数控等离子切割技术的现状与发展

引言 

    在工业生产中，金属热切割一般有气割、等离子切割、激光切割等。其中等离子切割与气割相比，其切割范围更广、效率更高。而精细等离子切割技术在材料的切割表面质量方面已接近了激光切割的质量，但成本却远低于激光切割。因此，等离子切割自20世纪50年代中期在美国研制成功以来，得到迅速发展。随着计算机及数字控制技术的迅速发展，数控切割也得以蓬勃发展，并在改善加工精度。节约材料、提高劳动生产率等方面显示出巨大优势。这促使等离子切割技术从手工或半自动逐步向数控方向发展，并成为数控切割技术发展的主要方向之一。数控等离子切割技术是集数控技术、等离子切割技术、逆变电源技术等于一体的高新技术，它的发展建立在计算机控制、等离子弧特性研究、电力电子等学科共同进步基础之上。我国的数控切割技术起步于20世纪80年代，而数控等离子切割技术起步更晚。但近年来，国内一些高校、科研单位、制造厂商对数控等离子切割技术进行了研究，并逐步开发生产了各种规格的数控等离子切割设备，缩小了与国外先进技术的差距。

    1、国内数控等离子切割的现状

    我国工厂的板材下料中应用最为普遍的是火焰切割和等离子切割，所用的设备包括手工下料、仿形机下料、半自动切割机下料及数控切割机下料等。与其他切割方式比较而言，手工下料随意性大、灵活方便，并且不需要专用配套下料设备。但手工切割下料的缺点也是显而易见的，其割缝质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后道加工工序的工作量大，同时劳动条件恶劣。用仿形机下料，虽可大大提高下料工件的质量，但必须预先加工与工件相适应的靠模，不适于单件、小批量和大工件下料。半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一种形状的切割。上述3种切割方式，相对于数控切割来说由于设备成本较低、操作简单，所以在我国的中小企业甚至在一些大型企业中仍在广泛使用。

    随着国内经济形势的蓬勃发展以及“以焊代铸趋势的加速，数控切割的优势正在逐渐为人们所认识。数控切割不仅使板材利用率大幅度提高，产品质量得到改进，而且改善了工人的劳动环境，劳动效率进一步提高。目前，我国金属加工行业使用的数控切割机是以火焰和普通等离子切割机为主，但纯火焰切割，已不能适应现代生产的需要，而目前市场需求的数控切割机多为数控等离子切割机，该类切割机可满足不同材料、不同厚度的金属板材的下料以及金属零件的加工的需要，因此需求量将会越来越大，但与国外的差距仍极为明显，主要表现为：发达国家金属加工行业90%为数控切割机下料，仅10%为手工下料；而我国数控切割机下料仅占下料总量的10%，其中数控等离子切割下料所占比例更小。究其原因，较高的设备成本、复杂和维护和操作制约了数控切割在我国的进一步普及。因此国内数控切割机生产厂家引进了国外控制系统技术，经过二次开发后运用到了切割领域中，设计出了适合我国国情的数控切割机。某些厂家开发生产的专用数控切割设备，在技术上已经达到或超过了国外同类产品。

    我国数控切割机每年市场需求量约在400~500台之间，产品主要以数控等离子切割机为主。相较而言，仿形切割机每年销售几千台，半自动切割机每年销售达上万台。由此可见，我国数控切割市场，尤其是数控等离子切割市场的发展潜力是巨大的。

    1.1 等离子切割种类介绍

    a．普通等离子弧切割。根据所使用的主要工作气体，主要分为氩等离子弧切割、氧等离子弧切割。氧等离子弧切割和空气等离子弧切割等几类。切割电流一般在100 A以下，切割厚度小于 30 mm。

    b．再约束等离子弧切割。根据等离子弧的再约束方式，主要分为水再压缩等离子弧切割、磁场再约束等离子弧切割等。由于等离子弧受到再次压缩，其电流密度、切割弧的能量进一步集中，从而提高了切割速度和加工质量。

    c．精细等离子弧切割。等离子弧电流密度很高，通常是普通等离子弧电流密度的数倍，由于引进了诸如旋转磁场等技术，其电弧的稳定性也得以提高，因此，其切割精度相当高。国外的精细等离子切割表面质量已达激光切割的下限，而其成本只有激光切割的三分之一。

    1.2 等离子切割电源

    原先在我国应用较多的高漏抗变压器加二次侧整流式的切割机电源已逐渐被逆变式等离子切割电源所代替，其原理如图1所示。国产等离子电源大多用于手工切割和配在小车切割机上，近年来由于性能有所改善，因此也逐步配用于数控切割机，但仍需进一步提高。

    1.3 数控技术的现状与发展  

    计算机技术的飞速发展推动了数控技术的更新换代，而这也日益完善了数控等离子切割的高精、高速、高效功能。代表世界先进水平的欧洲、美国、日本的数控系统生产商利用工控机丰富的软硬件资源开发的新一代数控系统具有开放式体系结构，即数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次产品的开发。

    开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。

    目前，开放系统具体有2种基本结构：

    a．CNC+工控机主板。将一块工控机主板插入传统的CNC机器中，工控板主要用作实时控制，CNC主要用作以坐标轴运动为主的实时控制。

    b．工控机+运动控制板。将运动控制板插入工控机的标准插槽中作实时控制用，而工控机主要作非实时控制。

    我国生产的数控等离子切割机的数控系统多是在引进国外数控技术的基础上，加以自主开发而成，并逐步形成了更能适应国内用户的数控系统。总体来说，在数控系统方面具备了国外同类系统的基本功能，但与国外先进的数控系统相比，在错误记录、网络化生产、全自动生产等方面还存在较大差距。

    1.4 数控等离子切割系统的抗干扰措施

    切割电源具有强烈的电磁干扰，这就要求计算机控制系统必须具有很高的抗干扰能力，既能抵抗等离子引弧时的高频干扰，也能抵抗工作时大电流等离子弧的干扰，还能抵抗工作现场的其他干扰源。经过抗干扰设计，改善了数控等离子切割系统的可靠性，其故障率也降低。  

    2、国内外数控等离子切割现状与发展趋势 

    国外数控切割机的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。从机械结构上看，其发展经历了十字架型（轻型）、门型（小型）、龙门型（大型）3个阶段，相应的型号种类繁多。能够代表数控等离子切割技术最高水平的厂家主要集中在德国，如德国ESAB公司的精细等离子切割机的切割精度已达激光切割下限，目前，国外已有厂家在龙门式切割机上安装一个专用切割机械手，开发出五轴控制系统的龙门式专用切割工具，该系统可以在空间切割出各种轨迹，利用特殊的跟踪探头，在切割过程中控制切割运行轨迹。相比之下，国内虽然十字架型、门型、龙门型都有所生产，但广度不够，生产厂家产品型号较为单一，尚无龙门式专用型材切割机产品。

    近几年来，由于对切割质量、劳动环境等的要求越来越高，国外的大型水下等离子切割法、精细等离子切割法等先进等离子切割技术得到较快发展，其相应产品在我国的市场需求量也逐年上升。在我国的等离子切割设备生产行业中，由于缺乏等离子切割理论研究与生产实践相转换的机制，因此新技术运用不广、新产品开发速度不快，制约了等离子切割技术的进一步发展和运用。

    可以预见，我国的数控切割机的市场需求仍将以数控等离子切割机为主。与此同时，国外广泛应用的大型水下等离子切割、精细等离子切割等先进切割设备在我国的市场需求量呈逐年上升趋势。

    从国外数控等离子切割行业发展的趋势来看，智能化精密切割将成为切割行业今后发展的方向。

    3、结论 

    我国钢产量早已达亿吨级，再加上制造业的蓬勃发展，这必将促进国内数控等离子切割技术的良性发展。总体来说，我国数控等离子切割在基本功能上已达到国外同类产品水平，但要完全达到或超过国外水平还有很长的路要走。国内各企业、科研单位应加大科研力度，重视企业间的横向合作，形成优势互补，并在以下方面争取进一步提高：

    a．应加强等离子理论研究与生产的相关转换；

    b．等离子电源应进一步提高稳定性；

    c．积极开发适合我国国情、经济可靠的数控等离子切割设备；

    d．人机对话界面友好，适合切割下料工人操作；

    e．网络互联功能。