毕业设计（论文）-国内外数控等离子切割技术的发展趋势.doc

湖南铁路科技职业技术学院毕业论文（设计）说明书摘要随着我国制造业迅速发展，切割技术尤其是等离子切割技术也得到较快的发展。本论文概述了等离子切割技术与气焰切割，激光切割的区别与联系，综合论述了等离子切割设备的现状及发展趋势及等离子切割方法的研究现状，最后全文总结了等离子切割技术存在的主要问题及以后开发的主要方向。关键词：等离子；设备；数控；切割方法目 录摘要1目录21 前言32 plc的相关知识42.1什么是继电器42.2继电器的工作原理和特性42.3 plc的概念、特点及其设计42.3.1 plc的概念42.3.2 plc的特点52.3.3 plc控制系统的设计63 工艺过程分析94 全自动洗衣机控制系统的硬件设计114.1 选择plc机型114.2 i/o资源分配145 全自动洗衣机控制系统软件设计176 结束语28致谢29参考文献30一、概述数控等离子切割技术是集数控技术，计算机软、硬件技术，等离子切割技术，精密机械技术于一体的高新技术。发展数控等离子切割机可以彻底改变国内热切割行业的装备水平，扭转热切割工业目前存在的效率低，质量差，劳动强度大，材料利用率低，环境脏乱差的局面，缩小与国外先进国家的差距。同时，数控等离子切割技术的发展可带动相关领域和学科达到 国际先进水平。 火焰切割、等离子切割和激光切割是热切割的三种主要方式，其技术经济性对比如下表所示。 火焰切割具有切割变形大，适应不了高精度切割的需要，而且切割速度较低，切割前需预热，花费时间，难以适应无人化操作的需要。等离子切割具有切割范围宽，可切割一切金属板材和许多非金属材料，最高切割速度可达10m/min，是火焰切割的10倍。在水下切割能消除 切割时产生的噪声，粉尘、有害气体和弧光，有利于环境的保护，符合21世纪对环保的要求。目前随着大功率等离子切割技术的成熟，切割厚度已达130mm，采用水射流技术的大功率等离子切割已使切割质量接近激光切割的下限(0.2mm)。由于激光切割机价格昂贵，且目前只适合于薄板切割(通常厚板打孔时间长)，而精细等离子切割机切割精度可达激光切割的下限， 切割表面质量近似，但切割成本远低于激光切割，约为其1/3，最大切割厚度可达12mm，因此用精细等离子切割机来取代价格昂贵的激光切割机，有利于以最经济的方式对用量较大的中、薄板实施高速精细切割。另外，数控等离子切割与自动套料编程软件配合可以提高材料利用率5%10%，按年切割2000万t计，则年可节省钢材100200万t，价值几十亿元。故在工业发达国家已出现以数控等离子切割机取代火焰切割机和激光切割机的发展趋势。因此，研究推广数控等离子切割技术具有重要的意义。二、我国数控等离子切割技术的发展 我国数控火焰切割技术起步于20世纪80年代中期，而数控等离子切割机则更晚，大部分的数控等离子切割机以经济型机床(单片机为核心，步进电机为驱动元件)为主。国内曾经从事过数控切割机制造的厂家一度多达50多家，力量分散，许多厂家的前身都是焊割工具厂，技术基础差。在整个80年代，国内企业无论是产品结构还是生产规模方面都无力与国外企业竞争 。 进入90年代后，国内的一些公司瞄准世界先进水平，不断开发研制数控切割机的新产品，而且有些产品的主要技术指标已达到国外同类设备的先进水平，同时随着市场经济的调控作用，目前国内生产数控切割机的厂家已调整到20几家。但综合实力较强且有竞争实力的只有梅塞尔切割焊接有限公司、上海伊萨汉考克有限公司、哈尔滨华崴焊切成套设备有限公司、哈尔滨四海数控机械制造有限公司、深圳市博利昌数控切割设备有限公司、无锡华联焊割设备厂、北京百惠宏达科技有限责任公司等几家。他们一般都有自主科研开发能力，生产规模较大，产品规格齐全，品种多，质量较稳定，信誉度高。因此，在招标活动中往往取胜，单产量一般均在三四十台以上，有的甚至超过百台。当然有的企业虽然批量较小但也各有其特点，能适应不同企业的需求。 国内一些数控等离子切割产品在许多方面已形成自身独有的特点，实现了“自动化、多功能和高可靠性”。在某些方面，产品的技术性能甚至超过了国外的产品，具体体现在： 1.数控系统与等离子系统的电磁兼容技术 这是数控等离子切割机成功的关键，只有解决了这一难题，才能实现数字控制下的等离子切割。 2.符合热切割工艺要求的专用控制软件 该类控制软件的特点如下： (1)采用图形输入方式，比代码输入更加直观，操作快捷方便。 (2)中文界面，更适合中国国情。 (3)输入方式多元化，所有调控指令化。 (4)利用自动套料编程软件，可提高板材利用率10%左右。 3.大功率等离子系统 该系统具有100%暂载率和完备的数控接口、弧压接口、遥控接口，并提供全套的接口附件，从而实现与数控系统的紧密结合三、国外数控等离子切割技术发展现状国外数控切割机生产厂家主要集中在德、日、美。其中德国esab 公司的精细等离子切割机的切割精度已经达到激光切割的下限。国外已有厂家在龙门式切割机上面安装一个专门的切割机械手，该系统可以在空间切割出各种轨迹2。除此之外，水下等离子切割设备和精细等离子切割设备在国外应用广泛。总的来看，智能化的精密等离子切割将成为今后的发展方向。1.2 切割电源等离子切割采用的是具有陡降和恒流特性的直流电源。目前连续可调节输出电流的常用电源有磁放大式、晶闸管整流式以及逆变电流。其中逆变电流具有高效、体积小和节能优点，随着大功率半导体器件的商品，逆变电源将是切割电源的发展方向。国内各企业及科研院所也加快了切割电源的研究。清华大学王琳化,朱志明,周雪珍【3】等人研究了基于dsp 的数字化控制逆变式空气等离子切割电源。采用数字信号处理器dsp56f805,建立了逆变式空气等离子切割电源数字化控制系统，然后利用各种检查设备和电流控制设备实现了稳定的恒电流输出。实验结果表明,该数字化控制逆变式空气等离子切割电源切割过程稳定,切割质量良好。哈尔滨焊接切割成套设备有限公司【4】研制了大功率的等离子切割电源，给出了大功率等离子切割电源的控制框图及主回路原理图。主回路采用可控硅全控桥,确保电源输出电流在50200a 连续可调,且工作电压可高达300v(国产一般为200v)。贾德利，尤波【5】等人探索大功率igbt 逆变式空气等离子切割电源的关键技术，对电源外特性、驱动电路、逆变器结构和中频变压器材质等各项电源关键技术进行了分析和讨论，提出了相应的设计方案，可以完成切割电流160a、切割电压150v 的大功率作业要求。1.3 割矩割矩是等离子是产生等离子弧并进行切割的关键部位。一般来讲，60a 以下的割矩多采用风冷结构，60a 以上多采用水冷结构。大电流涡流式水冷割据是目前国内等离子切割机常用的配套割矩，电极一般采用间接水冷式钨极，工作气体可使用n2，n2+h2，n2+ar 或ar+h2 混合气体，可切割厚度100mm 以下的不锈钢、铝、铸铁和铜合金，性能较为良好；轴流和涡流复合式割矩也是较为常用的割矩，轴向工作气体使用h2，切向使用ar 和n2 进一步压缩气体，冷却介质为水。当使用电流为500a，电压为200v时，能切割厚度达到140mm 厚度的不锈钢。除此之外，还有大电流空气等离子割矩、氮-水再压缩等离子弧切割割据、环氧树脂浇注割矩等。目前，割矩的引弧一般是利用阴极与工件的瞬间接触或高频大电流来引发的，电弧引燃后靠高压大流量气体将阴极杆电弧吹出的弧焰来切割工件。中国计量学院【6】研发了一种直流低压小电流非接触起弧的等离子切割炬，使得切割炬在不与工件直接接触状态下能可靠起弧,起弧后等离子电弧能被多种效应约束呈电弧束,提高了能量密度和切割温度,从而得到小割缝、平整切口、材料变形、变性极小的效果,满足了现代加工制造的要求。1.4 喷嘴和电极喷嘴是压缩电弧并形成等离子体的重要元件，对切割效率和切割质量有重要的影响。一般来讲喷嘴采用纯铜制造，厚度为23mm，大功率等离子弧切割可以厚一点。为了提高喷嘴的使用寿命，通常在采用金属保护帽来保护喷嘴，防止对金属板产生双弧现象。同时喷嘴的切割寿命与电极有关，提高电极寿命有利于提高喷嘴寿命。电极是等离子弧割矩的一个关键元件，它直接影响切割效率、切口质量和经济性。目前，电极的使用材料有钨、铪和锆，前者由于其氧化物的熔点较纯金属低，一般不能用于含氧气体；后两者的氧化物的熔点高于纯金属，所以应用较为广泛。电极消耗一般随切割电流、起弧次数增加而增加，因此为了减小起弧时电极消耗,起弧时切割气可不用氧气而用氮气,并且采用较小气流速度,待起弧进入正常切割状态后为了防止切割面产生氮化层再切换为氧气。采用该措施后在同样电极消耗量条件下延长了电弧工作时间。除此之外，电极的加工方法也影响着电极寿命。电极的加工方法影响电极寿命。开发初期的s 型电极寿命60min;改良铪、铜结合方法后电极寿命提高到120min;最新的加工方法是在铪、铜之间加入特殊金属,电极寿命提高到180min。北京有色金属研究总院【7】研究了锆铪丝材加工及其在等离子切割电极中的应用，探讨了电极寿命的影响因子，电极加工工艺对电极的影响及丝材质量对电极寿命的影响，对于促进等离子切割技术的发展具有重要的参考价值。2 等离子切割方法按照等离子工作气体的不同，可将等离子切割方法分为等离子氧气切割，等离子氮气切割、等离子空气切割法，等离子氩气-空气切割法。不同的切割方法由于其使用的工作介质的物、化性质的差异，因而具有不同的应用场合。例如，等离子氧气切割法由于工作介质是离解热高、携热性好、化学性质活泼的氧气作为工作气体，因而其切割速度快、工件变形小、电极消耗快等特点，一般只用于碳钢的切割；等离子氮气切割法使用氮气作为工作气体，由于氮气的存在容易在切割面产生氮化层，因而表面质量较差，但氮气价格低，所以这种方法一般用于切割对表面质量要求不高且不直接用于焊材的不锈钢下料；等离子空气切割法，由于其使用的介质为来源广泛的空气，兼有上述两种切割方法的共性，一般也用来切割表明质量要求较低的碳钢。近年来我国大力发展小电流的空气等离子切割机，使用范围正日益广泛，逆变式空气等离子弧切割机的开发为节约能源创造了条件；等离子氩气-氢气切割方法利用易电离氩气和导热性能好的氢气作为工作气体，二者的结合能形成弧柱稳定、能量密度高，切割能力强的等离子束。但由于价格较为昂贵，所以一般用于对切口质量要求较高的不锈钢和铝的切割。等离子切割方法的发展趋势是：开发特殊工作气体；开发特殊的电弧压缩、稳定装置，开发特殊的气体保护装置。等离子水涡流切割法【8】是一种利用特殊的装置将电弧引导为涡流状，然后在气体的周围流以高压缩的水作为压缩介质形成的一种能量高，流速大、电弧挺度高的切割方法，这种方法污染小、喷嘴使用寿命长，具有广泛的应用前景；涡流气体保护下的等离子切割【9】，是一种利用从割矩阴极和喷嘴之间喷出的涡流气体作为离子束保护气体的一种切割方法，这种切割方法可以在高合金钢中切割出不带有熔渣的割缝，同时该方法还适合于切割80 到120 毫米的水下工件，最大切割电流为750a。结果表明：噪音，灰尘和气雾量大大减少，降低了对环境的污染。切割方法的选择要根据所切割的材料，使用环境，质量要求和成本而定。当我们追求效率的时候，我们可以选择速度快的切割方法；当我们追求质量的时候，我们就可以考虑成本较高的高质量切割方法。总而言之，我们要最大限度地提高切割效率和降低切割成本。3 等离子切割存在的主要问题及开发的主要方向近年来，等离子切割技术发展迅速，一些精密高速切割技术欲与激光切割争高低。等离子切割过程最大的问题是噪音大、烟尘多。这不仅对周围的环境产生较大的噪音污染，更重要的是损害操作者和周围的人员的身体健康。目前处理办法有两者途径：一种是湿式处理方式，另一种是干湿处理方式。湿式处理方式是制作一个水床切割平台，是工件在水下完成作业的一种切割方法；干式切割方法是在切割工作平台增加一套烟尘处理装置。二者各有优势，要根据实际情况具体选择。袁建国【10】研究了空气等离子切割烟尘产生的特点，研究了一种特殊的处理烟尘的水槽装置，此装置置于切割口的下方能有效地抑制雾状锥体扩散和反弹，收到了良好的效果。薛武，楠元一臣【11】等研制了等离子切割监测系统，所以对等离子切割声音特性,以及切割声音、切割条件和切割质量的关系进行了研究.发现在等离子切割速度达到120cm/min 时,切割声音超过120db 达到最大值,并且这时切割质量处于没有渣滓的最理想状态.实验结果显示利用等离子切割声音可以对等离子切割过程进行监测,以提高等离子切割质量和效率。目前，等离子弧切割技术的开发主要集中以下几个方面【12】：（1）研制用于氧化性工作气体的新型电极材料，替代目前使用的锆和铪，提高电极的使用寿命，降低成本；（2）研究高精度等离子弧切割技术，加强工作气体和喷嘴对等离子弧的压缩作用，使从喷嘴射出的等离子弧更细、更挺直有力，达到切口宽度更小、切割精度更高、切割垂直好的切割质量；（3）开发切割碳素钢厚板的等离子弧切割技术（目前，大电流空气等离子弧切割板厚大于30mm的碳素钢速度低于氧气切割，且切割面倾角大）（4）等离子弧焰流流切割技术和设备的研究和开发，适应切割薄金属和某些非金属材料的要求。4 结束语21 世纪是一个倡导绿色环保的时代，由于我国经济的迅速崛起和制造业的蓬勃发展，必然对切割技术提出更高的要求。等离子切割技术具有诸多与绿色相符的特征，因而发展等离子切割技术具有与时俱进的优势。国内的企业、科研院所要加大科研力度，重视合作，优势互补，具体来讲应该在从以下几个方面努力：1.应加大等离子切割基础理论的研究；2.等离子电源应该进一步提高稳定性；3.企业要加大自主研发的力度，同时加大合作；4.开发具有适合我国国情，具有中国特色的数控等离子切割机。3 国内数控等离子切割的现状我国工厂的板材下料中应用最为普遍的是火焰切割和等离子切割，所用的设备包括手工下料、仿形机下料、半自动切割机下料及数控切割机下料等。与其他切割方式比较而言，手工下料随意性大、灵活方便，并且不需要专用配套下料设备。但手工切割下料的缺点也是显而易见的，其割缝质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后道加工工序的工作量大，同时劳动条件恶劣。用仿形机下料，虽可大大提高下料工件的质量，但必须预先加工与工件相适应的靠模，不适于单件、小批量和大工件下料。半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一种形状的切割。上述3种切割方式，相对于数控切割来说由于设备成本较低、操作简单，所以在我国的中小企业甚至在一些大型企业中仍在广泛使用。 随着国内经济形势的蓬勃发展以及“以焊代铸趋势的加速，数控切割的优势正在逐渐为人们所认识。数控切割不仅使板材利用率大幅度提高，产品质量得到改进，而且改善了工人的劳动环境，劳动效率进一步提高。目前，我国金属加工行业使用的数控切割机是以火焰和普通等离子切割机为主，但纯火焰切割，已不能适应现代生产的需要，而目前市场需求的数控切割机多为数控等离子切割机，该类切割机可满足不同材料、不同厚度的金属板材的下料以及金属零件的加工的需要，因此需求量将会越来越大，但与国外的差距仍极为明显，主要表现为：发达国家金属加工行业90%为数控切割机下料，仅10%为手工下料；而我国数控切割机下料仅占下料总量的10%，其中数控等离子切割下料所占比例更小。究其原因，较高的设备成本、复杂和维护和操作制约了数控切割在我国的进一步普及。因此国内数控切割机生产厂家引进了国外控制系统技术，经过二次开发后运用到了切割领域中，设计出了适合我国国情的数控切割机。某些厂家开发生产的专用数控切割设备，在技术上已经达到或超过了国外同类产品。 1.3 数控技术的现状与发展 计算机技术的飞速发展推动了数控技术的更新换代，而这也日益完善了数控等离子切割的高精、高速、高效功能。代表世界先进水平的欧洲、美国、日本的数控系统生产商利用工控机丰富的软硬件资源开发的新一代数控系统具有开放式体系结构，即数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次产品的开发。 开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。 目前，开放系统具体有2种基本结构： acnc+工控机主板。将一块工控机主板插入传统的cnc机器中，工控板主要用作实时控制，cnc主要用作以坐标轴运动为主的实时控制。 b工控机+运动控制板。将运动控制板插入工控机的标准插槽中作实时控制用，而工控机主要作非实时控制。 我国生产的数控等离子切割机的数控系统多是在引进国外数控技术的基础上，加以自主开发而成，并逐步形成了更能适应国内用户的数控系统。总体来说，在数控系统方面具备了国外同类系统的基本功能，但与国外先进的数控系统相比，在错误记录、网络化生产、全自动生产等方面还存在较大差距。 1.4 数控等离子切割系统的抗干扰措施 切割电源具有强烈的电磁干扰，这就要求计算机控制系统必须具有很高的抗干扰能力，既能抵抗等离子引弧时的高频干扰，也能抵抗工作时大电流等离子弧的干扰，还能抵抗工作现场的其他干扰源。经过抗干扰设计，改善了数控等离子切割系统的可靠性，其故障率也降低。 我国数控火焰切割技术起步于20世纪80年代中期，而数控等离子切割机则更晚，大部分的数控等离子切割机以经济型机床(单片机为核心，步进电机为驱动元件)为主。国内曾经从事过数控切割机制造的厂家一度多达50多家，力量分散，许多厂家的前身都是焊割工具厂，技术基础差。在整个80年代，国内企业无论是产品结构还是生产规模方面都无力与国外企业竞争 。 进入90年代后，国内的一些公司瞄准世界先进水平，不断开发研制数控切割机的新产品，而且有些产品的主要技术指标已达到国外同类设备的先进水平，同时随着市场经济的调控作用，目前国内生产数控切割机的厂家已调整到20几家。但综合实力较强且有竞争实力的只有梅塞尔切割焊接有限公司、上海伊萨汉考克有限公司、哈尔滨华崴焊切成套设备有限公司、哈尔滨四海数控机械制造有限公司、深圳市博利昌数控切割设备有限公司、无锡华联焊割设备厂、北京百惠宏达科技有限责任公司等几家。他们一般都有自主科研开发能力，生产规模较大，产品规格齐全，品种多，质量较稳定，信誉度高。因此，在招标活动中往往取胜，单产量一般均在三四十台以上，有的甚至超过百台。当然有的企业虽然批量较小但也各有其特点，能适应不同企业的需求。 国内一些数控等离子切割产品在许多方面已形成自身独有的特点，实现了“自动化、多功能和高可靠性”。在某些方面，产品的技术性能甚至超过了国外的产品，具体体现在： 1.数控系统与等离子系统的电磁兼容技术 这是数控等离子切割机成功的关键，只有解决了这一难题，才能实现数字控制下的等离子切割。 2.符合热切割工艺要求的专用控制软件 该类控制软件的特点如下： (1)采用图形输入方式，比代码输入更加直观，操作快捷方便。 (2)中文界面，更适合中国国情。 (3)输入方式多元化，所有调控指令化。 (4)利用自动套料编程软件，可提高板材利用率10%左右。 3.大功率等离子系统 该系统具有100%暂载率和完备的数控接口、弧压接口、遥控接口，并提供全套的接口附件，从而实现与数控系统的紧密结合。 4 国外数控等离子切割技术发展现状国外数控切割机的生产厂家主要集中在德国、美国和日本。其主要厂家有德国的伊萨(e sab)、梅塞尔(messer)，日本的田中(tanaka)、小池(koike)，美国的l-tec、林德(linda) 等。能够代表数控等离子切割技术最高水平的厂家集中在德国，德国伊萨的数控切割机是当今世界上品种最全，功能最多，水平最高，几乎包括了所有非接触式切割手段的数控切割机。 其中nec520连续轨迹控制器与rpc600(单台或双台并联)水射流式等离子系统配合可以切割130mm以下金属板材；与hd3070精细等离子配合可对112mm金属材料实施高速(7.6m/min)和高精度(接近激光切割下限)切割。 上述配置代表了数控等离子切割机的最高配置，其主要特点如下： (1)自动化切割即等离子切割的全部过程(如初始定位、引弧、穿孔、切割、调高、升降水等)均在数控指挥下完成，并可通过编程来修改其参数。 (2)多功能即通过加挂不同附件增加数控机床的柔性，为下道工序提供定位、焊接、储存基 础。例如打标记功能可提供安装和定位基准。等离子切割可进行x、v、y和k形等坡口加工，且不仅可完成直线坡口还可完成曲线、圆弧形坡口，为焊接提供方便。 (3)水下切割可有效地减小钢板热变形，充分抑制尘粉、弧光、噪声和飞溅。 美国海宝公司的等离子系统代表着当今世界等离子系统的最高水平，其产品规格覆盖从普通等离子、水射流式等离子直至精细等离子等所有热切割用等离子系统。普通等离子电源输出电流为20200a，切割厚度可达50mm以下；水射流式等离子电源输出电流最高可达1000a，切割厚度可达130mm以下；精细等离子电源输出电流最高可达100a，切割厚度可达12mm以下 ，其中精细等离子割缝宽0.650.75mm，与数控切割机配合可达0.2mm的切割精度5 国内在数控等离子切割技术方面与国外的差距国外发达国家切割行业90%为数控切割机下料，仅10%为手工下料，而我国用数控切割 机下料仅占下料总量的10%以下，其中数控等离子切割比例更小。绝大多数仍采用手工或半自动切割，笨重落后，劳动强度大，生产效率低，而且材料浪费严重，因此十分有必要发展并普及数控等离子切割机以改变这一落后现状。 关于国产数控切割机与国外产品的差距，就数控火焰切割机而言，已无大的差距，性能也比较稳定，只是国产切割机为保证质量，一些主要部件如电磁气阀、减压阀、交流伺服系统等均采用进口件，目前国产件的质量仍然不稳定。数控等离子切割机总的性能也与进口设备相差无几，只是与数控等离子切割机配套的等离子电源与国外差距更大，目前很多用户都愿意用进口等离子电源就足以说明问题，因此发展数控等离子切割其相关技术也十分重要。 总之，无论从切口质量、易损件的耐用度等国产与进口的仍有一定差距，因此要完全替代进口必须在基础件的生产上狠下功夫。6 市场及应用前景 20世纪80年代初期以前数控切割机国内市场全部由国外切割机占领，80年代中后期国产数控切割机才逐步生产出并投放市场，90年代初随着国产数控切割机的发展，市场的迅速扩展，迫使国外企业到国内来发展，切割机的价格也大幅度下降。90年代后期由于国产数控火焰切 割机质量已趋稳定，价格也较前几年大幅度下降，因此已逐步取代了进口机。 随着我国工业向现代化迈进，国内市场对数控切割机的需求逐年增大，加之国外发达国家由于已有大量数控火焰切割机正在使用，故数控等离子切割机的普及受到一定制约，而我国数控切割机技术起步和应用较晚，形成供需缺口，导致我国数控切割机特别是数控等离子切割 机的潜在市场巨大。 据统计，近几年我国每年数控等离子切割机的市场需