CN102986305B

CN102986305B - 等离子体电弧喷枪中的故障事件检测

Info

Publication number: CN102986305B
Application number: CN201180034873.9A
Authority: CN
Inventors: Q·李; Z·段; Z·于
Original assignee: Hypertherm Inc
Current assignee: Hypertherm Inc
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2031-07-15
Also published as: US10039178B2; WO2012009634A1; EP2594119B1; US20120234803A1; CN102986305A; ES2572942T3; EP2594119A1

Abstract

提供了一种确定等离子体喷枪的消耗件的故障事件的方法。该方法包括在等离子体电弧喷枪的转移弧模式过程中，监测操作电流或操作电压中的至少一个。该方法还包括确定何时与操作电流或操作电压关联的至少一个参数超过容限阈值达表示故障事件的时间段。该方法还包括当至少一个参数超过容限阈值达该时间段时，切断等离子体电弧喷枪的操作电流或操作电压的至少一个。

Description

等离子体电弧喷枪中的故障事件检测

相关申请

本申请要求2010年7月16日提交的美国临时申请No.61/365,095的优先权的权益，其整体内容通过引用纳入于此。

技术领域

本发明大体涉及等离子体电弧喷枪，且更具体地，涉及标识等离子体电弧喷枪中的消耗件的故障事件。

发明背景

等离子体电弧喷枪被广泛地用于对材料的加热、切割、刨削、和标记。等离子体喷枪一般包括电极、安装在喷枪本体内的具有中间出口孔的喷嘴、电连接、用于冷却的通道、和电弧控制液体（如，等离子气体）的通道。任选地，采用涡流环来控制形成于电极和喷嘴之间的等离子体腔室中的流体流动模式。在一些喷枪中，可使用抵盖来将喷嘴和/或涡流环维持在该等离子体电弧喷枪中。在操作中，该喷枪产生等离子体电弧，电弧是具有高温和高动量的离子化气体的受限的喷射。

等离子体电弧喷枪的消耗件易于故障。消耗件的寿命可随机地波动，这取决于数量众多的可控和不可控的因素。检测消耗件寿命结束或消耗件故障的能力可提供各种益处，包括通过增加自动化机会来减少操作人员关注的需要、通过减少消耗件检验来减少切割机闲置时间、通过减少过早更换消耗件来增加消耗件的有效寿命、通过减少中断的（mid-cut）消耗件故障的可能性来增加产率、以及减少由消耗件故障引起的对于其他组件的损坏。

示例性消耗件故障发生在由于电极上的铪的腐蚀引起的、等离子体电弧喷枪的电极尖端（包括喷枪的发射器）被熔化且吹走的情况下。因此，电极本体不可再将尖端维持到位。在这个事件过程中，对于喷枪和消耗件的热负载急剧地增加，因为电弧现在直接与电极本体、喷嘴接触，且可能与护罩接触。因此，如果电弧没有被及时切断，此热量可损坏其他喷枪组件，诸如涡流环、护罩、抵盖，且最终损坏等离子体电弧喷枪自身。除了电极中发射器的缺失，其他消耗件故障包括有消耗件材料的大量损失或除了发射器之外的电极部分无法发射等离子体电弧。

消耗件故障还可发生在喷枪操作过程中将不正确的消耗件安装在等离子体电弧喷枪的情况下。示例性等离子体电弧喷枪可在多个不同电流电平处操作，例如，65安培、85安培、或105安培。当等离子体电弧喷枪在105安培操作时，喷枪要求比在65安培操作过程中更高的流速。由于对在不同电流电平处操作等离子体电弧喷枪所要求的变化的冷却流和/或护罩流速，对于在每一个电流电平处的操作，需要不同的消耗件。进一步，当喷枪的其他操作参数（例如，安培数、材料类型、或应用）被调整时，可能需要不同的消耗件。

发明内容

存在研发用于及时诊断消耗件故障事件并采取合适动作来防止对于其他喷枪组件的损坏的系统和方法的需要。这样的诊断性和预防性方法是有利的，因为它们减少了等离子体电弧喷枪的整体操作成本。这些方法对于将正确的消耗件与期望的喷枪操作匹配也是有价值的。故障事件（或情况）可指消耗件的故障、近乎故障、极为可能的故障、或可能的故障。

在一个方面，提供了确定等离子体喷枪的消耗件的故障事件的方法。该方法包括在等离子体电弧喷枪的转移弧模式过程中，监测操作电流或操作电压中的至少一个。该方法还包括确定何时与操作电流或操作电压关联的至少一个参数超过容限阈值达表示可能故障事件的时间段。该方法还包括当至少一个参数超过容限阈值达该时间段时，切断等离子体电弧喷枪的操作电流或操作电压的至少一个。

在另一个方面，提供了操作等离子体电弧喷枪的方法。该方法包括在等离子体电弧喷枪的转移弧模式过程中确定操作信号以及计算与该操作信号关联的噪声电平。该方法还包括确定何时该噪声电平超过预定阈值达一时间段并且当该噪声电平超过该预定阈值达该时间段时提供故障信号。

在另一个方面，提供了等离子体喷枪系统。该等离子体喷枪系统包括在等离子体电弧喷枪的转移弧模式过程中确定操作信号的装置以及用于计算与该操作信号关联的噪声电平的装置。该等离子体喷枪系统还包括用于确定何时该噪声电平超过预定阈值达一时间段的装置。该等离子体喷枪系统还包括当该噪声电平超过预定阈值达该时间段时用于提供故障信号的装置。在一些实施例中，该等离子体喷枪系统还包括耦合至用于确定何时该噪声电平超过预定阈值达该时间段的装置的电源，从而当该噪声电平超过该预定阈值达该时间段时，该电源被关闭。

在又一个方面，提供了一组件，其包括被有形地实现在信息载体中、在用于等离子体喷枪系统的计算机数控系统（CNC）上可运行的计算机可读产品。该计算机可读产品包括用于使用等离子体电弧喷枪在工件上执行操作的信息。该信息包括诸如如果与操作信号关联的噪声电平超过预定阈值时在执行操作的同时关闭等离子体电弧喷枪的操作电流之类的指令。

在又一个方面，提供了用于检测等离子体电弧系统的消耗件的故障事件的方法。该等离子体电弧系统具有控制器和等离子体电弧喷枪。该方法包括，由该控制器为故障事件而监测该等离子体电弧喷枪的操作电流或操作电压中的至少一个。可能故障事件的监测包括以下的至少一个：监测与操作电流关联的第一参数，包括(a)电流幅值、(b)电流变化率、或(c)电流幅值波动；或监测与操作电压关联的第二参数，包括(a)电弧电压幅值、(b)电弧电压变化率、或(c)电弧电压幅值波动。该方法还包括一旦检测到可能故障事件，就从控制器提供故障信号至该等离子体电弧系统。

在又一个方面，提供了用于检测等离子体切割喷枪中的消耗件的故障事件的系统。该系统包括连接至等离子体系统的等离子体喷枪，且生成等离子体电弧。该等离子体喷枪包括消耗件组件。该系统还包括用于控制并监测等离子体喷枪的操作电流或电弧电压中的至少一个的可编程设备。该可编程设备适于检测与消耗件组件关联的故障事件并改变操作信号。

在其他示例中，以上方面中的任何方面均可包括以下特征中的一个或多个特征。该时间段可约为1.5毫秒。可基于等离子体喷枪的输出电流确定容限阈值。在一些实施例中，如果输出电流小于约45A，该容限阈值是约1.0A的电流阈值。在一些实施例中，如果输出电流在约45A到约75A之间，该容限阈值是约1.25A的电流阈值。在一些实施例中，如果输出电流大于约75A，该容限阈值是约1.5A的电流阈值。在一些实施例中，该容限阈值是约3V的电压阈值。

操作信号可以是操作电压或操作电流。与操作电流关联的参数可以是电流幅值、电流变化率、或电流幅值波动。与操作电压关联的参数可以是电弧电压幅值、电弧电压变化率、或电弧电压幅值波动。

该故障事件可包括电极中发射器的缺失、消耗件材料的大量损失、除了发射器之外的电极部件无法发射电弧、以及其组合。此外，故障事件可包括安装对于等离子体喷枪的操作类型而言是错误的消耗件。操作类型可以是切割操作、加热操作、刨削操作、或标记操作。

在一些实施例中，为了检测故障事件，与操作电流关联的第一参数和与操作电压关联的第二参数都需要超过它们各自阈值达预定时间段。

故障信号可包括切断等离子体电弧喷枪的操作电流、可听音、视觉信号、电子信号、改变等离子体电弧喷枪的至少一个操作参数、或其组合。

附图说明

通过参考以下结合附图的描述可更好地理解以上描述的本发明的优点连同其他优点。附图不一定是按比例绘制的，相反一般重点在于解说本发明的原理。

图1示出用于诊断和防止等离子体电弧喷枪中的消耗件故障的示例性过程。

图2示出用于诊断和防止等离子体电弧喷枪中的消耗件故障的示例性计算机数值控制器（CNC）。

图3A和3B分别示出等离子体电弧喷枪的示例性电极电流和电极电弧电压波形。

图4A和4B分别示出在图3A和3B中的电极电流和电弧电压的噪声电平。

图5示出用于诊断和防止等离子体电弧喷枪中的消耗件故障的定时器信号和标志信号。

图6A-E示出使用和不使用本发明的故障检测系统的示例性消耗件。

图7示出用于测量在等离子体电弧喷枪的喷嘴和电极之间的电压的示例性电路。

图8示出由本发明的示例性压力损失检测系统生成的波形。

图9示出在电极的点蚀深度与喷嘴电极间电压（VNE）之间的示例性关系。

图10示出VNE和等离子体入口压力之间的示例性关系。

图11示出在示例性等离子体电弧喷枪操作过程中生成的信号。

图12示出示例性图形用户界面。

图13示出另一个示例性图形用户界面。

具体实施方式

图1示出用于诊断和防止消耗件故障事件（或情况）的示例性过程。该过程开始（步骤102）于确定等离子体电弧喷枪是否在弧转移模式中操作（步骤104）。例如，当喷枪被用于切割、刨削、标记、或加热材料时，该喷枪处于弧转移模式中。如果该等离子体电弧喷枪未处于弧转移模式中，该过程结束，且不更新错误标志或提醒操作人员喷枪的可能消耗件故障的另一个指示（步骤114）。在一些实施例中，在过程开始前，错误标志被设置为默认值来表示没有检测到潜在的消耗件故障。‘

如果等离子体电弧喷枪在弧转移模式中操作，该过程继续以监测喷枪的一个或多个操作信号（步骤106）。所感测的示例性操作信号包括等离子体电弧喷枪的操作电流和/或操作电压。在一些实施例中，在诸如每0.2毫秒的周期性基础上感测该一个或多个操作信号。该操作信号可表示喷枪的一个或多个操作情况，包括上述的故障事件。

确定与每一个所感测的操作信号关联的一个或多个参数（步骤108）。如果该操作信号是操作电流，与该操作信号关联的参数可以是电流幅值、电流变化率、或电流幅值波动。如果该操作信号是操作电压，与该操作信号关联的参数可以是电弧电压幅值、电弧电压变化率、或电弧电压幅值波动。在一些实施例中，操作电压是喷嘴到电极电压（VNE）。在一些实施例中，操作电压是喷嘴到工件电压（VWE）。在一些实施例中，参数是噪声电平，即，使用数字滤波器和数字信号处理器（DSP）所计算的操作信号的噪声幅值。

在确定了与每一个操作信号关联的一个或多个参数后，该过程继续到确定每一个参数是否超过了预定阈值达预定时间段（步骤110）。如果此为真，错误标志被合适地设置为提醒操作人员有可能的消耗件故障（步骤114）。在一些实施例中，如果操作信号的一个参数超过其相应阈值达必需的时间段，则足够设置错误标志。在一些实施例中，需要同一操作信号的多个参数超过其各自阈值达必需时间段来触发故障错误。在一些实施例中，需要不同操作信号的一个或多个参数超过其各自阈值达必需时间段来触发故障错误。例如，可需要操作电流的噪声幅值和操作电压的噪声幅值都超过其各自阈值达预定时间段来触发故障错误。

一般而言，错误检测时间段足够长来确保并非是由信号中的随机噪声触发了假阳性，但是足够短来防止在消耗件故障事件过程中对于其他喷枪组件的损坏。已经确定，在故障事件过程中，在损坏其他喷枪组件之前，等离子体电弧需要运行至少数秒钟。因此，故障检测时间段可被设置为小于1秒。例如，故障检测时间段可为约1.5毫秒或约1毫秒。

在一些实施例中，经验地确定故障检测阈值来确保捕捉消耗件故障的成功率约为95%或更大且不存在对于消耗件故障的错误警告。在一些实施例中，阈值依赖于等离子体电弧喷枪的输出电流。例如，如果输出电流小于约45安培，操作电流阈值被设置为约1.0安培。这意味着，在其中喷枪的输出电流小于约45安培的情况下，如果喷枪的操作电流的噪声幅值一直大于1.0安培达预定时间段，则设置错误标志。在另一个示例中，如果输出电流在约45安培到约75安培之间，操作电流阈值被设置为约1.25安培。在又一个示例中，如果输出电流大于约75安培，操作电流阈值被设置为约1.5安培。

在一些实施例中，该阈值是约3V的电压阈值。因此，如果喷枪的输出电压的噪声幅值一直超过3伏特达预定时间段，则设置错误标志。

在一些实施例中，电流或电压阈值依赖于喷枪的一个或多个操作参数。例如，电流或电压阈值可依赖于与被用于处理电流或电压信号的一个或多个滤波器关联的参数。特定地，可使用高通滤波器来过滤信号的直流（DC）和低频分量，同时保留信号的高频分量，即，噪声。此外，可使用低通滤波器来基于高通滤波器的输出来确定噪声幅值（即，噪声电平）并平滑该噪声信号。在这样的情况下，可依赖于高通滤波器和/或低通滤波器的一个或多个参数，诸如过滤器带宽，来获得电流或电压阈值。

错误标志的设置可自动地引起一个或多个阻止性或预防性动作的执行。例如，一旦设置错误标志，可生成信号来警告操作人员有故障事件。这个信号可以是可听音、视频信号、和/或电子信号。故障检测系统还可自动地切断提供至等离子体电弧喷枪的操作电流或改变其他操作参数来避免故障事件。

图2示出用于诊断和防止等离子体电弧喷枪中的可能消耗件故障的示例性CNC200。可使用一个或多个数字信号处理器来实现该系统200。该系统200包括操作模式检测器202、操作信号监测器204、比较器208、错误标志206、和输出信号生成器216。基于来自等离子体电弧喷枪的一个或多个输入210，该操作模式检测器202被配置为确定该等离子体电弧喷枪是否在转移弧模式中操作。操作模式检测器202可生成输出信号来指示这样的确定的结果。在一些实施例中，如果没有设置错误标志206（其指示没有检测到可能故障事件），操作模式检测器202适于周期性地询查来自等离子体电弧喷枪210的特定信号来确定该喷枪是否仍处于转移弧模式中或是否已经进入了转移弧模式。

操作信号监测器204接收来自操作模式检测器202的输出作为输入，且如果该输出指示该喷枪正处于转移弧模式中，则监测等离子体喷枪210的一个或多个操作信号。操作信号可以是等离子体电弧喷枪的操作电流和/或操作电压。在一些实施例中，操作信号监测器204确定与每一个操作信号关联的一个或多个参数。例如，如果该信号是操作电流，操作信号监测器204可计算该信号的电流幅值、电流变化率、或电流幅值波动。作为另一个示例，如果该信号是操作电压，操作信号监测器204可计算该信号的电弧电压幅值、电弧电压变化率、或电弧电压幅值波动。在一些实施例中，操作信号监测器204适于周期性地感测该一个或多个操作信号并计算与所感测到的信号关联的参数。

比较器208将操作信号监测器204提供的操作信号的参数与预定阈值212比较。如果该参数持续超过阈值212达预定时间段214，则该比较器208可将该错误标识208设置为发出可能错误的信号。在一些实施例中，仅在多个参数超过其各自阈值212达必需时间段214的情况下，比较器208才设置错误标志208。

响应于比较器208设置了错误标识206，输出信号生成器216被配置为生成输出信号警告可能的消耗件故障。在一些实施例中，该输出信号改变了喷枪的特定操作参数来最小化潜在损坏，诸如切断提供至喷枪的操作电流。

图3A和3B分别示出可由操作信号监测器204监测的等离子体电弧喷枪的电极电流和电极电弧电压的波形。每一个波形代表了在正常操作状态和消耗件故障状态中的信号的行为。如图3A中所示，相比在正常喷枪操作302过程中生成的电流，当在等离子体电弧喷枪中发生消耗件故障事件304时，观察到电极电流的显著尖峰。类似地，图3B示出相比在正常喷枪操作306过程中生成的电弧电压，在消耗件故障事件308过程中，观察到电弧电压的显著尖峰。在消耗件故障过程中信号的尖峰允许检测系统200在损坏到达其他喷枪组件前检测到事件并采取合适措施。

图4A和4B分别示出从图3A和3B中的信号中确定的电极电流和电弧电压的噪声电平。通过操作故障检测系统100的操作信号监测器204可处理这样的确定。噪声电平代表了信号的噪声幅值，这可使用数字滤波器和数字信号处理器从原始信号中计算出来。如图4A中所示，通过与电极电流404的噪声级别相比较，使用电流阈值402来标识潜在消耗件故障。如上所述，电流阈值402可依赖于喷枪的输出电流设置而变化。例如，如果输出电流设置小于约45安培，电流阈值为约1.0安培。如果输出电流设置为约45安培和75安培之间，电流阈值为约1.25安培。如果输出电流设置为大于约75安培，电流阈值为约1.5安培。一般而言，输出电流设置越高，电流阈值越高。对于被用于生成图4A的波形404的等离子体喷枪，输出电流设置大于约75安培。因此，电流阈值402可约为1.5安培。在一些实施例中，电流阈值取决于被用于处理该信号的滤波器的一个或多个参数而变化。

类似地，通过与电弧电压408的噪声电平的比较，图4B中的电压阈值406被用于标识潜在消耗件故障。在一些实施例中，对于所有的输出电流设置，电压阈值406可为约3V。在一些实施例中，电压阈值取决于被用于处理该信号的滤波器的各参数而变化。

在特定实施例中，检测系统200基于操作电流的噪声电平来检测可能的消耗件故障。在图4A所示的示例中，在弧模式操作的300毫秒后的时间405，电极电流404超过阈值402。如果在此后获取的电极电流的样本持续超过阈值402达特定时间段，诸如约1.5毫秒，检测系统200适于设置错误标识206并触发提供至等离子体电弧喷枪的电流的关断或采取另一个阻止性措施来保护喷枪。

在特定实施例中，检测系统200基于操作电压408的噪声电平来检测可能的消耗件故障。在图4B所示的示例中，电弧电压408超过阈值406两次，在时间410和时间412，在操作的250毫秒和300毫秒之间。对于第一次时间410，如果此后电弧电压的噪声电平持续超过阈值406达预定时间段，检测系统适于设置错误标志206来触发特定阻止性动作。另一方面，如果电弧电压408的噪声电平没有超过阈值406达整个时间段，不设置错误标志206且用于跟踪噪声电平408超过阈值406的时间量的定时器被重置为零。一旦在第二次时间412电压噪声电平408超过阈值402，该定时器再次启动。

在特定实施例中，故障检测系统基于操作电压408和操作电流404的噪声电平来检测可能的消耗件故障。使用图4A和4B所示的示例，用于追踪何时信号超过其各自阈值的定时器在时间405启动，此时操作电流404的噪声电平超过阈值402。这也是电压噪声电平408超过其阈值406的时间。此后，如果参数404和408持续地超过其各自阈值达预定时间段，设置错误标志206。另一方面，如果哪一个参数落在其相应阈值下，不设置错误标志206。图5示出基于图4A和4B中所示的电流噪声电平404和电压噪声电平408，用于检测并防止等离子体喷枪中的可能的灾难性的消耗件故障。如图所示，直到时间504才触发定时器信号502，时间504是电流电平406和电压电平408均超过其各自阈值的时间。1.5毫秒后设置错误信号506来表示信号电平均超过其各自阈值达1.5毫秒的预定时间段。

图6A-E示出使用和不使用根据本发明的故障检测系统的示例性消耗件。一般而言，位于图6A-E左侧的消耗件部件对应于没有使用检测系统的喷枪操作，且每一个消耗件部件经历了约10秒的故障事件。反之，位于图6A-E右侧的消耗件部件对应于使用检测系统的喷枪操作，该检测系统适于一旦检测到故障事件就切断提供至喷枪的电流。特定地，图6A示出作为分别使用具有和不使用故障检测系统的喷枪操作结果的抵盖620、622。图6B示出作为分别使用和不使用故障检测系统的喷枪操作结果的护罩624、626。图6C示出作为分别使用和不使用故障检测系统的喷枪操作结果的喷嘴628、630。图6D示出作为分别使用和不使用故障检测系统的喷枪操作结果的电极634、632。图6E示出作为分别使用和不使用故障检测系统的喷枪操作结果的涡流环636、638。因此，该故障检测系统是有利的，至少因为它防止了消耗件故障事件中对于其他喷枪组件的损坏。例如，故障检测系统可感测何时错误的消耗件被用于喷枪或操作工艺并采取合适的动作来保护其他喷枪部件。

故障检测系统的另一个优势在于，其可易于结合在等离子体电弧喷枪中而不需要对于喷枪设计的复杂的修改。此外，使用故障检测系统不要求对于当前操作工艺的改变。这是由于检测系统已经使用了现有信号，诸如操作电流信号和操作电压信号，来执行故障检测。进一步，使用故障检测系统准确地检测消耗件故障的能力增加了工艺自动化的机会并减少对于操作人员关注的需要。

如果在切割过程中喷枪丢失压力，等离子体电弧喷枪也易于受到损坏。在依赖于空气压力来在喷枪内定位或移动组件的喷枪设计（如，“后坐力（blow-back）”或“前坐力（blow-forward）”喷枪）中，该损坏是可能的。在这些设计中，切割电弧可在没有合适的气压和/或气流以限制并引导电弧的情况下仍被转移至工件。切割电弧还可在没有合适压力的情况下仍被转移至工件从而相对彼此定位组件。这可导致喷枪内的电弧放电，导致对于喷枪和/或消耗件的极大损坏。此外，这可引起切割质量的极大劣化。根据本发明的另一个方面，提供了压力损失检测技术，在不使用常规压力或流量传感器的情况下，该技术可确定等离子体电弧喷枪中的压力、或压力损失。

在等离子体切割喷枪中，在喷枪内气体压力与被要求维持等离子体电弧的能量之间存在较强的关系。随着压力增加，被要求维持电弧的能量也增加。使用恒流源的情况下，能量增加自身表明电弧电压的增加。本发明的压力损失检测技术利用压力和电压之间的关系，通过使用两个信号来确定在喷枪内是否发生压力损失。

第一信号，被称为VARC，是等离子体电弧喷枪的电极和工件或喷嘴之间的压力的估算。在低通数字滤波器（移除了信号的高频分量的同时维持了信号的DC和低频分量）的帮助下，基于逆变器（即，电源）的开路电压（“OCV”）和占空比来计算该第一信号。

第二信号，被称为VNE，是喷嘴和电极之间的电压。图7示出示例性电路600，其可测量VNE信号并提供被馈入数字信号处理器（DSP）用于数字处理的被隔离的输出信号。该电路600包括耦合至低通滤波器604的分压器602、可包括AvagoHCPL-7840的隔离放大器606、和差分放大器608。此外，钳位二极管610可耦合在喷嘴612和电极614之间。在所有操作情况下（如，长导线、线圈喷枪导线），这个二极管610钳制任何鸣振（ringing）瞬变并产生较低的噪声信号。位于隔离放大器606的喷嘴-电极侧（输入侧）的低通滤波器604通过在输入侧过滤高频等离子体噪声来工作。

为了确定在等离子体电弧喷枪中是否发生压力损失，压力损失检测系统可执行如下一系列操作。首先，该系统确定喷枪喷嘴是物理地接触工件（接触模式）还是被从工件物理地移除（电弧延展模式）。为做到此举，比较VARC和VNE的电压值。如果VARC<(VNE+约40V)或VNE>约100V，则假设喷嘴接触工件且等离子体系统正在接触模式中操作。否则，假设等离子体系统在电弧延展模式中操作。

取决于操作模式，确定VARC或VNE的初始操作电平。如果等离子体系统处于接触模式中，则记录VARC的初始操作电平。如果等离子体系统处于电弧延展模式中，则记录VNE的初始操作电平。可通过等待达第一预定时间段然后计算在第二时间段上VARC或VNE的平均操作电平，来完成此举。在第二时间段过程中计算的这些初始电平被认为是正常操作电平并被用于计算相应阈值。在一些实施例中，通过用0.625乘以相应的初始操作电平来设置VARC或VNE的阈值电平。可通过实验来建立该因数0.625。如果该因数被设置得更高，检测系统对于压力损失更敏感，但是也更易于受到伪跳闸（falsetripping）的影响。

持续监测VARC或VNE的电流值，约每64ms计算一平均值。使用这样的平均化来过滤电压中的任何形状尖峰或下降。如果所检测的VARC或VNE的值落在其相应阈值之下，喷枪的逆变器被关闭且检测系统600执行错误处理过程。关闭程序可涉及熄灭等离子体电弧来防止低压事件损坏喷枪。此外，可在等离子体系统的前面板上指示错误代码。

在一些实施例中，通过将喷嘴接触工件和从工件移除来使得带有未被屏蔽的喷嘴的喷枪操作在喷嘴接触模式和电弧延展模式之间交替。取决于操作情况（喷嘴接触或电弧延展），例如，通过使用合适的信号，VARC或VNE，检测系统600可考虑到此。

在一些实施例中，压力损失检测技术使用模拟和/或数字低通滤波器来平滑VNE和VARC信号，从而防止由于ADC采样通道中的噪声和尖峰引起的伪跳闸。

图8示出由示例性压力损失检测方法生成的波形。第一轨迹710示出由于例如，喷枪导线被卷曲引起的等离子体电弧喷枪中的压力的减少。响应于喷枪压力710的减少，VNE信号720也减少。最终，当VNE信号落在VNE阈值740之下时，电源电流730被切断。

压力损失检测技术相比常规流量或压力传感器具有数个优势。第一个优势是成本。这可实现是因为仅需要配电板上的电路的成本且不要求任何附加组件。电路成本约为$6。反之，低成本的常规流量开关约为$18-$25，还不包括附加连接件的成本。此外，其他设计，诸如在喷枪中使用压力传感器，在物理地要求的位置（如，喷枪头）中要求有稳健的传感器以及到该传感器的连线。在物理地要求的位置处的压力传感器的可靠性和成本是重要的，因为由于苛刻环境，传感器可发生故障。另一个优势在于，该压力损失检测技术对于不同消耗件或工艺参数可动态地调整。例如，流量开关一般可被设置为特定的流量突变点，该流量突变点可取决于进入的气体压力。然而，可在任何消耗件或工艺中使用该检测技术，且甚至可基于电压信号的极性来预测安装在喷枪中的消耗件。

在另一个方面，提供了方法来基于喷嘴和电极之间的电压（VNE）和等离子体压力来预测喷枪中消耗件的寿命终结。该预测技术可指示在消耗件需要被更换之前还有多少寿命，例如大约的时间量，或者在消耗件被更换前还可做出多少次切割。已经注意到，喷枪的电极磨损与喷枪的点蚀深度成比起，且VNE相关该点蚀深度。例如，在理想情况下，VNE随着点蚀深度的增加成比例增加。因此，可使用该VNE来确定电极磨损。然而，VNE还受到等离子体通风腔中的压力的影响。进一步，高电磁噪声、系统容限、和操作变化可显著减少VNE-点蚀深度关系的准确性和一致性。提供了一种算法，使用VNE和通风室的压力（即，等离子体气体）来准确地实时预测等离子体切割工艺中的电极寿命。特定地，等离子体压力被监测并用于补偿VNE测量。

已经注意到可通过点蚀深度（其源自热磨损引起的对于材料的损失）来估算电极的寿命。图9示出等离子体电弧喷枪的VNE和喷枪中电极的点蚀深度之间的示例性关系。例如，约0.040-0.060英寸的点蚀深度通常代表了电极寿命的终结或近乎终结。这样的点蚀深度可对应于VNE的约6-8V的上升。因此，可监测VNE并使用VNE的上升来预测电极的寿命。

此外，由于VNE受到等离子体通风腔中的压力的极大影响，可用等离子体压力作为补偿因子来补偿该VNE。然而，由于直接测量通风腔压力的困难，可在等离子体气体刚要进入喷枪本体之前在该位置测得喷枪入口压力。例如，可在阀门外组件中测得入口压力。为了计算补偿因子，注意，在较小的可变区域内，VNE和等离子体入口压力具有如图10中所示的线性关系。可使用这个关系来定义VNE的补偿因子。在图10所示的示例中，补偿因子dV/dP是0.46Volts（伏特）/psi。该不仅被认为在较小可变范围内补偿了气体供应压力变化，还补偿了其他变化，诸如电流或间隙距离（standoffdistance），其直接或间接地影响VNE和等离子体压力。

在用于实时预测等离子体电弧喷枪中电极的寿命终结的方法的示例性实现中，当电弧被点燃且成功地转移时首先触发数据采集且所采集的数据被存储。还记录电弧启动的次数。在最初的数次启动中，计算初始VNE和压力并存储为基线。在等离子体达到其稳定状态后测得每一个VNE和压力。此后，为压力变化补偿VNE。经补偿的VNE被与之前的数次结果平均来减少与随机噪声关联的波动。当前被补偿的VNE和初始基线VNE之间的差异（VNE上升）被用于根据经验VNE-寿命关系来估算电极使用情况。当VNE上升达到预设阈值时，生成“寿命终结”警告作为输出。

如上所述，在喷枪的等离子体电弧达到其稳定状态后，可采样VNE和气体压力。图11示出使用200-安培氧气/空气系统获得的4-秒片段的VNE1002、VARC1004、电流1006和喷枪入口压力1008的示例性波形。如图所示，喷枪入口压力1008和VNE1002达到稳定状态的时间可约为2秒。在等离子体达到稳定状态后，该算法可计算在给定时间段（例如，0.5秒）上的VNE和气体压力的平均值。这些平均值被认为是当前电弧启动的初始VNE和初始压力。在一些实施例中，如果在最先N_i个电弧启动时安装一组新的消耗件，该算法计算平均的VNE和压力并将它们存储为初始VNE和压力。

在等离子体达到其稳定状态后，继续采样VNE和压力的当前值。使用预先计算的dV/dP乘以当前测得的压力和初始压力之间的差异，可对于压力变化补偿测得的VNE值：

V_NE,补偿=V_NE,测量+(P_测得–P_初始)x(dV/dP)

可使用滚动（rolling）平均值来平滑该实时数据。对于当前电弧启动（假设是第N_s次启动）获得的经补偿的VNE同之前的N_R次的启动求平均：

V_{NE, Rolling} = \frac{({&Sum;}_{i = N_{S} - N_{R} + 1}^{N_{S}} V_{NE, Compensated, i})}{N_{R}}

通过当前滚动平均的VNE和初始VNE之间的差异来给出VNE的上升：

V_NE,上升e=V_{NE,Rolling（滚动）}–V_NE,初始

当VNE上升达到或超过预定阈值时，可给操作人员警告信号。这个信号表示电极正在接近寿命终点且可能马上出故障。进一步，从之前测试的较大数据库可获得VNE上升和电极寿命之间的经验关系。在一个实施例中，平均化之前的VNE分布曲线（profile）来获得平均分布曲线从而实时使用。可从该关系和VNE上升中导出剩余电极寿命的百分比。

在一个示例中，对于200-安培氧气/空气工艺，上述参数的值为：N_i=10,N_R=5,VNE阈值=6V且dV/dP=0.46V/psi。

在一些实施例中，为了使用本发明的寿命终点预测技术，用户可从用户界面中选择工艺和要求预测的电极的条件（如，新的或被用过的）。用户界面的量表可持续地报告剩余的电极寿命量。在电极寿命的终点，可生成“寿命终点”输出。该预测技术可以较高的准确度报告电极的实时情况。例如，采用标准操作工艺，该算法可以90%的置信度预测电极使用情况的至少75%。

预测技术的一个优势在于在将该技术结合到现有等离子体电弧系统中时不涉及复杂的重新设计。该技术可使用现有的内部信号，诸如等离子体工艺的VNE，来执行电极的寿命终点检测。仅有一个额外传感器可被添加至等离子体系统。此外，对于现有等离子体切割工艺没有变化。不论是系统还是工艺都不需要重新设计。通过改装，该技术可易于被结合至升级的系统中。当改变消耗件时，使用等离子体切割工艺本身，该技术可自我校准。

该技术的压力补偿和滚动平均化方面给予该技术减少操作变化的影响和改进系统稳健性的能力。滚动平均化用作有效的噪声滤波器来增加信号噪声比。压力补偿和数字滤波器可实现高度准确的电极寿命预测。

该技术可使用刚性阈值和经验VNE-寿命关系来估算电极使用情况。准确地预测必然接近电极寿命终点的能力增加了工艺自动化的机会并减少了对于操作人员注意力的需要。

在另一个方面，提供了一算法，该算法使用时间解析的喷嘴-电极电压（VNE）信号来表示在等离子体切割工艺过程中双电弧的发生。该技术可采用实时数据采集、有效的滤波器和数字信号处理来增加信号噪声比并捕捉在双电弧发生时的时间段。

在等离子体切割喷枪中，电弧柱用作电极（阴极）和工件（阳极）之间的电导体。喷嘴用作限制器来限制电弧柱并在等离子体气体流过孔时增加能量级别。正常地，电弧柱维持与喷嘴孔共轴。然而，发生双电弧时，电弧柱接触喷嘴，从而电流路径变为电极-喷嘴-工件，而不是电极-工件。当发生双电弧时，电弧由此附连至喷嘴的电弧根（root）具有导致高温的较高的能量密度。温度可上升超过喷嘴材料的熔点，因此少量喷嘴材料融化或蒸发。这样的喷嘴材料损失导致喷嘴孔的形状变化且可导致切割质量的劣化和消耗件寿命的缩短。在最坏的情况下，双电弧可完全损毁消耗件并摧毁切割零件。

提供了系统和方法，通过在切割工艺过程中持续检测双电弧，来评估由双电弧引起的喷嘴损坏。这样的实时检测和监测可提供等离子体切割工艺自动化的机会、改进切割质量一致性、并减少对于连续操作人员参与的依赖性。通过迅捷地且可靠地捕捉双电弧事件，它们可被用于检测喷嘴损坏或喷嘴寿命。

在一些实施例中，使用喷嘴-电极电压（VNE）来检测电极的磨损，因为它代表了等离子体工艺的等离子体特性。双电弧代表了电弧柱的显著变化，因为电弧变化了其形状和电流路径。VNE将不可避免地反映电弧情况的这样的显著变化。然而，大多数双电弧情况不可控制地发生达非常短的时间段，例如，约1-100毫秒。因此，需要相对高速的数据采集方法来调查双电弧的发生。为了完成此举，可以约2000Hz的采样率操作数据采集系统。

在一些实施例中，提供了方法来增加等离子体电弧喷枪中双电弧的概率。首先，增加操作电流。然后减少等离子体气体流速。还将喷嘴孔尺寸减少，或通过例如施加外部磁场来干扰电弧稳定性。在一些示例中，在100-安培和200-安培的氧气/空气工艺中进行测试。对于100-安培工艺，可使用电流和气体流速的变化来引起双电弧。对于200-安培工艺，可使用孔尺寸和气体流速来引起双电弧。

图12示出用于双电弧检测和监测的实时数据采集程序的示例性用户界面1210。图12的数据是用200-安培氧气/空气工艺获得的。喷嘴的孔被从约0.082”修改为约0.068”，且等离子体气体流从约每分钟38标准升（“slm”）修改到约25slm。还可引入磁性接口。曲线面板1204中的波形1202代表VNE。从约0.5秒到约1.2秒的VNE波形1202的突然变化表示了双电弧。界面1210还示出双电弧的持续时间为约646ms，如下述算法所确定的。波形1202代表了双电弧发生时VNE的典型波形。尽管由双电弧引起的波形1202中的形状变化并不难以视觉地标识，但是通过数学地捕捉来清楚地将其从正常电弧波动中区别开是非常有挑战性的。

图13示出双电弧检测的数据处理软件的图形化用户界面1302的示例。上波形1304是从实时数据采集中获得的原始数据。中间的波形1306是在滚动平均滤波后的数据。底部波形1308是滚动平均化数据的导数。该数据是使用在160安培和约60%的正常等离子体流速下运行的100-安培氧气/空气消耗件获得的。

可构建算法来计算双电弧的时间段。在这个算法中，原始数据，诸如波形1304，被首先在大量（N_R）数据点上滚动地平均化，这可平滑噪声引起的较小变化。波形1306是这样的滚动平均滤波的示例性结果。然后，在滚动平均化的数据上执行对于其他数量（N_D）的数据点的求导。波形1308是滚动平均数据1306的示例性导数。

V_{Rolling, i} = \frac{{&Sum;}_{n = i - N_{R} + 1}^{i} V_{n}}{N_{R}}

Δ_{i} = V_{rolling, i} - V_{rolling, i - N_{D}}

采样速率可设置为2000Hz。N_R和N_D均可被设置为50。基于求导结果，可成功地检测所有的双电弧。例如，如图13中所示，在导数曲线1308中的一对相反峰值1310、1312表示双电弧事件的开始和结束且这两个峰值之间的时间是双电弧的持续时间。还可注意到的是一些非常短的双电弧被滚动平均化平滑消除了。较短的双电弧看起来不会导致对于喷嘴的显著损坏，因为热输入相对较小。这是部分地由于这样的事实：向电弧附连（attachment）的热转移并不是直接应变于电压变化，因为等离子体和固态喷嘴表面之间的护套两端的电压降由等离子体气体和相邻固态材料的性质所确定。基于这个理论，在给定一组等离子体操作参数的情况下，在双电弧过程中对于喷嘴的热负载是是时间的函数。在一些实施例中，该算法过滤了所有短于10ms的双电弧。

实时数据采集和处理算法可在双电弧发生后捕捉双电弧。检测双电弧并确定其持续时间的能力提供了监测喷嘴损坏以及预测喷嘴使用寿命的机会，这可导致等离子体切割工艺的自动化。

该算法可使用滚动平均和求导来处理高度噪声的数据。该数据处理可显著改进信号噪声比并自动地忽略不显著的双电弧。该技术可使用喷嘴-电极电压作为主要信号。系统和工艺参数均不需要被改变来使用该算法。

在该算法中使用的VNE信号还可被用于电极磨损指示。两个监测系统可被前后组合来监测喷嘴和电极这两个的情况。

可建立喷嘴损坏基线，从而喷嘴的损坏可被评价来相关于所记录的双电弧持续时间。类似于电极磨损指示算法的算法可被构建，且通过检测并监测双电弧，可实时地报告喷嘴情况。

尽管已经图示并描述了所公开的方法的各方面，但是一旦读到该说明书，本领域技术人员可想到多种修改。本申请包括这样的修改且仅受到权利要求范围的限制。

Claims

1.一种确定等离子体喷枪的消耗件的故障事件的方法，所述方法包括：

在所述等离子体电弧喷枪的转移弧模式过程中，监测操作电流或操作电压中的至少一个；

确定与所述操作电流或所述操作电压关联的至少一个参数何时超过容限阈值达表示所述故障事件的时间段；和

当所述至少一个参数超过所述容限阈值达所述时间段时，切断所述等离子体电弧喷枪的所述操作电流或所述操作电压的至少一个。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时间段包括1.5毫秒。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，与所述操作电流关联的所述至少一个参数包括电流幅值、电流变化率、或电流幅值波动。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，与所述操作电压关联的所述至少一个参数包括电弧电压幅值、电弧电压变化率、或电弧电压幅值波动。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述故障事件包括电极中发射器的缺失、消耗件材料的大量损失、除所述发射器外的所述电极的部件无法发射电弧或其组合。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述故障事件包括对于所述等离子体喷枪的操作类型而言安装错误的消耗件。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述操作类型包括切割操作、加热操作、刨削操作、或标记操作。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定与所述操作电流或所述操作电压关联的至少一个参数何时超过容限阈值达表示所述故障事件的时间段包括确定与所述操作电流关联的第一参数和与所述操作电压关联的第二参数何时超过其各自阈值达所述时间段。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括基于所述等离子体喷枪的输出电流确定所述容限阈值。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述容限阈值包括，如果所述输出电流小于45A时为1.0A的电流阈值、如果所述输出电流在45A和75A范围内时为1.25A的电流阈值、或如果所述输出电流大于75A时为1.5A的电流阈值。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述容限阈值包括3V的电压阈值。

12.一种操作等离子体电弧喷枪的方法，所述方法包括：

确定在所述等离子体电弧喷枪的转移弧模式过程中的操作信号；

计算与所述操作信号关联的噪声电平；

确定所述噪声电平何时超过预定阈值达一时间段；以及

当所述噪声电平超过所述预定阈值达所述时间段时提供故障信号。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述时间段包括1.5毫秒。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述故障信号包括切断所述等离子体电弧喷枪的操作电流、可听音、视觉信号、电子信号、改变所述等离子体电弧喷枪的至少一个操作参数、或其组合。

15.一种等离子体喷枪系统，包括：

用于确定在所述等离子体电弧喷枪的转移弧模式过程中的操作信号的装置；

用于计算与所述操作信号关联的噪声电平的装置；

用于确定所述噪声电平何时超过预定阈值达一时间段的装置；和

用于当所述噪声电平超过所述预定阈值达所述时间段时提供故障信号的装置。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述操作信号包括操作电压或操作电流。

17.如权利要求15所述的系统，其特征在于，还包括当所述噪声电平超过所述预定阈值达所述时间段时用于切断所述等离子体喷枪系统的操作电流的装置。

18.如权利要求15所述的系统，其特征在于，还包括耦合至用于确定所述噪声电平何时超过所述预定阈值达所述时间段的装置的电源，从而当所述噪声电平超过所述预定阈值达所述时间段时，所述电源被关闭。

19.一种用于检测等离子体电弧系统的消耗件的故障事件的方法，所述等离子体电弧系统具有控制器和等离子体电弧喷枪，所述方法包括：

由所述控制器为所述故障事件来监测所述等离子体电弧喷枪的操作电流或电弧电压的至少一个，对于所述故障事件的监测包括以下至少一个：

监测与操作电流关联的第一参数，包括(a)电流幅值、(b)电流变化率、或(c)电流幅值波动；或

监测与操作电压关联的第二参数，包括(a)电弧电压幅值、(b)电弧电压变化率、或(c)电弧电压幅值波动；

确定与所述第一参数或第二参数中的至少一个何时超过容限阈值达表示所述故障事件的时间段；以及

检测到所述故障事件时，从所述控制器提供故障信号至所述等离子体电弧系统。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述故障信号包括切断所述等离子体喷枪的所述操作电流、可听音、视觉信号、电子信号、改变至少一个操作参数来保护所述等离子体电弧喷枪、或其组合。

21.一种确定等离子体切割喷枪中的消耗件的故障事件的系统，所述系统包括：

连接至等离子体系统且产生等离子体电弧的等离子体喷枪，所述等离子体喷枪具有消耗件组件；

所述等离子体系统内的可编程设备，用于控制并监测所述等离子体喷枪的操作电流或电弧电压中的至少一个，其中所述可编程设备(i)在与操作电流或操作电压关联的至少一个参数超过容限阈值达表示所述故障事件的时间段时检测与所述消耗件组件关联的故障事件并(ii)改变操作信号。