李偉光 聶小軍

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640）

等離子是由電子、正離子和中性原子所組成的電離氣體。等離子切割是利用高溫等離子電弧的熱量使工件切口處的金屬局部熔化，并借助高速等離子的動(dòng)量排出熔融金屬以形成割縫的加工方法［1］。它因其切割速度快，切割精度高，切割條件容易設(shè)定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無人化作業(yè)和成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用［2］。隨著信息技術(shù)和控制技術(shù)與等離子切割的結(jié)合，近年新開發(fā)的等離子切割機(jī)在設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能上又有了長足的發(fā)展［3］。

目前，在不銹鋼板材下料方面，很多廠家都是用傳統(tǒng)的沖壓方式進(jìn)行。沖壓方式設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，無熱影響區(qū)，但同時(shí)也存在很多缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在:材料利用率低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)環(huán)境惡劣。尤其是在手動(dòng)沖壓中，原料進(jìn)給主要是依靠操作者的觀察判斷進(jìn)行，必須有一定的余量供操作者識(shí)別，而產(chǎn)品的質(zhì)量則與操作者的熟練程度、工作態(tài)度和責(zé)任心等主觀因素密切相關(guān)。同時(shí)，沖壓方式大都要經(jīng)過剪切和沖壓兩個(gè)環(huán)節(jié)，故工作效率低。而沖壓的噪聲很大，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，對(duì)操作者的身心也存在不利影響。此外，大量模具的使用給生產(chǎn)管理帶來很大困難，而它們的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)也需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，加大了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

等離子切割可以精簡板材下料過程，把原先的剪裁和沖壓兩道工序合并為切割一道工序。同時(shí)，等離子切割便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高工作效率;便于實(shí)現(xiàn)精確進(jìn)給，提高材料的利用率，也有利于維持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。更為重要的是，等離子切割的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)無模具切割，避免了大量模具在生產(chǎn)中的使用，給企業(yè)管理帶來很大的便利。因此，將等離子切割引入不銹鋼板材的下料過程，對(duì)相關(guān)企業(yè)具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 等離子切割機(jī)的功能分析

1．1 等離子切割機(jī)的功能需求

現(xiàn)階段，數(shù)控等離子切割是等離子切割一個(gè)主要發(fā)展方向。數(shù)控機(jī)床具有高度的制造柔性，加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)率高，便于改善勞動(dòng)條件，有利于生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。將等離子切割技術(shù)與數(shù)控技術(shù)有機(jī)結(jié)合，可以發(fā)揮等離子切割更大的優(yōu)越性。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割，等離子切割機(jī)必須能連續(xù)送料，自動(dòng)進(jìn)給;割炬要能夠沿橫向和縱向單獨(dú)或聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，以形成需要的加工曲線。機(jī)器的各功能部分要能夠密切配合、協(xié)調(diào)，如進(jìn)給、切割和成品送出等步調(diào)需一致，以實(shí)現(xiàn)精確連續(xù)切割。同時(shí)，切割的各種工藝參數(shù)要求能夠靈活調(diào)整，如速度、壓力、氣壓、電流和割炬高度等，以優(yōu)化工藝參數(shù)，滿足不同板材的切割要求。

1．2 等離子切割的工藝流程

等離子切割的引入，使切割過程大為簡化。通過對(duì)切割過程的深入分析，可以得出等離子切割大致的工藝流程，具體過程如圖1所示。

2 等離子切割機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及切割過程

為實(shí)現(xiàn)上述切割過程，必須要有相應(yīng)的機(jī)械本體與之適應(yīng)。設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循經(jīng)濟(jì)適用、穩(wěn)定可靠的原則，即在滿足功能要求的前提下使結(jié)構(gòu)盡可能簡單［4］。本文設(shè)計(jì)的板材等離子切割機(jī)構(gòu)包括5大部分，如圖 2 所示［5］。

等離子的切割過程大致如下:首先將不銹鋼板卷材按圖2所示順序安裝好，然后調(diào)整好各機(jī)構(gòu)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)整形、送料，到要求長度時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，切割頭開始工作，同時(shí)收料機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作，依靠傳送帶把切割好的盤料送出，轉(zhuǎn)換到履帶傳動(dòng)，到成品收集框后履帶張開，成品依靠自重落入成品收集框。整形機(jī)構(gòu)和牽引裝置輥輪間的間隙可調(diào)，以調(diào)整整形壓力和牽引力的大小，適應(yīng)不同厚度的板材切割。

等離子切割機(jī)的切割部分是該切割機(jī)的重要工作部分，是切割的直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的設(shè)計(jì)好壞直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。它不僅要求有合適的參數(shù)設(shè)置，如起弧電壓、切割電流、切割速度、切割噴嘴距工件的距離等，也要求運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確，進(jìn)給誤差小。下面將對(duì)本機(jī)的切割部分進(jìn)行深入的分析和探討。

3 等離子切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3．1 切割機(jī)構(gòu)的作用分析

等離子切割機(jī)構(gòu)是該機(jī)的主要工作部分，是保證切割質(zhì)量，提高工作效率的關(guān)鍵之所在。常見的等離子切割機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要有懸臂式、龍門式和臺(tái)式。它們各有其特點(diǎn)，適用于不同的加工場合。

3．2 各種等離子切割機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)比較

（1）懸臂式機(jī)構(gòu):設(shè)備移動(dòng)、安裝方便，結(jié)構(gòu)緊湊，需要空間位置小，制造成本低。但受懸臂式結(jié)構(gòu)的限制，受力條件較差，容易產(chǎn)生橫向變形，橫向切割寬度受到限制，高速切割時(shí)剛性較差。

（2）龍門式切割機(jī)構(gòu):龍門式支承方式雙向支撐，受力較均勻，設(shè)備剛性較好，可以實(shí)現(xiàn)較大的橫向跨度，通?？蛇_(dá)3～10 m。但設(shè)備安裝要求高，結(jié)構(gòu)相對(duì)較大，需占用較多的廠房面積。其驅(qū)動(dòng)方式有單邊驅(qū)動(dòng)和雙邊驅(qū)動(dòng)之分。單邊驅(qū)動(dòng)和雙邊驅(qū)動(dòng)各有其特點(diǎn)和使用場合。單邊驅(qū)動(dòng)避免了雙邊驅(qū)動(dòng)的高精度同步控制和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但由于質(zhì)心偏置而驅(qū)動(dòng)力不通過質(zhì)心，工作中將產(chǎn)生不對(duì)稱的慣性力，容易出現(xiàn)振動(dòng)、變形和傾斜等不利情況，因此僅能用于小跨度的情況［6］。雙邊驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，需要進(jìn)行兩邊高精度的同步控制，可用于較大跨度，運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)。

（3）臺(tái)式切割機(jī)構(gòu):切割部分和機(jī)器為一整體式，移動(dòng)就位方便，但割炬運(yùn)動(dòng)范圍比較小，切割幅面大小受到一定的限制。

比較上述3種切割機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，龍門式切割機(jī)構(gòu)可切割跨度大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，穩(wěn)定性好，與企業(yè)要求較吻合。因此，這里采用龍門式切割機(jī)構(gòu)。

3．3 切割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

切割采用板材固定，割炬運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行。割炬需要能夠沿3個(gè)方向移動(dòng)——橫向、縱向和豎直方向，橫向和縱向用于形成加工所需要的各種軌跡，豎直方向則是為了調(diào)整割炬至工件的距離，便于工藝參數(shù)優(yōu)化調(diào)整。

在數(shù)控加工中，插補(bǔ)是形成工件加工軌跡必須的運(yùn)動(dòng)，即數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)加工工件輪廓數(shù)據(jù)，運(yùn)用一定的算法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果對(duì)相應(yīng)的坐標(biāo)軸發(fā)出進(jìn)給指令，然后進(jìn)給機(jī)構(gòu)依據(jù)指令移動(dòng)相應(yīng)距離，從而形成工件的加工輪廓。不同算法對(duì)數(shù)控加工有兩方面的影響，即插補(bǔ)誤差的大小和插補(bǔ)速度的快慢。在眾多的插補(bǔ)算法中，逐點(diǎn)比較法因其較快的計(jì)算速度以及適宜的插補(bǔ)誤差而得到廣泛運(yùn)用。其原理是刀具每走一步控制系統(tǒng)都將加工點(diǎn)與給定的圖形軌跡相比較，以決定下一步進(jìn)給的方向，使刀具運(yùn)動(dòng)的軌跡逼近工件輪廓［7］。

機(jī)構(gòu)橫向和縱向運(yùn)動(dòng)是插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，其換向頻繁，單次進(jìn)給量很小，用微小的折線段來逼近直線或圓弧，運(yùn)動(dòng)精度要求高，因此要求執(zhí)行構(gòu)件具有足夠的精度，并且要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。割炬橫向的運(yùn)動(dòng)是通過龍門帶動(dòng)割炬安裝塊實(shí)現(xiàn)的，而縱向的運(yùn)動(dòng)是通過割炬安裝塊沿龍門橫梁移動(dòng)實(shí)現(xiàn)，豎直方向的調(diào)整則通過割炬沿割炬安裝塊的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

3．4 切割機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

3．4．1 龍門的橫向移動(dòng)

龍門的橫向移動(dòng)，考慮用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)具有如下特點(diǎn):（1）摩擦小，效率高，機(jī)械效率可達(dá)90%以上;（2）靈敏度高，傳動(dòng)平穩(wěn);（3）磨損少，壽命長;（4）可消除軸向間隙［8］。由于上述優(yōu)點(diǎn)，滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)在直線傳動(dòng)中得到廣泛的應(yīng)用。

為使兩側(cè)受力平衡，龍門采用雙邊驅(qū)動(dòng)的方式（圖3）。用伺服電動(dòng)機(jī)控制絲杠的移動(dòng)距離。伺服電動(dòng)機(jī)具有穩(wěn)定性好、功率消耗低、壽命長、定位精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。用伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，可使速度和位置控制非常精確。為避免發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，前后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行必須嚴(yán)格同步。

根據(jù)工作條件分析，工作僅有輕微振動(dòng)，工作部件的質(zhì)量m=270 kg，最大加速度amax=10 m/s2，最小加速度amin=5 m/s2，由此可以求得軸向最大工作載荷Fmax=2 700 N，F(xiàn)min=1 350 N，絲杠的最高轉(zhuǎn)速nmax=100 r/min，最低轉(zhuǎn)速nmin=10 r/min，絲杠的精度選為4級(jí)。對(duì)滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算如下［9］:

（1）當(dāng)量載荷Fm=（2Fmax+Fmin）/3=（2×2 700+1 350）/3=2 250 N;

（2）當(dāng)量轉(zhuǎn)速nm=（nmax+nmin）/2=（100+10）/2=55 r/min;

（3）選工作壽命Lh=25 000 h，則預(yù)期工作壽命Ln=60×nm×Lh=8．25×107r;

（4）查表取載荷系數(shù)fw=1．1，則額定動(dòng)載荷Ca=fwFm10－2（Ln）1/3=10 774 N;

（5）按轉(zhuǎn)速很低時(shí)的靜載計(jì)算:額定靜載荷Coa=fdFmax=5 400 N（查表取靜態(tài)安全系數(shù)fd=2）;

（6）從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表中（選外循環(huán)，導(dǎo)珠管埋入式，雙螺母墊片預(yù)緊）可選2005－5型，d0=20 mm，Ph=5 mm，Dw=3.175 mm，2.5圈 ×2列。其中:d0為公稱直徑，Ph為導(dǎo)程，Dw為鋼珠直徑，Ca為額定動(dòng)載荷，Coa為額定靜載荷。最終絲杠型號(hào)為CDM2005－5－T4。

3．4．2 割炬的縱向移動(dòng)

割炬沿橫梁的縱向移動(dòng)同樣是直線移動(dòng)，因此仍采用滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)類似于龍門的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這里就不再詳細(xì)討論了。

3．4．3 割炬豎直方向的調(diào)整

割炬噴嘴至工件的距離對(duì)等離子切割具有重要影響。距離太大，電弧長度增加，熱量損失增大，切割能力下降;反之，距離太小，則容易導(dǎo)致噴嘴與工件間短路而燒壞噴嘴，破壞切割過程的正常進(jìn)行。因此，割炬豎直方向的距離調(diào)整顯得十分重要。設(shè)計(jì)時(shí)同樣需要考慮到方案的可行性、結(jié)構(gòu)的簡單性和操作的方便性。這里用一個(gè)偏心滑塊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)割炬豎直方向的高度調(diào)整。偏心輪具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便的特點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)過程是:滑塊和割炬連接在一起，滑塊豎直移動(dòng)帶動(dòng)割炬豎直移動(dòng)，依靠偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來控制割炬在豎直方向的高度。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

下面對(duì)調(diào)高裝置的調(diào)整距離進(jìn)行精確計(jì)算。假設(shè)偏心輪的偏心距為e，則滑塊的可調(diào)范圍為2e。根據(jù)工藝要求，割炬至工件的距離一般要求在4～10 mm之間，變化范圍為6 mm。故只要將偏心距e設(shè)為5 mm，則高度調(diào)整范圍Δh=0～2e=0～10 mm，滿足使用要求。

設(shè)初始時(shí)刻割炬處于最高位置，滑塊至偏心輪圓心的距離為h，則偏心輪轉(zhuǎn)過任意角θ時(shí)，高度的改變量Δh可用圖5算出:

其中:L為連桿長度。

由式（1）可求得偏心輪轉(zhuǎn)任意角度時(shí)滑塊的位置，故滑塊的高度可通過控制偏心輪的轉(zhuǎn)角來精確調(diào)整。

3．4．4 切割機(jī)構(gòu)的整體裝配圖

綜合上面的橫、縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)和調(diào)高裝置，可得最終的切割機(jī)構(gòu)如圖6所示。

該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，控制精確，可以實(shí)現(xiàn)橫向和縱向的單獨(dú)或聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，可以方便地形成多種加工軌跡，適應(yīng)不同工件的加工需求，加工范圍廣，具有很大的靈活性和調(diào)整空間。割炬豎直方向的高度可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)整，以滿足不同工藝的高度設(shè)定要求。由于龍門跨度較大，橫向采用了雙邊驅(qū)動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

4 結(jié)語

等離子切割技術(shù)具有切割速度快、切割質(zhì)量好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)應(yīng)用于不銹鋼板材的下料，可以有效提高不銹鋼板材下料過程的自動(dòng)化水平，改善工作環(huán)境，提高材料的利用效率，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本文對(duì)一種等離子切割機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步探討，重點(diǎn)對(duì)切割機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行了分析和討論，通過機(jī)構(gòu)的功能和運(yùn)動(dòng)分析、關(guān)鍵部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)方案的比較，提出了一種經(jīng)濟(jì)適用的結(jié)構(gòu)方案，可較好地滿足切割生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)使用要求。

［1］李德元，趙文珍，董曉強(qiáng)，等．等離子技術(shù)在材料加工中的應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［2］杭爭翔，馬學(xué)智，等．等離子切割在熱切割中的地位［J］．沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，21（6）:479 －481．

［3］張華．我國切割技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．機(jī)械工人:熱加工，2004（5）:22－25．

［4］濮良貴，紀(jì)名剛．機(jī)械設(shè)計(jì)［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［5］彭文華．鋼板卷材整平剪切機(jī)研究［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2006（6）:51－52．

［6］胡建兵，周云飛，等．基于單邊驅(qū)動(dòng)的精密氣浮工作臺(tái)之振動(dòng)分析與抑制．機(jī)床與液壓，2004（6）:19－21．

［7］唐友亮，饒華球，等．實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)的逐點(diǎn)比較法－直線插補(bǔ)的改進(jìn)算法［J］．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22（9）:182 －183．

［8］丁年雄．機(jī)械加工工藝辭典［M］．北京:學(xué)苑出版社，1990．

［9］陳大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三卷）［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1992．