数控火焰切割机
一、故障表现：
在切割时机床出现抖动，在切割圆、圆弧、斜线时，由于阻力导致不匀速，导致切割面成波浪形，已排除排版的多段线原因。
二、故障原因：
1、轨道坑洼较多，坑洼出现的原因：（1）吸盘吊小板时出现跌落，砸到轨道。（2）切割的细颗粒熔渣掉在轨道上，机床行走就会在轨道面上压出小坑（轨道硬度低）。对轨道面的高点已处理，效果有限。
2、轨道接头有挤压造成的毛刺和高点，已处理，效果有限。
3、机床、轨道有不同程度的倾斜，特别在倾斜角度不同时，轨道边上的坑对机床影响很大。
4、伺服电机的减速机内部间隙较大，运行时噪音偏高（与另一台新减速机做对比）。初步判断减速器内齿轮磨损较大。
5、齿条多个接头磨损严重，接头处对机床行走影响较大。
6、减速机外齿轮已磨损。
三、处理建议：
1、先更换伺服电机的减速机。先排除减速机带来的不匀速。
2、更换减速机外齿轮。轨道磨平，重新找平安装，再安装齿条，并对磨损严重的齿条更换。
俞强
关键词：数控火焰切割机,改造,机械本体,电气控制
1 引言
某船厂目前所使用的两轴CNCSG-6000单边驱动数控火焰切割机是1990年代中期从上海切割机厂购买的,经过十多年的使用,明显存在电控系统老化、故障率较高、维修性较差的现象。简单的修理已不能解决问题,为了进一步提高该设备的使用率、可靠性、经济性、安全性,特进行技术改造。本次改造研究的结果对于切割机床的数控化改造具有很大的研究价值和积极意义。
2 方案设计与论证
2.1 改造前切割机状态
(1)驱动单元已损坏,原件购买很难(厂家已不生产),若订做则周期长、费用高;单边驱动不能进行双边同步检测;进给部分为步进单元,无反馈;纵横向进给变速范围小,不利于新的加工工艺;丝杠、导轨为人工润滑,缺润滑油时无报警;升降系统的丝杠已损坏失效,出现疲劳点蚀和微裂纹,磨损严重。
(2)CNC系统存储程序少,功能少,性能不稳定易出故障,无法与外部电脑通讯;无机床原点,突然停电后易造成废品。
(3)单割炬系统使得很多坡口及各型钢板不能加工,影响了生产;手动调高自动化程度低,精度低,操作难度大。
2.2 改造目标
通过综合运用机械、电子、数控、传感器、PLC等多项技术,采用建立于Windows界面上的、先进的EDGE数控系统,实现切割生产加工的自动化,减少人为因素的干扰,并设法恢复机床精度,保证和稳定切割质量,改善工人劳动强度和节约生产成本,提高生产率,为企业提供改造后性能可靠的设备。改造后新增的主要功能如下:(1)具有实时运动图形和输入/输出数据显示;(2)系统自诊断、故障自报警功能,中文菜单;(3)可进行直线及任意曲线的切割,可切割X、Y、V、U型坡口,切割失败恢复功能;(4)位置反馈、同步检测、自动加减速;(5)恒速和割缝补偿,急停并按原路返回。
改造前后部分参数对比如表1所示。
2.3 改造总体方案
(1)机械部分主要对传动系统进行改造。纵向进给单边驱动改为双边驱动并进行误差校验和校核;横向进给加装从动溜板、钢带箱并校验横梁强度;升降机构的丝杠拆掉,新换为精密丝杠;把原来的变速机构更换为和数控系统配套的德国NUEGART行星减速机;改装自动调高系统等。
(2)数控系统是改造的中心环节,选择美国海宝的EDGE数控系统代替原CNC;根据机床参数将纵、横向步进电机及伺服单元拆掉换为交流伺服单元并分析校验;运用PID控制方法分析。
(3)监控系统软件设计方案。
对外围电器部件若能用尽量不更换。安装完毕后,要进行机电连调、参数设置、精度校验等。调试合格后方可投入生产。
3 机械本体改造方案设计与实现
由于是改造,所以本着降低成本,增大效益,提高精度的原则来进行。
3.1 具体方案
1.横向导轨2.升降装置3.割嘴4.纵向导轨5.齿轮齿条
机床本体不更换,继续使用;纵向驱动由单边改为双边,加装电机、减速箱、齿轮齿条;同时原单边驱动的电机、减速箱也要更换;横向传动系统增加钢带箱和从动溜板;同时更换电机、减速箱;升降机构拆掉原来的丝杠换为新的精密丝杠;对导轨面重新修刮去掉锈斑;大车架再进行焊接加固。改造前后大车架结构简图如图1和图2。
1.纵向驱动电机2.减速箱3.从动溜板4.驱动溜板5.丝杠6.钢带箱
3.2 误差校验
齿条具有加工容易、寿命长、传动精度高等特点,所以本机纵横向运动采用的齿条传动系统未动,只在纵向导轨处又加装了一对,啮合齿轮模数m=1mm,齿数z=22。原减速器拆掉,选德国行星减速器,减速比为32。电机最大静转矩为3.8Nm。割炬纵横向电机的负荷是不同的,纵向电机负荷大,其最大静转矩T近似计算为:T=Wμd/2i
其中,W为切割机总重量;μ为纵向导轨滑动静摩擦系数;d为啮合齿轮直径,mm;i为减速比。
将W=5000kg,μ=0.15,d=22mm,i=32代入后,T=25.8kg·mm,远小于320kg·mm(查表得到),这说明电机选择是合理的。
该执行机构的实际脉冲当量为:δ=πmZ/360i。
代入各数据计算可得δ=5.99×10-3mm,它与机床数控系统中所提供的脉冲当量0.01近似,但有误差+4.01%,所以基本合格。
4 电气控制方案设计
4.1 整体设计思路
火焰切割机电气控制部分的总体框图如图3所示,其中CNC系统通过驱动控制柜完成对加工的全过程自动化控制。
图4为驱动控制柜内部结构简图。控制柜接口完成外部器件与CNC及电源间的转接,控制柜内的三个驱动器,分别负责X向、Y1向、Y2向的伺服驱动;两个变压器工作范围分别为650V/220V,24V,19V及650V/220V,48V,36V。
4.2 PID控制方法
PID控制器是一种线性控制器,它将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,模拟PID控制算法的算式如下:
位置式PID控制算法如下式:
电动机运行过程的数字PID控制系统由单片机完成,位移检测装置用于实时检测电动机的输出位移量,并将检测结果反馈给单片机系统。通信接口配有RS-232串行接口,用于实现控制、传输信息。
在数字PID控制调节系统中,加入积分校正后,会产生过大的超调量,在电动机的运行过程中,这是不允许的。为了减少积分校正对控制系统动态性能的影响,需在电动机的起停或大幅进给时,采用积分分离控制算法。
5 监控系统软件设计
运行在控制计算机上的软件系统是数控火焰切割机系统的重要子系统,负责任务对象模型的实现和管理,同时完成任务下达、系统状态的监测,以及与操作人员的人机交互等。软件系统整体构成如图5。
主程序工作流程如图6所示。
6 安装、调试、检测获得系统消息
机床的安装、调试是设备改造的一个重要环节。
先将主电源回路接好,注意强电电源的输入输出端不可接反;其次是数控系统输入输出开关量控制线连接、数据输入输出线连接;数控系统与X、Y1、Y2轴伺服控制线连接;工作台上的电机电源线、反馈线的连接;工作台上的其他控制线连接(包括急停回路、限位、定位、刮屑、割炬升降、防碰撞等)。
连好线后,要进行检查及调试。线路检查时要由强及弱,按线路走向顺序检查,用万用表逐步进行测量。通电前,先按下急停按钮,断开空气开关。然后合上一个空气开关,检查一个元器件。待检查合格后,可进行系统功能检查。可根据数控系统面板上的按键提示及屏幕上的显示进行操作。
在机电连调过程中,先装夹试件,边加工边记录数据,边调边修改,注意机床的整体运行情况,并测量精度。首先运行导轨在纵向位置,检验工作长度是否为14mm;同时运行到两个极限点,修改超程位置是否合理;在运行过程中,注意滚轮位置,若出现偏差,及时调整修正。配置不同的割炬吊架看运行是否正常;将升降高度分别定为170mm、200mm、300mm,测量加工件精度,并同时测量速度,控制在20～30mm/s间。分别作径向及同向运动,观察钢带运行情况。
分别取6～100mm之间不同厚度钢板若干,进行切割,测量工件精度,监控加工质量。取不同坡口的试件进行切割,观察质量,测量精度。
启动双边驱动快移速度应达到6000mm/min;再将速度分为三个高中低段位,分别看看机床的整体运行情况,并测量运行精度,同时监控同步检测及反馈的数据情况。
7 结语
通过本次改造研究与应用,使老设备焕发了新颜,不但节约了资金,而且大大缩短了周期,重点是不耽误生产。经过试运行,各项性能指标均良好,精度高,加工质量好,扩大了加工范围,收到了良好的收益。目前,该设备改造后已安全生产3800h无事故,得到各界好评。
参考文献
[1]李亚江,等.切割技术及应用[M].北京:化学工业出版社,2004:14-50.
[2]机械设计手册编委会.机械设计手册(新版)(第1卷)[M].北京:机械工业出版社,2005:105-217.
[3]杨克冲,等.数控机床电气控制[M].武汉:华中科技大学出版社,2005:12-50,96-124.
关键词：水电解氢氧发生器 氢氧混合气 回火
中图分类号：TG4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）10（a）-0077-01
连铸坯氢氧火焰切割技术”在1999年成功的应用于连铸坯火焰切割后，经过不断发展完善，目前已有100多台连铸机、450多流小方坯、矩形坯、板坯采用了氢氧气作为连铸坯火焰切割的能源介质，为我国钢铁企业的节能降耗做出了开创性的贡献。
“氢氧混合气”作为乙炔等代用气的一种，其性能特点如下：（1）环保无污染：氢氧发生器生产过程无污染，氢氧气燃烧后产物为水，无毒、无味、无烟，不会危害操作人员身体健康，是真正的绿色燃气。（2）燃烧强度高：火焰温度高达2800℃，并且火焰集中不发散，可快速切割钢板，燃烧强度仅次于乙炔而高于其他燃气。（3）高效节能：氢氧切割的使用费用为乙炔的1/4，丙烷、丙烯等燃气的1/2，采用连铸坯氢氧断火切割技术可再降低50%以上。氢氧火焰切割更适用于水电资源廉价，适合一次性投资，长期性使用的新建工厂采用。（4）安全性差：爆炸极限与乙炔相当（在氧中爆炸极限为4.7%～93.9%），而氢氧燃烧速度高于乙炔，爆炸危险性更大。
因此氢氧切割的安全使用，也就是如何防止氢氧气发生回火成为使用氢氧火焰切割首要克服的难题。根据生产厂家试验和现场使用情况，对氢氧气发生回火情况分析如下。
1 引起回火的原因分析
回火主要是割嘴内混合气燃烧速度大于混合气的流出速度从而导致火焰回烧。回火十分危险，回火进入割枪，可将割枪烧损；回火进入气体软管，可导致软管烧损或爆裂。回火的类别分为外部引爆和内部引爆。
1.1 外部引爆
外部引爆是由于操作者不按操作规程操作或是特殊作业时不可避免而引起的。外部引爆主要是由逆火引起的。其主要表现的现象分为：（1）因切割时挂渣或是其他作业时火嘴孔被堵，因渣的高温导致火焰在火嘴边燃烧，烧红火嘴而导致火嘴内温度过高，达到氢氧混合气的燃点（500℃左右），火嘴在内部燃烧，从而引爆供气管道上的氢氧混合气而回火；（2）火嘴孔设计的大小（或是火嘴使用时间过长导致火嘴变大）不能满足氢氧混合气的输出压力，即输气速度小于氢氧焰的燃烧速度，也就是说输出气体的压力过小，部分火焰在火嘴内燃烧而不是完全在火嘴外燃烧，导致火嘴温度过高而引爆供气管道内的气体（3）火嘴附近有较大的辐射热源导致火嘴温度过高。（4）火焰枪阀门漏气或是供气管路上存在漏气，导致火嘴处的输出气体压力偏低（小于0.03MPa），长期低压供气导致火嘴烧红回火或是点火时直接爆燃（点不上火，直接引爆）。以上几点的共同点是供气压力偏低或是火嘴温度过高导致回火。（5） 关火方式不对。关闭火焰枪阀门时，由于阀门在关闭的过程中出气口的压力偏小，从而导致火焰逆流，即使快速关闭，也有可能逆火导致阀门的密封圈损坏而回火。
1.2 内部引爆
设计不良的电解槽可能导致电极碰撞而产生火花；没有设置排污或污物沉积池的电解槽可能导致内部电极短路而产生火花。从而引爆槽内氢氧混合气。
2 阻火的原理
2.1 干式阻火
大多数阻火器是由能够通过气体的许多细小、均匀或不均匀的通道或孔隙的固体材质所组成，对这些通道或孔隙要求尽量的小，小到只要能够通过火焰就可以。这样，火焰进入阻火器后就分成许多细小的火焰流被熄灭。火焰能够被熄灭的机理是传热作用和器壁效应。
2.2 湿式阻火
湿式阻火一般也称为水封，是利用水能阻火的原理而实现的。在设计水封中最重要的一点是要考虑氢氧回火事实上是不会正常燃烧，而是瞬间爆燃（不完全燃烧）。这正是大多数人忽略的一点，（但这也正是氢氧混合气比其他气体安全的一点（即不会形成明火）， 氢氧回火产生的压力在混合气为0.1MPa压力下其爆炸的压力不超过1MPa。对于壁厚1mm的不锈钢管（罐）来说，完全能够承受这种压力，因而不会出现安全事故。但是这种压力会将水封中的水挤向两边，从而有可能露出到进气管的位置继续引爆而突破水封。另外，设计不好的水封可能导致气泡变大连续不断地从水封中的水底部冒出，即使水封中的水较多，也有可能导致自底而上的气泡相继引爆，从而水封失效。其实设计不良的水封，可能导致水封中的水变少，这是因为水封是与机内其他容器（如电解槽或是分离罐）连通的，在工作状态下，水封的温度低，其他容器的温度高，在停机时，由于热涨冷缩原理，机内其他容器内气体冷却而生产一个负压，水封上部是一个正压，从而将水封中的水压回到机内其他容器中而导致水封中的水变少。
3 如何防止回火
（1）割炬尾端加装干式防回火是必需的。一般外置水封与割嘴有一定的距离，而氢氧气的燃烧速度达11.2m/s，为了尽快切断回火的危险，必须在割枪尾端加装干式回火器防止回火。目前有效的干式阻火器是用纳米材料和防腐蚀材料制作的。每半年检查更换一次，每次回火后及时更换。（2）湿式防回火也是必要的。主要考虑气泡自水封底部上升时，气泡不能连续而且尺寸要尽量的小，其次要考虑回火时的高压不能将水排开。第三是水封的水不能减少并且回火时水不能溅出。也就是说要有一个合适水位高度。（3）自动泄压自动恢复。泄压的目的是泄掉里面的高温并让冷空气进入抵销氢氧爆燃时产生的负压，防止连锁反应的发生。（4）严格按照操作规程进行操作，及时更换因熔渣堵塞、扩径等火焰状况不好的割嘴，勤检查管道和接头漏气点，及时调整合适的割嘴高度等等。水封装置要定期更换清水，一般一周一次。（5）使用少量燃烧速度慢的燃气如焦炉煤气、丙烷、天然气等气体作助燃剂和延缓火焰燃烧速度。开火时，先打开助燃煤气，后依次打开氢氧气断火组件电磁阀、高压氧；关火时，先依次关闭高压氧、氢氧气断火组件电磁阀，后关闭助燃煤气确保切割时不发生爆鸣现象。（6）氢氧气工作压力要低（0.03～0.09MPa），并且随产随用，不储存。
4 结语
氢氧切割的安全使用，很大程度上取决于用户是否严格按照操作规程进行操作，其次取决于氢氧机制造厂商的防回火处理技术。如氢氧切割机内置了各种防止回火的装置（包括两级多重湿式阻火、多级自动泄压）和切割设备加装外置水封、干式回火器等措施，确保使用的安全。
参考文献
[1] 中冶集团研究院.氢氧火焰切割技术.
数控等离子切割机结合简单易用的数控系统，利用高温在喷嘴处喷射出来的高速气流离子化，从而形成导电体。当电流通过时，该导气体即形成高温等离子电弧，电弧的热量使工件切口处的金属局部熔化（和蒸发），并借助高速等离子气流的动力排除熔融金属以形成切口的一种加工方法。利用环形气流技术形成的细长并稳定的等离子电弧，保证了能够平稳且经济地切割任何导电的金属。
等离子切割空压机选择
数控等离子切割机在切割速度及切割范围上都较火焰切割有所改善，加上近年来等离子切割技术的成熟完善，市场上也有越来越多的用户企业选择等离子切割方式，相比传统的切割方式来看，等离子切割具有高效率、高精度和高稳定性等优点，尤其适合于大批量生产加工及高精度切割要求，另外从成本角度来看，由于去掉了切割燃气费用，等离子切割相对成本更为经济，特别是应用于大批量加工生产的时候，其加工成本控制将更为明显。
数控等离子切割机在采用空气作为工作气体时，对于气压要求：一般情况下，当工作气压低于设备所要求的气压值时，空压机所输入空气流量小于是小于规定值的，此时等离子弧的喷出速度将会减弱，进而无法形成高能量、高速度的等离子弧，从而造成切口质量差、切不透、切口积瘤的现象。
从空压机角度来分析气压不足的原因则主要在于输入空气不足，另外活塞有可能是切割机空气调节阀调压过低，电磁阀内有油污，气路不通畅等。建议用户确切了解自身加工要求，包括切割材质、切割厚度以及切割时间，通过上述多方面因素综合选购适合的空压机，当空压机无法满足切割要求时，我们从空压机输出压力显示上可明显看出；另外在使用前还要检查输入气压，应检查空气过滤减压阀的调节是否正确，表压显示能否满足切割要求。否则应对空气过滤减压阀进行日常维护保养，确保输入空气干燥、无油污。
优点与缺点
等离子在水下切割能消除切割时产生的噪声，粉尘、有害气体和弧光的污染，有效地改善工作场合的环境。采用精细等离子切割已使切割质量接近激光切割水平，目前随着大功率等离子切割技术的成熟，切割厚度已超过15mm，拓宽了数控等离子切割机切割范围。
数控切割机等离子切割：
数控等离子弧切割是数控切割机机床利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属部局熔化(和蒸发)，并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法。
缺点：
1.切割20mm以上钢板比较困难，需要很大功率的等离子电源，成本较高。
2.切割厚板时，割口成V
优点：
1.切割领域宽，可切割所有金属板材；
2.切割速度快，效率高，切割速度可达10m/min以上；
3.切割精度比火焰切割高，水下切割无变形，精细等离子切割则精度更高。
性能特点：
1、先进的等离子专用数控系统，全脱机工作，人性化操作
2、快速数据传输，采用先进的USB接口全脱机工作，不占用电脑资源
3、多种软件兼容
4、高效无忧作业，拥有断电，断点续雕，加工时间预测，自动对刀。
无锡市邦科机械科技有限公司公司是专业从事设计制造自动化焊割成套设备的企业。产品以品种多、成套化、系列化著称，配套性强，广泛用于锅炉、压力容器、冶金建设、设备安装、电厂建设、船舶制造等行业。可成套购买，也可单件选购，并可根据用户需求，为您特殊制造。
主要产品设备包括数控切割机、焊接滚轮架、焊接操作机、焊接变位机、自动焊接设备等
随着社会经济的发展, 数控金属切割机的应用越来越普遍, 尤其是等离子切割机以其成本低、效率高等优点而被广泛采用。而等离子切割机在工作过程中会产生大量的烟尘, 据统计等离子切割机一天工作8小时产生的铁屑可达30kg (以切割厚10mm的普通碳钢板为例) , 而灰尘如果不能得到及时合理地处理, 极易使职工患职业病且不利于产品质量的控制。所以需要配套的除尘设备及时的控制和处理等离子切割机产生的粉尘, 但是由于资金问题, 80%以上的中小企业在使用等离子切割机时并没有配置相应的除尘设备, 因为目前该设备运转成本大并且初期投资高, 据统计, 目前配套的除尘设备的均价在11万左右, 以通用重工的台式数控火焰等离子切割机 (行程为4m×8m, 有效切割长度为2.45m×6m, 下述数据均根据此设备进行的设计) 为例, 其除尘设备的价格相当于等离子切割机成本的65.2%。因此, 本文对等离子切割机粉尘产生的机理进行了深入地分析, 并采用化整为零以及线框式的设计方法, 设计出了一套节能高效的除尘设备, 不仅强化了除尘效果, 还显著降低了设备的成本。
2 烟尘的生成机理
等离子切割机是利用高温等离子电弧的热量使金属部分或局部熔化或蒸发, 并借助高速等离子切割熔融金属以形成切口的一种加工工具。因此等离子切割机在切割钢板时, 被熔化的铁水在等离子的高速冲击下会被“吹”到钢板下方, 迅速凝结变成带有热量的粉尘。这些粉尘形成的“烟雾”带有的热量高、能量大、活跃性强。对车间环境的污染十分严重, 因此若想保持车间良好的环境, 必须对此类粉尘进行合理有效地捕集和处理。
3 除尘方式分析
等离子切割机的除尘方式总体上可分为两大类:湿法除尘与干法除尘。湿法除尘即借助于水使产生的粉尘凝聚到水中除去粉尘的方法。目前采用的措施为在操作台下放置一个装有碱性水的水箱, 随着水面与钢板之间距离的增大, 除尘效果越差, 钢板距水面小于10mm时才可达到60%的除尘效果。然而碱性水对钢板、切割机具有一定的腐蚀性, 并且会产生工业污水。因而, 湿法除尘成本低, 但效果不理想。
干法除尘又分为顶吸式除尘和侧吸式除尘。顶吸式除尘是在烟气源头的上部形成负压, 从而将烟气吸走的方法。通常是在烟气源头的上部加装气体捕集罩, 这种方法对于密度比空气密度小, 具有一定热量的废气具有显著效果。因此, 顶吸式除尘适合除去易悬浮、易扩散的烟气, 在厨房、烤肉店、火车站、汽车站等场合多数安装着此类烟气捕集装置。但这种除尘方式不适合用于等离子切割机的除尘。
侧吸式除尘是在粉尘源头的两侧安装气体捕集装置, 在粉尘的下部产生负压, 进而将粉尘吸入收集装置的方法。这种除尘方式适合除去动力粘度大、密度比空气密度大的粉尘。斗式提升机和等离子切割机即采用此方法除尘。
本文对侧吸式除尘设备进行了优化设计, 采用小功率风机和移动式吸风口, 并对切割平台进行了分块设计, 提高了气流的流通量与流通效率, 实现了低成本高效率的目的。
4 双吸式移动除尘设备设计
将工作平台分成4块, 每块均为650mm (长) ×2600mm (宽) ×790mm (高) 的形式, 如图1所示。分块会形成较小的风域, 而较小的风域具备风速快、负压大和压力集中等优点, 两侧的进风口随着龙门的移动而移动。单个风道室的机构原理图如图2所示。此设计可采用小功率的风机获得较好的除尘效果。
4.1 设计参数
刀头在切割钢板时产生的粉尘区域是有限的, 通过现场调查产生粉尘的区域为直径100mm左右的圆形区域。为了降低能耗的同时还达到最优的除尘效果, 只需在此区域形成具有相应流速和流量的气流, 即可有效的除去粉尘。本文设计的除尘器采用双吸移动式风口进行除尘, 并将钢板下面栅板之间的距离调整为150mm。同时, 在栅板下部设置风道平台, 风道宽度同样为150mm。通过模拟计算的结果可知, 只需采用2台5.5k W的风机, 在等离子切割机产生粉尘区域的风量与风速即可达到95%的除尘效果。
各管道风速的设计参数以表1为标准。由表1可得, 粉尘的进风口设计流速最低为20m/s时, 可将所有的粉尘带入风流, 而不会使其降落或散开。风道的横截面面积为S=0.491m×0.3m=0.1473m2, 移动风口的直径为290mm。当采用两个风道同时吸风时, 可通过公式 (1) 得出通过风道区域的流量Q为10605.6m3/h,
式中:
Q为流量, 单位为m3/h;
S为风道横截面面积, 单位为m2;
V为流速, 单位为m2/h。
由于采用双吸移动式风口, 因而单侧移动风口的流量为总流量的一半, 即5300m3/h, 通常进风量会损失10%, 则实际进入吸风口的风量为4770m3/h。
4.2 管道设计
管道的材质选用厚1.8mm的无缝钢管。如选择钢板卷制焊接须使焊缝光滑, 以消除较大的压降。为了满足移动风口的运动需求, 移动风口与风机之间的连接选用压损较小的伸缩式铝箔软管。
设计参数为:流量为5300m3/h, 运动粘滞系数ua取20.45×10-5m2/s, 横截面积S=πR2=0.066m2, 风道中流速为22m/s, 粉尘密度为ρa取1.8kg/m3, 温度取70℃, 则
式中:
Rma——实际单位长度摩擦压力损失, Pa/m;
Rmo——单位长度摩擦压力损失, Pa/m;
ρa——实际的空气密度, kg/m3;
ua——实际的空气运动粘度, m2/s;
则风道管压力的损失为:
铝箔收缩软管压损为20Pa/m, 则软管总压损为P软=80Pa
局部压力损失:在软管与钢管连接处、风管与除尘器连接处, 弯头采用大于90°的弯头连接
单侧吸风需要三个弯头, 因此弯头的压力损失共计为270Pa。所以单侧管道总压损为:
4.3 除尘器选型
在选用除尘器时以满足通过设计需求的风量为标准, 同时除尘效果达到85% (符合环境保护部门的排放标准) 以上为宜, 且产生的压损应尽可能地小, 因此可选XCX-Φ1200型旋风除尘器, 带减阻器时压损为850Pa, 不带减阻器时为690Pa, 除尘效果为88.5%, 总压损为:
4.4 风机选型
据此可选4-72系列风机, 其参数见表2。
5 平台设计
采用传统的设计成本较高, 所以平台设计成线框式结构, 即在平台的支柱与边沿采用强度矩形管作为平台的主架, 在下平台中部采用较薄的钢材, 以节约成本。
风道室设计成可拆卸式结构, 便于清理平台和加工制备。该平台下部为封闭式结构, 为了容易取出使不慎落入风道室的小件物品, 在风道室下部设计一个卸料门装置, 通过卸料门可以方便地将掉入平台内的小件取出。其中卸料门沿竖直方向可实现150mm的升降, 下降后可沿平台下部的导轨拖出。其机构平面图如图3所示。
结语
通过对等离子切割机操作台的创新设计, 并采用移动式吸风口和侧吸式的除尘方式, 提高了气流流通效率, 因此能有效地清除等离子切割机工作时产生的烟尘, 同时该设计还大大降低了除尘设备的成本。所以该侧吸式的除尘设备具有较强的实用性和市场竞争力。
摘要：对台式数控火焰等离子切割机烟尘的生成机理、除尘方式、除尘效率以及成本方面进行了全面的分析。设计出一种与等离子切割机配套的除尘设备, 并介绍了该设备的总体结构、部件的选型和设计。该设备具有成本低、功耗小及效率高等优点。
关键词：烟尘生成机理,等离子切割机,双吸式移动除尘,移动卸料门
参考文献
[1]陈卓如, 金朝铭, 王成敏, 等.工程流体力学[M].北京:高等教育出版社, 1992.
[2]姜凤有.工业除尘设备——设计、制作、安装与管理[M].北京:冶金工业出版社, 2006.
关键词：主动波浪补偿；二次液压控制；信号检测；控制算法
中图分类号：TG665 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）20-0008-02
激光技术主要是将激光束进行聚焦，再聚焦后形成功率较高的密度光斑，并将需要被切割的材料快速的加热，直到达到汽化的温度，在经过蒸发后形成气孔，利用激光光束和材料之间的相对移动，进行窄缝切割的连续切割。利用激光技术进行切割，可以对一些影响因素进行调节，包括激光的功率，激光切割的速度、气压以及光路系统。
1 激光切割机床中数控系统的嵌入
嵌入式系统也就是计算机系统，利用计算机软件运行作为核心内容，由其软件与硬件控制裁剪，其适用与不同系统根据不同版本的系统的具体功用，做出与不同要求相适应的专用系统。其主要的结构有：嵌入式处理器和外围设备、操作系统、应用软件。数控激光设备是利用计算机运行技术，将嵌入式系统融入，这种方式被叫做嵌入式数控系统，该系统可以改变结构对象，根据使用者的需求增设或减少，实现各种层次的数控系统，这种系统可以提高系统的整体性能与可靠性，在一定程度上可以减少系统运行的成本，不断增大其做功率，提高数控激光切割机床的竞争力。
2 数控激光切割机床
2.1 光机联动切割机床
激光切割设备主要包括：激光器、聚焦系统与光束传输、电源和控制装置、工作台、气源与水源、割柜和操作面以及数控装置。其中激光器主要是提供激光切割设备加工中需要的光能，满足设备加工需要的稳定性与可靠性，保证设备的稳定运行，根据设备加工的要求来调节合适的输出功率。其中光束传输与聚焦系统，主要是将激光束聚焦在加工工件上，其中小功率系统需要采用透镜聚焦，大功率系统使用反射聚焦镜来聚焦。部分设备利用光纤来传导，利用光纤导光系统的柔性、易配合性、功率密度性好等优势进行光束的聚焦。
其中工作台中安装伺服电机驱动，可以实现定位并切割加工工件，但是在使用工作台时，需要保持其台面的整洁干净，保证其运动的精度，工作台面材料需要选择硬度较高的不容易被破坏的。控制装置是用来显示实时参数的，起到控制、保护、警报等作用，为了提高激光器的稳定运行能力，需要采用响应较快的，稳定性能较高的控制电源。
数控装置是按照指定的代码与程序格式来编写加工程序单，其中包括工艺路线和参数、光斑运动轨迹和直径、切削参数与辅助功能，将程序单的相关内容统一的输入到计算机系统中，用软件来控制并指挥机床来加工零部件。在激光切割的过程中，利用惰性气体的特性来保护切割缝不受氧化，同时气源可以防止聚焦透镜受到金属蒸汽的污染或者液体溶滴溅射，主要起到屏蔽的作用。而水源可以降低加工系统的整体温度。
2.2 龙门式联动切割机床
龙门式光机联动激光切割机床是融激光器和机床以及数控系统为一体，这种数控激光切割机床设备整体性能好，并且占用的空间面积小，设备的成本低、适应性强，被广泛的应用在工业生产中。就激光和机床分离设备来说，其工件和光束的相对移动可以采取的方式有两种，一种是保持工作台不同而光束移动的方式，一种是工作台移动而光束固定不动。
根据光束与设备相对移动的特点，采用光机联动方式时，需要把机床设计为龙门式的结构，如图1所示，主要由激光器与移动Y轴共同构成切割机床横梁部分，光束在沿着Y轴进行短程运动时，工件需要沿着X轴进行长方向运动，这样的构成方式可以使机床结构更加紧凑，当Y轴在一定范围内进行移动时，不需要加扩束镜，这样可以有效的降低设备使用成本。
龙门式机床结构布局可以做好整体的防护工作、集中抽风与落料，在进行工件的切割时，工件会受热变形，在加工大型工件与薄板件时，由于其焦点位置很难一直不变，由此必须用检测传感器与信号处理器以及控制电器、驱动装置一同组成焦点自动化追踪系统，严格的控制机床的高度，以获得较好的割缝质量，其主要是利用激光切割的无切削力等优势，优化了机床的整体布局，同时深入的研究了机床高速运行与光束聚焦系统等一系列的关键技术，为提高机床的整体性能奠定了良好的基础。
3 激光切割的关键技术
3.1 光束聚焦问题
在使用数控激光切割机时，选择的凹聚焦镜直接影响着其切割的质量，根据激光器波长的输出长度一定，而高功率的激光在透视时，要保证透镜材料均匀、吸收性低、导热性高、机械强度高等品质，要利用抛光表面与高水平光学镀膜技术等，使用平凸镜作为热处理焊接需要的切割镜片，平凸镜不影响成像的品质。同时光机联动式机床的高度控制系统，需要采用非接触式的电容传感器，保持切割喷嘴和加工金属件在特定的高度，防止由于接触产生探爪磨损。
3.2 气体与喷嘴设计
通常情况下数控激光切割技术都需要采用辅助气体，一些金属材料或者非金属材料，需要采用压缩空气或者惰性气体，而大部分的金属材料，需要用活性气体即氧气，调节氧气的纯度来控制切割的质量。在选择并确定使用何种辅助气体为前提，要调节好气体压力的大小，若在进行薄材料的高速切割时，需要将气体的压力调高，防止切割口的背面出现粘渣现象，若切割的材料的厚度增加或者切割的速度比较慢时，需要将气压适当的降低，其喷嘴在使用的过程中容易损坏，所以需要定期检查并更换。
3.3 导光系统与切割速度
数控激光切割机导光系统主要包括反射式的扩束镜、折反射镜片和圆偏振镜片以及聚焦镜片等，光束利用这些镜片从激光器中被传导到切割头，最后进行聚焦并在喷嘴处和切割辅助气体一同输出，但需要注意的是：由于透镜在吸收传递光束的过程中，会出现能量损失导致变形的情况，最终会造成光束的焦点位置被改变，而影响到切割的效果，由此需要选择无氧铜镀金镜片，在镜片内直接注入冷却水，保证切割的质量。除此之外在使用光纤进行激光的传导时，需要充分考虑光纤传导功率的大小。
数控切割技术的使用过程中，需要严格控制切割的速度，需要利用能量平衡或者热传导的公式来估算其最大的切割速度，而且切割的速度还与光束的有效功率的密度、激光光束的模式、激光光斑的尺寸、被切割材料的密度、汽化需要的能量等因素有关，由此需要经过实践效果的最佳效果来确定切割的速度。
3.4 光路补偿措施
光束发散性的特性和光束偏振的特性是在设计光路系统时主要考虑的两个方面，其光束的补偿措施主要有扩束镜、平片VRM（变曲率半径镜）、恒定光程系统。其中扩束镜是由凸、凹透镜一同组成，是一种光学系统，可以改变光束大小同时还可以改变光束发散特性。其工作的原理是下扩束光束再聚焦光束，以得到最小的焦点，将光束的直径有效的控制在合理的切割范围内，提高切缝同板材的垂直精度，装置办法，如图2所示。
其中VRM系统的主要运行原理：调整变量泵输出的流量控制VRM镜片中水槽的水压，达到改变透镜曲率半径的作用，其可以改变光路长度的同时调整光束特征参数，保持焦点半径与焦点深度稳定性。VRM系统的构成比较复杂，成本比较高并且需要用闭环进行控制，这一系统在国外的一些技术先进的产品中会使用这种光路补偿办法，但是在我国国内由于数控激光切割机床的整体技术水平还不够完善，由此很难达到预计的使用效果。
恒定光程系统指的是恒定激光器与加工版面光束的传输距离，其恒定方案主要包括：一种是单独用一台伺服电机来控制光学镜片，取得最终的恒定光路的长度，这种方案可以有效的调节光路的长度，并满足光程长度不同的加工需求。另一中是利用光学镜片与导光壁确定光路的恒定长度，此方案调节光路比较简单。
4 结 语
数控激光切割技术正在不断地完善，其使用的成本得到了有效的降低，而设备的工作效率却在不断提升，但是我国的数控激光切割技术在一定程度上，还没有满足工业发展的需求，而我国正在不断尝试研发功能齐全的数控切割设备，来促进制造业的发展，文中针对数控切割机床以及其关键技术等方面做了简单的阐述，意在为提高我国激光切割技术水平提供可参考的建议。
参考文献：
[1] 潘冬.高速激光切割机床数控系统探究[J].电子测试，2014，（S2）.
[2] 洪超，钟昇，周鹏飞，等.激光切割机光路系统设计[J].锻压装备与制造技 术，2013，（1）.
关键词：电气控制系统,PLC,变频器,火焰切割机
1 铸坯切割原理
铸坯切割处于炼钢连铸生产工序的末端, 是整个连铸生产流程的结尾部分, 它负责把铸坯按照轧钢机的要求切割成定尺或倍尺长度。因为要在铸坯连续生产运行中完成切割, 所以切割装置必须与连铸坯同步运动。火焰切割机利用氧气和燃气将铸坯快速燃烧, 达到切断铸坯的目的。电气控制系统由PLC程序控制切割枪的摆动、切割车的随动和返回及自动计数定尺, 最终实现自动切断铸坯。
2 控制系统的设计
火焰切割机电气控制系统的硬件设计以单流为例。
2.1 电气控制原理
切割车在原位等待, 冷却水打开, 若操作盘面上相应指示灯亮, 表示设备冷却水回路正常, 系统可以工作。按下电源开关开, PLC各置位复位触发器复位。当铸坯达到定尺长度时, 自动定尺装置将“定尺信号到”送入PLC, PLC发出切割工作指令, 夹钳电磁阀得电, 夹钳气缸动作夹紧铸坯, 使切割车与铸坯同步运行。枪预热氧和枪预热燃气电磁阀得电, 枪预热氧、枪预热燃气管路通, 切割枪开始预热。预热3 秒后, 发出“切割信号”, 枪切割氧电磁阀得电, 枪切割氧管路通, 切割枪转为切割火焰, 切割枪电动机向前运行切割铸坯。当切割撞尺碰到切割枪前限位或切割车撞尺碰到切割车前限位时, 发出“切割结束信号”。夹钳电磁阀失电, 夹钳气缸带动夹钳臂松开, 切割枪电动机停转, 枪切割氧和枪预热氧及燃气电磁阀均失电, 各气体管路关闭, 切割火焰关闭, 延时3 秒, 切割枪变频器得电, 切割枪电动机得电, 以设定的恒定速度反转返回碰到枪原位, 停止。同时切割车变频器得电, 切割车电动机得电, 以设定的恒速反转快速后退;碰到车减速位时, 切割车变频器转慢速继续后退到原限位, 切割车制动器得电, 切割车电动机停转, 停止在原位上, 完成整个自动切割过程, 静候下一个切割指令。
从上述可以看出, 其中切割机电气控制的逻辑部分由PLC程序控制来实现, 而切割机的调速部分则选用高性能的变频器来分别控制切割车及切割枪电机的转速。
2.2 PLC的型号选择及I/O点数分配
2.2.1 PLC的型号选择
火焰切割机逻辑控制系统的控制核心是PLC, 哪些信号需要输入到PLC, PLC需要驱动哪些负载, 都会影响到整个控制系统I/O点数的分配。因此, I/O点数的确定, 是设计整个PLC电气控制系统首先需要解决的问题。本系统是为一整套全自动火焰切割机而设计的, 根据PLC的I/O点数使用原则, 应预留10% ~ 15% 的I/O点以做备用。系统中实际需要的输入点数为31 点, 输出点数为30 点, 因此, 笔者选用西门子公司的S7 - 300 系列PLC。其中, CPU模板的型号选为CPU315-2DP, 该PLC供电电源为DC 24V, 对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力, 组合MPI/PROFIBUS DP主从接口。通讯模板选用CP 343-1, 可直接使用以太网进行监控。输入模块的型号选为SM 321 DI16x DC24V, 需两块, 输出模块的型号选为SM 322 DO16x DC24V/0.5A, 需两块。
2.2.2 I/O地址分配
I/O地址分配具体如表1 所示。
2.3 PLC程序设计思想
根据电气控制工艺要求, 程序设计采用模块化编程思想。程序按照控制功能的不同, 划分为车运动控制、割枪运动控制、气体控制、操作台灯显示、切割信号判断共计五个功能模块。程序执行时由主程序中的指令决定在什么情况下调用哪一个功能模块, 以完成相应的工作任务。被调用的功能模块程序执行完后, 返回主程序中的调用点再继续执行主程序。由于只是在需要时才调用相关程序块, 大大提高CPU的利用率。
2.4 变频器的选型及参数设置
2.4.1 电动机的参数
切割小车因为对起动、制动位置精度要求较高, 固选用带有机械制动器抱闸的电动机。切割枪选用电气制动。电动机的参数如表2 所示。
2.4.2 变频器的选择
由于主电路的电源为工频电源, 所以选择380V, 三相50/60HZ的变频器。基于价格、稳定性等方面因素的考虑, 本次火焰切割机电气控制系统选用的是ABB公司通用型变频器——ACS143 变频器。故电动机Y802-8 选取变频器ABB ACS143-K75-3 0.37KW; 电动机YSJ7134 选取变频器ABB ACS143-1K1-3 0.55KW。
2.4.3 变频器控制原理图
PLC通过向ABB-ACS143 变频器发出小车/ 割枪前进和后退指令, 从而控制电动机的转动方向, 决定小车/ 割枪的前后运动;PLC通过向ABB-ACS143 变频器发出小车/ 割枪高速和低速运行指令, 从而间接控制电动机的转动速度, 决定小车/ 割枪的高/ 低速运行。原理接线如图1 所示 ( 以小车控制为例) 。
2.4.4 变频器的参数设置
变频器的参数如表3 所示。
3 结语
PLC和变频调速系统控制火焰切割机能满足连铸工艺对切割和传动系统的指标要求, 运行比较稳定、故障率较低、控制稳定、安全可靠, 维护方便在连铸方坯生产中起到了重要作用。
参考文献
[1]孙平.电气控制与PLC应用[M].北京:高等教育出版社, 2009.
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[4]百度文库.ACS143变频器用户手册[EB/OL]. (2012-01-31) [2015-08-25].http://wenku.baidu.com/view/c50e2fdcad51f01dc281f16b.html.
日前, 由哈尔滨焊接研究所研制的"超大厚度钢锭火焰切割设备"通过了黑龙江省工业和信息化委员会组织的新产品鉴定。最大切割厚度达到3.5m, 主要技术指标国内领先、达到国际先进水平, 与日本的技术水平持平。
据介绍, 超大厚度火焰切割设备是超大型铸锻件项目配套的数控切割技术装备。目前, 国内对2.6m以上厚度金属件的切割技术设备还没有制造能力, 国外对我国实行技术封锁, 是困扰我国超大金属工件切割加工的技术瓶颈。
该设备的切割厚度最大可达3 500 mm、断面垂直度可控制在12 mm/m以内、切割速度最高可达35 mm/min。该产品在以下方面实现了技术突破, 均属国内首创:1) 研发了超音速外混式割炬割嘴, 开发了2 000~3 500 mm超大厚度钢锭火焰切割工艺, 实现了高效优质切割。2) 研发了超大厚度钢锭火焰切割专用的大流量回火防止器, 性能稳定、可靠。3) 研发了大流量能源介质系统, 通过对能源介质压力和流量等工艺参数的远程控制, 实现了火焰形态的适应性调节。
关键词：PLC控制,铸坯切割系统,硬件配置
1 铸坯切割系统组成及原理
连铸是把液态钢用连铸机浇注,冷凝,切割而直接得到铸坯的工艺。它是连接炼钢厂(车间)和轧钢的中间环节,是炼钢厂的主要组成部分。
一台连铸机主要由盛钢桶(钢包),运载装置(天车),中间包,中间包车,结晶器,结晶器振动装置,二次冷却装置,拉坯(矫直)装置,切割装置和铸坯运输,钢坯收集系统组成。其中热坯切割车是钢坯切割装置的重要组成。
切割系统主要组成部分如图1所示。
PLC可以接收定尺系统的定尺信号及上位PLC的切割指令信号,向上位PLC返回切割准备好、正在切割、切割正常、切割完成、切割故障等信号。具体交换信号在编程或调试期间根据实际情况增减。
2 PLC硬件选择及设计
2.1 PLC硬件选择
小方坯连铸坯火焰切割系统中采用了S7-300PLC控制技术,与上位S7-400系列PLC通过PROFIBUS进行通讯,并且结合系统抗干扰的技术,进行设计。下面对主要部件进行选型介绍:
CPU选择315-2DP(1)型号。CPU315-2DP有集成的数字量I/O和模拟量I/O适用于较高要求的系统。CPU315-2DP最大模拟量I/O总数为248/124,模块总数为31块通信连接总数8个,最大机架数为4块,通信接口和功能为MPI接口。
数字量输入共60点选择SM321 6ES7 321-1BL00-0AA0共2块。6ES7 321-1BL00-0AA0输入点数为32源输入,额定输入电压为DC 24V隔离分组数为4组,输入电流为7mA。数字输入模块将从过程传输来的外部数字信号的电平转换为内部S7-300信号电平。该种模块使用于连接开关和2线BERO接近开关。
数字量输出共35点,选择SM322 6ES7 322-1BL00-0AA0一块,输出点数为32。6ES7 322-1BH01-0AA0一块,输出点数为16,额定输入电压为DC 24/48V。数字输出模块将S7-300的内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平。该种模块适用于连接电磁阀,接触器,小功率电机,灯和电机启动器
模拟量输入共2点,选择SM332 6ES7 332-5HB01-0AB0型1块。6ES7 332-5HB01-0AB0输入点数为8点,额定输入电压为24V。
以太网通讯模块:6GK7 343-1EX11-0AB0。
2.2 系统流程图
图2为火切机自动控制流程图。
流程图说明:通过对连铸坯火焰切割系统的自动控制设计,实现自动,摄像采集到定尺前500mm,夹紧缸预夹紧,到定尺夹紧缸夹紧同时燃气得电,割枪以靠坯速度前进。1s后预热氧得电,在1s后切割氧得电,割枪以起切速度前进,粒化水开,大奔车前进。割枪到达切割铸坯位置,割枪以切割速度前进。铸坯切割完毕,割枪停止前进,关预热氧,切割氧,燃气。割枪返回,割车返回,到位停止,大奔车返回。上述过程中信号采集分别来自定尺摄像,割枪位置检测编码器,限位开关,而后通工业以太网控及PROFIBUS实现S7-300个模块之间,与连铸机主机之间的通讯,进而控PLC的输入输出,最终控制割枪将铸坯准确割开,割枪,割车,大奔车自动复位,夹紧缸及时打开。并且可通过现场操作箱及手动实行方便安全的维修。
3 结束语
该文提出的系统是由PLC组成的控制系统,实现的是小方坯连铸坯火焰切割系统,满足工厂自动化要求。系统设计简单实用、可靠性高、抗干扰能力强、性价比高。在以后的工作和设计中要不断改善不足,使之成为稳定,简单的系统。
参考文献
[1]于庆广.《可编程控制器原理及系统设计》第一版.北京:清华大学出版社,2004年.
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[3]王永华,郑安平等,《现代电气控制及PLC应用技术》第1版,北京:北京航空航天大学出版社出版发行,2007.7,104,233-237,280.
