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，常见的质量上的问题有切割斜角、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。本文主要是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，现已大范围的应用于机械制造、工程机械、矿山机械、造船、能承受压力的容器等行业。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，在实际的切割工艺流程中，经常会出现各种各样的质量上的问题，常见的有切割斜角、切割断面波纹等。为了充分的发挥其效率，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在做的工作中遇到的各种质量上的问题。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上的问题做多元化的分析。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所组成（图CNC数控系统机械本体等离子电源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、控制电路板、伺服驱动器、伺服电机及割炬高度控制等部分所组成（图CNC数控主机控制电路板割炬高度控制伺服驱动器伺服电机CNC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HyperthermEdge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，简单易操作灵活等特点。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，另一个是在切割工艺流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，机械本体一般会用龙门式结构，轨距通常米。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所组成（图3）。纵向导轨横梁齿条割炬小车齿轮齿轮齿条横向导轨割炬升降机构数控等离子切割机结构示意图由横梁及两侧端梁组成了机床的整体的结构，机床的整体的结构要求结构刚性好，重量轻，一般会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。纵向大车驱动方式选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可以进行详细介绍。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所组成调节螺母大车行走轮碟形弹簧调节螺杆杠杆底板回转销轴导向轴承导向轴承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，通过调节螺杆能调节预紧力的大小，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。回转座大车齿条大车齿轮调节螺杆锁紧螺母压缩弹簧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，为了更好的提高传动精度，齿轮齿条传动利用弹簧机构来自动消除齿侧间隙。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，其大小能够最终靠调节螺杆来进行调节。弹簧力的大小一定要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。同心销轴割炬升降机构横梁6-1横向割炬小车导向机构放大圆形导轨偏心销轴紧固螺钉导向轴承6-2偏心调节机构放大图横向导向机构采用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，能够最终靠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、气路等部分所组成（图CNC主控制板PCB7起动电路水路斩波器引弧电路CR1MAX200等离子电源组成框图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核心部件，必然的联系等离子切割的效率及质量。如图所示，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，使其单位体积内的包含的能量和冲击力增加，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 2mm小孔中穿过，使喷嘴温度很高。2．涡流环的基本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 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。 切割示意图我们大家都知道等离子气体在非常快速地旋转时， 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，使等离子弧柱单位体积内的包含的能量更高，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 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明显的变化，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。 常见质量上的问题产生的原因及解决措施评定数控等离子切割质量优劣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。操作工能够最终靠调节弧压、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做多元化的分析讨论。 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 11切割斜角 12割炬高度对切割斜角的影响 如图 12 所示，调节割炬高度能改变切割斜角，能够最终靠调节弧压来改变割炬高度。