dòng)能的特殊連接是等離子切割的基本要求。與其他熱分離過程相比，利用高密度能量可以實(shí)現(xiàn)更快的切割速度。此外，在現(xiàn)場(chǎng)切割中較窄的熱影響區(qū)和高的切割速度還會(huì)減少工件的變形。

等離子源的生成，首先要把離子化后的氣體供給割嘴，根據(jù)精度，材料以及不同的用途，多數(shù)情況下還需要一種環(huán)繞等離子束的流態(tài)化保護(hù)氣體；其次，還需提供必要的電能（幾百安培的電流），電能的任務(wù)是使氣體離子化，并在割嘴及工件之間產(chǎn)生電弧電壓；最后，其間在等離子割頭產(chǎn)生的高溫須用冷水冷卻，否則割槍極易損壞。氣體、水冷、電流等必須經(jīng)由相應(yīng)的管道連接到割頭處，再循環(huán)導(dǎo)出保證等離子的正常工作。但傳輸管道會(huì)間接影響到機(jī)械的運(yùn)動(dòng)控制。

綜上所述，與傳統(tǒng)的動(dòng)力裝置（比如數(shù)控銑床）的區(qū)別是特殊動(dòng)力設(shè)計(jì)越來越被市場(chǎng)所需要。與銑削工藝不同，銑削時(shí)刀具直接與切割平面接觸，而等離子切割時(shí)，割嘴尖與工件表面必須保持一定的距離，而且割縫在空間上還會(huì)擴(kuò)展/膨脹。這樣割嘴在傾斜位置時(shí)，作為三角形弦的切削深度就會(huì)增加（材料厚度作勾，等離子射出偏移作股）。在許多切割工藝中，割縫的形狀還會(huì)出現(xiàn)V形或者類似圓錐形。

所有這些問題都可以通過切割數(shù)控解決方案來輕松克服，機(jī)械制造商為此可有多種合適的軟件模塊選擇。如果成熟的標(biāo)準(zhǔn)版軟件不能滿足客戶的需求，愛科曼公司還負(fù)責(zé)為客戶做固件調(diào)整以適應(yīng)其技術(shù)要求。對(duì)于特殊的動(dòng)力裝置，公司還提供一款基于Matlab（高級(jí)程序）自行研發(fā)的軟件工具來做硬件循環(huán)仿真/模擬?？刂朴布ㄟ^輸入和輸出與硬件循環(huán)模擬相連接，機(jī)器的機(jī)械部分被真實(shí)模擬。

愛科曼的研發(fā)工程師們可以為各種運(yùn)動(dòng)裝置做數(shù)字模擬，在機(jī)械制造商的實(shí)體機(jī)械完成前，即可使CNC固件適應(yīng)新的運(yùn)動(dòng)要求，并掌控所有功能的無差錯(cuò)實(shí)施。使用現(xiàn)代模擬工具可以顯著地加快機(jī)器的調(diào)試工作，從而縮短進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。

3.應(yīng)用實(shí)例

下面列舉幾個(gè)由愛科曼公司ENC66控制器控制的復(fù)雜動(dòng)態(tài)模擬實(shí)例：菱形縮放（見圖2a）；刀具軸和工件自動(dòng)軸多軸應(yīng)用。一個(gè)更好的例子是自轉(zhuǎn)鋼梁的等離子切割：旋轉(zhuǎn)雙T型鋼梁（見圖2b），或者相貫線（圖2c）。

圖2

CNC系統(tǒng)中裝有多種校正功能，比如，依據(jù)坡口角度使割速得以自動(dòng)降低。如上所述，傾斜狀態(tài)時(shí)所得切割厚度加大，所以同等功率下割速必須降低。另外，割炬傾斜時(shí)割縫位置與工件表面和割嘴的距離會(huì)發(fā)生變化，這也能通過軟件來進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。刀具軸則以割炬旋轉(zhuǎn)時(shí)的電弧間隙保持不變來進(jìn)行控制。

各種校正功能可以確保恒定的切割參數(shù)，由此確保切割過程的完美控制。調(diào)高在等離子切割時(shí)被賦予獨(dú)特的角色。很多切割工藝，尤其不容易做到所需精確性和靈活性的等離子切割，在調(diào)高（Z軸）不能與其他幾個(gè)刀具軸完美同步的情況下，不受CNC控制的外置調(diào)高的解決方案很快就會(huì)遇到局限。既然CNC不可或缺，讓它來接管調(diào)高的計(jì)算還能降低硬件的費(fèi)用。

只有在CNC的統(tǒng)一控制之下，所有相關(guān)的軸才能充分合作。愛科曼公司專門為此研發(fā)了一款自己的Z-軸機(jī)電裝置，它的設(shè)計(jì)也適于組裝一個(gè)帶坡口角度調(diào)節(jié)A、B軸的坡口裝置。

除了擁有技術(shù)所需的必要校正功能以外，CNC固件也可以遠(yuǎn)程實(shí)施主軸梯度補(bǔ)償以及其他補(bǔ)償，還可以進(jìn)行3D-軸校正。這個(gè)固件可控制高達(dá)16個(gè)CNC軸，還可以額外控制PLC操作軸。

如今造船行業(yè)里使用巨大的龍門切割機(jī)械，愛科曼的CNC也支持龍門軸驅(qū)動(dòng)所需的同步功能。

機(jī)械制造商可以使用愛科曼的組件在圖像化開發(fā)環(huán)境Codesys（與IEC61131—3一致）下自行進(jìn)行機(jī)器控制編程，并可使用龐大的切割標(biāo)準(zhǔn)功能庫，包括電源控制功能或氣體供氣功能。機(jī)械制造廠家也可以選擇愛科曼公司提供的工程建議和專業(yè)知識(shí)，委托其應(yīng)用工程師開發(fā)軟件和軟件調(diào)整。人機(jī)界面的設(shè)計(jì)還配有切割專用工具，既可快速實(shí)現(xiàn)直觀的操作界面，也可靈活適應(yīng)自己的界面設(shè)計(jì)。

如果我們希望在實(shí)際操作中提高切割效益（與其他切割工藝相比），機(jī)器的操作就需要更簡(jiǎn)捷高效。如果裝備時(shí)間過長(zhǎng)或者機(jī)器操作復(fù)雜，那么切割工藝技術(shù)優(yōu)勢(shì)帶來的時(shí)間贏利將喪失殆盡。

由此，愛科曼的CNC推出一款專為切割而完善了的操作界面，操作過程中所有的重要步驟都可以集中一處進(jìn)行并加以控制。

機(jī)器的操作全部通過觸摸屏來進(jìn)行。操作人員不僅可以不同格式導(dǎo)入NC程序（DXE,DIN,HPGL,ESSI）,還可以直觀地在機(jī)器上通過宏圖形做編程，這在簡(jiǎn)單幾何時(shí)尤其節(jié)省時(shí)間。編寫新的程序或者優(yōu)化已有程序皆可在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)施。

為了節(jié)省裝備時(shí)間，可以把圖像處理系統(tǒng)嵌入CNC之中。這樣就可以自動(dòng)識(shí)別工件的位置，并把校正參數(shù)自動(dòng)傳送給CNC處理程序。

這樣一來，既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)的板材校準(zhǔn)（工序）就變成多余的了。而且影像處理還有很多其他用途：通過余料輪廓識(shí)別來優(yōu)化板材的使用；監(jiān)控切割過程做好在線程序優(yōu)化。

愛科曼的CNC對(duì)外可以通過各種接口與驅(qū)動(dòng)及等離子電源進(jìn)行通信：除了Sercos（串行實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)）和CAN-Open（總線），還有以太網(wǎng)、本地總線、USB、RS232、RS422/485,同時(shí)也可使用電壓信號(hào)或者PWM信號(hào)進(jìn)行控制，為此備有專門的IO模塊。連接外圍設(shè)備可使用普通的標(biāo)準(zhǔn)IO組件（數(shù)字輸入/輸出，模擬輸入/輸出），通過總線或者Sercos的總線耦合器IO模塊還可以遠(yuǎn)程操作。

機(jī)器和操作數(shù)據(jù)可由CNC采集并提供給疊加生產(chǎn)控制和生產(chǎn)規(guī)劃系統(tǒng)，這樣也可以為大型生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)一致和高效的自動(dòng)化解決方案。