数控等离子切割机工作原理及质量分析

数控等离子切割机工作原理及质量分析三一汽车起重机械有限公司陆雄摘要：数控等离子切割机是一种采用数控技术进行板材下料的机电一体化设备。本文介绍了数控等离子切割机的基本组成及工作原理，对机床的纵、横向导向机构、传动机构及等离子弧切割过程进行了详细的介绍。在等离子弧切割加工中，常见的质量问题有切割斜角、熔渣、切割断面波纹等，消除切割断面波纹是长期以来困扰我们的难题。本文主要针对切割断面波纹产生的原因进行了分析讨论，并提出一些参考的处理方法，希望能对提高数控等离子切割机的切割质量有所帮助。关键词：数控等离子切割机、等离子电弧、切割斜角、熔渣、切割断面波纹1前言数控等离子切割机可以切割各种形状复杂的工件并具有切割速度快、效率高、切割面质量好、切割尺寸精确、工件热变形小等优点。由于其高效率及良好的切割精度，现已广泛应用于机械制造、工程机械、矿山机械、造船、压力容器等行业。随着生产规模的扩大，三一汽车起重机械有限公司由2008年的3台数控等离子切割机增加到现在的16台。由于数控等离子切割机的大量使用，在实际的切割加工过程中，经常会出现各种各样的质量问题，常见的有切割斜角、熔渣、切割断面波纹等。为了充分发挥其效率，提高加工质量，要求我们对数控等离子切割机的工作原理有较全面的了解，以便有效的解决实际工作中遇到的各种质量问题。下面以公司的某一种机型为例，对数控等离子切割机的主要机械结构及工作原理进行介绍，并对一些常见的切割质量问题进行分析。2数控等离子切割机的基本组成数控等离子切割机主要由CNC数控系统、机械本体及等离子电源等三大部分组成（图1）。图1数控等离子切割机的组成框图下面就这三大部分别进行介绍。2．1CNC数控系统CNC数控系统是主要由CNC数控主机、I/O控制电路板、伺服驱动器、伺服电机及割CNC数控系统机械本体等离子电源CNC数控主机I/O控制电路板伺服驱动器伺服电机割炬高度控制炬高度控制等部分组成（图2）。图2CNC数控系统组成框图CNC数控主机是数控系统的核心，它采用的是Hypertherm的Edge系统，它在WindowsXP软件系统平台上安装了Phoenix图形切割软件，具有人机界面直观，操作简单灵活等特点。数控主机指令通过I/O接口控制电路传送到伺服驱动器以控制伺服电机实现位置控制，完成图形切割加工。割炬高度控制主要有两个作用，一个是在等离子起弧时实现初始定位功能，另一个是在切割加工过程中实现割炬高度自动控制，常用的调高方式有弧压调高和电容调高，这里采用的是弧压调高。2．2机械本体机械本体是数控等离子切割机的机械结构件，机械本体通常采用龙门式结构，轨距通常为6米。纵向大车采用双边驱动。它主要由两侧端梁、横梁、割炬小车、割炬升降机构、导向及传动机构等部分组成（图3）。割炬小车横梁齿轮齿条横向导轨割炬齿轮齿条端梁纵向导轨割炬升降机构图3数控等离子切割机结构示意图导向轴承大车行走轮杠杆导向轴承大车导轨碟形弹簧调节螺母侧板底板回转销轴轴调节螺杆由横梁及两侧端梁组成了机床的主体结构，机床的主体结构要求结构刚性好，重量轻，通常采用钢板焊接的箱式结构，一方面减小了机床的惯性负荷，别一方面减少机床运行中的振动。纵向大车驱动方式采用双边高精度齿轮齿条传动，为增加运动的平稳性和运动精度采用齿轮与齿条无侧隙啮合。纵向大车的导向机构、传动机构、横向割炬小车的导向机构，这几部分是对机床运行精度影响较大的的关键部位，下面主要对这几个关键结构进行详细介绍。2．2．1纵向大车导向机构纵向大车导向机构主要由大车导轨、大车行走轮、导向轴承、调节杠杆机构等部分组成（图4）。图4纵向大车导向机构纵向大车方向采用工字型导轨，表面经过热处理及加工，既有良好的耐磨性，又有较好的导向精度。两侧端梁下部各有2个大车行走轮用来支承整个机械结构的重量，并在大车导轨上平稳行走。端梁下部安装了4只导向轴承，用来实现纵向大车行走的导向。这种导向结构实现导向轴承与导轨之间零间隙，通过一套杠杆调节机构产生预紧力，这既能消除导向轴承与导轨之间的间隙，又能保持良好的接触刚度。预紧力由一组碟形弹簧产生，通过调节螺杆可以调节预紧力的大小，预紧力过小导轨的接触刚度降低，导向精度降低，直接影响加工精度。预紧力过大将增加传动阻力，使伺服电机负荷增大，并且会加快导向轴承的磨损，所以调节预紧力的大小十分重要。2．2．2纵向大车传动机构纵向大车的传动采用齿轮齿条传动，由伺服电机通过减速机传送给大车齿轮，以实现割炬的纵向直线运动。图5纵向大车传动机构大车齿条安装在纵向导轨的侧面，大车齿轮与伺服电机及减速机一起安装在回转座上，为了提高传动精度，齿轮齿条传动利用弹簧机构来自动消除齿侧间隙。图5为齿侧间隙消除机构，齿轮齿条间的接触力由压缩弹簧产生，其大小可以通过调节螺杆来进行调节。弹簧力的大小必须保证在正常传动过程中齿轮与齿条不脱开，且需要有足够的刚度，以保证传动机构的刚度。这种机构还有一个作用就是在机床发生撞车时，齿轮齿条能够脱开，以保护传动机构，所以弹簧力的大小必须适当。2．2．3横向割炬小车导向机构模向割炬小车方向采用2根圆柱形导轨（图6-1），该导轨嵌在方型的基座上，以保证导轨的刚度。图6-1横向割炬小车导向机构同心销轴Ⅰ割炬升降机构横梁端梁销轴回转座大车齿轮大车齿条调节螺杆压缩弹簧锁紧螺母水路┼斩波器—┼气路主控制板PCB7引弧电路CR1起动电路CNC图6-2偏心调节机构放大图横向导向机构采用4对特制导向轴承来实现导向行走，上部导向轴承采用同心销轴固定，为不可调结构。如图6-2所示，下部导向轴承采用偏心销轴固定，可以通过转动偏心销轴的角度来消除导向轴承与导轨之间的间隙，并产生一定的预紧力，这样提高了横向割炬小车的运动刚度。调节偏心销轴时，先要适当将紧固螺钉拧松，然后用扳手转动偏心销轴，调整完后，将紧固螺钉拧紧。2．3等离子电源等离子电源为数控等离子切割机提供切割能源，它主要由主控制板、起动电路、斩波器、引弧电路、冷却水路、气路等部分组成（图7）。图7MAX200等离子电源组成框图Ⅰ放大偏心销轴导向轴承紧固螺钉圆形导轨3等离子弧切割过程分析等离子切割是以高温、高速的等离子弧为热源，它以压缩气体为工作介质,通过被压缩气体电离形成高温、高速的等离子电弧,将被切割的金属或非金属局部熔化（或蒸发），同时用高速、高压气流将已熔化的金属或非金属“吹离”基体而形成狭窄而光洁切口的一个过程。3．1割炬的结构及功能割炬是等离子弧切割的关键部件，直接关系等离子切割的效率及质量。如图8所示，主要零件有电极（Electrode）、喷嘴(Nozzle)、涡流环(SwirlRing)、保护套(RetainingCap)、保护罩(Shield)、水管（WaterTube）。喷嘴(Nozzle)电极（Electrode）涡流环(SwirlRing)水管（WaterTube）保护气出水进水等离子气图8割炬装配图1．喷嘴在割炬中主要有以下功能：1）等离子喷嘴是通过使旋转的等离子气体收缩、喷射，对等离子电弧弧柱产生“机械压缩”、“热收缩”、“磁收缩”等效应，使其能量密度和冲击力增加，达到切割的目的。2）等离子弧喷嘴产生引导电弧的功能，其工作过程是，先以电极为阴极，喷嘴为阳极，在电场的作用下，通过使电极与喷嘴间等离子气电离产生引导电弧，当引导电弧的焰流接触工件后，焰流接通了电极与工件之间的电流通路，此时工件取代喷嘴作为阳极，与电极间产生切割等离子弧，同时继电器切断喷嘴上的电路。3）等离子喷嘴具有耐高温性能和较好的导热性，等离子弧的弧柱温度高达30000℃以上，弧柱从喷嘴的φ2mm小孔中穿过，使喷嘴温度很高。2．涡流环的主要功能是产生旋转的等离子气等离子气流旋转喷射结构如图9所示，它是先通过涡流环将气体改变成切向气流旋转，然后再进行收缩和喷射。图9切割示意图我们知道等离子气体在高速旋转时，离心作用使温度较低密度较高的气体向外侧移动，温度高而密度低的气体向中间移动，这样就在喷嘴的喷射孔内形成了径向的外冷内热的温度梯度。这种梯度增加了等离子气对弧柱的“热缩”和“磁缩”效应。在“机械收缩”的共同作用下，使等离子弧柱能量密度更高，挺直性更好，冲击力更大。由此可见，在其它条件相同的情况下，等离子气流的旋转速度越高，则对等离子弧柱的收缩效果越好。3．2弧压高度控制在切割过程中等离子割炬与工件的高度距离控制很重要，其高度距离不仅造成等离子电弧参数(弧压,切割电流)的变化,而且直接影响切割斜角和表面切割质量。在实际切割过程中,由于板材不可避免的会有变形，使割炬与钢板之间的切割高度不断发生变化，为保证切割质量，割炬必须上、下调整以稳定电弧在正常值的范围内切割。图10弧压与切割高度的关系根据理论研究，如图10所示，割炬的切割高度与弧压成一定的比例关系，利用这一原理，通常我们利用弧压来控制割炬的高度，称为弧压调高。4常见质量问题产生的原因及解决措施评定数控等离子切割质量好坏可从以下三个方面来判断:切割斜角的大小、熔渣量的多少、切割断面波纹的深度等。操作工可以通过调节弧压、切割电流、切割速度、工作气压等来改善切割质量。下面从切割斜角、熔渣、切割断面波纹这三个方面来进行分析讨论。4．1切割斜角如图11所示，切割斜角（切割角度）指的是切割边部和垂直线的夹角。假如切割非常完美，则切割斜角接近于0度。图11切割斜角图12割炬高度对切割斜角的影响如图12所示，调节割炬高度可以改变切割斜角，可以通过调节弧压来改变割炬高度。4．2熔渣1．顶部熔渣位于割缝的顶部两侧，这种溶渣是飞溅而形成的，减小弧压可以使顶部溶渣消失。图13高速熔渣2．高速熔渣这种溶渣较小，在割缝的底部，其产生的原因可能是由于喷嘴损坏、电流过低、速度过快、切割高度过高造成的。清除时需铲除或打磨，可以通过更换电极喷嘴、减小速度、降低弧压等方法来减少高速熔渣。图14高速熔渣3．低速熔渣这是大量沉积而成的球状溶渣。其产生的原因是电流过高、速度过低、切割高度过低造成的，可以通过增加切割速度及增加弧压来减小低速熔渣。图15低速熔渣4．3切割断面波纹切割斜角、熔渣及切割表面相互影响，表面平滑与粗糙与熔渣量取决于适当的速度。凹形的切割面是由于割炬到工件的距离太小或易损件烧损；凸形切割面是由于割炬到工件的距离太大或易损件烧损。前面所述的质量问题通常可通过选择合适的切割电流、切割速度、弧压、调节工作气压和及时更换电极、喷嘴、涡流环等易损件的办法加以解决。在实际切割加工的实践中，经常会出现如图16所示，为波浪状的切割断面波纹，这种波纹表面光洁，排列很整齐，看上去是很有规律的纹路。这种切割断面波纹采用常规的调节切割参数的方法是没法解决的。图16切割断面波纹图17比较好的切割断面这种波纹是长期以来一直困扰我们维修人员的一个难题。那么这种波纹是如何产生的呢？通过多年的维修实践，我们发现，出现这种波纹的原因主要是由于机床的机械结构及机床传动系统的刚性不够，导致机床在运行时发生振动及抖动而产生的。机床刚性的好坏直接关系机床的加工精度，机床刚性不够有两大方面的原因。其一是设备生产厂家设计、制造及安装调试方面的原因：1．机床本体的机械结构刚性（如横梁、端梁结构等）不够；2．机床传动系统及导向机构的设计不够合理；3．机床导轨、导向轴承、齿轮齿条等零部件的材质及热处理质量较差，导致零部件的耐磨性差，使用寿命短。其二是在设备在使用维护及维修方面的原因：1．机床的传动机构、导向机构的正常磨损或在运行过程中松动也会造成机床刚性不够；2．机床操作人员的维护保养不到位，造成导向及传动机构零部件的磨损加快；3．部分维修人员对机床的结构及调整方法了解不够以及定期点检及检查调整不到位。那么要如何才能彻底消除切割断面的波纹呢？可以考虑从如下几个方面着手：1．在实际切割加工中，这种切割断面波纹在大部分下料零件中都会存在，出现的概率极大，有必要对这种波纹的深度进行界定，需要制定相应的检测及评定标准，这样才有利于对切割断面波纹的控制。2．有的新设备在开始投入使用时，就可能会出现切割断面波纹，质量较好的设备可能在使用半年以后才会产生切割断面波纹，这就说明对于不同厂