Для получения качественного реза при раскрое листовых материалов важным параметром является стабильность зазора между режущим инструментом и разрезаемым материалом (рабочий зазор). Если при плазменной резке с использованием источников типа АПР - 404 требования к зазору (8-10 мм) ещё допускают возможность ручного регулирования, то при микроплазменной резке, маркировки, прецизионной газо-кислородной резки удержание зазора с точностью не хуже 0,5 мм возможно уже только с использованием стабилизаторов высоты. 

Чем грозит нестабильность рабочего зазора:

  • Не стабильность ширины реза и скоса кромок. Даже небольшое увеличение зазора от номинального между листом и резаком приводит к росту ширины реза в верхней части и сужению реза в нижней части листа. Это напрямую снижает точность вырезаемой детали.
  • Повышеная шероховатость самого реза, возможно образование грата. 
  • Увеличеный износ сопла и электрода.
  • Вероятность повреждения резака при касании металла


Так же следует отметить, что при микроплазменной/плазменной резке качество реза определяется именно напряжением на дуге. И хотя рабочий зазор прямо пропорционален напряжению на дуге стабилизация рабочего зазора должна обеспечивать не стабильность зазора, а стабильность напряжения на дуге. Для получения стабильно высокого качества реза точность стабилизации напряжения на дуге должна быть в пределах ±1 вольт или точнее.

Второй важной функцией стабилизаторов высоты является возможность автоматического выставления первоначального зазора, пока резак ещё не работает. Отсутствие подобной функции или её нестабильная работа сильно усложняет эксплуатацию машин термической резки, часто приводит к преждевременному выходу из строя сопел резака, может приводить к поломкам резака. При оценке качества работы автоматики выставления первоначального зазора следует учитывать возможность регулировки величины первоначального зазора независимо от величины рабочего зазора.

В настоящее время получили распространение следующие типы стабилизаторов:

  1. Контактные: механические и электромеханические.
  2. Бесконтактные: ёмкостные, индуктивные и по напряжению на дуге.

 

Механический стабилизатор

Принцип действия основан на непосредственном контакте механизма стабилизатора с поверхностью раскраиваемого листа. В качестве щупа наиболее рационально применять кольцо ("тарелку"). Весь узел стабилизатора с закреплённым в нём режущим инструментом фактически опирается контактной тарелкой на раскраиваемый лист  за счёт чего и обеспечивается стабильность зазора. Точность поддержания зазора таких устройств довольно высока и снижается с увеличением диаметра контактной тарелки и/или увеличением бухтиноватости листа.

Основное достоинство - отсутствие краевого эффекта и удержание на листе, даже если осталась хоть одна точка касания тарелки с листом, высокая точность поддержания установленного зазора. К другим достоинствам относятся: простота и наглядность функционирования,  относительно высокая точность удержания рабочего зазора, "разглаживание" тонкого листа, простота управления от ЧПУ, высокая ремонтопригодность в машиностроительном производстве. Такой стабилизатор возможно применять практически с любым видом режущего инструмента (плазма, микроплазма, газокислород, гидроабразив, лазер). Так же к достоинствам можно отнести гарантированное выставление первоночального зазора, правда фиксированной величины, равной рабочему зазору. 

Недостатки: подобные конструкции обычно имеют высокую массу, что приводит к быстрому износу контактной тарелки, и что более хуже к существенному снижению точности машины в целом. Подобный стабилизатор является своего рода "якорем" препятствующему перемещению резака по листу. При движении по листу точность раскроя снижается на величину люфта и величину упругой деформации исполнительного механизма машины пропорционально возникающему усилию трения. В сумме данная погрешность может достигать нескольких миллиметров. При проектировании и изготовлении подобного стабилизатора приходится решать сложную техническую задачу: стабилизатор должен свободно перемещаться вверх/вниз по штоку суппорта и при этом абсолютно не иметь радиального люфта. В процессе эксплуатации приработка и износ механизма быстро увеличивает погрешность. Контактная тарелка так же подвержена быстрому износу и подлежит регулярной замене. К прочим недостаткам можно отнести:

  • царапанье поверхности листа тарелкой, что часто является недопустимым
  • невозможность точно установить требуемую высоту, чаще всего высоту регулируют с шагом в 0,5 мм, что для соблюдения технологии резки весьма приблизительно 

Частично устранить вышеописанные недостатки помогает установка пружины, компенсирующей массу конструкции подобного стабилизатора. Но принципиально это ничего не меняет. Установка шаровых опор в контактную тарелку малоэффективно: в процессе работы шаровые опоры быстро забиваются шлаком и перестают вращаться.


Электромеханический стабилизатор

Принцип действия схож на механический стабилизатор с одним существенным отличием: контактная тарелка и режущий инструмент являются разными узлами и могут перемещаться относительно друг друга. В данном стабилизаторе контактная тарелка воздействует только на датчик зазора. Сигнал с датчика зазора обрабатывается электроникой и в зависимости от ситуации поднимается или опускается суппорт с закреплённым на нём резаком, чем и обеспечивается постоянство зазора.

Достоинства и недостатки данного вида стабилизатора аналогичны механическому стабилизатору, но имеет по сравнению с ним следующие преимущества: масса опирающегося на металл узла значительно ниже, что снижает упругие деформации при движении, уменьшается износ контактной тарелки. Принципиально отпадает отрицательное воздействие радиального люфта, что упрощает конструкцию. Возникающий износ в узле стабилизатора уже не оказывает влияния на точность выполнения раскроя.


Ёмкостные и индуктивные стабилизаторы

Принцип действия основан на электронном замере зазора между раскраиваемым листом и антенной стабилизатора. Полученный сигнал далее обрабатывается электроникой и в зависимости от ситуации поднимается или опускается суппорт с закреплённым на нём резаком, чем и обеспечивается постоянство зазора. При этом полностью отсутствует механический контакт между суппортом резака и раскраиваемым листом.

Различием между ёмкостным и индуктивным стабилизатором является измеряемый параметр: изменение ёмкости или индуктивности контура антенна-зазор-лист. Какой способ является более приемлемым определить сложно и больше зависит от конкретной реализации конкретного устройства.

Основным достоинством подобных стабилизаторов является отсутствие механического контакта с раскраиваемым листом, что полностью устраняет упругие деформации механики исполнительного механизма в движении. Нагрузка на перемещение исполнительного механизма так же остаётся постоянной, что упрощает ЧПУ удерживать контур. К сожалению если в исполнительном механизме имеются люфты (в редукторах, зубчатых зацеплениях и т.п.) то они автоматически будут перенесены на раскрой и бесконтактный стабилизатор здесь не поможет - устраняйте люфты механики.

Данный вид стабилизаторов также обеспечивает возможность выставления первоначального зазора, обычно тоже равному рабочему зазору. 

Недостатки: основные - краевой эффект и чувствительность к перепаду температуры. Стабилизатор эффективно работает только если лист металла полностью перекрывает антенну. При движении по краю листа, или если в результате раскроя вырезанная деталь выпадет подобные стабилизаторы считают, что зазор непозволительно увеличился и отдают сигнал о необходимости движения резака вниз. Перепад температуры от работающего резака, особенно газового (из-за значительно большего выделения тепла по сравнению с микроплазмой/плазмой), так же заметно изменяет замер зазора прямо в процессе работы.

К прочим недостаткам относятся:

  • зависимость чувствительности от разрезаемого материала (сталь, сплавы, алюминий)
  • невозможно резать диэлектрики
  • уязвимость антенны к повреждениям (наиболее часто антена перегорает при попадании на неё расплавленного металла)
  • чувствительность к загрязнению антенны
  • приблезительность назначения оператором рабочего и первоначального зазора

В различных реализациях подобных стабилизаторов как отечественных, так и импортных предпринимаются различные методы по устранению вышеперечисленных недостатков, но, к сожалению, полностью их пока не устранили.


Стабилизатор по напряжению на дуге

Принцип действия основан, как это ни странно, на законе Ома. Плазменная дуга имеет электрическое сопротивление: чем длиннее дуга, тем выше сопротивление, а источник тока этой дуги выполняется по принципу стабилизатора тока. При изменении зазора между резаком и раскраиваемым металлом меняется соответственно и сопротивление плазменной дуги, для сохранения тока резки источник вынужден изменять подаваемое на плазменную дугу напряжение. Задача электроники стабилизатора  удержать напряжение на плазменной дуге постоянным путём перемещения резака вверх или вниз в зависимости от возникшего рассогласования.

Данный стабилизатор вобрал в себя все достоинства бесконтактных стабилизаторов и не имеет краевого эффекта, не чувствителен к перепадам температуры, марки материала, загрязнениям.

Кроме того это единственный стабилизатор способный напрямую, а не косвенно стабилизировать именно напряжение на дуге. 

Недостатки: работает только на плазменных и микроплазменных машинах и только когда дуга уже возбуждена. Для задания напряжения стабилизации аппаратура стабилизатора должна быть откалибрована. 

Для установки первоначального зазора необходимо применение вспомогательного датчика. В качестве вспомогательного датчика обычно применяется один из стабилизаторов, описанных ранее или другие конструкции (например иногда применяется бесконтактный или механический датчик, выдвигаемый в рабочее состояние воздушным поршнем). 

Микроплазменные/плазменные машины термической резки, производства ООО "НПФ Радиан", комплектуются стабилизаторами рабочего зазора по напряжению на дуге и аппаратурой выставления первоначального зазора с датчиком прямого касания резака к разрезаемому материалу. Основные достоинства применяемых решений:

  • точность стабилизации рабочего зазора не хуже ±0,5 Вольта 
  • автоматическая блокировка стабилизатора на изломах вырезаемого контура (предотвращение ложного опускания резака) 
  • аппаратура выставления первоначального зазора собственной конструкции совершенно не чуствительна к типу разрезаемого материала, наличию на поверхности загрязнений и/или каких-либо покрытий.
  • независимое назначение величины первоначального и рабочего зазоров

 

Александр Дорохов

технический директор ООО "НПФ Радиан"