CN101670561B - 高压水射流切割机喷嘴在线监控系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种高压水射流切割机喷嘴在线监控系统，包括：控制部分、数据采集部分和测压适配器，其中：所述测压适配器：为与所述切割机的磨料输送管相接的管道，所述测压适配器设置有分别具有若干隔段测试小孔的空气流动段和磨料流动段，所述磨料通过所述磨料流动段进入磨料输送管；所述数据采集部分：包括设在所述磨料输送管入口端，对进入所述磨料输送管的空气流量进行测量的空气流量计；设在所述隔段测试小孔的相应位置的传感器。本发明实施例还公开了实现喷嘴在线监控的相应方法。本发明公开的喷嘴在线监控系统实现在喷嘴发生异常情况时迅速反应，避免对目标材料的损坏。

Description

高压水射流切割机喷嘴在线监控系统和方法

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，更具体地说，涉及一种高压水射流切割机喷嘴在线监控系统和方法。

背景技术

高压磨料水射流技术是近二三十年来发展起来的一项新技术。

如图1所示，此技术的具体实施过程为：通过高压泵将普通自来水加压并迫使高压水101经一个直径很小的高压水射流喷嘴102喷射而出，形成一股高速水射流103，其速度可高达1000米/秒。当这股高速水射流103经过混合腔104时，混合腔中的空气便被高速水射流103带出，因而混合腔中便形成部分真空。磨料罐107和混合腔104之间由磨料输送管105连接。由于磨料输送管105一端与具有一定真空度的混合腔104连接，另一端与大气连接。在压差作用下，磨料输送管105自然形成一气流通道，如果此时磨料106进入此气流通道，磨料106便与气流一起进入混合腔104，并经高速水射流103加速后形成高速磨料射流108，从磨料喷嘴110喷出后对工件109进行切割。所述高速磨料射流108可用来加工任何材料，包括金刚石等质地坚硬的材料。

在高压水射流切割过程中，喷嘴起着重要作用。上述技术中涉及两级喷嘴，包括：高压水射流喷嘴102及高速磨料射流喷嘴110。所述高压水射流喷嘴的作用为将水的压力能转化为动能，实现对进入混合腔的磨料加速的目的；磨料喷嘴的作用为：在水和磨料充分混合后，为水对磨料的有效加速提供场所，同时实现对磨料射流的能量聚焦。

在切割过程中，如果所述两级喷嘴出现问题，磨料射流的切割能力将大大降低，对目标材料的切割质量显著下降，由于所述高压磨料水射流切割机仍然以原有速度给进，喷嘴的损坏将导致目标材料无法被切穿而造成材料损坏，给用户带来巨大经济损失。

为了长时间连续有效切割材料，操作者需要在切割前仔细检查喷嘴的工作状态，在需长时间连续切割时，不得不采用新喷嘴。然而，即使这样，喷嘴在切割过程中发生损坏的情况也时有发生。上述情况发生时，由于人的反应速度所限，操作者注意到损坏时目标材料已经损坏。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种高压水射流切割机喷嘴在线监控系统，实现在喷嘴发生异常情况时迅速反应，避免对目标材料的损坏。

本发明是这样实现的：

一种高压水射流切割机喷嘴在线监控系统，包括：控制部分、数据采集部分和测压适配器，其中：

所述测压适配器：为与所述切割机的磨料输送管相接的管道，所述测压适配器设置有分别具有若干隔段测试小孔的空气流动段和磨料流动段，所述磨料通过所述磨料流动段进入磨料输送管；

所述数据采集部分：包括设在所述测压适配器入口端，对进入所述测压适配器的空气流量进行测量的空气流量计；

以及，设在所述隔段测试小孔的相应位置的传感器，用于采集相应位置的压力值；

所述控制部分：用于对所述数据采集部分采集的数据进行分析、比较，并根据分析、比较结果进行相应控制操作。

优选地，所述隔段测试小孔数量为多个，包括设置于所述测压适配器的空气流动段的第一测试孔和第二测试孔，及设置于所述测压适配器的磨料流动段的第三测试孔和第四测试孔。

优选地，所述高压水射流切割机设有磨料开关，所述测压适配器为一中空管道，与所述磨料输送管相接；

所述空气流动段沿空气流入所述磨料流动段的方向，依次设有第一测试孔和第二测试孔；

所述磨料流动段沿磨料进入到设置在所述高压水射流切割机上的混合腔内的方向，依次设有第三测试孔和第四测试孔；

所述第二测试孔与所述第三测试孔之间设有一中空的柱状突起，连接所述磨料开关，作为所述磨料进入到磨料输送管的输送通道。

优选地，所述磨料输送管为软管。

优选地，所述传感器为压力传感器。

一种高压水射流切割机喷嘴在线监控系统的监控方法，所述系统具有与所述切割机的磨料输送管相接的测压适配器，所述测压适配器设置有分别具有若干隔段测试小孔的空气流动段和磨料流动段，所述磨料通过所述磨料流动段进入磨料输送管，包括：

所述设置在所述切割机上的空气流量计对进入所述磨料输送管的空气流量进行监控，得到相应监控结果；

通过设置在所述隔段测试小孔的传感器对所述测压适配器空气流动段和磨料流动段的隔段测试小孔压力的相应数值进行采集；

分析和比较传感器采集的数据，判断磨料输送管中的磨料流动状态；

根据所述空气流量计的监控结果，判断所述切割机的喷嘴的工作状态；

结合所述磨料流动状态和所述喷嘴工作状态进行相应控制操作。

优选地，所述隔段测试小孔包括：所述空气流动段沿空气流入所述磨料流动段的方向，依次设置的第一测试孔和第二测试孔；以及所述磨料流动段沿磨料进入到设置在所述高压水射流切割机上的混合腔内的方向，依次的第三测试孔和第四测试孔；第二测试孔与第三测试孔之间设有一中空的柱状突起，作为所述磨料进入到磨料输送管的输送通道，该中空的柱状突起连接所述切割机的磨料开关；

所述传感器采集各段压力数值具体实现为：

同时测量所述第一测试孔的压力和第二测试孔的压力，记两个压力的差值为第一压力差；

同时测量所述第三测试孔的压力和第四测试孔的压力，记两个压力的差值为第二压力差；

所述分析和比较传感器采集的数据具体为：

比较、分析第一压力差与第二压力差，根据分析结果，判断所述磨料在所述磨料流动段中的工作状态。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例公开了一种喷嘴在线监控系统同时监控磨料输送管中的磨料流动状态和空气流量来实现对喷嘴的在线监控，通过空气流量计对进入磨料输送管中的空气量进行测量，根据空气量的变化实现在喷嘴发生异常情况时迅速反应，避免对目标材料的损坏；磨料流

动状态的监控排除了磨料在耗尽或堵塞对喷嘴在线监控的干扰，有效保证了所述空气流量监控的可靠性；同时，所述检测系统反应速度快，工作稳定，受切割过程因素影响小，设备简单，测量有效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中一种高压水射流切割机切割头结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种高压水射流切割机喷嘴在线监控系统结构示意图；

图3为本发明实施例公开的一种高压水射流切割机喷嘴在线监控磨料输送管测试段测压适配器的结构示意图；

图4为本发明实施例公开的一种高压水射流切割机喷嘴在线监控系统的监控方法流程图；

图5为本发明实施例公开的一种高压水射流切割机喷嘴在线监控系统的传感器数据采集和分析比较的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种喷嘴在线监控系统同时监控磨料输送管中的磨料流动状态和空气流量来实现对喷嘴的在线监控，实现在喷嘴发生异常情况时迅速反应，避免对目标材料的损坏。

在高压磨料射流切割过程中，由于压差的存在，磨料输送管形成一气流通道。单位时间内通过此气流通道的气流量取决于很多因素，如水喷嘴的大小、工作状况；磨料输送管的长度、直径、表面粗糙度；磨料流量、粒度、种类；高压水压力大小等。通常情况下，磨料输送管的各参数为一定数，水射流喷嘴的大小及水射流喷嘴和磨料射流喷嘴的组合情况也基本确定，磨料的粒度、种类也不会发生改变。同时，在稳定工况下，磨料流量虽然随时间而变化，但变化较小。因此，正常工作条件下，气流量的大小主要取决于喷嘴工况的变化。如果任一级喷嘴在切割过程中受到损坏，则喷嘴的聚焦能力大大降低，主要表现为射流散开角度加大。由于射流散开角度变大，混合腔中单位时间内射流带走的空气量更多。因此，在其它参数不变的情况下，单位时间内通过磨料输送管的气流量大大增加。

除此之外，磨料输送管中的磨料变化也会在一定程度上影响所述气流量。

图2示出了一种高压水射流切割机喷嘴在线监控系统，包括控制部分、数据采集部分和测压适配器，其中：

所述控制部分包括：计算机201，安装有软件系统，用于对所述数据采集部分采集的数据进行分析、比较；

控制器202：用于根据分析、比较结果进行相应控制操作。

所述数据采集部分：包括设在所述测压适配器211入口端，对进入所述测压适配器211的空气流量进行测量的空气流量计210；

以及，设在所述隔段测试小孔的相应位置的传感器204-207，用于采集相应位置的压力值；

所述测压适配器211：为与所述切割机的磨料输送管208相接的管道，设置有分别具有若干测试孔2041-2071的空气流动段和磨料流动段，所述磨料通过所述磨料流动段进入磨料输送管208，磨料输送管208另一端与混合腔209相连；

图3示出了一种高压水射流切割机在线监控磨料输送管测试段测压适配器的结构示意图，包括

所述测压适配器为一中空管道，与所述磨料输送208相连；

所述测压适配器分为空气流动段307和磨料流动段308：

所述空气流动段307沿空气流入所述磨料流动段的方向，依次设有第一测试孔302和第二测试孔303；

所述磨料流动段308沿磨料进入到所述高压水射流切割机的混合腔209内的方向，依次设有第三测试孔305和第四测试孔306。

所述第二测试孔303和所述第三测试孔305之间设有一中空的柱状突起304，连接所述磨料开关，作为所述磨料进入到磨料输送管208的通道；

所述设置于测压适配器上的的测试孔的孔径与磨料输送管208的内径相同，实施例中选用3.175mm的方案。

所述第三测试孔305与所述设置于测压适配器上的柱状突起304的顶端距离至少为20mm。

所述空气流动段的端口301，距离第一测试孔302的距离至少为20mm；

所述第一测试孔302与第二测试孔303之间的距离至少为20mm；

所述第三测试孔305与第四测试孔306之间的距离至少为20mm。

由以上实施例可以看出，所述高压水射流切割机喷嘴在线监控系统同时监控磨料输送管中的磨料流动状态和空气流量来实现对喷嘴的在线监控，通过空气流量计对进入磨料输送管中的空气量进行测量，根据空气量的变化实现在喷嘴发生异常情况时迅速反应，避免对目标材料的损坏；磨料流动状态的监控排除了磨料在耗尽或堵塞对喷嘴在线监控的干扰，有效保证了所述空气流量监控的可靠性，

图4示出了一种高压水射流切割机喷嘴在线监控系统的监控方法的流程：包括：

步骤401：打开设置在所述切割机上的高压水射流开关，高压水经水喷嘴形成高速水射流；

步骤402：打开设置于所述切割机上的磨料开关，使磨料进入到设置于测压适配器的所述空气流动段307和所述磨料流动段308之间的磨料输送通道304；

步骤403：所述空气流量计210对进入所述磨料输送管208的空气流量进行监控，得到相应监控结果；

步骤404：通过设置在所述隔段测试小孔2041-2071的传感器204-207对所述测压适配器空气流动段和磨料流动段的隔段测试小孔压力的相应数值进行采集；

步骤405：分析和比较传感器采集的数据，判断磨料输送管208中的磨料流动状态，得到判断结果：如果磨料流动正常进入步骤406，否则，进入步骤407；

步骤406：根据所述空气流量计210的监控结果，判断所述切割机的喷嘴的工作状态，如果喷嘴工作正常返回步骤406，否则，进入步骤407。

步骤407：根据监控结果，采取相应控制措施。

所述检测系统反应速度快，工作稳定，受切割过程因素影响小，设备简单，测量有效。

图5示出了一种高压水射流切割机在线监控系统的数据采集和分析比较的方法，包括

步骤501：同时测量所述第一测试孔302的压力和第二测试孔303的压力，记两个压力的差值为第一压力差；

步骤502：同时测量所述第三测试孔305的压力和第四测试孔306的压力，记两个压力的差值为第一压力差，需要说明的是，步骤501和步骤502同时进行。

步骤503：比较、分析第一压力差与第二压力差，根据分析结果，判断所述磨料在所述磨料流动段308中的工作状态。

通过同时比较空气流动段307的第一压力差和磨料流动段308的第二压力差，可确定所述测压适配器中的磨料流动情况是否正常：如果所述测压适配器中只有空气流动，即磨料输送管208中磨料耗尽，由于所述空气流动段307与所述磨料流动段308距离较近，同时两段又具有相同参数(如长度，孔径或内孔表面特征等)，故压力损失相差很小；如果切割过程中因磨料输送管208发生堵塞，则所述两段的压差同时为零；如果压力损失相差较大，则磨料流动情况正常。在磨料正常流动条件下，如果空气流量计所测流量较高，则可判定喷嘴受到损坏。

在实际应用中，由于许多复杂因素的影响，磨料输送管中的气压有时会发生大幅度波动。由于此系统同时分别对空气流动段和磨料流动段进行测量并作比较，当磨料输送管中的气压出现波动时，两段同时出现波动，对它们进行结果比较时，出现的波动影响相互抵消，从而有效排除了切割过程中各种因素造成的压力波动对测量结果带来的影响，因此测量结果非常稳定。

结合上述磨料流动状态，如果空气流量计所测流量增加，而压力传感器所测压力显示磨料流动正常，则可以判定喷嘴已经损坏。

由于所述空气流量计置于所述磨料输送管空气流动段的上游，所述磨料入口处于所述空气流动段下方，因而磨料的流动不会损坏所述气体流量计。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种高压水射流切割机喷嘴在线监控系统，其特征在于，包括：控制部分、数据采集部分和测压适配器，其中：

所述测压适配器：为与所述切割机的磨料输送管相接的管道，所述测压适配器设置有分别具有若干隔段测试小孔的空气流动段和磨料流动段，所述磨料通过所述磨料流动段进入磨料输送管；

所述数据采集部分：包括设在所述测压适配器入口端，对进入所述测压适配器的空气流量进行测量的空气流量计；

以及，设在所述隔段测试小孔的相应位置的传感器，用于采集相应位置的压力值；

所述控制部分：用于对所述数据采集部分采集的数据进行分析、比较，并根据分析、比较结果进行相应控制操作。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述隔段测试小孔数量为多个，包括设置于所述测压适配器的空气流动段的第一测试孔和第二测试孔，及设置于所述测压适配器的磨料流动段的第三测试孔和第四测试孔。

3.根据权利要求2所述的系统，所述高压水射流切割机设有磨料开关，其特征在于，

所述测压适配器为一中空管道，与所述磨料输送管相接；

所述空气流动段沿空气流入所述磨料流动段的方向，依次设有第一测试孔和第二测试孔；

所述磨料流动段沿磨料进入到设置在所述高压水射流切割机上的混合腔内的方向，依次设有第三测试孔和第四测试孔；

所述第二测试孔与所述第三测试孔之间设有一中空的柱状突起，连接所述磨料开关，作为所述磨料进入到磨料输送管的输送通道。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磨料输送管为软管。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器为压力传感器。

6.一种高压水射流切割机喷嘴在线监控系统的监控方法，其特征在于，所述系统具有与所述切割机的磨料输送管相接的测压适配器，所述测压适配器设置有分别具有若干隔段测试小孔的空气流动段和磨料流动段，所述磨料通过所述磨料流动段进入磨料输送管，包括：

通过设置在所述切割机上的空气流量计对进入所述磨料输送管的空气流量进行监控，得到相应监控结果；

通过设置在所述隔段测试小孔的传感器对所述测压适配器空气流动段和磨料流动段的隔段测试小孔压力的相应数值进行采集；

分析和比较传感器采集的数据，判断磨料输送管中的磨料流动状态；

根据所述空气流量计的监控结果，判断所述切割机的喷嘴的工作状态；

结合所述磨料流动状态和所述喷嘴工作状态进行相应控制操作。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述隔段测试小孔包括：所述空气流动段沿空气流入所述磨料流动段的方向，依次设置的第一测试孔和第二测试孔；以及所述磨料流动段沿磨料进入到设置在所述高压水射流切割机上的混合腔内的方向，依次的第三测试孔和第四测试孔；第二测试孔与第三测试孔之间设有一中空的柱状突起，作为所述磨料进入到磨料输送管的输送通道，该中空的柱状突起连接所述切割机的磨料开关；

所述传感器采集各段压力数值具体实现为：

同时测量所述第一测试孔的压力和第二测试孔的压力，记两个压力的差值为第一压力差；

同时测量所述第三测试孔的压力和第四测试孔的压力，记两个压力的差值为第二压力差；

所述分析和比较传感器采集的数据具体为：

比较、分析第一压力差与第二压力差，根据分析结果，判断所述磨料在所述磨料流动段中的工作状态。

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