数控切割三大技术解析

数控切割三大技术解析李浩徐玉文（发思特软件（上海）有限公司上海201203）【摘要】本文围绕数控切割三大核心技术，即优化套料技术、数控切割技术和坡口切割技术，简要介绍和分析了我国钢材切割行业的切割生产现状和三大数控切割技术及其应用，为有效节省钢材，建设资源节约型社会，提高数控切割质量和数控切割效率，提供解决方案。【关键词】数控切割，优化套料，数控系统，坡口切割，节省钢材。中国已经发展成为世界钢材生产与消费的第一大国，2005年中国生产和消费钢材3.5亿吨，占世界钢材产量和消费量的25%，然而中国GDP年产值对世界GDP的贡献却只有5%，足以说明我国是一个资源消耗型的国家。根据世界银行钢铁统计年鉴的统计分析，中国、印度等发展中国家与美国、日本等发达国家相比，钢材在切割焊接等加工过程中的损耗和浪费要多10%。中国一年要多浪费3500万吨钢材，价值1700亿元。中国在建设资源节约型社会进程中，应该把节省钢材放在首位。伴随钢材产量和消费量的迅速增长，钢材数控切割设备正在我国迅速普及，从而导致对数控切割人才和数控切割技术需求的迅速增长，突显出数控切割人才的严重短缺和教育培训的严重滞后。长期以来在全国大专院校和焊接行业的各级职业与技能培训机构，只有焊接专业和焊接培训，没有切割专业和切割培训，至今我国没有培养和培训过切割专业的博士、硕士、本科、技师和切割技工。因此，在钢材切割行业，特别是数控切割领域，严重缺乏数控切割的技术工人，很难找到精通数控切割的技术专家和钢材优化套排专家，从而导致切割效率低，切割质量差，造成钢材的严重浪费。本文将围绕数控切割的三大技术问题进行介绍和分析，并提供有针对性的解决方案。1.三大数控切割技术难题1-1.数控坡口切割技术切割是焊接的前道工序，切割为焊接服务。坡口切割就是打好焊接需要的坡口，做好焊接准备，使产品能够焊透、焊牢。目前我国切割焊接企业一般都是使用数控切割机加上刨边机、坡口切割机器人、小车切割机，或是手工加工等方式，经过二次甚至三次加工，才能完成焊接坡口，坡口焊接余量就需要放得很大，因此，坡口切割不仅切割生产效率低，而且钢材浪费严重。数控坡口切割技术就是通过数控坡口编程套料软件在计算机上预先完成零件的坡口设置和带坡口零件的套料和编程，生成带坡口切割命令的NC切割套料文件，然后在数控坡口切割机上一次完成整板零件的坡口及套料切割，从而有效节省钢材，有效提高坡口切割的质量和效率。1-2.数控切割技术数控切割是钢材大批量、高效率、高质量的切割生产方式，数控切割的核心是数控切割机的数控系统即控制器。目前我国切割焊接企业在使用数控切割机切割钢板过程中存在许多质量问题，诸如：零件引割点过烧、零件拐角过烧、切割面倾斜、以及切割圆形零件时圆变形或不能闭合等，直接导致钢材的严重浪费和切割生产效率低下。数控切割技术就是指数控系统的切割控制软件中提供先进的切割工艺和丰富的切割经验，使切割机操作工人通过熟练使用控制系统，达到高质量，高效率的数控切割。1-3.优化套料技术数控切割由于切割效率高，编程套料更加复杂，如果使用不当，就会造成钢材切割越多，切割越快，浪费越多。目前我国切割焊接企业在使用数控切割机切割时，普遍使用简单的NC转换软件，把CAD/DXF零件图转换为NC切割文件，然后在切割机控制器上进行人工排料，在钢板上进行局部切割，不能做到整板优化套料切割，从而产生大量边角余料，造成钢材的严重浪费。同时，由于在切割机控制器上进行编程排料，造成数控切割机大部分的时间处于等待编程的闲置状态。优化套料技术就是使用优化套料软件在计算机上预先进行画图、套料、编程，生成整板的零件套料图和NC切割程序，然后在数控切割机上进行整板连续切割。优化套料技术和优化套料软件是实现数控切割机大批量、高效率、高质量切割生产的基础和前提条件。2.数控坡口切割技术坡口切割包括管材的坡口切割和平板的坡口切割。在管材坡口切割中，需要使火焰或等离子割枪按照马鞍形相贯线进行连续变化的坡口切割，而在平板坡口切割中，除了简单的火焰三割炬坡口切割外，昀常用的是V型坡口的连续切割，一次完成带坡口零件的套料切割，以及多个切割面不同V形角度坡口的连续切割。昀复杂的是包括V、X、Y、K形坡口在内，需要进行二次甚至三次切割，一次完成带坡口零件的套料切割，以及不同坡口形式的连续切割。2-1.坡口切割现状：目前我国钢材切割企业，对于平板坡口切割一般都是采用数控切割机先把零件切割下来，再使用刨边机、坡口切割机器人、小车切割机，或是手工打磨方式，经过二次甚至三次加工，才能加工完成焊接坡口，加工工序复杂，劳动强度大，钢材浪费严重。对于管材的坡口切割，企业也是先把管材切割下来，再手工打磨坡口。但是对于马鞍形相贯线的管材及坡口切割，使用手工切割和打磨方式，切割质量就很难保证了。这种传统的手工和机械坡口加工方式，不仅切割加工效率低，而且需要预留出更多的坡口焊接余量，从而导致在坡口切割中钢材的严重浪费。有部分大中型企业购买了进口的平板或管材坡口切割数控设备，能够在控制系统上进行手工坡口编程和切割，但很少能够做到在计算机上设置各种坡口，自动完成坡口程序的编程和套料，实现坡口的自动和连续套料切割。2-2.坡口切割解决方案：数控坡口切割技术，除了机械结构的无限回转装置外，主要是数控系统（控制器）和坡口切割套料编程软件。数控系统要具有多轴联动功能，控制无限回转和摆角的坡口控制功能，以及坡口切割工艺。坡口切割套料编程软件是数控坡口切割实现高效自动切割的核心技术，无论管材还是平板数控切割，要提高坡口切割的生产效率，有效节省钢材，就不能停留在数控系统或控制器上进行手工编程和单件切割，要使用坡口切割套料编程软件，在计算机上进行坡口设置和套料编程，在数控切割机上实现各种坡口的连续切割，才能有效提高切割效率，节省钢材。2-2-1.管材数控坡口切割介绍FastPIPE和FastFRAME二套管材数控坡口切割软件。FastCAM研发中心在上个世纪90年代开发完成管材的二轴数控切割软件，FastPIPE二轴数控切管软件用于管材端头各种形状的剪切，管子上面各种槽、孔的切割，任意角度三通的主管和支管的马鞍形相贯线切割，以及任意图形或文字在管材上的切割。FastFRAME是专业的空间桁架管材施工切割软件，用于体育场馆、机场等公共基础设施建设中空间桁架中管材空间结构的生成、多管相交的展开，以及所有管材NC切割文件的自动输出。二个数控切管软件都有超过十年的应用历史，系统稳定，功能完善。FastCAM研发中心在2004年完成了FastPIPE和FastFRAME软件从二轴切管升级到四轴联动坡口切管,并且在研究了世界各种数控切管机的运动方式基础上，归纳总结出六种管材坡口切割运动形式。因此，现在的FastPIPE和FastFRAME数控坡口管材切割软件是一个通用的管材切割软件，不仅可以适用于普通的二轴不带坡口的数控切管机，而且适用于三轴和四轴不同传动和切割方式的数控坡口切管机。数控切管机的制造厂家可从FastCAM中国公司的网站测试程序，进行软件与控制器和数控切管机的联机测试。数控切管机的用户可从FastCAM中国公司的网站数控坡口切管软件的详细介绍和使用培训软件，便于用户快速学习和掌握软件的使用。2-2-2.平板数控坡口切割介绍FastCAM平板坡口数控切割套料软件。FastCAM研发中心在2002年开发完成数控等离子切割机使用的V型坡口的编程、套料及坡口切割软件,为平板坡口数控切割机提供了坡口自动编程套料切割软件，已经为国内几家数控切割机厂家配套生产数控平板坡口等离子切割机。FastCAMV型坡口数控切割编程套料软件，其主要功能是通过FastCAM绘图软件在零件上直接设置和编辑V型坡口，然后将带坡口的零件在FastNEST套料软件进行套料和编程，生成带坡口的NC切割文件，实现V型坡口的自动套料和连续切割。FastCAM研发中心在2006年又投入了开发包括V、X、Y、K形坡口在内的多种平面坡口切割形式的设置、自动编程和自动套料，自动实现数控火焰和等离子切割机对平板坡口的一次、二次到三次的连续切割，从而在FastCAM自动编程套料软件上实现各种复杂坡口形式的设置、编辑、套料和NC编程，进而实现四轴联动平板数控坡口切割机的自动与连续切割。FastCAM数控坡口切割软件将大大提高切割机制造企业和钢材切割企业的数控切割机装备和技术水平，提高焊接准备和坡口切割的生产效率和切割质量，有效节省钢材。切割机制造厂家可从FastCAM中国公司的网站测试程序，进行软件与控制器和数控坡口切割机的联机测试。切割机用户可从FastCAM中国公司的网站数控坡口切割软件的详细介绍和使用培训软件，便于用户快速学习和掌握软件的使用。3.数控切割技术数控切割，指数控火焰、等离子、激光等数控切割机，包括数控平板切割机，数控管材切割机，接受优化套料编程软件提供的NC切割程序，进行全自动、高效率、高质量的数控切割。数控切割技术，除了优化套料编程软件与技术外，主要是指数控切割机数控系统即控制器中使用的数控切割控制软件所提供和具有的数控切割工艺和切割经验。3-1.数控切割存在的问题3-1-1.数控系统中的硬件问题：数控系统是数控切割机的心脏，目前我国切割焊接企业在使用数控切割机过程中，数控系统昀常出现的故障是控制器中的硬盘、主板上的CPU及风扇故障。硬盘由于震动和过热原因不稳定或损坏，主板上的CPU由于主频高，自身发热量大，导致温度过热，而风扇由于过热或磨损造成损坏，造成数控系统不稳定，甚至烧坏主板和CPU。数控切割专家指出，工业控制器由于只是执行切割任务，任务单一，不需要多任务、多进程且功能强大的Windows操作界面，而简单明确的几个切割功能键更适合一般切割工人的简单操作。为了保证数控切割系统运行的稳定性和可靠性，切割过程的逻辑运算是在运动控制轴卡上完成，不是依靠高主频CPU进行运算，因此不需要高主频CPU。而生成的NC切割文件一般只有几十KB，根本不需要巨大的比如40GB的硬盘。总之，在工业控制器和数控系统中，不要以办公用计算机的高配置作为标准来要求或衡量工业控制器的配置水平。因为绝对不是系统配置越高，系统越稳定。相反可以肯定地说，越高的民用计算机配置，比如WindowsXP，P4，1.0GHz以上CPU，40～80G大硬盘，越会导致数控系统的不稳定。3-1-2.数控系统中的技术问题：数控切割机要真正实现全自动、高效率、高质量切割，关键功能和核心技术完全取决于数控系统切割控制软件，取决于切割控制软件是否具备应有的切割工艺和切割经验。目前我国切割焊接企业使用数控切割机，一般都没有做到全自动、高效率切割，而是靠切割工人手工控制切割过程，比如手工控制预热时间，穿孔过程，起割速度，切割速度等。普遍存在的现象是每个零件都要进行预热穿孔，在切割过程中断火，暂停，更换割嘴，切割效率很低。普遍存在的问题是割嘴损耗严重，切割氧预热氧浪费严重。同时面临许多切割质量问题，诸如零件引割点过烧、零件拐角过烧、切割面倾斜、以及切割圆形零件时圆变形或不能闭合等严重切割质量问题，造成钢材浪费和切割效率的降低。造成切割效率和切割质量问题的主要原因是切割焊接企业购买和使用的数控系统没有具备必要的能够保证切割效率和切割质量的切割工艺和切割经验。3-2.数控切割解决方案数控系统是否稳定，切割控制软件的切割工艺和切割经验是否先进和完善，决定了数控切割机的切割质量和切割效率。下面以FastCNC数控系统为例，简要介绍数控系统的硬件构成，以及切割工艺和切割经验，介绍如何有效提高数控系统的稳定性和提高切割效率和首先，FastCNC数控系统的硬件切割质量的方式和方法。系统采用坚固耐用的了丰富完善工业级控制器，使用免风扇低功耗CPU，特别是采用先进