Plasma Application Note - Benezan Electronics

Benezan Electronics 

Hard- und Softwareentwicklung 

BEAMICON Anwendungshinweis 

Plasmaschneiden mit Höhenregler 

BEAMICON 

Anwendungshinweise 


Kurzbeschreibung 

Plasmaschneidanlagen stellen gegenüber spanabhebenden Bearbeitungsmaschinen einige besondere 

Anforderungen an die CNC-Steuerung. Beim Einstechen muss eine besondere Sequenz zum Zünden des 

Plasmabrenners beachtet werden. Während des Schneidvorgangs sollte der Abstand des Brenners zum 

Werkstück überwacht und nachgeregelt werden, um optimale Schnittergebnisse zu erhalten. Die BEAMICION- 

Steuerung kann mit einem Erweiterungsmodul (BEAMITHC, THC = torch height control) für diese Regelung 

nachgerüstet werden. 

Dieses Dokument beschreibt, wie die Parameter für solche Maschinen eingestellt werden müssen, und was bei 

der Programmierung an Besonderheiten beachtet werden muß. Es dient als Ergänzung zum BEAMICON 

Installations- und Benutzerhandbuch. 

Nicolas Benezan, Stauffenbergstraße 26, 72108 Rottenburg 

Tel: 07457/946455 Fax: 07457/946456 

Email: info@benezan.de Web: www.benezan.de 

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AppNote-Plasmaschneiden.doc 

01. August 2006





1 Grundlagen 

Bei Plasmaschneidmaschinen wird ein elektrischer Lichtbogen kombiniert mit einer Gasdüse verwendet, um das 

Material zu schmelzen und abzutragen. Ähnlich einem Schweisstrafo regelt die Stromquelle den Strom des 

Lichtbogens auf einen einstellbaren, konstanten Wert. Dazu wird die Spannung an der Elektrode variiert. Je 

grösser der Abstand zum Werkstück desto höher muss die Spannung sein, damit der gewünschte Strom erreicht 

wird. 

Um ein gleichmässiges und qualitativ hochwertiges Schnittergebnis zu erzielen, sollte der Abstand der 

Brennerdüse zum Werkstück während dem Schneidvorgang konstant gehalten werden, auch wenn das 

Werkstück oder der Maschinentisch Durchbiegungen aufweist. Dies wird erreicht, indem der Höhenregler (THC 

= torch height control) die Lichtbogenspannung überwacht. Steigt sie an, kann daraus geschlossen werden, dass 

der Abstand zu gross wird, und die Z-Achse wird nach unten bewegt, bis der eingestellte Sollwert wieder 

erreicht wird. Umgekehrt wird bei zu kleiner Spannung die Z-Achse nach oben gefahren. 

1.1 Systemvoraussetzungen 

Die Stromquelle muss ein Signal liefern, das proportional zur Elektrodenspannung („tip voltage“) ist. Eventuell 

muss die Spannung mit einem Widerstandsteiler so heruntergeteilt werden, dass sie im Bereich 0..10V liegt. 

Kleinere Werte sind auch in Ordnung. Bei einem Teilverhältnis von 1:50 entspricht z.B. 200V 

Elektrodenspannung 4V am Eingang des Reglers. 

Darüber hinaus sollte die Stromquelle über ein 24V-Signal („torch switch“) an- und ausgeschaltet werden 

können und ein Bereit-Signal liefern („arc good“), das aktiv wird, nachdem der Lichtbogen ordnungsgemäss 

gezündet hat. Manche Stromquellen benötigen noch zusätzliche Signale, etwa zum Auswählen verschiedener 

Gasarten. Das BEAMITHC-Modul besitzt 8 gigitale 24V-Ein/Ausgäge, was für die meisten Anwendungen 

ausreicht. Bei Bedarf kann die Anzahl der Ein-und Ausgänge mit zusätzlichen Module fast beliebig erweitert 

werden. 

Obwohl nicht unbedingt erforderlich, wird empfohlen, den Brenner auf einem zusätzlichen, beweglichen 

Schliten auf der Z-Achse zu montieren. Dies ermöglicht über einen zusätzlichen Schalter, die Materialhöhe zu 

Beginn des Schneidvorgangs automatisch auszumessen. Ausserdem schützt es den Brenner vor Beschädigung, 

falls er durch übermässige Durchbiegung des Werkstücks oder Bedienungsfehler auf das Material aufläuft. 

1.2 Einschränkungen 

Der Höhenregler ist derzeit nur für 2D-Anwendungen ausgelegt, d.h. der Brenner steht senkrecht und wird in 

XY-Richtung bewegt, während die Z-Achse automatisch geregelt wird. 5-achsige Anwendungen, wobei der 

Brenner zusätzlich geschwenkt wird und einem 3-dimensionalen Werkstück folgt, sind nur mit einem externen 

Regler möglich, weil dabei je nach Brennerstellung die Achse des Höhenreglers nicht mehr parallel zur Z-Achse 

stehen würde. In diesem Fall wäre eine sechste Achse für die Abstandsregelung nötig. 


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2 Installation 

Es wird vorausgesetzt, daß das BEAMICON Installationshandbuch bereits bekannt ist und die 

Positionierantriebe der Achsen X, Y und Z bereits in Betrieb genommen wurden. Die Installation des Brenners 

und der Stromquelle muss entsprechend der Anleitung des Anlagenherstellers durchgeführt werden. 

2.1 Elektrischer Anschluss des Höhenreglers 

Stecker- und Klemmenbelegung 

Klemmenreihe 1 → 

← Leuchtdioden (LEDs) 

Klemmenreihe 2 → 

Feldbus Eingang → 

← Feldbus 

Ausgang 

↑ Feldbus Status-LEDs 

Klemme Nr. (von links nach Anschluß Funktion 

rechts) 

Reihe 1 1..4 (nicht belegt) 

5 Hilfsversorgung Masse 0V 

6 Hilfsversorgung +5V Ausgang (max. 

100mA) 

7 Analogeingang 0..+10V für 

Elektrodenspannung 

8 Analogeingang Masse 0V 

9 Digitalein-/ausgang Nr 1 








Reihe 2 1 Versorgung +9..36V Eingang 

2 Versorgung Masse 0V 


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2.2 Parametereinstellungen 

Parameter Einheit / Beschreibung 

Typ 

thcGain mm/Vs Verstärkungsfaktor des Höhenreglers 

thcDivider - Teilfaktor für Spannungsteiler 

arcGoodInput - Eingang Nr. für „Lichtbogen ok“-Signal 

Spannungsteiler 

Mit „thcDivider“ wird der Teilfaktor der Spannungsmessung eingestellt. Ein Faktor von 50 bedeutet z.B., dass 

100V Elektrodenspannung einer Eingangsspannung von 2V am Reglereingang entsprechen. 

Regelverstärkung 

Der Parameter „thcGain“ legt die Verstärkung des Reglers fest. Der Regler ist als reiner P-Regler 

(Geschwindigkeit proportional zur Regelabweichung) ausgeführt. Eine Verstärkung von 5 bedeutet z.B., dass die 

Z-Achse mit einer Geschwindigkeit von 5mm/s je Volt Abweichung am Reglereingang bewegt wird. Um die 

Gesamtverstärkung zu berechnen, muss zusätzlich der Teilfaktor berücksichtigt werden. Bei thcGain=5 und 

thcDivider=50 ist die Stellgeschwindigkeit z.B. 0,1mm/s je Volt Abweichung der Elektrodenspannung 

(entspricht 0,02V Spannungsdifferenz am Eingang). 

Geschwindigkeit und Beschleunigung werden selbstverständlich auf zulässige Werte für die Z-Achse 

begrenzt (Parameter maxVelocity und maxAcceler), auch wenn der Regler übersteuert wird. Der P-Regler mit 

Geschwindigkeit als Stellgrösse ergibt eine exponentiell abfallende Rampe und somit sanftes Anfahren der 

Zielposition. Zusammen mit dem integrierenden Verhalten der Motorposition ergibt sich ein I-Regelverhalten 

bezogen auf die Z-Achsenposition. 

Lichtbogenüberwachung 

Mit dem Parameter „arcGoodInput“ wird angegeben, welches der Eingang für das „Lichtbogen ok“-Signal ist. 

Die Maschine sollte im Falle des Verlöschens des Lichtbogens anhalten. Es ist jedoch nicht ratsam, das Ok- 

Signal mit dem Notaus-Schaltkreis zu koppeln, denn Eilgänge werden ja mit abgeschaltetem Lichtbogen 

gefahren, und dürfen bei fehlendem „arcGood“ nicht gestoppt werden. „ArcGood“ wird deshalb nur bei G1, G2 

und G3 Befehlen und aktivem Höhenregler (zwischen M46 und M47-Befehlen) berücksichtigt. Bei G0, 

inaktiven Höhenregler oder manueller Fahrt bleibt der Eigang unberücksichtigt. 

Ohne Überwachung des arcGood-Signals würde der Höhenregler im Falle eines verloschenen Lichtbogens die 

volle Leerlaufspannung messen und versuchen, den Brenner immer tiefer zu stellen, um die zu hohe Spannung 

auszugleichen. 


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3 Programmierung 

3.1 Materialhöhenmessung 

Die meisten Plasmaschneidmaschinen haben zusätzlich zur 

eigentlichen Z-Achse einen kleinen Schlitten, auf dem der 

Brenner vertikal beweglich angebracht ist. Dieser Schlitten 

wird normalerweise durch eine Feder oder das Eigengewicht 

in der untersten Stellung gehalten. Vor dem ersten Zünden des 

Brenners fährt die Z-Achse zuerst solange nach unten, bis die 

Brennerdüse auf dem Material aufsitzt. Wird die Z-Achse 

noch weiter nach unten bewegt, bleibt der Schlitten mit dem 

Brenner stehen, die Feder wird gespannt und schliesslich der 

Schalter betätigt. Wenn der Totweg des Schalters (Weg vom 

aufsetzen der Düse bis zum Schliessen des Schalters) bekannt 

ist, kann die genaue Höhe der Materialoberfläche und damit 

die gewünschte Nullpunktlage der Z-Achse ermittelt werden. 

Zur Höhenmessung kann das untenstehende Macro 

verwendet werden. Es wird davon ausgegangen, dass der 

Brenner bereits über der Einstechstelle positioniert wurd. 

G0 Z-120 (schnell bis knapp über Material) 

G1 Z-150 F500 UNTIL M100=1 (langsam) 

G1 Z=Z+10 F100 UNTIL M100=0 

G92 Z-5 (Totweg, Feder eingetaucht) 

G0 Z+10 (Abstand zum Einstechen) 

Koordinaten (Z), Geschwindigkeit (F) und Nummer des 

Schalters (M100) müssen an die Maschine angepasst werden. 

Totweg und Abstand können natürlich auch über Parameter 

(z.B. P0 und P1) an das Macro übergeben und damit variabel 

gemacht werden. 

Y-Achse 

Z-Achse 

Schalter 

Material 

Feder 

Schlitten 

Brenner 

3.2 Zünd- und Einstechsequenz 

Bei einer reinen Plasmaschneidanlage wird der Brenner üblicherweise mit M3 ein- und mit M5 ausgeschaltet. Ist 

zusätzlich eine Werkzeugspindel vorhanden, etwa zum Vorbohren der Einstichlöcher, kann auch M8 und M9 

verwendet werden. Wegen der Brandgefahr (bei Öl) oder Kurzschlüssen (bei Wasser) kann beim 

Plasmaschneiden normalerweise nicht mit Kühlmittel gearbeitet werden. 

Die Befehle M3/M5 oder M8/M9 können redefiniert, d.h. durch Macros ersetzt werden. Dadurch muss die 

Zündsequenz nicht im CNC-Programm wiederholt werden, sondern es genügt eine einzelne Zeile: 

M3 P1=10 P2=1.5 P3=5 V120 

könnte z.B. bedeuten, der Brenner soll auf einer Höhe von 10mm (pierce height) gezündet werden, 1.5s gewartet 

werden (pierce delay), auf eine Schnitthöhe (cut height) von 5mm gefahren und dann bei einer Spannung von 

120V mit dem Höhenregler gehalten werden. Das entsprechende Macro (M3.txt) könnte so aussehen: 

% 

G0 Z=P1 

M101=1 (Brenner an) 

G4 H1 UNTIL M102=1 (warte bis ArcGood) 

G4 H=P2 (pierce delay) 

G1 Z=P3 F1000 (auf Schnitthöhe, F=plunge rate) 

M46 (Höhenregler ein, V=Sollspannung) 

M99 

Alternativ zum senkrechten Fahren auf Schnitthöhe kann auch eine schräge Rampe gefahren werden. Dazu kann 

einfach die Zeile mit G1 Z=P3 weggelassen werden. Der Höhenregler fährt die Z-Achse dann beim 

nachfolgenden Fahren mit X und Y selbstständig auf die mit V eingestellte Höhe. 


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3.3 Abschaltsequenz 

Zum Schonen der Düse regeln die meisten Stromquellen den Strom zuerst etwas zurück, bevor der Brenner ganz 

ausgeschaltet wird. Eventuell wird die Düse auch mit Druckluft noch nachgekühlt. Es ist deshalb ratsam, nicht 

sofort nach dem Abschalten weiterzufahren, sondern eine kleine Verzögerung einzubauen. Das Abschaltmacro 

(M5.txt) könnte etwa so aussehen: 

% 

M47 (Höhenregler aus) 

M101=0 (Brenner aus) 

G4 H=P4 (end delay) 

M99 

Natürlich können in den Macros für das Einstechen und Abschalten auch noch beliebige andere Ausgänge 

geschaltet werden, um etwa die Stromstärke und Gasart auszuwählen, oder die Zündung und Gasventile 

programmgesteuert zu betätigen, wenn dies die Stromquelle nicht selbstständig ausführt. 

3.4 Fehlerbehandlung 

Im Gegensatz zur spanabhebenden Bearbeitung, wo die Spindel während des ganzen Bearbeitungsvorgangs 

weiterlaufen kann, muss beim Plasmaschneiden der Brenner sofort abgeschaltet werden, wenn X- und Y-Achse 

angehalten werden. Bei stillstehender X/Y-Achsen würde bei angeschaltetem Brenner ein immer größeres 

Brandloch entstehen und der Lichtbogen schliesslich abreissen. 

Auch der umgekehrte Fall, das Weiterfahren bei verloschenem Lichtbogen und eingeschaltetem Höhenregler 

muss vermieden werden. Sonst versucht der Höhenregler, den Brenner immer tiefer zu fahren, weil er am 

Eingang für die Elektrodenspannung die maximale Leerlaufspannung sieht. Zu hohe Spannung bedeutet 

normalerweise einen zu hohen Elektrodenabstand. 

Deshalb wird zum einen das Lichtbogen-Ok (arc good) Signal überwacht solange der Höhenregler 

eingeschaltet ist, und mit G1, G2 oder G3 gefahren wird. Bei G0-Fahrten oder ausgeschaltetem Höhenregler 

wird das arc-good-Signal ignoriert. Bei jedem außerplanmäßigen Halt (Start/Stop-Taste oder inaktives arc-good) 

wird automatisch das M5-Macro ausgeführt, vor dem Weiterfahren das M3-Macro. 


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