国内外数控等离子切割技术的发展趋势

湖南铁路科技职业技术学院毕业论文（设计）说明书1摘要随着我国制造业迅速发展，切割技术尤其是等离子切割技术也得到较快的发展。本论文概述了等离子切割技术与气焰切割，激光切割的区别与联系，综合论述了等离子切割设备的现状及发展趋势及等离子切割方法的研究现状，最后全文总结了等离子切割技术存在的主要问题及以后开发的主要方向。关键词：等离子；设备；数控；切割方法目录摘要.........................................................................................................................1目录.........................................................................................................................11前言....................................................................................错误!未定义书签。2PLC的相关知识...............................................................错误!未定义书签。2.1什么是继电器.............................................................错误!未定义书签。2.2继电器的工作原理和特性.........................................错误!未定义书签。2.3PLC的概念、特点及其设计.................................错误!未定义书签。2.3.1PLC的概念...................................................错误!未定义书签。2.3.2PLC的特点...................................................错误!未定义书签。2.3.3PLC控制系统的设计...................................错误!未定义书签。3工艺过程分析.................................................................................................104全自动洗衣机控制系统的硬件设计.............................................................154.1选择PLC机型........................................................错误!未定义书签。4.2I/O资源分配...........................................................错误!未定义书签。5全自动洗衣机控制系统软件设计.................................................................166结束语.............................................................................................................16致谢.......................................................................................................................18参考文献...............................................................................................................19湖南铁路科技职业技术学院毕业论文（设计）说明书2湖南铁路科技职业技术学院毕业论文（设计）说明书3一、概述数控等离子切割技术是集数控技术，计算机软、硬件技术，等离子切割技术，精密机械技术于一体的高新技术。发展数控等离子切割机可以彻底改变国内热切割行业的装备水平，扭转热切割工业目前存在的效率低，质量差，劳动强度大，材料利用率低，环境脏乱差的局面，缩小与国外先进国家的差距。同时，数控等离子切割技术的发展可带动相关领域和学科达到国际先进水平。火焰切割、等离子切割和激光切割是热切割的三种主要方式，其技术经济性对比如下表所示。湖南铁路科技职业技术学院毕业论文（设计）说明书4湖南铁路科技职业技术学院毕业论文（设计）说明书5火焰切割具有切割变形大，适应不了高精度切割的需要，而且切割速度较低，切割前需预热，花费时间，难以适应无人化操作的需要。等离子切割具有切割范围宽，可切割一切金属板材和许多非金属材料，最高切割速度可达10m/min，是火焰切割的10倍。在水下切割能消除切割时产生的噪声，粉尘、有害气体和弧光，有利于环境的保护，符合21世纪对环保的要求。目前随着大功率等离子切割技术的成熟，切割厚度已达130mm，采用水射流技术的大功率等离子切割已使切割质量接近激光切割的下限(±0.2mm)。由于激光切割机价格昂贵，且目前只适合于薄板切割(通常厚板打孔时间长)，而精细等离子切割机切割精度可达激光切割的下限，切割表面质量近似，但切割成本远低于激光切割，约为其1/3，最大切割厚度可达12mm，因此用精细等离子切割机来取代价格昂贵的激光切割机，有利于以最经济的方式对用量较大的中、薄板实施高速精细切割。另外，数控等离子切割与自动套料编程软件配合可以提高材料利用率5%～10%，按年切割2000万t计，则年可节省钢材100～200万t，价值几十亿元。故在工业发达国家已出现以数控等离子切割机取代火焰切割机和激光切割机的发展趋势。因此，研究推广数控等离子切割技术具有重要的意义。二、我国数控等离子切割技术的发展我国数控火焰切割技术起步于20世纪80年代中期，而数控等离子切割机则更晚，大部分的数控等离子切割机以经济型机床(单片机为核心，步进电机为驱动元件)为主。国内曾经从事过数控切割机制造的厂家一度多达50多家，力量分散，许多厂家的前身都是焊割工具厂，技术基础差。在整个80年代，国内企业无论是产品结构还是生产规模方面都无力与国外企业竞争。进入90年代后，国内的一些公司瞄准世界先进水平，不断开发研制数控切割机的新产品，而且有些产品的主要技术指标已达到国外同类设备的先进水平，同时随着市场经济的调控作用，目前国内生产数控切割机的厂家已调整到20几家。但综合实力较强且有竞争实力的只有梅塞尔切割焊接有限公司、上海伊萨汉考克有限公司、哈尔滨华崴焊切成套设备有限公司、哈尔滨四海数控机械制造有限公司、深圳市博利昌数控切割设备有限公司、无锡华联焊割设备厂、北京百惠宏达科技有限责任公司等几家。他们一般都有自主科研开发能力，生产规模较大，产品规格齐全，品种多，质量较稳定，信誉度高。因此，在招标活动中往往取胜，单产量一般均在三四十台以上，有的甚至超过百台。当然有的企业虽然批量较小但也各有其特点，能适应不同企业的需求。国内一些数控等离子切割产品在许多方面已形成自身独有的特点，实现了“自动化、多湖南铁路科技职业技术学院毕业论文（设计）说明书6功能和高可靠性”。在某些方面，产品的技术性能甚至超过了国外的产品，具体体现在：1.数控系统与等离子系统的电磁兼容技术这是数控等离子切割机成功的关键，只有解决了这一难题，才能实现数字控制下的等离子切割。2.符合热切割工艺要求的专用控制软件该类控制软件的特点如下：(1)采用图形输入方式，比代码输入更加直观，操作快捷方便。(2)中文界面，更适合中国国情。(3)输入方式多元化，所有调控指令化。(4)利用自动套料编程软件，可提高板材利用率10%左右。3.大功率等离子系统该系统具有100%暂载率和完备的数控接口、弧压接口、遥控接口，并提供全套的接口附件，从而实现与数控系统的紧密结合三、国外数控等离子切割技术发展现状国外数控切割机生产厂家主要集中在德、日、美。其中德国ESAB公司的精细等离子切割机的切割精度已经达到激光切割的下限。国外已有厂家在龙门式切割机上面安装一个专门的切割机械手，该系统可以在空间切割出各种轨迹[2]。除此之外，水下等离子切割设备和精细等离子切割设备在国外应用广泛。总的来看，智能化的精密等离子切割将成为今后的发展方向。1.2切割电源等离子切割采用的是具有陡降和恒流特性的直流电源。目前连续可调节输出电流的常用电源有磁放大式、晶闸管整流式以及逆变电流。其中逆变电流具有高效、体积小和节能优点，随着大功率半导体器件的商品，逆变电源将是切割电源的发展方向。国内各企业及科研院所也加快了切割电源的研究。清华大学王琳化,朱志明,周雪珍【3】等人研究了基于DSP的数字化控制逆变式空气等离子切割电源。采用数字信号处理器DSP56F805,建立了逆变式空气等离子切割电源数字化控制系统，然后利用各种检查设备和电流控制设备实现了稳定的恒电流输出。实验结果表明,该数字化控制逆变式空气等离子切割电源切割过程稳定,切割质量良好。哈尔滨焊接切割成套设备有限公司【4】研制了大功率的等离子切割电源，给出了大功湖南铁路科技职业技术学院毕业论文（设计）说明书7率等离子切割电源的控制框图及主回路原理图。主回路采用可控硅全控桥,确保电源输出电流在50~200A连续可调,且工作电压可高达300V(国产一般为200V)。贾德利，尤波【5】等人探索大功率IGBT逆变式空气等离子切割电源的关键技术，对电源外特性、驱动电路、逆变器结构和中频变压器材质等各项电源关键技术进行了分析和讨论，提出了相应的设计方案，可以完成切割电流160A、切割电压150V的大功率作业要求。1.3割矩割矩是等离子是产生等离子弧并进行切割的关键部位。一般来讲，60A以下的割矩多采用风冷结构，60A以上多采用水冷结构。大电流涡流式水冷割据是目前国内等离子切割机常用的配套割矩，电极一般采用间接水冷式钨极，工作气体可使用N2，N2+H2，N2+Ar或Ar+H2混合气体，可切割厚度100mm以下的不锈钢、铝、铸铁和铜合金，性能较为良好；轴流和涡流复合式割矩也是较为常用的割矩，轴向工作气体使用H2，切向使用Ar和N2进一步压缩气体，冷却介质为水。当使用电流为500A，电压为200V时，能切割厚度达到140mm厚度的不锈钢。除此之外，还有大电流空气等离子割矩、氮-水再压缩等离子弧切割割据、环氧树脂浇注割矩等。目前，割矩的引弧一般是利用阴极与工件的瞬间接触或高频大电流来引发的，电弧引燃后靠高压大流量气体将阴极杆电弧吹出的弧焰来切割工件。中国计量学院【6】研发了一种直流低压小电流非接触起弧的等离子切割炬，使得切割炬在不与工件直接接触状态下能可靠起弧,起弧后等离子电弧能被多种效应约束呈电弧束,提高了能量密度和切割温度,从而得到小割缝、平整切口、材料变形、变性极小的效果,满足了现代加工制造的要求。1.4喷嘴和电极喷嘴是压缩电弧并形成等离子体的重要元件，对切割效率和切割质量有重要的影响。一般来讲喷嘴采用纯铜制造，厚度为2～3mm，大功率等离子弧切割可以厚一点。为了提高喷嘴的使用寿命，通常在采用金属保护帽来保护喷嘴，防止对金属板产生双弧现象。同时喷嘴的切割寿命与电极有关，提高电极寿命有利于提高喷嘴寿命。电极是等离子弧割矩的一个关键元件，它直接影响切割效率、切口质量和经济性。目前，电极的使用材料有钨、铪和锆，前者由于其氧化物的熔点较纯金属低，一般不能用于含氧气体；后两者的氧化物的熔点高于纯金属，所以应用较为广泛。电极消耗一般随切割电流、起弧次数增加而增加