一種空氣等離子切割氣體流量控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種空氣等離子切割氣體流量控制系統(tǒng)。包括數(shù)控系統(tǒng)、氣閥、氣檢測(cè)開(kāi)關(guān)、傳感器、割槍，還包括電源控制板，所述電源控制板包括控制單元和存儲(chǔ)器，所述控制單元連所述存儲(chǔ)器；所述數(shù)控系統(tǒng)、電源控制板、氣檢測(cè)開(kāi)關(guān)、氣閥依次相連后再連傳感器和割槍；所述控制單元和所述傳感器相連。使切割氣體流量和切割電流、切割速度最佳匹配，保證等離子射流的穩(wěn)定形成，電弧穩(wěn)定，提高引弧成功率，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控切割和精細(xì)等離子切割裝備中。
【專利說(shuō)明】一種空氣等離子切割氣體流量控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種空氣等離子切割機(jī)，尤其是提高大功率空氣等離子切割機(jī)引弧成功率和切割質(zhì)量的氣體流量的控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]空氣等離子切割機(jī)主要應(yīng)用于金屬、非金屬切割，屬于空氣等離子切割設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】?？諝獾入x子弧切割是利用高能量密度壓縮電弧產(chǎn)生的高溫高速熱流進(jìn)行的切割方法，其原理主要是依靠高溫高速的等離子弧及其焰流，把部分金屬熔化及蒸發(fā)，并吹離基體，隨著等離子弧割炬的移動(dòng)而形成割縫。利用壓縮空氣作為等離子弧切割的離子氣，氣體來(lái)源方便，切割成本低，而且切割速度高，切口質(zhì)量好，已經(jīng)發(fā)展成為等離子切割方法中應(yīng)用最為廣泛的一種。尤其，大功率空氣等離子切割機(jī)和數(shù)控配套成數(shù)控切割系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、造船業(yè)、裝飾裝修業(yè)以及各種板材加工業(yè)等。
[0003]然而，大功率空氣等離子切割機(jī)切割時(shí)電流大，達(dá)到200-300A，所以切割時(shí)等離子氣體流量要求大，但是，引弧時(shí)的氣體流量要小，如果引弧時(shí)氣體流量過(guò)大，則會(huì)造成引弧困難或不能引弧。而且，引弧時(shí)的氣體流量和初始定位聞度有關(guān)，初始定位聞度越聞，引弧時(shí)的氣體流量就要求大些，反之，引弧時(shí)的氣體流量就要求小些。
[0004]同時(shí)，切割氣體既要保證等離子射流的形成，又要保證去除切口中的熔化金屬盒氧化物，過(guò)大的氣體流量會(huì)帶走更多的電弧熱量，使得射流的長(zhǎng)度變短，導(dǎo)致切割能力的下降和電弧不穩(wěn)，過(guò)小的氣體流量則使等離子弧失去應(yīng)有的挺直度而使切割深度變淺，同時(shí)也容易產(chǎn)生掛渣；所以，氣體流量一定要與切割電流和速度很好的配合。而現(xiàn)有的等離子切割機(jī)氣體流量的控制完全依靠人工設(shè)置，依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，有時(shí)需要反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)，浪費(fèi)時(shí)間和材料，如果流量設(shè)置不當(dāng)，還會(huì)給加工質(zhì)量帶來(lái)影響，給成品的使用和交付帶來(lái)煩惱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種空氣等離子切割氣體流量控制系統(tǒng)。
[0006]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，包括數(shù)控系統(tǒng)、氣閥、氣檢測(cè)開(kāi)關(guān)、傳感器、割槍，還包括電源控制板，所述電源控制板包括控制單元和存儲(chǔ)器，所述控制單元連所述存儲(chǔ)器；所述數(shù)控系統(tǒng)、電源控制板、氣檢測(cè)開(kāi)關(guān)、氣閥依次相連后再連傳感器和割槍；所述控制單元和所述傳感器相連。
[0007]進(jìn)一步，所述氣閥包括相互并聯(lián)的切割氣體氣閥和引弧氣體氣閥。
[0008]進(jìn)一步，所述割槍連自動(dòng)調(diào)高裝置，所述自動(dòng)調(diào)高裝置分別連數(shù)控系統(tǒng)和電源控制板。
[0009]進(jìn)一步，所述傳感器是氣體流量傳感器。
[0010]空氣等離子切割機(jī)氣體流量控制方法包括以下步驟:
[0011]步驟一，建立氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)，所述氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)包括切割氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)和引弧氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)，所述切割氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)包括多組氣體流量Φ、切割速度S、切割電流I的數(shù)據(jù)，所述引弧氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)包括多組引弧氣體流量Oy、割槍的初始定位高度L數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)存于存儲(chǔ)器中，所述存儲(chǔ)器和控制單元相互連接后由數(shù)控系統(tǒng)控制；
[0012]步驟二，在切割開(kāi)始前，在數(shù)控系統(tǒng)中輸入板厚H、電流1、切割速度S參數(shù)，并將所述參數(shù)發(fā)給控制單元，控制單元根據(jù)電流和切割速度，查找氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)匹配氣體流量Φ1 ；
[0013]步驟三，在切割過(guò)程中，檢測(cè)實(shí)際的氣體流量信號(hào)Φ2，控制單元經(jīng)過(guò)比較后，得出實(shí)際氣體流量Φ2以及匹配氣體流量Φ I和實(shí)際氣體流量Φ2的流量偏差Λ Φ ；
[0014]步驟四，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)用流量偏差Λ Φ控制氣閥，使流量偏差Λ Φ趨于零，即控制實(shí)際氣體流量Φ2盡量接近或等于匹配氣體流量Φ I。
[0015]將實(shí)際氣體流量Φ2的模擬信號(hào)送入控制單元進(jìn)行A/D采樣之后，進(jìn)行濾波和運(yùn)算。[0016]流量偏差Λ Φ經(jīng)過(guò)遇限削弱積分PI控制算法運(yùn)算，運(yùn)算后的流量偏差Λ Φ作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣體流量偏差調(diào)節(jié)量，經(jīng)過(guò)D/A后控制氣閥。采用遇限削弱積分的退飽和PI控制算法是為防止PI調(diào)節(jié)器積分溢出和輸出飽和，當(dāng)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)入飽和區(qū)后，不再進(jìn)行積分項(xiàng)的累加，而執(zhí)行削弱積分運(yùn)算，可快速退出飽和.有效防止PI環(huán)震蕩引起輸出氣壓不穩(wěn) 定。
[0017]本實(shí)用新型的有益效果是，提出了一種以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的切割氣流閉環(huán)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，使切割氣體流量總是和切割電流和切割速度最佳匹配，既保證等離子射流的穩(wěn)定形成，電弧穩(wěn)定；同時(shí)，等離子弧又有的應(yīng)有的挺直度從而保證切割深度，而且不容易產(chǎn)生掛渣。提高了引弧成功率，因此，切割效果優(yōu)異，尤其在切割復(fù)雜圖形或者母材厚度有變化時(shí)，切割電流和速度需要變化的場(chǎng)合下，該系統(tǒng)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割氣體流量的匹配，能達(dá)到最佳切割效果。實(shí)際切割工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了該算方法的有效性，切割效果明顯優(yōu)于現(xiàn)有人工設(shè)置方法，穩(wěn)定性更高，實(shí)用性強(qiáng)，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控切割系統(tǒng)中和精細(xì)等離子切割裝備中。
[0018]本實(shí)用新型是響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、精度高、實(shí)用性強(qiáng)的空氣等離子切割機(jī)氣體流量智能控制系統(tǒng)。對(duì)切割電流、切割速度和氣體流量三者匹配關(guān)系以及初始定位高度和起弧氣體流量的關(guān)系進(jìn)行研究并采集大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了以切割電流和切割速度為變量的切割氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)和以初始定位高度為變量的引弧氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)，以數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，對(duì)切割氣體流量適時(shí)采樣，采用遇限削弱積分PI控制當(dāng)前氣體流量和數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)定氣體流量一至，而數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)定氣體流量是和切割電流和切割速度最佳匹配的。實(shí)現(xiàn)了切割時(shí)氣體流量的自動(dòng)控制。該方法有效的避免了人工調(diào)節(jié)的局限性和不確定性，提高了等離子起弧的成功率，同時(shí)，因?yàn)闅怏w流量實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制，該方法避免了對(duì)氣體輸入源端空壓機(jī)壓力的依賴，只要達(dá)到規(guī)定的壓力范圍就可工作。該方法算法簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)，切割效果好，一致性高。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例之結(jié)構(gòu)框架示意圖。
[0020]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例之引弧流程示意圖。
[0021]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例之氣體流量控制框架示意圖。[0022]【具體實(shí)施方式】:
[0023]如圖1至圖3，利用切割電流與切割速度建立氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)，并存儲(chǔ)在等離子切割機(jī)中的微控制單元MCU的閃爍存儲(chǔ)器FLASH里面，在切割開(kāi)始前，操作人員在數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)置好切割的板厚H、切割電流1、切割速度S等參數(shù)，并將這些參數(shù)下發(fā)給等離子切割機(jī)中的微控制單元MCU，等離子切割機(jī)中的MCU根據(jù)切割電流和切割速度，查找數(shù)據(jù)庫(kù)并獲得與切割電流和切割速度匹配的氣體流量Φ 1，在切割過(guò)程中，氣體流量傳感器適時(shí)檢測(cè)氣體流量，并經(jīng)過(guò)濾波電路信號(hào)處理后送入等離子切割機(jī)中的MCU中進(jìn)行A/D采樣，進(jìn)行軟件濾波和運(yùn)算后得出實(shí)際氣體流量Φ2，比較Φ1和Φ2，得到偏差信號(hào)，偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)遇限削弱積分PI控制算法運(yùn)算，運(yùn)算后的偏差信號(hào)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣體流量偏差調(diào)節(jié)量，經(jīng)過(guò)D/A后去控制流量可控型氣閥。采用遇限削弱積分的退飽和PI控制算法是為防止PI調(diào)節(jié)器積分溢出和輸出飽和，當(dāng)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)入飽和區(qū)后，不再進(jìn)行積分項(xiàng)的累加，而執(zhí)行削弱積分運(yùn)算，可快速退出飽和.有效防止PI環(huán)震蕩引起輸出氣壓不穩(wěn)定。同時(shí)，將氣體分成引導(dǎo)保護(hù)氣體和等離子氣體兩個(gè)接頭輸出，其中引導(dǎo)保護(hù)氣體作為引弧氣體，其流量較小，等離子氣體為切割氣體，流量較大。
[0024]利用初始定位高度，即割槍和母材鋼板的距離，建立引弧氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)，切割開(kāi)始時(shí)，等離子切割機(jī)中的MCU根據(jù)弧壓調(diào)高裝置發(fā)送過(guò)來(lái)的初始定位高度，查找數(shù)據(jù)庫(kù)并獲得與初始定位高度氣體流量匹配的引弧氣體流量，并以此引弧氣體流量打開(kāi)引弧氣體氣閥，開(kāi)始穿孔過(guò)程，如果等離子切割機(jī)中的MCU檢測(cè)到電流信號(hào)，馬上打開(kāi)切割氣體氣閥，同時(shí)關(guān)閉引弧氣體氣閥。
[0025]自動(dòng)調(diào)高裝置在設(shè)定高度后，自身采集電壓數(shù)據(jù)，即割槍和母材鋼板之間的電弧電壓數(shù)據(jù)，由于電弧電壓和割槍高度之間是線性關(guān)系，通過(guò)電弧電壓來(lái)自動(dòng)調(diào)整割槍高度，使運(yùn)行過(guò)程中割槍的高度保持不變。
[0026]同時(shí)，將氣體分成引導(dǎo)保護(hù)氣體和等離子氣體兩個(gè)接頭輸出，其中引導(dǎo)保護(hù)氣體作為引弧氣體，其流量較小，等離子氣體為切割氣體，流量較大。并以實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用初始定位高度建立引弧氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)，切割開(kāi)始時(shí)，等離子切割機(jī)中的MCU根據(jù)弧壓調(diào)高裝置發(fā)送過(guò)來(lái)的初始定位高度，查找氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)并獲得與初始定位高度氣體流量匹配的引弧氣體流量，并以此引弧氣體流量打開(kāi)引弧氣體氣閥，開(kāi)始穿孔過(guò)程，如果等離子切割機(jī)中的控制單元MCU檢測(cè)到電流信號(hào)，馬上打開(kāi)切割氣體氣閥，同時(shí)關(guān)閉引弧氣體氣閥。
[0027]本實(shí)用新型是一種提高大功率空氣等離子切割機(jī)引弧成功率和切割質(zhì)量的氣體流量控制系統(tǒng)，它包括割槍、等離子切割電源控制板、引弧氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)、切割氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)、切割氣體流量可控氣閥、引弧氣體流量可控氣閥、流量檢測(cè)傳感器和氣壓檢測(cè)開(kāi)關(guān)，其中，引弧氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)和切割氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)在等離子切割電源控制板的MCU的FLASH里面，切割氣體流量可控氣閥和引弧氣體流量可控氣閥固定在等離子切割電源里面，氣檢測(cè)開(kāi)關(guān)安裝在等離子切割電源的底板上，進(jìn)氣管連接到氣檢測(cè)開(kāi)關(guān)的一頭，氣檢測(cè)開(kāi)關(guān)的另一頭通過(guò)三通分別和切割氣體流量可控氣閥和引弧氣體流量可控氣閥的一頭相連，切割氣體流量可控氣閥的另一頭接等離子切割電源的等離子氣接頭，引弧氣體流量可控氣閥的另一頭接等離子切割電源的保護(hù)氣接頭。氣體流量檢測(cè)傳感器安裝在割槍上。
[0028]本實(shí)用新型采集大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立引弧氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)和切割氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)并存儲(chǔ)在等離子切割電源控制板的MCU的FLASH里面，在切割引弧過(guò)程中，等離子切割電源控制板的MCU根據(jù)初始定位高度查詢引弧氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得引弧氣體流量Φ7，以的流量打開(kāi)引弧氣體流量可控氣閥，送高頻引弧信號(hào)，同時(shí)不斷檢測(cè)切割電流，如果檢測(cè)到電流大于閾值，則MCU認(rèn)定引弧成功，馬上轉(zhuǎn)到切割過(guò)程。如果超過(guò)2S沒(méi)有檢測(cè)到切割電流，則本次引弧失敗，關(guān)閉弧氣體流量可控氣閥。等待3S，重新開(kāi)始引弧過(guò)程，引弧次數(shù)設(shè)置為3次，如果三次引弧都不成功，則考慮到割槍使用時(shí)間和母材氧化等原因，適量增加引弧氣體流量ΔΦy，以Φy+Λ CDy的流量打開(kāi)引弧氣體流量可控氣閥，同時(shí)增加引弧電流，再重新開(kāi)始引弧過(guò)程。這個(gè)過(guò)程的重復(fù)次數(shù)也是3次，如果仍然引弧不成功，MCU發(fā)出聲光報(bào)警，通知操作人員檢查設(shè)備。
[0029]引弧成功后，等離子切割電源控制板的MCU根據(jù)切割電流和切割速度查詢切割氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得切割氣體流量φ 1，經(jīng)過(guò)遇限削弱積分PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算和D/A轉(zhuǎn)換后，打開(kāi)切割氣體流量可控氣閥，同時(shí)，關(guān)閉引弧氣體氣閥，并通過(guò)氣體流量傳感器不斷采集當(dāng)前氣體流量，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波，參與PI調(diào)節(jié)，使切割氣體流量實(shí)時(shí)和切割速度和切割電流匹配。同時(shí)，本系統(tǒng)允許有經(jīng)驗(yàn)的操作人員在操作面板上對(duì)切割氣體流量進(jìn)行微調(diào)，在切割氣體流量數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上適量增加或減少切割氣體流量偏差△ Φ，使切割氣體流量更適合當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)條件。
[0030]為了解決操作人員的疏忽在沒(méi)有送氣的狀況下開(kāi)始切割導(dǎo)致燒壞割槍的情況，氣體流量控制系統(tǒng)專門設(shè)置氣檢測(cè)開(kāi)關(guān)，氣檢測(cè)開(kāi)關(guān)在氣壓沒(méi)有達(dá)到規(guī)定壓力時(shí)是常開(kāi)的，等離子切割電源的MCU通過(guò)檢測(cè)氣檢測(cè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，在氣壓沒(méi)有達(dá)到規(guī)定壓力時(shí)，不允許開(kāi)始引弧和切割過(guò)程，同時(shí)操作面板顯示缺氣的錯(cuò)誤代碼。
[0031]由于等離子切割電源引弧階段的高頻對(duì)氣體流量數(shù)據(jù)采樣干擾較大，切割電弧對(duì)采樣也有影響，而且等離子切割電源工作環(huán)境惡劣，周圍經(jīng)常有其他切割和焊接設(shè)備產(chǎn)生高頻干擾而導(dǎo)致氣體流量采樣不準(zhǔn)，不準(zhǔn)確的當(dāng)前氣體流量經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算后，引起切割氣流不穩(wěn)定，使切割質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致斷弧，浪費(fèi)材料。
[0032]針對(duì)此問(wèn)題，提出了一種中值濾波結(jié)合最小二乘法曲線擬合的算法，中值濾波結(jié)合最小二乘法曲線擬合的算法的要點(diǎn)是:
[0033]①根據(jù)最小二乘法方程建立擬合方程。在無(wú)其他干擾設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)安裝切割設(shè)備，同時(shí)將整個(gè)切割電源用屏蔽罩屏蔽，然后，采集8組不同預(yù)置氣體流量Xi下的當(dāng)前氣體流量Oi，根據(jù)最小二乘的方程，
【權(quán)利要求】
1.一種空氣等離子切割氣體流量控制系統(tǒng)，包括數(shù)控系統(tǒng)、氣閥、氣檢測(cè)開(kāi)關(guān)、傳感器、割槍，其特征是，還包括電源控制板，所述電源控制板包括控制單元和存儲(chǔ)器，所述控制單元連所述存儲(chǔ)器；所述數(shù)控系統(tǒng)、電源控制板、氣檢測(cè)開(kāi)關(guān)、氣閥依次相連后再連傳感器和割槍；所述控制單元和所述傳感器相連。
2.如權(quán)利要求1所述的一種空氣等離子切割氣體流量控制系統(tǒng)，其特征是，所述氣閥包括相互并聯(lián)的切割氣體氣閥和引弧氣體氣閥。
3.如權(quán)利要求1所述的一種空氣等離子切割氣體流量控制系統(tǒng)，其特征是，所述割槍連自動(dòng)調(diào)高裝置，所述自動(dòng)調(diào)高裝置分別連數(shù)控系統(tǒng)和電源控制板。
4.如權(quán)利要求1所述的一種空氣等離子切割氣體流量控制系統(tǒng)，其特征是，所述傳感器是氣體流量傳感器 。
【文檔編號(hào)】B23K10/00GK203804400SQ201420218970
【公開(kāi)日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年5月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月1日
【發(fā)明者】陳軍根, 謝越群 申請(qǐng)人:湖南超宇科技有限公司