數控等離子切割技術
在工業生產中，金屬熱切割一般有氣割、等離子切割、激光切割等。其中等離子切割與氣割相比，其切割范圍更廣、效率更高。而精細等離子切割技術在材料的切割表面質量方面已接近了激光切割的質量，但成本卻遠低于激光切割。因此，等離子切割自20世紀50年代中期在美國研制成功以來，得到迅速發展。隨著計算機及數字控制技術的迅速發展，數控切割也得以蓬勃發展，并在改善加工精度。節約材料、提高勞動生產率等方面顯示出巨大優勢。這促使等離子切割技術從手工或半自動逐步向數控方向發展，并成為數控切割技術發展的主要方向之一。數控等離子切割技術是集數控技術、等離子切割技術、逆變電源技術等于一體的高新技術，它的發展建立在計算機控制、等離子弧特性研究、電力電子等學科共同進步基礎之上。我國的數控切割技術起步于20世紀80年代，而數控等離子切割技術起步更晚。但近年來，國內一些高校、科研單位、制造廠商對數控等離子切割技術進行了研究，并逐步開發生產了各種規格的數控等離子切割設備，縮小了與國外先進技術的差距。
1、國內數控等離子切割的現狀
我國工廠的板材下料中應用最為普遍的是火焰切割和等離子切割，所用的設備包括手工下料、仿形機下料、半自動切割機下料及數控切割機下料等。與其他切割方式比較而言，手工下料隨意性大、靈活方便，并且不需要專用配套下料設備。但手工切割下料的缺點也是顯而易見的，其割縫質量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后道加工工序的工作量大，同時勞動條件惡劣。用仿形機下料，雖可大大提高下料工件的質量，但必須預先加工與工件相適應的靠模，不適于單件、小批量和大工件下料。半自動切割機雖然降低了工人勞動強度，但其功能簡單，只適合一種形狀的切割。上述3種切割方式，相對于數控切割來說由于設備成本較低、操作簡單，所以在我國的中小企業甚至在一些大型企業中仍在廣泛使用。
隨著國內經濟形勢的蓬勃發展以及“以焊代鑄趨勢的加速，數控切割的優勢正在逐漸為人們所認識。數控切割不僅使板材利用率大幅度提高，產品質量得到改進，而且改善了工人的勞動環境，勞動效率進一步提高。目前，我國金屬加工行業使用的數控切割機是以火焰和普通等離子切割機為主，但純火焰切割，已不能適應現代生產的需要，而目前市場需求的數控切割機多為數控等離子切割機，該類切割機可滿足不同材料、不同厚度的金屬板材的下料以及金屬零件的加工的需要，因此需求量將會越來越大，但與國外的差距仍極為明顯，主要表現為：發達國家金屬加工行業90%為數控切割機下料，僅10%為手工下料；而我國數控切割機下料僅占下料總量的10%，其中數控等離子切割下料所占比例更小。究其原因，較高的設備成本、復雜和維護和操作制約了數控切割在我國的進一步普及。因此國內數控切割機生產廠家引進了國外控制系統技術，經過二次開發后運用到了切割領域中，設計出了適合我國國情的數控切割機。某些廠家開發生產的專用數控切割設備，在技術上已經達到或超過了國外同類產品。
我國數控切割機每年市場需求量約在400~500臺之間，產品主要以數控等離子切割機為主。相較而言，仿形切割機每年銷售幾千臺，半自動切割機每年銷售達上萬臺。由此可見，我國數控切割市場，尤其是數控等離子切割市場的發展潛力是巨大的。
1.1 等離子切割種類介紹
a．普通等離子弧切割。根據所使用的主要工作氣體，主要分為氬等離子弧切割、氧等離子弧切割。氧等離子弧切割和空氣等離子弧切割等幾類。切割電流一般在100 A以下，切割厚度小于 30 mm。
b．再約束等離子弧切割。根據等離子弧的再約束方式，主要分為水再壓縮等離子弧切割、磁場再約束等離子弧切割等。由于等離子弧受到再次壓縮，其電流密度、切割弧的能量進一步集中，從而提高了切割速度和加工質量。
c．精細等離子弧切割。等離子弧電流密度很高，通常是普通等離子弧電流密度的數倍，由于引進了諸如旋轉磁場等技術，其電弧的穩定性也得以提高，因此，其切割精度相當高。國外的精細等離子切割表面質量已達激光切割的下限，而其成本只有激光切割的三分之一。
1.2 等離子切割電源
原先在我國應用較多的高漏抗變壓器加二次側整流式的切割機電源已逐漸被逆變式等離子切割電源所代替，其原理如圖1所示。國產等離子電源大多用于手工切割和配在小車切割機上，近年來由于性能有所改善，因此也逐步配用于數控切割機，但仍需進一步提高。
1.3 數控技術的現狀與發展
計算機技術的飛速發展推動了數控技術的更新換代，而這也日益完善了數控等離子切割的高精、高速、高效功能。代表世界先進水平的歐洲、美國、日本的數控系統生產商利用工控機豐富的軟硬件資源開發的新一代數控系統具有開放式體系結構，即數控系統的開發可以在統一的運行平臺上，面向最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象（數控功能），形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術訣竅集成到控制系統中，快速實現不同品種、不同檔次產品的開發。
開放式體系結構使數控系統有更好的通用性、柔性、適應性、擴展性，并向智能化、網絡化方向發展。
目前，開放系統具體有2種基本結構：
a．CNC+工控機主板。將一塊工控機主板插入傳統的CNC機器中，工控板主要用作實時控制，CNC主要用作以坐標軸運動為主的實時控制。
b．工控機+運動控制板。將運動控制板插入工控機的標準插槽中作實時控制用，而工控機主要作非實時控制。
我國生產的數控等離子切割機的數控系統多是在引進國外數控技術的基礎上，加以自主開發而成，并逐步形成了更能適應國內用戶的數控系統。總體來說，在數控系統方面具備了國外同類系統的基本功能，但與國外先進的數控系統相比，在錯誤記錄、網絡化生產、全自動生產等方面還存在較大差距。
1.4 數控等離子切割系統的抗干擾措施
切割電源具有強烈的電磁干擾，這就要求計算機控制系統必須具有很高的抗干擾能力，既能抵抗等離子引弧時的高頻干擾，也能抵抗工作時大電流等離子弧的干擾，還能抵抗工作現場的其他干擾源。經過抗干擾設計，改善了數控等離子切割系統的可靠性，其故障率也降低。
2、國內外數控等離子切割現狀與發展趨勢
國外數控切割機的生產廠家主要集中在德國、美國和日本。從機械結構上看，其發展經歷了十字架型（輕型）、門型（小型）、龍門型（大型）3個階段，相應的型號種類繁多。能夠代表數控等離子切割技術最高水平的廠家主要集中在德國，如德國ESAB公司的精細等離子切割機的切割精度已達激光切割下限，目前，國外已有廠家在龍門式切割機上安裝一個專用切割機械手，開發出五軸控制系統的龍門式專用切割工具，該系統可以在空間切割出各種軌跡，利用特殊的跟蹤探頭，在切割過程中控制切割運行軌跡。相比之下，國內雖然十字架型、門型、龍門型都有所生產，但廣度不夠，生產廠家產品型號較為單一，尚無龍門式專用型材切割機產品。
近幾年來，由于對切割質量、勞動環境等的要求越來越高，國外的大型水下等離子切割法、精細等離子切割法等先進等離子切割技術得到較快發展，其相應產品在我國的市場需求量也逐年上升。在我國的等離子切割設備生產行業中，由于缺乏等離子切割理論研究與生產實踐相轉換的機制，因此新技術運用不廣、新產品開發速度不快，制約了等離子切割技術的進一步發展和運用。
可以預見，我國的數控切割機的市場需求仍將以數控等離子切割機為主。與此同時，國外廣泛應用的大型水下等離子切割、精細等離子切割等先進切割設備在我國的市場需求量呈逐年上升趨勢。
從國外數控等離子切割行業發展的趨勢來看，智能化精密切割將成為切割行業今后發展的方向。
3、結論
我國鋼產量早已達億噸級，再加上制造業的蓬勃發展，這必將促進國內數控等離子切割技術的良性發展?？傮w來說，我國數控等離子切割在基本功能上已達到國外同類產品水平，但要完全達到或超過國外水平還有很長的路要走。國內各企業、科研單位應加大科研力度，重視企業間的橫向合作，形成優勢互補，并在以下方面爭取進一步提高：
a．應加強等離子理論研究與生產的相關轉換；
b．等離子電源應進一步提高穩定性；
c．積極開發適合我國國情、經濟可靠的數控等離子切割設備；
d．人機對話界面友好，適合切割下料工人操作；
e．網絡互聯功能。