聶廣鹿，方懂平

● （1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京100044; 2. 巨洋技術(shù)開發(fā)有限公司,浙江 舟山 316000）

一種新型等離子切割設(shè)備的研究

聶廣鹿1，方懂平2

● （1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京100044; 2. 巨洋技術(shù)開發(fā)有限公司,浙江 舟山 316000）

本文研發(fā)了基于 CNC系統(tǒng)的數(shù)控等離子切割設(shè)備，并對(duì)相關(guān)的配套設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行高效屏蔽隔離。同時(shí)開發(fā)了與之匹配的新型輔助設(shè)計(jì)軟件，使得本設(shè)備具有良好的切割效果。

信號(hào)干擾；數(shù)控；等離子切割

0 引言

目前我國船廠的船體分段搭接與舾裝大多在戶外進(jìn)行，這個(gè)環(huán)節(jié)一般需要大量的成型板件和大型管系。由于管系直徑大，都是通過卷彎機(jī)進(jìn)行卷制，戶外無法采用數(shù)控切割，而只能進(jìn)行人工切割。目前市場(chǎng)上的數(shù)控類火焰切割機(jī)基本上都體型龐大，主要都在標(biāo)準(zhǔn)廠房內(nèi)使用，無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，而且切割平板和切割管系都是不同的數(shù)控設(shè)備，尤其管系數(shù)控切割機(jī)價(jià)格非常昂貴，近六七十萬，并且操作也非常復(fù)雜。同時(shí)，戶外環(huán)境惡劣加上沒有配套的設(shè)施，人工切割很難控制切割氧流(即風(fēng)線)的形狀以至于切口表面粗糙、不干凈、寬窄不一；如果速度過快，會(huì)產(chǎn)生較大的拖后量，不易切透，且使鐵渣向上飛；速度過慢，鋼板棱角易熔化，切割薄板時(shí)會(huì)嚴(yán)重變形。在發(fā)生塑性變形的同時(shí)，也降低了產(chǎn)品的切割精度，同時(shí)還要進(jìn)行二次加工，消耗大量的燃料成本，造成了大量的人力物力浪費(fèi)。

基于上述原因，急需開發(fā)一種適合船舶行業(yè)的戶外節(jié)能型集平板與管系切割于一體的等離子切割設(shè)備，這種設(shè)備能在戶外惡劣環(huán)境下進(jìn)行相貫線的切割，以實(shí)現(xiàn)平板和管系的一體化切割。

1 電路的隔離設(shè)置

目前，在用的非接觸式等離子系統(tǒng)的最主要干擾源是來自于電源供電部分，見圖1、2。一般由于采取高頻引弧器來實(shí)現(xiàn)引弧切割，高頻引弧變壓器二次側(cè)引弧電壓高達(dá)3500V～7000V，脈沖頻率上百赫茲至上千赫茲，輻射干擾及對(duì)電網(wǎng)的諧波污染非常強(qiáng)。同時(shí)，配合使用的大電流交直流接觸器及各種常規(guī)大功率繼電器關(guān)斷也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成波動(dòng)及浪涌沖擊；目前在用的高功率等離子切割機(jī)在不屏蔽的情況下一起弧就引起計(jì)算機(jī)內(nèi)部混亂，導(dǎo)致無法正常切割。本設(shè)計(jì)采用隔離電源模塊方式對(duì)主控芯片進(jìn)行供電，采用金屬格片結(jié)構(gòu)，進(jìn)行有效的干擾屏蔽與外導(dǎo)，取得了良好的效果。

圖1 隔離控制電源

圖2 隔離驅(qū)動(dòng)電源

2 主控電氣板卡的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖3 板卡的光電隔離設(shè)置圖

本數(shù)控等離子系統(tǒng)是采用基于數(shù)控銑床的CNC控制板，見圖3。由于本數(shù)控等離子具有很強(qiáng)的干擾性，因此普通的信號(hào)隔離輸出構(gòu)架用于本系統(tǒng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，造成設(shè)備癱瘓，因此必須對(duì)其進(jìn)行改良設(shè)計(jì)使其能正常運(yùn)用于等離子系統(tǒng)。本系統(tǒng)在信號(hào)輸出端采用多個(gè)光電隔離模塊進(jìn)行物理隔離，防止干擾源反串到板卡內(nèi)，同時(shí)布置閉環(huán)式金屬隔離圈，將控制結(jié)構(gòu)和信號(hào)結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行強(qiáng)制分離。因此，取得了良好效果，解決了普通CNC板卡無法用于等離子系統(tǒng)的難題[1]。

3 獨(dú)立相關(guān)線管系軟件的開發(fā)

由于目前的數(shù)控切割系統(tǒng)只進(jìn)行直線和圓弧結(jié)構(gòu)的組合切割，對(duì)于需要卷制的平面相貫線口無法切割。因此，本系統(tǒng)開發(fā)了基于LISP語言的相貫線生產(chǎn)軟件，用于支持本設(shè)備的相貫線切割，見圖4。本軟件根據(jù)兩根管子對(duì)接所需要的角度，自動(dòng)生成兩條相貫線，通過打印機(jī)打印出來，直接給現(xiàn)場(chǎng)工人進(jìn)行1∶1進(jìn)行切割，省去人工放樣的繁瑣及大量精力，且精度很高，大大提高工作效率，尤其適用于戶外大直徑管件的拼接，也可輸入配套數(shù)控切設(shè)備實(shí)現(xiàn)相貫線的自動(dòng)切割[2]。

圖4 生成的相貫線

4 等離子電源控制線路的改造

本設(shè)計(jì)基于等離子切割機(jī)的供電電源110～220V直接引自公用電網(wǎng)電壓，起/滅弧控制線也直接布置在切割機(jī)旁，然后引出至數(shù)控電柜內(nèi)，其間和數(shù)控CNC控制芯片的電源系統(tǒng)一起走過多個(gè)直角拐彎，并跨越數(shù)十米的鐵質(zhì)線纜架，這樣構(gòu)建的等離子發(fā)生器起/滅弧引起的高頻電流電壓直接向旁邊輻射，大電流引起的輻射干擾通過旁邊的導(dǎo)線直接反向串入電網(wǎng)。本研究采取的措施是把起/滅弧的控制信號(hào)通過繼電器隔離為交流24V的相對(duì)弱電控制線引入數(shù)控電柜，使得在使用中不會(huì)出現(xiàn)中途死機(jī)現(xiàn)象，見圖5，在實(shí)際使用中取得了良好效果。

圖5 控制線路框圖

5 控制軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

本設(shè)備采用的控制軟件為基于雕刻機(jī)的CNC控制軟件，不能直接用于本等離子切割機(jī)，必須加以改進(jìn)。因此，本設(shè)計(jì)軟件界面加以了修正，使其能適用于本系統(tǒng)，將原有的主軸控制模式轉(zhuǎn)移到等離子觸發(fā)模式，見圖6，同時(shí)增設(shè)有1s的停頓功能，使得等離子有足夠的時(shí)間將鋼板打穿，然后再進(jìn)行數(shù)控切割，提高切割效果[3]。以下是部分代碼生成示例：

圖6 控制軟件框圖

6 結(jié)語

研發(fā)的本等離子數(shù)控切割系統(tǒng)具有良好的切割效果，具備了相貫線的切割能力；該設(shè)備能適應(yīng)戶外惡劣的供電質(zhì)量，提高了船廠的生產(chǎn)效率和切割質(zhì)量，節(jié)省了鋼材和降低了能耗；該設(shè)備搬運(yùn)靈活方便，可攜帶到船體甲板上工作；該設(shè)備還能實(shí)現(xiàn)橫向及垂直切割，提高了戶外作業(yè)水平和質(zhì)量。

[1] 張曉光.信號(hào)檢測(cè)與控制電路[M]. 北京:中國計(jì)量出版社, 2008.

[2] 徐衡.數(shù)控銑床和加工中心工藝與編程訣竅[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2013.

[3] 人力資源和社會(huì)保障部教材辦公室.數(shù)控車床編程與操作[M ]. 北京:中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社, 2012.

[4] 楊書榮,周敏.深入淺出 PowerMILL數(shù)控編程[M].北京:中國電力出版社, 2008.

Study on New Type of NC Plasma Cutting Equipment

NIE Guang-lu1, FANG Dong-ping2

(1. School of Electronic and Information Engineering of Beijing Jiaotong University, Beijing100044, China; 2. Juyang Technology Development Ltd., Zhoushan 316000, China)

NC plasma cutting equipment is developed based on CNC system in present paper. The matching system is optimized. The interference signal is effectively separated .A new type aided design software is developed in order to achieve good cutting effect.

interference signal;NC;plasma cutting

TB47

A

聶廣鹿（1992-），男，本科。研究方向：信號(hào)與系統(tǒng)。