等離子切割在總線控制技術(shù)上的應(yīng)用

愛科曼自動化技術(shù)（北京）有限公司（100041）果 磊

等離子、火焰、激光或水切割，在切割過程中從技術(shù)上通常需要對數(shù)控系統(tǒng)進行個別的調(diào)整。有時需要考慮切割過程的物理特性，如火焰或等離子，它們體積受熱時會膨脹；同時需要考慮加工尺寸精度、斷面的質(zhì)量等。

等離子切割具有熱熔融切割工藝特性，其主要觀點也適用于其他與之類似的切割工藝。本文將以等離子切割工藝為例，講述如何根據(jù)實際情況調(diào)整控制器，即以我公司的切割解決方案來說，就是要用一個智能型的控制器來彌補程序的負面特性。

等離子切割是通過一種電離的、離子化的導電氣體（等離子）使材料實現(xiàn)熱分離（見圖1）。此時等離子束中的極度高溫和釋放的復合熱量可使任何材料瞬間熔化。等離子切割時的溫度根據(jù)不同的氣體和能源供應(yīng)可達20 000K，甚至更高。

圖1 等離子切割

等離子氣體的溫度在等離子生成時急劇上升，瞬間產(chǎn)生氣體膨脹，等離子氣體極度加速并使割縫熔化。高熱能和動能的特殊連接是等離子切割的基本要求。與其他熱分離過程相比，利用高密度能量可以實現(xiàn)更快的切割速度。此外，在現(xiàn)場切割中較窄的熱影響區(qū)和高的切割速度還會減少工件的變形。

等離子源的生成，首先要把離子化后的氣體供給割嘴，根據(jù)精度，材料以及不同的用途，多數(shù)情況下還需要一種環(huán)繞等離子束的流態(tài)化保護氣體；其次，還需提供必要的電能（幾百安培的電流），電能的任務(wù)是使氣體離子化，并在割嘴及工件之間產(chǎn)生電弧電壓；最后，其間在等離子割頭產(chǎn)生的高溫須用冷水冷卻，否則割槍極易損壞。氣體、水冷、電流等必須經(jīng)由相應(yīng)的管道連接到割頭處，再循環(huán)導出保證等離子的正常工作。但傳輸管道會間接影響到機械的運動控制。

綜上所述，與傳統(tǒng)的動力裝置（比如數(shù)控銑床）的區(qū)別是特殊動力設(shè)計越來越被市場所需要。與銑削工藝不同，銑削時刀具直接與切割平面接觸，而等離子切割時，割嘴尖與工件表面必須保持一定的距離，而且割縫在空間上還會擴展/膨脹。這樣割嘴在傾斜位置時，作為三角形弦的切削深度就會增加（材料厚度作勾，等離子射出偏移作股）。在許多切割工藝中，割縫的形狀還會出現(xiàn)V形或者類似圓錐形。

所有這些問題都可以通過切割數(shù)控解決方案來輕松克服，機械制造商為此可有多種合適的軟件模塊選擇。如果成熟的標準版軟件不能滿足客戶的需求，愛科曼公司還負責為客戶做固件調(diào)整以適應(yīng)其技術(shù)要求。對于特殊的動力裝置，公司還提供一款基于Matlab（高級程序）自行研發(fā)的軟件工具來做硬件循環(huán)仿真/模擬。控制硬件通過輸入和輸出與硬件循環(huán)模擬相連接，機器的機械部分被真實模擬。

愛科曼的研發(fā)工程師們可以為各種運動裝置做數(shù)字模擬，在機械制造商的實體機械完成前，即可使CNC固件適應(yīng)新的運動要求，并掌控所有功能的無差錯實施。使用現(xiàn)代模擬工具可以顯著地加快機器的調(diào)試工作，從而縮短進入市場的時間。

3.應(yīng)用實例

下面列舉幾個由愛科曼公司ENC66控制器控制的復雜動態(tài)模擬實例：菱形縮放（見圖2a）；刀具軸和工件自動軸多軸應(yīng)用。一個更好的例子是自轉(zhuǎn)鋼梁的等離子切割：旋轉(zhuǎn)雙T型鋼梁（見圖2b），或者相貫線（圖2c）。

圖2

CNC系統(tǒng)中裝有多種校正功能，比如，依據(jù)坡口角度使割速得以自動降低。如上所述，傾斜狀態(tài)時所得切割厚度加大，所以同等功率下割速必須降低。另外，割炬傾斜時割縫位置與工件表面和割嘴的距離會發(fā)生變化，這也能通過軟件來進行自動補償。刀具軸則以割炬旋轉(zhuǎn)時的電弧間隙保持不變來進行控制。

各種校正功能可以確保恒定的切割參數(shù)，由此確保切割過程的完美控制。調(diào)高在等離子切割時被賦予獨特的角色。很多切割工藝，尤其不容易做到所需精確性和靈活性的等離子切割，在調(diào)高（Z軸）不能與其他幾個刀具軸完美同步的情況下，不受CNC控制的外置調(diào)高的解決方案很快就會遇到局限。既然CNC不可或缺，讓它來接管調(diào)高的計算還能降低硬件的費用。

只有在CNC的統(tǒng)一控制之下，所有相關(guān)的軸才能充分合作。愛科曼公司專門為此研發(fā)了一款自己的Z-軸機電裝置，它的設(shè)計也適于組裝一個帶坡口角度調(diào)節(jié)A、B軸的坡口裝置。

除了擁有技術(shù)所需的必要校正功能以外，CNC固件也可以遠程實施主軸梯度補償以及其他補償，還可以進行3D-軸校正。這個固件可控制高達16個CNC軸，還可以額外控制PLC操作軸。

如今造船行業(yè)里使用巨大的龍門切割機械，愛科曼的CNC也支持龍門軸驅(qū)動所需的同步功能。

機械制造商可以使用愛科曼的組件在圖像化開發(fā)環(huán)境Codesys（與IEC61131—3一致）下自行進行機器控制編程，并可使用龐大的切割標準功能庫，包括電源控制功能或氣體供氣功能。機械制造廠家也可以選擇愛科曼公司提供的工程建議和專業(yè)知識，委托其應(yīng)用工程師開發(fā)軟件和軟件調(diào)整。人機界面的設(shè)計還配有切割專用工具，既可快速實現(xiàn)直觀的操作界面，也可靈活適應(yīng)自己的界面設(shè)計。

如果我們希望在實際操作中提高切割效益（與其他切割工藝相比），機器的操作就需要更簡捷高效。如果裝備時間過長或者機器操作復雜，那么切割工藝技術(shù)優(yōu)勢帶來的時間贏利將喪失殆盡。

由此，愛科曼的CNC推出一款專為切割而完善了的操作界面，操作過程中所有的重要步驟都可以集中一處進行并加以控制。

機器的操作全部通過觸摸屏來進行。操作人員不僅可以不同格式導入NC程序（DXE,DIN,HPGL,ESSI）,還可以直觀地在機器上通過宏圖形做編程，這在簡單幾何時尤其節(jié)省時間。編寫新的程序或者優(yōu)化已有程序皆可在機器運轉(zhuǎn)時實施。

為了節(jié)省裝備時間，可以把圖像處理系統(tǒng)嵌入CNC之中。這樣就可以自動識別工件的位置，并把校正參數(shù)自動傳送給CNC處理程序。

這樣一來，既費力又費時的板材校準（工序）就變成多余的了。而且影像處理還有很多其他用途：通過余料輪廓識別來優(yōu)化板材的使用；監(jiān)控切割過程做好在線程序優(yōu)化。

愛科曼的CNC對外可以通過各種接口與驅(qū)動及等離子電源進行通信：除了Sercos（串行實時通信系統(tǒng)）和CAN-Open（總線），還有以太網(wǎng)、本地總線、USB、RS232、RS422/485,同時也可使用電壓信號或者PWM信號進行控制，為此備有專門的IO模塊。連接外圍設(shè)備可使用普通的標準IO組件（數(shù)字輸入/輸出，模擬輸入/輸出），通過總線或者Sercos的總線耦合器IO模塊還可以遠程操作。

機器和操作數(shù)據(jù)可由CNC采集并提供給疊加生產(chǎn)控制和生產(chǎn)規(guī)劃系統(tǒng)，這樣也可以為大型生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)一致和高效的自動化解決方案。