一种新型等离子切割设备的研究

聂广鹿，方懂平

● （1.北京交通大学 电子信息工程学院,北京100044; 2. 巨洋技术开发有限公司,浙江 舟山 316000）

一种新型等离子切割设备的研究

聂广鹿1，方懂平2

● （1.北京交通大学 电子信息工程学院,北京100044; 2. 巨洋技术开发有限公司,浙江 舟山 316000）

本文研发了基于 CNC系统的数控等离子切割设备，并对相关的配套设备进行了优化设计，对干扰信号进行高效屏蔽隔离。同时开发了与之匹配的新型辅助设计软件，使得本设备具有良好的切割效果。

信号干扰；数控；等离子切割

0 引言

目前我国船厂的船体分段搭接与舾装大多在户外进行，这个环节一般需要大量的成型板件和大型管系。由于管系直径大，都是通过卷弯机进行卷制，户外无法采用数控切割，而只能进行人工切割。目前市场上的数控类火焰切割机基本上都体型庞大，主要都在标准厂房内使用，无法进行现场施工，而且切割平板和切割管系都是不同的数控设备，尤其管系数控切割机价格非常昂贵，近六七十万，并且操作也非常复杂。同时，户外环境恶劣加上没有配套的设施，人工切割很难控制切割氧流(即风线)的形状以至于切口表面粗糙、不干净、宽窄不一；如果速度过快，会产生较大的拖后量，不易切透，且使铁渣向上飞；速度过慢，钢板棱角易熔化，切割薄板时会严重变形。在发生塑性变形的同时，也降低了产品的切割精度，同时还要进行二次加工，消耗大量的燃料成本，造成了大量的人力物力浪费。

基于上述原因，急需开发一种适合船舶行业的户外节能型集平板与管系切割于一体的等离子切割设备，这种设备能在户外恶劣环境下进行相贯线的切割，以实现平板和管系的一体化切割。

1 电路的隔离设置

目前，在用的非接触式等离子系统的最主要干扰源是来自于电源供电部分，见图1、2。一般由于采取高频引弧器来实现引弧切割，高频引弧变压器二次侧引弧电压高达3500V～7000V，脉冲频率上百赫兹至上千赫兹，辐射干扰及对电网的谐波污染非常强。同时，配合使用的大电流交直流接触器及各种常规大功率继电器关断也会对电网造成波动及浪涌冲击；目前在用的高功率等离子切割机在不屏蔽的情况下一起弧就引起计算机内部混乱，导致无法正常切割。本设计采用隔离电源模块方式对主控芯片进行供电，采用金属格片结构，进行有效的干扰屏蔽与外导，取得了良好的效果。

图1 隔离控制电源

图2 隔离驱动电源

2 主控电气板卡的优化设计

图3 板卡的光电隔离设置图

本数控等离子系统是采用基于数控铣床的CNC控制板，见图3。由于本数控等离子具有很强的干扰性，因此普通的信号隔离输出构架用于本系统时会产生误动作，造成设备瘫痪，因此必须对其进行改良设计使其能正常运用于等离子系统。本系统在信号输出端采用多个光电隔离模块进行物理隔离，防止干扰源反串到板卡内，同时布置闭环式金属隔离圈，将控制结构和信号结构部分进行强制分离。因此，取得了良好效果，解决了普通CNC板卡无法用于等离子系统的难题[1]。

3 独立相关线管系软件的开发

由于目前的数控切割系统只进行直线和圆弧结构的组合切割，对于需要卷制的平面相贯线口无法切割。因此，本系统开发了基于LISP语言的相贯线生产软件，用于支持本设备的相贯线切割，见图4。本软件根据两根管子对接所需要的角度，自动生成两条相贯线，通过打印机打印出来，直接给现场工人进行1∶1进行切割，省去人工放样的繁琐及大量精力，且精度很高，大大提高工作效率，尤其适用于户外大直径管件的拼接，也可输入配套数控切设备实现相贯线的自动切割[2]。

图4 生成的相贯线

4 等离子电源控制线路的改造

本设计基于等离子切割机的供电电源110～220V直接引自公用电网电压，起/灭弧控制线也直接布置在切割机旁，然后引出至数控电柜内，其间和数控CNC控制芯片的电源系统一起走过多个直角拐弯，并跨越数十米的铁质线缆架，这样构建的等离子发生器起/灭弧引起的高频电流电压直接向旁边辐射，大电流引起的辐射干扰通过旁边的导线直接反向串入电网。本研究采取的措施是把起/灭弧的控制信号通过继电器隔离为交流24V的相对弱电控制线引入数控电柜，使得在使用中不会出现中途死机现象，见图5，在实际使用中取得了良好效果。

图5 控制线路框图

5 控制软件的优化设计

本设备采用的控制软件为基于雕刻机的CNC控制软件，不能直接用于本等离子切割机，必须加以改进。因此，本设计软件界面加以了修正，使其能适用于本系统，将原有的主轴控制模式转移到等离子触发模式，见图6，同时增设有1s的停顿功能，使得等离子有足够的时间将钢板打穿，然后再进行数控切割，提高切割效果[3]。以下是部分代码生成示例：

图6 控制软件框图

6 结语

研发的本等离子数控切割系统具有良好的切割效果，具备了相贯线的切割能力；该设备能适应户外恶劣的供电质量，提高了船厂的生产效率和切割质量，节省了钢材和降低了能耗；该设备搬运灵活方便，可携带到船体甲板上工作；该设备还能实现横向及垂直切割，提高了户外作业水平和质量。

[1] 张晓光.信号检测与控制电路[M]. 北京:中国计量出版社, 2008.

[2] 徐衡.数控铣床和加工中心工艺与编程诀窍[M]. 北京:化学工业出版社, 2013.

[3] 人力资源和社会保障部教材办公室.数控车床编程与操作[M ]. 北京:中国劳动社会保障出版社, 2012.

[4] 杨书荣,周敏.深入浅出 PowerMILL数控编程[M].北京:中国电力出版社, 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

聂广鹿（1992-），男，本科。研究方向：信号与系统。