CN105722631A - 用于在工件中等离子切割出孔洞和轮廓的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明的多个实施例包括使用等离子电弧焊炬(103)来在具有不同厚度和材料特性的工件中切出孔洞(300)和轮廓(500)的系统(100)和方法。本发明的这些系统(100)和方法允许在不需要使用特定过烧、导出和/或切割参数进行的二次加工的情况下切出孔洞(300)和轮廓(500)。

Description

用于在工件中等离子切割出孔洞和轮廓的方法和系统

发明领域

本发明涉及根据权利要求1和2所述的使用等离子电弧焊炬来在工件中切出至少一个孔洞的自动化方法、根据权利要求3所述的使用等离子电弧焊炬来在工件中切出至少一个轮廓的自动化方法、根据权利要求4所述的等离子电弧焊炬系统、根据权利要求5和6所述的明白地实施在信息载体上并且在用于用等离子电弧焊炬系统在工件中切出至少一个孔洞的计算机数字控制器上可运行的计算机可读产品、以及根据权利要求7所述的明白地实施在信息载体上并且在用于用等离子电弧焊炬系统在工件中切出至少一个轮廓的计算机数字控制器上可运行的计算机可读产品。本发明的多个实施例总体上涉及等离子电弧切割焊炬系统。更确切地，这些实施例涉及使用等离子焊炬焊嘴系统来在工件中切出内部孔洞和轮廓的方法和系统。

发明的技术背景

等离子切割使用聚焦电弧来将气体流加热到等离子状态，并且使用来自该高温等离子流的能量使工件熔化。对于大多数切割工艺来说，使用了辅助气体流(也称为屏蔽气体流、或屏蔽流)来保护焊炬并且通过辅助维持稳定的电弧来辅助切割过程。在焊炬相对于工件移动时，工件被等离子切割，在后方留下希望的孔洞或轮廓。然而，取决于所切出的形状或轮廓，使用等离子切割系统可能是不利的。例如，有时候等离子并不保持稳定，使得工件的被切割部分的表面可能具有缺陷，缺陷包括成角度的或不平整的表面。虽然在切割过程中已经进行了改进来限制这些缺陷，但在某些切割情形中使用等离子仍是不利的，因为仍会存在缺陷。在切出小孔洞或轮廓时尤其如此。

通过这种方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施例相比较，常规、传统和所提出的方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明显。

说明

为了克服这些限制和缺点，描述了根据权利要求1和2所述的使用等离子电弧焊炬来在工件中切出至少一个孔洞的自动化方法、根据权利要求3所述的使用等离子电弧焊炬来在工件中切出至少一个轮廓的自动化方法、根据权利要求4所述的等离子电弧焊炬系统、根据权利要求5和6所述的有形地实施在信息载体上并且在用于用等离子电弧焊炬系统在工件中切出至少一个孔洞的计算机数字控制器上可运行的计算机可读产品、以及根据权利要求7所述的明白地实施在信息载体上并且在用于用等离子电弧焊炬系统在工件中切出至少一个轮廓的计算机数字控制器上可运行的计算机可读产品。本发明的多个示例性实施例包括使用等离子电弧焊炬来在工件中切出孔洞和轮廓的方法和系统。该系统包括等离子电弧焊炬、电源、CNC或其他基于计算机的控制器、多个移动装置、和工作台。该方法包括使用具有特定特征的引入线切割、几何形状切割以及过烧或导出线切割。利用如本文描述的本发明多个实施例得到了改进的/不需要二次加工孔洞和轮廓切割。

本发明的其他的方面和优点从以下附图和说明中将变得清楚，这些均仅以举例方式来展示本发明的原理。

附图简要说明

通过参考附图来详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和/或其他方面将会更加清晰，在附图中：

图1是可以用于本发明的实施例的等离子切割系统的一个示例性实施例的图解展示。

图2是本发明一个实施例的操作流程图的图解展示；

图3A至3D是根据本发明的实施例的针对孔洞的切割操作的图解展示；

图4是根据本发明的实施例的用于孔洞切割操作的引出路径的图解展示；

图5是根据本发明的示例性实施例的针对轮廓的切割操作的图解展示；并且

图6A和6B是根据本发明的示例性实施例制作的其他轮廓的图解展示。

发明详细说明

下面将参考附图来描述本发明的示例性实施例。所描述的示例性实施例旨在帮助理解本发明、而不旨在以任何方式限制本发明的范围。类似参考号在所有附图中表示类似的要素。

本发明的实施例可以用于工件中的孔洞和轮廓二者。如在此理解的，孔洞具有的形状为其直径(或等效尺寸)与工件厚度之比大约是6:1或更小。即，在不背离本发明的精神和范围的情况下，本发明的示例性实施例可以用来在工件中以这个比率创建高品质孔洞。另外，本发明的实施例可以在具有上至2英寸厚度的工件中使用。要注意的是，在较大厚度的工件中典型地使用较高比率的孔洞。在本发明的许多应用中，工件的厚度为1英寸或更小。在此类应用中，孔洞典型地具有的直径(或等效尺寸)与厚度之比是小于3:1。也就是，1英寸厚的工件中的圆形孔洞将具有约3英寸或更小的直径。如在此使用的，孔洞可以被分类为不一定为圆形的、但至少是曲线形的、或具有曲线部分的小的内部部件特征(例如，卵形、椭圆、以及其他类似形状)，其中孔洞的当量直径(如果总周长被转化成一个圆的话)具有的直径与厚度之比是小于约6:1。轮廓典型地在工件中具有更大的切口特征并且可以包括直线或曲线切口二者。要注意的是，虽然一些形状具有的尺寸是在6:1比率、以下或以上，但它们仍因其形状(例如方形、矩形等)而被视为轮廓。

如上文简要讨论的，当使用等离子焊炬来在工件中切出孔洞和轮廓时可能遇到缺陷。这样的缺陷包括从孔洞/轮廓侧边去除了过量材料，从而在后方、在孔洞或轮廓的壁上留下了突出部，使得该孔洞/轮廓壁为楔形或减缩。这些缺陷在许多工件中可能是成问题的并且可能导致需要二次工艺，例如工件的钻削或刮削。在任一情况下，由于这些缺陷的存在可能引起显著的成本和拖延。本发明的多个实施例消除了这些缺陷并且提供了对孔洞和轮廓的高效率和高度准确的切割。进一步，本发明的多个实施例可以用于使用了各种等离子切割部件的许多不同的切割系统，这并不背离本发明的精神或范围。

图1描绘了示例性的等离子切割系统100。等离子焊炬系统100包括切割工作台101和等离子焊炬103。切割工作台和等离子焊炬的构造和操作是本领域技术人员熟知的并且在此不作详细讨论。系统100还可以使用焊炬高度控制器105，该焊炬高度控制器可以安装至塔架系统107上。系统100还可以包括驱动系统109，该驱动系统用于为焊炬103提供相对于定位在工作台101中的工件的运动。等离子切割电源111被联接至焊炬103上，以提供用来创建切割等离子的所希望电流。系统100还可以包括气体控制台113，该气体控制台可以用来在切割操作期间调节等离子和屏蔽气体二者的气体流速和压力。控制台113还可以用来根据所执行的切割操作来选择不同的气体。也就是，某些气体可以用于某些切割操作、但不会用于其他的。焊炬系统100还包括计算机数字控制器(CNC)115，该计算机数字控制器可以包括用户输入/显示屏幕117。用户用屏幕117和CNC115来输入和读取切割操作参数和数据、并允许系统100被用作自动化的可编程的切割系统。用户可以经由屏幕117(或其他手段)向CNC中输入各种输入参数，包括：焊炬电流、材料类型、材料厚度、切割速度、焊炬高度、等离子和屏蔽气体组成等等。如上所述，等离子系统100可以具有许多不同的构型，并且实施例不局限于图1中所示出的，该图仅是示例性的。

本领域技术人员普遍理解的是，CNC115可以是控制该系统100的任何类型的计算机系统。如普遍已知的，CNC具有处理器、电子存储装置、以及用于提供控制指令到等离子电弧焊炬系统100的接口。该存储或存储器装置可以是内部的或外部的并且可以包括关于工件中有待切割的部分的数据。在其他实施例中，CNC115可以是手动编程的，并且在一些实施例中，CNC115可以包括含有计算机可读指令的计算机可读产品，这些计算机可读指令可以选择或配置等离子焊炬系统的操作参数。在进一步的示例性实施例中，这些计算机可读指令可以是切割图或嵌套软件。这样的指令典型地包括切割信息，该信息包括针对系统100的在切出各种孔洞或轮廓时的指令，考虑了孔洞/轮廓的大小和形状以及所切割的材料。普遍理解的是，CNC115可以允许用户在一个工件中切出众多相继的孔洞、轮廓或孔洞与轮廓的组合，而在切割之间不停止。例如，操作者可以选择包括孔洞和轮廓切割指令二者的切割程序，并且CNC115将基于用户输入信息来确定切割的顺序和定位、以及切割的各个参数。

联接至计算机115上的用户界面/屏幕117展示了支持本文描述的系统和方法的一种可能的硬件配置，为系统100的控制器。当然，也可以使用类似的控制器型系统来控制和/或操作本文描述的系统。为了针对本发明的多种不同方面提供额外的背景，下面的讨论是旨在提供针对其中可以实施本发明这些不同方面的适合的计算环境的简要总体描述。本领域的技术人员应认识到，本发明还可以与其他程序模块相组合地实施和/或被实施为硬件和软件的组合。一般地，程序模块包括执行具体任务或实现具体提取数据类型的例程、程序、部件、数据结构等。

此外，本领域的技术人员应理解的是，这些创新的方法可以用其他计算机系统配置来实践，这些计算机系统配置包括单处理器或者多处理器计算机系统、小型计算机、主机计算机、以及个人计算机、手持计算设备、基于微处理器的或可编程的消费性电子产品等，它们各自可以操作性地耦联一个或多个相关联的设备。本发明的这些展示出的方面还可以在其中由通过通信网络来链接的远程处理设备来执行某些任务的分布式计算环境中进行实践。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地和远程存储器存储设备二者中。

该系统的控制器(例如115)可以利用包括计算机的示例性环境来实施本发明的多种不同方面，其中该计算机包括处理单元、系统存储器、以及系统总线。系统总线耦联多个系统部件，包括但不限于系统存储器和处理单元。该处理单元可以是多种不同可商购处理器中的任一种。双微处理器和其他多处理器架构也可以被用作处理单元。

系统总线可以是若干总线结构类型中的任一种，包括使用各种各样的可商购的总线架构中的任一种的存储器总线或存储器控制器、外围总线和局部总线。系统存储器可以包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。在ROM中存储了基本输入/输出系统(BIOS)，其含有例如在启动期间帮助在计算机内的元件之间传送信息的基本例程。

该控制器(例如115)可以进一步包括硬盘驱动器、磁盘驱动器(来例如从可移除的盘进行读取或写入)以及光盘驱动器(来例如读取CD-ROM盘或者从其他光学介质进行读取或写入)。该控制器可以包括至少某些形式的计算机可读介质。计算机可读介质可以是能够被计算机访问的任何可用介质。以举例而非限制的方式，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以存储信息(例如，计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术实施的易失性和非易失性、可移动和非可移动的介质。计算机存储介质包括但不限于：RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字通用盘(DVD)或其他磁存储设备，或者是可以被用来存储所需信息并且可以被联接控制器的用户界面访问的任何其他介质。

通信介质典型地将计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据表达为调制的数据信号，例如载波或其他传输机制的，并且包括任何信息传递介质。术语“调制的数据信号”是指一种以将信息编码在信号中的方式设定或改变了其一个或多个特征的信号。以举例而非限制的方式，通信介质包括有线介质(例如有线网络或直接有线连接)以及无线介质(例如声学的、RF、红外的以及其他无线介质)。上述任何内容的组合也应该包括在计算机可读介质的范围内。

可以在驱动器和RAM中存储许多程序模块，包括操作系统、一个或多个应用程序、其他程序模块、以及程序数据。计算机或用户界面300中的操作系统可以是许多可商购的操作系统中的任一种。

此外，使用者可以通过键盘和点击设备(例如，鼠标)将命令和信息录入到计算机中。其他输入设备可以包括麦克风、IR遥控器、轨迹球、笔输入设备、操纵杆、游戏板、数字化书写板、碟状卫星信号接收器(satellitedish)、扫描仪等。这些和其他录入设备通常是通过耦联到系统总线上的串行端口接口来连接处理单元的、但是也可以通过其他接口进行连接，例如并行端口、游戏端口、通用串行总线(“USB”)、IR接口和/或多种不同无线技术。也可以将监视器或其他类型的显示设备通过接口(例如，视频适配器)连接系统总线。还可以通过远程显示网络协议来实现可视输出，例如远程桌面协议、VNC、X-窗口系统(X-WindowSystem)等。除了可视输出之外，计算机典型地包括其他外围输出设备，例如扬声器、打印机等。

显示器可以与联接至控制器195的用户界面一起用于呈现从处理单元电子地接收的数据。例如，显示器可以是电子地呈现数据的LCD式、等离子体式、CRT式等监视器。可替换地或者除此之外，这种显示可以以硬拷贝格式(例如，打印机、传真、绘图机等)来呈现所接收到的数据。显示器可以用任何颜色呈现数据并且可以经由任何无线或硬线协议和/或标准来从用户界面接收数据。

可以以使用与一个或多个远程计算机(例如一个远程计算机(一个或多个))的逻辑和/或物理连接的网络环境来操作计算机。该(这些)远程计算机可以是工作站、服务器计算机、路由器、个人计算机、基于娱乐应用的微处理器、对等(peer)装置或其他普通网络节点，并且典型地包括相对于该计算机所描述的元件中的许多元件或所有元件。所描绘的逻辑连接包括局域网络(LAN)和广域网络(WAN)。这样的联网环境在办公室中、企业级计算机网络、内部网和因特网中是司空见惯的。

当在LAN联网环境下使用时，计算机通过网络接口或适配器连接本地网络。当在WAN联网环境下使用时，计算机典型地包括调制解调器、或连接到在LAN上的通信服务器、或者具有用于在WAN(例如因特网)上建立通信的其他器件。在联网的环境下，关于计算机所描绘的程序模块或者其部分可以是存储在远程存储器存储装置中的。应理解的是，本文描述的网络连接是示例性的，并且可以使用在计算机之间建立通信链接的其他手段。

图2描绘了本发明的示例性实施例可以结合CNC115来使用的流程图200，以便一般性地描述系统100的操作。在该过程的初始阶段，部件几何形状被载入201CNC115中。该部件几何形状可以包括整个工件的几何形状以及最终孔洞、轮廓或待切割部分的几何形状。这可以由用户手动完成、或者可以从其他系统中在更加自动化的过程中自动出现。这也可以经由有各种预编程孔洞或轮廓形状(例如圆形)的查找表来完成，用户接着可以输入针对该形状的各种参数。例如，用户可以从多种不同形状像圆形或方形中进行选择，并且用户可以输入针对圆形的参数，例如其直径，或方形的一条边的长度。在载入了该部件几何形状之后，是待切割的工件的材料类型和厚度。这个数据被CNC115用来确定切割操作的适当操作参数。这将在以下进行更详细的讨论。在录入了材料信息203之后，确定切口是孔洞还是轮廓205。这种确定可以由用户手动进行、或者可以由CNC115基于所录入的切割数据自动地进行。基于关于切口是孔洞还是轮廓的确定205，CNC115将使用不同的数据和参数来控制切割操作。如果切割操作是轮廓，则CNC115将使用针对轮廓的状态表格210，这些表格包括用于切出轮廓的数据和参数细节。使用该数据，CNC设置等离子参数211、用于切割操作的运动参数213，并且系统100切出具有相同尺寸的所有这些轮廓215。当然，在其他实施例中这些轮廓也可以被一次性切出。如果没有额外的特征要切出207，则切割过程结束209。类似地，如果要切出的形状是孔洞，则使用不同的查找表220。来自该表220的数据/参数被用来设置等离子参数221、运动参数223，并且接着切出这些孔洞225。再次，CNC115可以切出具有相同直径的所有这些孔洞、或者可以一次性地切出这些孔洞。

现在转向图3A至3C，这些图各自描绘了根据本发明的示例性实施例用于切出孔洞特征的引入路径。由于采用本文描述的方法和系统所带来的优点，可以切出具有最少缺陷的孔洞特征，并且不需要对这些孔洞进行二次加工，例如钻削、去毛刺等等。事实上，本发明的示例性实施例可以用于在软钢工件(其中孔洞直径与材料厚度之比为3/4:1或更小而工件厚度上至1英寸厚)中、并且在不锈钢工件(其中孔洞直径与材料厚度之比为1:1或更小而工件厚度上至1英寸厚)中提供高品质孔洞。在以前的切割工艺中，这样的比率需要昂贵的且低效率的二次加工。在示例性实施例中，可以在上至2英寸厚的软钢中切出具有的孔洞直径与材料厚度之比在1/2:1至3/4:1的范围内的螺栓品质的孔洞，并且可以在上至1英寸厚的不锈钢中切出具有的孔洞直径与材料厚度之比在3/4:1至1:1的范围内的螺栓品质的孔洞。当然，也可以切出更大直径的孔洞，但这些较小的范围展现出本发明实施例高精度的好处。普遍理解的是，螺栓品质的孔洞是针对螺栓或其他紧固件所切出的、在与该紧固件一起使用时所允许的公差水平之内而不需要二次操作(例如钻削)的孔洞。在本发明的实施例之前，这样的螺栓品质的孔洞是在没有二次操作的情况下不能实现的。

图3A描绘了根据本发明的实施例会在切出孔洞时使用的引入线切割的第一实施例。孔洞300具有直径D，该直径是针对孔洞300的所希望直径。在切出该孔洞的过程中，第一个操作是在点P1处穿透工件。典型地，穿透点P1是在要切出的孔洞300的几何中心。在穿透工件之前，CNC115确定穿透时间、穿透点(例如，孔洞中心)以及等离子的切缝值。这些参数中的每一个参数都是基于输入CNC115中的信息来确定的，该信息可以包括：材料类型、材料厚度、孔洞直径、等离子电流等等。在大多数实施例中，穿透点P1将在孔洞300的几何中心，并且穿透时间将是材料类型和厚度的函数。在本发明的示例性实施例中，当材料厚度增大并且孔洞的直径D减小时，穿透时间将增加。通过针对较厚材料中的较小孔洞来延长穿透时间，从引入线切口到孔洞几何形状切口的过渡将更好，这将在下文进一步讨论。进一步，切缝值(切割的切缝的厚度)被用来计算在接近/到达P2以实现顺畅过渡成孔洞几何形状的引入线轨迹。

如图3A所示，引入路径301是弧线路径，使得从引入路径301到孔洞300的切口路径302没有突然的过渡。在所示实施例中，引入路径301具有从穿透点P1到切割点P2(是孔洞几何形状的起点)的弧线形状。在示例性实施例中，引入路径301是半圆形形状的、具有恒定半径。然而在其他示例性实施例中，引入路径301可以具有椭圆或卵形形状，使得引入路径301的半径从点P1到点P2并不是恒定的。进一步，该弧线在引入路径301中的给进速率或速度是CNC115设定和确定的，以允许在引入线过渡到孔洞几何形状之处(点P2)留下一些额外材料，使得在引出过程中不发生气刨(在下文更全面地讨论)。确切地，导入线给进速率是由CNC115基于材料类型、厚度、孔洞直径和切割电流来确定、并且典型地被选择成在从引入线过渡到孔洞几何形状之处P2留下一些额外材料。这与去除点P2处的所有材料的许多已知系统形成对比。也就是，在点P2处可以留下小的突出部或过剩材料，其将在切割过程结束时被去除。在一些示例性实施例中，引入线给进速率是与孔洞几何形状给进速率相同的速度(用来切出该孔洞的速度)。通过在引入线与孔洞几何形状之间保持给进速度相同，由于速度过渡可能造成的缺陷被最小化。然而在其他实施例中，引入路径301的给进速率不同于孔洞几何形状302的给进速率。也就是，在一些实施例中，引入路径的给进速率慢于孔洞几何形状的给进速率、而在其他实施例中可以更快。例如，在许多高安培数的应用中(150安培或更高)，有利的是使引入线速率高于孔洞几何形状的给进速率。当然，这也可以由所使用的材料及其厚度决定。本发明的示例性实施例可以利用和优化在引入线速率与几何形状切割速率之间的差异(若有的话)以便消除工件中的气刨。也就是，在一些实施例中，有利的是使引入线速率快于几何形状切割速率，以确保焊炬不对几何形状的壁产生在焊炬前进太慢的情况下可能发生的气刨。进一步，在本发明的示例性实施例中，在导入线切口301中焊炬103被设定在和有待用于孔洞几何形状路径302的相同的高度处。

图3B描绘了可以使用的引入路径301’/301”的另一个示例性实施例。在这个实施例中，利用了直线-弧线引入路径，其中引入线包括直线路径301’和弧线路径301”，其中弧线路径301”在点P2处过渡到孔洞几何形状302。在一些实施例中，例如当孔洞直径相对于工件厚度较大时，可以使用直线-弧线路径，其中该引入线的第一部分是直线301’并且第二部分是从该直线到几何形状点P2的弧线路径301”。这样的实施例可以给在引入期间电弧在孔洞几何形状的周缘附近的气刨提供较少时间，以确保恰当的孔洞形成。这是因为，弧线线段301”的半径小于从穿透点P1到引入点P2使用全弧线的情况，因此使得进入过渡点P2时更陡。例如，当对于高厚度材料使用更高安培数、且具有更大直径的孔洞时，这样的实施例可能是有利的。在这样的实施例中，直线线段301’的长度是在孔洞300的半径的长度的35％到65％的范围内。再次，引入路径的弧线线段301”可以在直线部分301’与孔洞几何形状点P2之间具有恒定或变化的半径。

图3C描绘了可以使用的引入路径301的另一个示例性实施例。在实践中，图3C描绘了可以用于不锈钢材料的引入路径301。确切地，图3C描绘了螺旋引入路径301，它具有比弧线或弧线-直线引入路径更长的长度。已经发现，当在不锈钢工件中、特别是具有至少1/4英寸的厚度的不锈钢工件中切出孔洞时，该孔洞失圆的可能性高，并且在后方留下未切除的材料标记或突出部。这通常需要二次加工，例如钻削或磨削。在本发明的实施例中，引入路径被延长而形成螺旋路径301，该螺旋路径提供了到工件中的进一步热量输入，这在完成时得到了更好的孔洞几何形状。也就是，螺旋引入线301在切割道次中切出了孔洞几何形状之前有利地略过孔洞几何形状302并将其预热。这种预热允许孔洞几何形状切割道次更顺畅且更可预测地进行，这产生了更圆的孔洞并且减小了在后方留下过剩材料的可能性。螺旋引入线的量取决于孔洞直径D、材料厚度和电流。在本发明的示例性实施例中，螺旋引入线301跨过了在240至720度范围内的弧线路径。(图3C中所示的实施例示出了跨过630度的引入线301)。在一些示例性实施例中，螺旋引入线301跨过了至少360度的弧线。通过以此方式延长引入线，工件可以在孔洞几何形状附近被预热，并且可以切出圆的孔洞而不需要二次加工。对于具有至少1/4英寸厚度的不锈钢工件而言、并且在切出具有2:1或更大直径与厚度比的孔洞时尤其如此。

要注意的是，在上述每种引入线讨论中，引入路径301在点P2处过渡到孔洞几何形状302，使得引入路径在点P2处是与孔洞几何形状路径302大致相切的。通过大致相切，从引入线301到孔洞几何形状302的过渡是平滑的。进一步，如上所述，在一些示例性实施例中，引入路径的速度和几何形状被选择成使得在点P2处存在小部分的过剩材料，如图3D所示。如这个图中所示，引入路径301并非准确地在引入点P2处与周缘302相交、而是在靠近该引入点处相交。这在从引入点P2径向向内且在下游(在行进方向上)留下了一些过剩材料，如图所示。该过剩材料的存在允许防止在引出期间的气刨/切割操作的过烧(下文更多地讨论)。也就是，该过剩材料的存在在一些应用中有助于防止电弧在完成了周缘几何形状时对工件产生气刨并且进入切割的导出或过烧阶段。

在引入线切割操作(301)之后，切割操作前进到孔洞几何形状切割302(参见图3A至3C)。在孔洞几何形状切割302过程中，CNC115控制切割高度、切割速度、电流、屏蔽气体压力、以及切缝值，以便实现所希望的切割尺寸。基于输入的数据，CNC115设定焊炬103的恰当切割高度，该高度典型地在切割过程期间保持恒定。进一步，CNC115针对孔洞几何形状基于用户输入数据确定并设定切割速度。例如，CNC115考虑了孔洞直径D、材料类型、材料厚度以及用于等离子的切割电流。要注意的是，如果切割速度太高则孔洞可能具有不希望的锥度，而如果切割速度太慢则工件上的切割面和孔洞的底边缘可能扭曲。此外，CNC115在孔洞几何形状切割302过程中调节并控制屏蔽气体压力以便确保顺畅且准确的切割。从引入线切割301到孔洞几何形状切割302的屏蔽气体压力的调节/改变被用来辅助控制切割的锥度/斜角。使屏蔽气体压力下降典型地对切口边缘产生正的斜角。因此，本发明的实施例在孔洞几何形状切割302过程中使用减小的屏蔽气体压力来补偿在切出孔洞时可能出现的常见斜角形成，因此提供了孔洞的改进切割。在一些示例性实施例中，在孔洞几何形状切割302中使用的屏蔽气体压力与引入线切割301中使用的相同，而在其他示例性实施例，屏蔽气体压力下降，使得它小于引入线301期间的屏蔽气体压力。除了以上内容之外，CNC115也控制和设定切割操作的切缝值以确保获得正确的孔洞大小。

图4描绘了可以用于本发明的实施例的引出切割的示例性实施例。许多已知的系统在焊炬103到达点P2之时或之前使切割电弧熄灭。然而，这个过程可能在孔洞中留下突出部，从而需要二次加工。本发明的实施例通过利用如本文描述的引出部分401消除了对二次处理的需要。引出部分401遵循与对应的孔洞几何形状部分相同的路径，使得各个部分的路径重叠，如图4所示。

确切地，本发明的实施例利用了过烧距离来确定电弧关掉定时值，该值用来指示电源111在引出点P3完成之前的某个时刻关掉等离子电流，并且用来确定该引出部分完成之处的点P3。这种确定允许电弧在焊炬经过点P2并引出至点P3时仍是开启的。也就是，本发明的实施例使用了过烧来确保在孔洞切割操作完成时的顺畅过渡。这在下文结合图4来进一步解释。

对于每个切割操作而言，CNC115针对不同切割操作包括过烧距离，过烧距离是从孔洞几何形状引入点P2到过烧点Po的距离，其中在过烧距离中，等离子电弧被维持为等于或接近其在孔洞几何形状切割中使用的切割强度。在一些示例性实施例中，切割电流被电源111维持为等于或接近用于孔洞几何形状切割的切割电流水平。在一些示例性实施例中，电流保持在相同水平。然而在其他示例性实施例，在过烧距离中切割电流被电源111维持在该切割电流的20％的范围内。例如，如果主切割电流为100安培，则电源111可以在过烧距离中将此电流减小到80安培。过烧距离被CNC115用来确定电源111的电弧关掉定时信号，使得电源111可以被指示来将切割电流关掉而使得电弧在焊炬到达点P3时的时刻或之前完全熄灭。过烧距离和电弧关掉定时信号被CNC115用来确保当焊炬103经过引入点P2时电弧仍存在，以便完成孔洞几何形状。然而要注意的是，在一些示例性实施例中CNC115可以使用过烧距离和电弧关掉定时信号来控制切割电流，使得切割电流在焊炬103到达引入点P2之前被电源111减小或关掉，但是由于固有的电弧停止的滞后时间，当焊炬经过引入点P2而行进到引出点P3时电弧可能仍存在。这将在以下进行更详细的说明。

在本发明的示例性实施例中，每个切割操作的过烧距离是基于多个不同的参数来设定的，包括孔洞直径D、给进速率、材料厚度、材料类型和电弧安培数的任意组合。在本发明的示例性实施例中，CNC115存储了针对不同切割操作和参数的多个不同的预设过烧距离，使得当用户输入不同的工艺信息时，就确定了过烧距离。这样的数据可以包括孔洞直径D、材料厚度、材料类型和切割等离子电流。例如，在用户输入了针对一个切割操作的输入参数之后，CNC115确定针对该孔洞切割操作将要利用的过烧距离。这种确定可以通过利用存储在CNC115中的查找表、算法、或其他类似方法来进行。例如，在一些示例性实施例中，要切出的孔洞的直径D越大，将要利用的过烧距离就越长。在本发明的示例性实施例中，过烧距离是在0.01至0.3英寸的范围内。在其他示例性实施例中，过烧距离可以是在0.02至0.1英寸的范围内。典型地，工件越厚且孔洞越大，过烧距离就越长。

一旦确定了过烧距离，CNC115就确定过烧时间。过烧时间是通过过烧距离除以孔洞几何形状给进速率(ipm)/60来确定的。即：

过烧时间＝(过烧距离/(孔洞几何形状给进速率/60))

CNC115接着使用过烧时间来确定电弧关掉定时值。电弧关掉定时值被用来确定引出部分401的终点P3，此时切割过程完成并且焊炬103的移动可以结束。在本发明的示例性实施例中，CNC115利用所确定的过烧时间以及其他参数来确定终点P3。例如，本发明的实施例还可以将电弧滞后时间和/或电弧停止时间考虑在内。电弧滞后时间是代表电源的电弧滞后的预先确定的滞后时间。也就是，电弧滞后时间是等离子电弧对来自电源的输出电流的改变(例如由于系统电感)作出实质性反应所花的时间长度。电弧停止时间是一旦电流被电源关掉之后电弧熄灭所花的预先确定的时间长度。电弧停止时间是一个预先确定的值、为电源以及切割电流水平的函数。在本发明的示例性实施例中，电弧滞后时间是在0.05至0.2秒的范围内，而电弧停止时间是在0.125至0.6秒的范围内。

因此，在一些示例性实施例中，电弧关掉定时值是通过将所确定的过烧时间、电弧滞后时间和电弧停止时间求和来确定的。将这个求和出的电弧关掉定时值(以秒计)与操作的给进速率相结合使用来确定引出部分401的终点P3。利用这个确定出的电弧关掉定时值，CNC115控制系统100的操作，包括焊炬103的移动从而使得焊炬103停止在点P3处。在本发明的示例性实施例中，终点P3是在径向超出点P2达20至35度的范围内。

通过使用以上描述的系统和方法，本发明的实施例可以在工件中产生高精度的孔洞，这些孔洞不需要二次加工来完成孔洞。

除了提供高品质孔洞之外，本发明的实施例还能够提供不需要二次加工的高精度的轮廓。除了在切出孔洞时产生缺陷之外，已知的系统还可能在切出轮廓时产生缺陷。这样的缺陷可以包括突出部或过剩材料，这需要磨削来完成部件或轮廓。本发明的实施例可以在不需要这样的二次加工的情况下创建轮廓。

图5描绘了用本发明的实施例可以切出的示例性轮廓。要注意的是，虽然图5中所示的轮廓是矩形，但本发明的实施例不局限于此，因为在不背离本发明的精髓或范围的情况下可以切出其他形状。进一步，可以使用像图1中所示系统100的示例性系统来切出如本文描述的轮廓。

如图所示，轮廓500具有从穿透点P1延伸至部件几何形状路径的起点P3的引入部分501。如图5所示，引入部分501可以是直线。然而在其他实施例中，可能希望的是根据轮廓的形状来使用曲线或弧线的引入线。实施例在此方面不受限制。一旦切出了引入线501，系统100就遵循部件500的所希望几何形状来切出部件几何形状路径503。在示例性实施例中，引入部分501和几何形状路径部分503是使用相同的切割参数(例如速度、切割高度、电流水平、电压、电流等)来切出的。普遍理解的是，用于该切割操作的参数是由用户输入信息例如材料厚度、材料类型、电流等来决定和确定的。当该几何形状路径部分到达过渡点P2(在所希望轮廓的未完成的点处)时，切割操作到达减速点505，在此过程中CNC115减慢焊炬103的给进速率并且锁闭系统100的、用于在操作过程中维持焊炬103的高度的焊炬高度控制或电弧电压高度控制(每个都是普遍已知的)。高度控制系统(通常称为焊炬高度控制或电弧电压高度控制电路或系统)的结构和操作是在自动化等离子切割行业中已知的并且在此不需要详细描述。切割不锈钢时高度控制系统(可能在该CNC或电源中、或二者中)的锁闭或停用在不锈钢等材料中由于电弧滞后而是特别有利的。减慢给进速率有助于在切割完成过程中保持电弧是几乎竖直的，但是如果电压高度控制仍然启用，则将致使焊炬103移动得更靠近工件并且最终接触工件。因此，焊炬被减速并且其高度控制机构或控制功能被停用，使得焊炬103不被CNC115控制来调节该减速——这可能会导致焊炬103冲入工件中。在本发明的示例性实施例中，减速部分505期间的给进速率是在几何形状路径部分503的给进速率的25％至45％的范围内。在一些示例性实施例中，该给进速率是在轮廓500的几何形状路径部分503的给进速率的30％至36％的范围内。这对于不锈钢工件是特别有利的。

进一步，如图5所示，过渡点P2沿着该轮廓的周缘位于轮廓500的终点P3附近。也就是，过渡点P2位于轮廓500的切割过程的终点附近。在示例性实施例中，过渡点P2是定位在轮廓500的总周缘长度的80％至99％的范围内。在其他示例性实施例中，过渡点P2是定位在轮廓500的总周缘长度的90％至98％的范围内。典型地，在许多示例性实施例中，P2与P3之间的距离是在0.125至0.5的范围内。在其他示例性实施例中，该距离是在0.25至0.4英寸的范围内。可能影响P2与P3之间的最佳距离的因素是电弧安培数和材料厚度。通过将足够的距离用于轮廓路径的减速部分505，在轮廓500的切割终点在过渡点P3处制作出了较整齐的切口。

而且，如图5所示，在焊炬103到达点P3而完成轮廓之后，焊炬103从该轮廓在导出部分507中相对于轮廓500的减速部分505以角度A撤回。角度A允许焊炬103在点P3处进行硬拐弯，这致使切割等离子切掉了使用旧系统在点P3处留下的任何接片或过剩材料。当在不锈钢工件中切出轮廓500时这是特别有效的。在示例性实施例中，导出部分507是以与减速部分505相同的给进速率和控制设置来进行的。在导出部分507的初始阶段尤其是如此。在一些示例性实施例中，在焊炬从过渡点P3附近移走之后，在切割终点P4之前可以改变切割操作的速度或其他参数。进一步，在本发明的示例性实施例中，角度A是在20至40度的范围内。在其他示例性实施例中，角度A是在28至32度的范围内，并且在一些示例性实施例中该角度是30度。要注意的是，角度A(指示了导出部分507的方向)是在减速部分505与截点P3相交时从沿着减速部分505的终点的路径的一条线测量的。在图5中这条线与减速部分505在减速部分505的长度上(因为它是直线)沿着同一条线。图6A和6B描绘了轮廓并非图5所示的矩形形状时的其他示例性实施例。在图6A中，轮廓500的一部分是半圆，使得线L(从该线开始测量角度A)是在交点P3处沿着半圆部分的切向。图6B示出了具有至少两条直线线段的减速部分505。这样，线L的朝向与同过渡点P3相交的直线线段重合。这确保了导出线507制作呈足够锐角而能在过渡点P3处作出锐利且整洁的拐角。

如之前解释的，上述技术可以在CNC115或任何其他计算机控制的系统中通过使用数字电子电路、或在计算机硬件、固件、软件、或其组合中实施。实施方式可以为计算机程序产品，即明白地实施在信息载体(例如CPS)中的计算机程序。信息载体可以是机器可读的存储装置或可以位于传播的信号中，以用于被数据处理设备(例如可编程处理器、计算机、或多台计算机)执行或用来控制其操作。

计算机程序(例如，计算机程序系统)可以用任何形式的编程语言来写出，包括编译语言或解释语言，并且它可以被部署成任何形式，包括作为独立程序或作为模块、部件、子例程、或适合用在计算环境中的其他单元。计算机程序可以被部署成将在一台计算机或一个场所中的或跨多个场所分布且通过通信网络互联的多台计算机上执行。

方法步骤可以由一个或多个可编程处理器来执行，该处理器执行计算机程序从而通过在输入数据时运行并产生输出而执行本发明的功能。方法步骤也可以通过专用逻辑电路来执行，并且设备可以被实施为专用逻辑电路，例如FPGA(场可编程门阵列)或ASIC(应用专用集成电路)。模块可以是指计算机程序的一部分和/或处理器/实施该功能性的特殊电路。

适合执行计算机程序的处理器举例而言可以包括通用和专用微处理器、以及任何数字计算机种类的任何一个或多个处理器。总体上，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或二者接收指令和数据。计算机的必要元件是用于执行指令的处理器以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器装置。总体上，计算机还将包括用于存储指令的、或操作性联接到其上以便从其接收数据或向其传递数据、或二者的一个或多个大容量存储装置(例如，磁盘、磁光盘、或光盘)。数据传输和指令也可以在通信网络上进行。适合于实施计算机程序指令和数据的信息载体包括所有形式的非易失性存储器，举例而言包括半导体存储器装置，例如EPROM、EEPROM、以及闪存装置；磁盘，例如内部硬盘或可移动硬盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以用特殊用途逻辑电路来补充或被结合在其中。

为了提供与用户的交互，以上描述的技术可以在CNC或具有用于向用户显示信息的显示装置例如CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器、以及键盘和定点装置(例如鼠标或轨迹球)的计算机上实施，用户可以通过该键盘和定点装置来向计算机提供输入(例如，与用户界面元件交互)。也可以使用其他种类的装置来提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感知反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且来自用户的输入可以以任何形式接收，包括声音、语音、或触觉输入。

以上描述的技术可以在包括后端部件(例如作为数据服务器)、和/或中间部件(例如应用服务器)、和/或前端部件(例如，具有图形用户界面和/或Web浏览器的客户端计算机，用户可以通过其来与示例性实施方式进行交互)、和/或此类后端、中间或前端部件的任意组合的分布式计算系统中实施。该系统的这些部件可以通过任何形式或介质的数字数据通信(例如通信网络)来互联。通信网络的实例包括局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)，例如英特网，并且包括有线和无线网络二者。

包括、包含和/或复数形式各自是开放式的并且包括所列的部分并且可以包括未列出的额外部分。和/或是开放式的并且包括所列部分中的一个或多个以及所列部分的组合。

虽然参照特定的展示性实施例具体示出且描述了本发明，但应理解的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节上作出多种不同改变。

参考号

100系统223阶段

101切割工作台225阶段

103等离子焊炬300用户界面/孔洞

105控制器301引入路径

107塔架系统301’/301”路径

109驱动系统302切割路径/几何形状

111电源401部分

113控制台500轮廓

115计算机数字控制器501部分

117屏幕503路径

200流程图505部分

201阶段507部分

203阶段A角度

205阶段CNC计算机数字控制器

207阶段D直径

209阶段L线

210阶段P1点

211阶段P2点

213阶段P3点

215阶段P4点

220阶段

221阶段

Claims (7)

1.一种通过使用等离子电弧焊炬来在工件中切出至少一个孔洞的自动化方法，该方法是在计算机数字控制器上实施的并且包括：

用所述等离子电弧焊炬在所述至少一个孔洞的中心处穿透该工件；

用所述等离子电弧焊炬所创建的等离子电弧针对所述至少一个孔洞切出从所述孔洞的中心延伸至周缘的引入线，其中所述引入线在一个引入点处或附近到达所述周缘，并且所述引入线的至少一部分是弓形形状的；

用所述等离子电弧以第一电弧电流值切割所述孔洞的所述周缘，其中所述周缘是从所述引入线到达所述周缘之处的点切割到所述引入点的，并且

在所述等离子电弧焊炬到达所述引入点之后，使所述等离子电弧焊炬上的所述等离子电弧经过所述引入点后维持一段过烧距离、并且使所述等离子电弧以第二电弧电流沿着所述周缘移动经过所述引入点，

其中所述第二电弧电流是处于或接近该第一等离子电弧电流，并且

其中在所述过烧距离之后，所述第二电弧电流被关掉并且所述等离子电弧焊炬沿着所述周缘被移动，直到所述等离子电弧完全熄灭。

2.一种通过使用等离子电弧焊炬来在工件中切出至少一个孔洞的自动化方法，该方法是在计算机数字控制器上实施的并且包括：

用所述等离子电弧焊炬在所述至少一个孔洞的中心处穿透该工件；

用所述等离子电弧焊炬所创建的等离子电弧针对所述至少一个孔洞切出从所述孔洞的中心延伸至周缘的引入线，其中所述引入线在一个引入点处或附近到达所述周缘，并且所述引入线的至少一部分是螺旋形状的；并且

用所述等离子电弧以第一电弧电流值切割所述孔洞的所述周缘，其中所述周缘是从所述引入线到达所述周缘之处的点切割到所述引入点的，

其中所述引入线从所述中心到所述周缘经过了至少270度，并且

其中所述工件是不锈钢。

3.一种通过使用等离子电弧焊炬来在工件中切出至少一个轮廓的自动化方法，该方法是在计算机数字控制器上实施的并且包括：

在远离所述轮廓的周缘的一个点处穿透该工件；

用所述等离子电弧焊炬所创建的等离子电弧针对所述至少一个轮廓切出从所述穿透点延伸至在所述轮廓的所述周缘上的引入点的引入线；

用所述等离子电弧以第一电弧电流值和第一给进速率切割所述周缘的第一部分，直到所述等离子电弧沿着所述周缘到达距所述引入点近的一个过渡点；

用所述等离子电弧以小于该第一给进速率的第二给进速率、从所述过渡点到所述引入点来切割所述周缘的第二部分；并且

用所述等离子电弧切出从所述引入点延伸至远离所述周缘的一个终点的导出线，

其中在所述第二部分的切割过程中所述等离子电弧焊炬被维持在所述工件上方恒定高度处，并且

其中当所述第二部分到达所述引入点时所述导出线相对于与该第二部分重合的一条线成角度地切出，其中所述角度是在20至40度的范围内。

4.一种被配置成用于在具有不同厚度和材料类型的工件中切出不同形状和大小的轮廓(500)和孔洞(300)的等离子电弧焊炬系统(100)，该等离子电弧焊炬系统(100)包括：

等离子电弧焊炬(103)，该等离子电弧焊炬接收等离子电弧电流并生成等离子电弧电流来切割工件；以及

计算机数字控制器(115)，该计算机数字控制器被配置成用于：

选择该工件中用所述等离子电弧焊炬(103)来穿透的穿透位置；

从多种引入线切割几何形状中选择用来引入成孔洞几何形状的第一引入线几何形状以及用来引入成轮廓几何形状的第二引入线几何形状，

至少基于所述工件的厚度来从多个几何形状切割速度中选择一个几何形状切割速度；并且

从多种引出线切割几何形状中选择在从孔洞几何形状引出时的第一引出线构型以及在从轮廓几何形状引出时的第二引出线几何形状，

其中针对所述第一引出线构型，在所述等离子电弧焊炬到达所述第一引入线几何形状的引入点之后，所述计算机数字控制器(115)使所述等离子电弧焊炬(103)上的等离子电弧经过所述引入点后维持一段过烧距离、并且使所述等离子电弧以第二电弧电流沿着所述孔洞(300)的周缘移动经过所述引入点；并且其中在所述过烧距离之后，到所述等离子电弧焊炬(103)的电弧电流被关掉并且所述等离子电弧焊炬(103)沿着所述周缘移动，直到所述等离子电弧完全熄灭，并且

其中针对所述第二引出线几何形状，在所述等离子电弧焊炬到达所述第二引入线几何形状的引入点之后，所述计算机数字控制器(115)使所述等离子电弧焊炬(103)上的等离子电弧维持从所述引入点延伸的一个导出部分，其中在所述周缘的创建结束时在所述引入点处所述导出线是相对于与该轮廓(500)的周缘重合的一条线成角度地切出的，并且所述角度是在20至40度的范围内。

5.一种计算机可读产品，该计算机可读产品明白地实施在信息载体上并且是在用于用等离子电弧焊炬系统(100)在工件中切出至少一个孔洞(300)的计算机数字控制器(115)上可运行的，该计算机可读产品包括可运行来使该计算机数字控制器(115)进行以下各项的指令：

用所述等离子电弧焊炬(103)在所述至少一个孔洞(300)的中心处穿透该工件；

用所述等离子电弧焊炬(103)所创建的等离子电弧针对所述至少一个孔洞(300)切出从所述孔洞(300)的中心延伸至周缘的引入线，其中所述引入线在一个引入点处或附近到达所述周缘，并且所述引入线的至少一部分是弓形形状的；

用所述等离子电弧以第一电弧电流值切割所述孔洞(300)的所述周缘，其中所述周缘是从所述引入线切割到达所述周缘之处的点到所述引入点的，并且

在所述等离子电弧焊炬(103)到达所述引入点之后，使所述等离子电弧焊炬(103)上的所述等离子电弧经过所述引入点后维持一段过烧距离、并且使所述等离子电弧以第二电弧电流沿着所述周缘移动经过所述引入点，

其中所述第二电弧电流是处于或接近该第一等离子电弧电流，并且

其中在所述过烧距离之后，所述第二电弧电流被关掉并且所述等离子电弧焊炬(103)沿着所述周缘移动，直到所述等离子电弧完全熄灭。

6.一种计算机可读产品，该计算机可读产品明白地实施在信息载体上并且是在用于用等离子电弧焊炬系统(100)在工件中切出至少一个孔洞(300)的计算机数字控制器(115)上可运行的，该计算机可读产品包括可运行来使该计算机数字控制器(115)进行以下各项的指令：

用所述等离子电弧焊炬(103)在所述至少一个孔洞(300)的中心处穿透该工件；

用所述等离子电弧焊炬(103)所创建的等离子电弧针对所述至少一个孔洞(300)切出从所述孔洞(300)的中心延伸至周缘的引入线，其中所述引入线在一个引入点处或附近到达所述周缘，并且所述引入线的至少一部分是螺旋形状的；并且

用所述等离子电弧以第一电弧电流值切割所述孔洞(300)的所述周缘，其中所述周缘是从所述引入线到达所述周缘之处的点切割到所述引入点的，

其中所述引入线从所述中心到所述周缘经过了至少270度，并且

其中所述工件是不锈钢。

7.一种计算机可读产品，该计算机可读产品明白地实施在信息载体上并且是在用于用等离子电弧焊炬系统(100)在工件中切出至少一个轮廓(500)的计算机数字控制器(115)上可运行的，该计算机可读产品包括可运行来使该计算机数字控制器(115)进行以下各项的指令：

在远离所述轮廓(500)的周缘的一个点处穿透该工件；

用所述等离子电弧焊炬(103)所创建的等离子电弧针对所述至少一个轮廓切出从所述穿透点延伸至在所述轮廓(500)的所述周缘上的引入点的引入线；

用所述等离子电弧以第一电弧电流和第一给进速率切割所述周缘的第一部分，直到所述等离子电弧沿着所述周缘到达距所述引入点近的一个过渡点；

用所述等离子电弧以小于该第一给进速率的第二给进速率、从所述过渡点到所述引入点来切割所述周缘的第二部分；并且

用所述等离子电弧切出从所述引入点延伸至远离所述周缘的一个终点的引出线，

其中在所述第二部分的切割过程中所述等离子电弧焊炬(103)被维持在所述工件上方恒定高度处，并且

其中当所述第二部分到达所述引入点时所述导出线相对于与该第二部分重合的一条线成角度地切出，其中所述角度是在20至40度的范围内。