臺式數控等離子切割機設計

臺式數控等離子切割機設計,臺式,數控,等離子,切割機,設計 廣東技術師范學院天河學院 本科畢業(yè)設計文獻綜述 題 目： 臺式數控等離子切割機 系 別： 機電工程系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 姓 名： 何卓坤 學 號： 2009030743211 1 指導教師： 王永超 年 月 日 臺式數控等離子切割機 何卓坤 摘要：本文介紹了數控等離子切割機的工作原理是通過控制離子體所形成的高能量來對金屬進行切割、焊接和噴涂的，并利用數控技術使其自動化工作。并簡述了數控等離子切割機的發(fā)展歷史及在國內外的發(fā)展情況和研究成果。目的在于更加專業(yè)化的去總結在大學四年所學的知識，同時增強自己對數控等離子切割機的了解。由于水平有限，文中難免會有錯漏之處，敬請讀者批評指正。 關鍵詞：數控等離子切割機；離子體；數控技術； 前言：目前，正處于科學技術飛速發(fā)展的信息時代，自動化、最優(yōu)化、集成化、智能化和精密化等使現代機械制造業(yè)正經歷著巨大的變化，也是今后發(fā)展的必然趨勢。而臺式等離子切割機是由原來的手工操作走向自動化、智能化和精密化的機器。 數控等離子切割機廣泛運用于汽車、機車、壓力容器、化工機械、核工業(yè)、通用機械、工程機械、鋼結構等各行各業(yè)。并主要通過從水蒸氣中獲取等離子這樣安全，簡便，有效，多功能且環(huán)保的方法對0.3mm以上厚度的金屬進行熱加工處理（切割，熔焊，釬焊，淬火，噴涂等等），這在金屬加工工業(yè)史上實屬首創(chuàng)。而且數控等離子切割機更加可以用薄片分層疊加成型法，利用計算機根據所要設計工件形狀來編寫程序的指令來切割所需要的圖形的設備，為生產復雜零件的模具提供了一種新的方法。 正文： 1.等離子切割機的發(fā)展歷史 等離子技術開始于二戰(zhàn)時期軍工加工領域，因為當時的戰(zhàn)局對武器裝備的加工速度和品質要求極其強烈，這就促使人們不斷地去研究新技術，有很多現代所用的技術都是在那個時候產生的，等離子技術就是其中之一。在二戰(zhàn)時期，等離子最初是應用于焊接領域，當時人們發(fā)現通過電流電解的氣體可以在焊接點附近形成一道屏障，以防止氧化。從而使得焊縫更加整齊，連接結構的強度更堅固。再后來，人們發(fā)現加快氣流速度和縮小氣孔會引出溫度極高的電離弧，而這個溫度是當時傳統加工工藝所不能及的，因此等離子不僅再作為焊接保護手段更作為直接的焊接工藝出現在人們的視野，這使得軍工加工速度和品質成倍的翻新。后來等離子弧漸漸的應用于熱切割領域，并表現出了優(yōu)秀的性能，等離子電弧的引入革命性地提高了切割速度、精度以及切割材質的種類，使人類的加工業(yè)獲得了質的提高。 在1948年，美國軍方對軍械的精度要求越來越高，一般的加工設備難以適應，；美國美國帕森斯公司提出了數字脈沖控制機床的設想，為數控技術的出現奠定了理論依據。在1949年，該公司和麻省理工學院開始了共同研究。1952年，終于試制出第一臺三坐標數控銑床。為數控技術投入了實際生產中打下了基礎。在20世紀80年代初以來，隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，出現了能進行人機對話式自動編制程序的數控裝置；數控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數控機床的自動化程度進一步提高。因此，數控技術水平的高低已經成為衡量一個國家機械制造業(yè)水平的重要標志。 過去，在切割生產中，下料主要靠氧氣乙炔的手工割炬來手工切割，這種加工方法效率低下、切割精度不高、且浪費原材料。然而將等離子切割技術與數控技術相結合的數控等離子切割技術卻具有效率高，切割精度高，自動化程度高，節(jié)省能源和材料，并可以對幾乎所有的金屬材料進行切割，且數控等離子切割還有著切割速度快，工件變形小等優(yōu)點。使得數控等離子切割技術是現代金屬切割技術發(fā)展的趨勢之一。 2.1等離子切割種類介紹 1.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。切割電流一般在100 A以下，切割厚度小于 30 mm。 2.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、切割弧的能量進一步集中，從而提高了切割速度和加工質量。 3.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，由于引進了諸如旋轉磁場等技術，其電弧的穩(wěn)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。 2.2 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。國產等離子電源大多用于手工切割和配在小車切割機上，近年來由于性能有所改善，因此也逐步配用于數控切割機，但仍需進一步提高。 2.3 數控技術的現狀與發(fā)展 計算機技術的飛速發(fā)展推動了數控技術的更新換代，而這也日益完善了數控等離子切割的高精、高速、高效功能。代表世界先進水平的歐洲、美國、日本的數控系統生產商利用工控機豐富的軟硬件資源開發(fā)的新一代數控系統具有開放式體系結構，即數控系統的開發(fā)可以在統一的運行平臺上，面向最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象(數控功能)，形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統中，快速實現不同品種、不同檔次產品的開發(fā)。 開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、網絡化方向發(fā)展。 目前，開放系統具體有2種基本結構： 1.CNC+工控機主板。將一塊工控機主板插入傳統的CNC機器中，工控板主要用作實時控制，CNC主要用作以坐標軸運動為主的實時控制。 2.工控機+運動控制板。將運動控制板插入工控機的標準插槽中作實時控制用，而工控機主要作非實時控制。 我國生產的數控等離子切割機的數控系統多是在引進國外數控技術的基礎上，加以自主開發(fā)而成，并逐步形成了更能適應國內用戶的數控系統?？傮w來說，在數控系統方面具備了國外同類系統的基本功能，但與國外先進的數控系統相比，在錯誤記錄、網絡化生產、全自動生產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的高頻干擾，也能抵抗工作時大電流等離子弧的干擾，還能抵抗工作現場的其他干擾源。經過抗干擾設計，改善了數控等離子切割系統的可靠性，其故障率也降低。 3.研究現狀 3.1.國外研究現狀 在20世紀50年代中期，美國成功研制出了等離子切割技術。近幾年來，由于對切割質量、勞動環(huán)境等的要求越來越高，國外的大型水下等離子切割法、精細等離子切割法等先進等離子切割技術得到較快發(fā)展，其相應產品在我國的市場需求量也逐年上升。而國外數控切割機的生產廠家主要集中在德國、美國和日本。其主要廠家有德國的伊薩(E SAB)、梅塞爾(MESSER)，日本的田中(TANAKA)、小池(KOIKE)，美國的L-TEC、林德(LINDA) 等。能夠代表數控等離子切割技術最高水平的一家集中在德國，德國伊薩的數控切割機是當今世界上品種最全，功能最多，水平最高，幾乎包括了所有非接觸式切割手段的數控切割機。 其中NEC520連續(xù)軌跡控制器與RPC600(單臺或雙臺并聯)水射流式等離子系統配合可以切割130mm以下金屬板材；與HD3070精細等離子配合可對1～12mm金屬材料實施高速(7.6m/min)和高精度(接近激光切割下限)切割。 上述配置代表了數控等離子切割機的最高配置，其主要特點如下： (1)自動化切割即等離子切割的全部過程(如初始定位、引弧、穿孔、切割、調高、升降水等)均在數控指揮下完成，并可通過編程來修改其參數。 (2)多功能即通過加掛不同附件增加數控機床的柔性，為下道工序提供定位、焊接、儲存基礎。例如打標記功能可提供安裝和定位基準。等離子切割可進行X、V、Y和K形等坡口加工，且不僅可完成直線坡口還可完成曲線、圓弧形坡口，為焊接提供方便。 (3)水下切割可有效地減小鋼板熱變形，充分抑制塵粉、弧光、噪聲和飛濺。 美國海寶公司的等離子系統代表著當今世界等離子系統的最高水平，其產品規(guī)格覆蓋從普通等離子、水射流式等離子直至精細等離子等所有熱切割用等離子系統。普通等離子電源輸出電流為20～200A，切割厚度可達50mm以下；水射流式等離子電源輸出電流最高可達1000A，切割厚度可達130mm以下；精細等離子電源輸出電流最高可達100A，切割厚度可達12mm以下 ，其中精細等離子割縫寬0.65～0.75mm，與數控切割機配合可達±0.2mm的切割精度。 3.2.國內研究現狀 隨著國內經濟形勢的蓬勃發(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，產品質量得到改進，而且改善了工人的勞動環(huán)境，勞動效率進一步提高。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的需要，而目前市場需求的數控切割機多為數控等離子切割機，該類切割機可滿足不同材料、不同厚度的金屬板材的下料以及金屬零件的加工的需要，因此需求量將會越來越大，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一步普及。因此國內數控切割機生產廠家引進了國外控制系統技術，經過二次開發(fā)后運用到了切割領域中，設計出了適合我國國情的數控切割機。某些廠家開發(fā)生產的專用數控切割設備，在技術上已經達到或超過了國外同類產品。 數控等離子弧切割技術是集數控技術、計算機技術、等離子弧切割技術、檢測技術、精密機械技術于一體的高新技術。發(fā)展數控等離子弧切割機可以徹底改變國內熱切割行業(yè)的裝備水平,扭轉熱切割工業(yè)目前存在的效率低,質量差,勞動強度大,材料利用率低,環(huán)境臟亂差的局面,縮小與國外先進國家的差距。 我國數控火焰切割技術起步于20世紀80年代中期，而數控等離子切割機則更晚，大部分的數控等離子切割機以經濟型機床(單片機為核心，步進電機為驅動元件)為主。國內曾經從事過數控切割機制造的廠家一度多達50多家，力量分散，許多廠家的前身都是焊割工具廠，技術基礎比較落后。在整個80年代，國內企業(yè)無論是產品結構還是生產規(guī)模方面都無力與國外企業(yè)競爭 。 但是進入90年代后，國內的一些公司瞄準世界先進水平，不斷開發(fā)研制數控切割機的新產品，而且有些產品的主要技術指標已達到國外同類設備的先進水平，同時隨著市場經濟的調控作用，目前國內生產數控切割機的廠家已調整到20幾家。但綜合實力較強且有競爭實力的只有梅塞爾切割焊接有限公司、上海伊薩漢考克有限公司、哈爾濱華崴焊切成套設備有限公司、哈爾濱四海數控機械制造有限公司、深圳市博利昌數控切割設備有限公司、無錫華聯焊割設備廠、北京百惠宏達科技有限責任公司等幾家。他們都有自主科研開發(fā)能力，生產規(guī)模較大，產品規(guī)格齊全，品種多，質量較穩(wěn)定。在行業(yè)中起著中堅力量。 國內一些數控等離子切割產品在許多方面已形成自身獨有的特點，實現了“自動化、多功能和高可靠性”。在某些方面，產品的技術性能甚至超過了國外的產品，具體體現在： 1.數控系統與等離子系統的電磁兼容技術 這是數控等離子切割機成功的關鍵，只有解決了這一難題，才能實現數字控制下的等離子 2.符合熱切割工藝要求的專用控制軟件 軟件的特點如下： (1)采用圖形輸入方式，比代碼輸入更加直觀，操作快捷方便。 (2)中文界面，更適合中國國情。 (3)輸入方式多元化，所有調控指令化。 (4)利用自動套料編程軟件，可提高板材利用率10%左右。 3.大功率等離子系統 該系統具有100%暫載率和完備的數控接口、弧壓接口、遙控接口，并提供全套的接口附件，從而實現與數控系統的緊密結合。 結論 隨著現代制造業(yè)的發(fā)展，機械加工對于數控機床提出了更高的要求，等離子切割機作為現造船業(yè)、汽車業(yè)、航空業(yè)重要的數控裝備，高速高精度成為其最求的目標。而我國鋼產量早已達億噸級，再加上制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，這必將促進國內數控等離子切割技術的良性發(fā)展?？傮w來說，我國數控等離子切割在基本功能上已達到國外同類產品水平，但要完全達到或超過國外水平還有很長的路要走。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一步提高： 1.應加強等離子理論研究與生產的相關轉換； 2.等離子電源應進一步提高穩(wěn)定性； 3.積極開發(fā)適合我國國情、經濟可靠的數控等離子切割設備； 4.人機對話界面友好，適合切割下料工人操作； e.網絡互聯功能。 參考文獻： [1] 成大先，機械設計手冊，化學工業(yè)出版社，2007.11 [2] 趙家瑞，等離子弧切割技術的發(fā)展趨勢[J]，現代焊接，2001(01) [3] 呼剛義,關雄飛，宏程序在具有特殊輪廓零件數控編程中的應用[J]，制造業(yè)自動化. 2011(23) [4] 武亞鵬,侯建偉，淺談數控等離子切割機[J]，金屬加工(熱加工). 2011(06) [5] 鄭勐，數控等離子切割機開發(fā)設計中的關鍵技術研究[D]，西安理工大學 2004 [6] 胡琛，等離子切割機數控系統的研究[D]，武漢科技大學 2008 [7] 張文武，等離子切割智能控制策略的研究[D],廣東工業(yè)大學 2012 [8] 王富國，計算機控制等離子切割機[J]，宇航材料工藝 1994年 第4期 [9] 王蘇衛(wèi)，機車車輛工藝[N]，1991年 第2期 [10] 李榮軍，數控等離子切割機的特點及維護、保養(yǎng)[R]，新技術研究與推廣，2012年 第2期 [11] 黎明英，顏擁軍，汪琳霞，龍斌，數控等離子切割機切割槍自動高低調節(jié)系統[N], 南華大學學報（理工版），第18卷第2期 [12] 卜瑋晶，數控等離子切割技術的應用與工藝控制[C],長春工業(yè)大學 人文信息學院 [13] 陳潔，鄭鵬，數控等離子切割技術及應用[J],新技術新工藝 2009年第2期 [14] 陳文清，曾朝陽，何群學，數控火焰/等離子切割機控制系統的研究[N]，第9卷第3期 [15] 周敏，陳世興，周磊，FANUC和SIEMENS系統指令比較研究[N],廣東技術師范學院學報 2008年第6期 [16] 施蕓，數控切割機工藝控制系統設計與制作[D]，西南交通大 2011 [17] 張佳興，數控等離子切割機的改造與維修[J]，機床與液壓 2008年04期 [18] 陸欲飛，數控等離子坡口切割機構的設計及仿真[D]，大連海事大學 2007 [19] 孔德杰,張光先,喬立強,齊兆亮. 數控等離子切割技術在我國的現狀與發(fā)展[J]. 電焊機. 2005(01)