CN103920979A - 一种空气等离子切割机气体流量控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气等离子切割机气体流量控制方法，包括以下步骤：建立气体流量数据库；在切割开始前，在数控系统中输入板厚H、电流I、切割速度S参数，查找气体流量数据库匹配气体流量Φ1；在切割过程中，检测实际的气体流量信号Φ2，控制单元经过比较后，得出实际气体流量Φ2以及流量偏差ΔΦ；通过执行机构用流量偏差ΔΦ控制气阀，使流量偏差ΔΦ趋于零。本发明还涉及一种空气等离子切割机气体流量控制系统，包括数控系统、气阀、气检测开关、传感器、割枪，还包括电源控制板，所述电源控制板包括控制单元和存储器，所述控制单元连所述存储器；所述数控系统、电源控制板、气检测开关、气阀依次相连后再连传感器和割枪；所述控制单元和所述传感器相连。使切割气体流量和切割电流、切割速度实现最佳匹配，具有保证等离子射流的稳定形成，电弧稳定等优点。

Description

一种空气等离子切割机气体流量控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种空气等离子切割机及控制方法，尤其是提高大功率空气等离子切割机引弧成功率和切割质量的气体流量控制方法及其系统。

背景技术

空气等离子切割机主要应用于金属、非金属切割，属于空气等离子切割设备技术领域。空气等离子弧切割是利用高能量密度压缩电弧产生的高温高速热流进行的切割方法，其原理主要是依靠高温高速的等离子弧及其焰流，把部分金属熔化及蒸发，并吹离基体，随着等离子弧割炬的移动而形成割缝。利用压缩空气作为等离子弧切割的离子气，气体来源方便，切割成本低，而且切割速度高，切口质量好，已经发展成为等离子切割方法中应用最为广泛的一种。尤其，大功率空气等离子切割机和数控配套成数控切割系统，广泛应用于汽车制造业、造船业、装饰装修业以及各种板材加工业等。

然而，大功率空气等离子切割机切割时电流大，达到200-300A，所以切割时等离子气体流量要求大，但是，引弧时的气体流量要小，如果引弧时气体流量过大，则会造成引弧困难或不能引弧。而且，引弧时的气体流量和初始定位高度有关，初始定位高度越高，引弧时的气体流量就要求大些，反之，引弧时的气体流量就要求小些。

同时，切割气体既要保证等离子射流的形成，又要保证去除切口中的熔化金属盒氧化物，过大的气体流量会带走更多的电弧热量，使得射流的长度变短，导致切割能力的下降和电弧不稳，过小的气体流量则使等离子弧失去应有的挺直度而使切割深度变浅，同时也容易产生挂渣；所以，气体流量一定要与切割电流和速度很好的配合。而现有的等离子切割机气体流量的控制完全依靠人工设置，依靠经验进行，有时需要反复多次实验，浪费时间和材料，如果流量设置不当，还会给加工质量带来影响，给成品的使用和交付带来烦恼。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空气等离子切割机气体流量控制方法及其系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种空气等离子切割机气体流量控制方法包括以下步骤：

步骤一，建立气体流量数据库，所述气体流量数据库包括切割气体流量数据库和引弧气体流量数据库，所述切割气体流量数据库包括多组气体流量Φ、切割速度S、切割电流I的数据，所述引弧气体流量数据库包括多组引弧气体流量Φy、割枪的初始定位高度L数据；所述数据存于存储器中，所述存储器和控制单元相互连接后由数控系统控制；

步骤二，在切割开始前，在数控系统中输入板厚H、电流I、切割速度S参数，并将所述参数发给控制单元，控制单元根据电流和切割速度，查找气体流量数据库匹配气体流量Φ1；

步骤三，在切割过程中，检测实际的气体流量信号Φ2，控制单元经过比较后，得出实际气体流量Φ2 以及匹配气体流量Φ1和实际气体流量Φ2的流量偏差ΔΦ；

步骤四，通过执行机构用流量偏差ΔΦ控制气阀，使流量偏差ΔΦ趋于零，即控制实际气体流量Φ2尽量接近或等于匹配气体流量Φ1；

进一步，将实际气体流量Φ2的模拟信号送入控制单元进行A/D采样之后，进行滤波和运算；

进一步，所述流量偏差ΔΦ经过遇限削弱积分PI控制算法运算，运算后的流量偏差ΔΦ作为执行机构的气体流量偏差调节量，经过D/A后控制气阀；

进一步，气体流量数据库中切割气体流量 Φ用最小二乘法建立的分段线性拟合曲线计算，具体如下：

取                                                

其中，Φ是切割气体流量，S是切割速度，I是切割电流，A是切割电流对应的系数，B是切割速度对应的系数、C是常数，板厚H和切割电流I是线性关系，

将切割电流I的总范围分成两个区间，每个区间的大小为总范围的30-70%,

设  ,根据最小二乘法

由    得到：

式1：

分别在两个区间选取n组不同切割电流I和切割速度S的数据，代入式1，可以分别求出两个区间的A1、B1、C1和A2、B2、C2；

一种空气等离子切割机气体流量控制系统，包括数控系统、气阀、气检测开关、传感器、割枪，其特征是，还包括电源控制板，所述电源控制板包括控制单元和存储器，所述控制单元连所述存储器；所述数控系统、电源控制板、气检测开关、气阀依次相连后再连传感器和割枪；所述控制单元和所述传感器相连；

进一步，所述气阀包括相互并联的切割气体气阀和引弧气体气阀；

进一步，所述割枪连自动调高装置，所述自动调高装置分别连数控系统和电源控制板；

进一步，所述传感器是气体流量传感器。

 本发明的有益效果是，提出了一种以数据库为基础的切割气流闭环实时控制的方法和系统，使切割气体流量总是和切割电流和切割速度最佳匹配，既保证等离子射流的稳定形成，电弧稳定；同时，等离子弧又有的应有的挺直度从而保证切割深度，而且不容易产生挂渣。尤其，还提出一种基于以数据库为基础的引弧方法，提高了引弧成功率，因此，切割效果优异，尤其在切割复杂图形或者母材厚度有变化时，切割电流和速度需要变化的场合下，该方法和系统能自动实现切割气体流量的匹配，能达到最佳切割效果。实际切割工艺试验验证了该算方法的有效性，切割效果明显优于现有人工设置方法，稳定性更高，实用性强，具有重要的实际应用价值，可广泛应用于数控切割系统中和精细等离子切割装备中。

本发明提供一种响应速度快、稳定性好、精度高、实用性强的空气等离子切割机气体流量智能控制方法和系统。对切割电流、切割速度和气体流量三者匹配关系以及初始定位高度和起弧气体流量的关系进行研究并采集大量经验数据，建立了以切割电流和切割速度为变量的切割气体流量数据库和以初始定位高度为变量的引弧气体流量数据库，以数据库为基础，对切割气体流量适时采样，采用遇限削弱积分PI控制当前气体流量和数据库中的设定气体流量一至，而数据库中的设定气体流量是和切割电流和切割速度最佳匹配的。实现了切割时气体流量的自动控制。该方法有效的避免了人工调节的局限性和不确定性，提高了等离子起弧的成功率，同时，因为气体流量实现了闭环控制，该方法避免了对气体输入源端空压机压力的依赖，只要达到规定的压力范围就可工作。该方法算法简单且易实现，切割效果好，一致性高。

附图说明

图1是本发明实施例之结构框架示意图。

图2是本发明实施例之引弧流程示意图。

图3是本发明实施例之气体流量控制框架示意图。

具体实施方式：

如图1至图3，利用切割电流与切割速度建立气体流量数据库，并存储在等离子切割机中的微控制单元MCU的闪烁存储器FLASH里面，在切割开始前，操作人员在数控系统中设置好切割的板厚H、切割电流I、切割速度S等参数，并将这些参数下发给等离子切割机中的微控制单元MCU，等离子切割机中的MCU根据切割电流和切割速度，查找数据库并获得与切割电流和切割速度匹配的气体流量Φ1，在切割过程中，气体流量传感器适时检测气体流量，并经过滤波电路信号处理后送入等离子切割机中的MCU中进行A/D采样，进行软件滤波和运算后得出实际气体流量Φ2，比较Φ1和Φ2，得到偏差信号，偏差信号经过遇限削弱积分PI控制算法运算，运算后的偏差信号作为执行机构的气体流量偏差调节量，经过D/A后去控制流量可控型气阀。采用遇限削弱积分的退饱和PI控制算法是为防止PI调节器积分溢出和输出饱和，当PI调节器进入饱和区后，不再进行积分项的累加，而执行削弱积分运算，可快速退出饱和.有效防止PI环震荡引起输出气压不稳定。同时，将气体分成引导保护气体和等离子气体两个接头输出，其中引导保护气体作为引弧气体，其流量较小，等离子气体为切割气体，流量较大。

利用初始定位高度，即割枪和母材钢板的距离，建立引弧气体流量数据库，切割开始时，等离子切割机中的MCU根据弧压调高装置发送过来的初始定位高度，查找数据库并获得与初始定位高度气体流量匹配的引弧气体流量，并以此引弧气体流量打开引弧气体气阀，开始穿孔过程，如果等离子切割机中的MCU检测到电流信号，马上打开切割气体气阀，同时关闭引弧气体气阀。

自动调高装置在设定高度后，自身采集电压数据，即割枪和母材钢板之间的电弧电压数据，由于电弧电压和割枪高度之间是线性关系，通过电弧电压来自动调整割枪高度，使运行过程中割枪的高度保持不变。

同时，将气体分成引导保护气体和等离子气体两个接头输出，其中引导保护气体作为引弧气体，其流量较小，等离子气体为切割气体，流量较大。并以实际工作经验为基础，利用初始定位高度建立引弧气体流量数据库，切割开始时，等离子切割机中的MCU根据弧压调高装置发送过来的初始定位高度，查找气体流量数据库并获得与初始定位高度气体流量匹配的引弧气体流量，并以此引弧气体流量打开引弧气体气阀，开始穿孔过程，如果等离子切割机中的控制单元MCU检测到电流信号，马上打开切割气体气阀，同时关闭引弧气体气阀。

本发明还提供一种提高大功率空气等离子切割机引弧成功率和切割质量的气体流量控制系统，它包括割枪、等离子切割电源控制板、引弧气体流量数据库、切割气体流量数据库、切割气体流量可控气阀、引弧气体流量可控气阀、流量检测传感器和气压检测开关，其中，引弧气体流量数据库和切割气体流量数据库存储在等离子切割电源控制板的MCU的FLASH里面，切割气体流量可控气阀和引弧气体流量可控气阀固定在等离子切割电源里面，气检测开关安装在等离子切割电源的底板上，进气管连接到气检测开关的一头，气检测开关的另一头通过三通分别和切割气体流量可控气阀和引弧气体流量可控气阀的一头相连，切割气体流量可控气阀的另一头接等离子切割电源的等离子气接头，引弧气体流量可控气阀的另一头接等离子切割电源的保护气接头。气体流量检测传感器安装在割枪上。

本发明采集大量经验数据建立引弧气体流量数据库和切割气体流量数据库并存储在等离子切割电源控制板的MCU的FLASH里面，在切割引弧过程中，等离子切割电源控制板的MCU根据初始定位高度查询引弧气体流量数据库，获得引弧气体流量Φy，以Φy的流量打开引弧气体流量可控气阀，送高频引弧信号，同时不断检测切割电流，如果检测到电流大于阈值，则MCU认定引弧成功，马上转到切割过程。如果超过2S没有检测到切割电流，则本次引弧失败，关闭弧气体流量可控气阀。等待3S，重新开始引弧过程，引弧次数设置为3次，如果三次引弧都不成功，则考虑到割枪使用时间和母材氧化等原因，适量增加引弧气体流量ΔΦy，以Φy+ΔΦy的流量打开引弧气体流量可控气阀，同时增加引弧电流，再重新开始引弧过程。这个过程的重复次数也是3次，如果仍然引弧不成功，MCU发出声光报警，通知操作人员检查设备。

引弧成功后，等离子切割电源控制板的MCU根据切割电流和切割速度查询切割气体流量数据库，获得切割气体流量Φ1，经过遇限削弱积分PI调节器运算和D/A转换后，打开切割气体流量可控气阀，同时，关闭引弧气体气阀，并通过气体流量传感器不断采集当前气体流量，经过A/D转换和数字滤波，参与PI调节，使切割气体流量实时和切割速度和切割电流匹配。同时，本系统允许有经验的操作人员在操作面板上对切割气体流量进行微调，在切割气体流量数据库的基础上适量增加或减少切割气体流量偏差ΔΦ，使切割气体流量更适合当前数控系统和现场条件。

为了解决操作人员的疏忽在没有送气的状况下开始切割导致烧坏割枪的情况，气体流量控制系统专门设置气检测开关，气检测开关在气压没有达到规定压力时是常开的，等离子切割电源的MCU通过检测气检测开关的状态，在气压没有达到规定压力时，不允许开始引弧和切割过程，同时操作面板显示缺气的错误代码。

由于等离子切割电源引弧阶段的高频对气体流量数据采样干扰较大，切割电弧对采样也有影响，而且等离子切割电源工作环境恶劣，周围经常有其他切割和焊接设备产生高频干扰而导致气体流量采样不准，不准确的当前气体流量经过PI运算后，引起切割气流不稳定，使切割质量下降，严重时导致断弧，浪费材料。

针对此问题，提出了一种中值滤波结合最小二乘法曲线拟合的算法，中值滤波结合最小二乘法曲线拟合的算法的要点是：

①根据最小二乘法方程建立拟合方程。在无其他干扰设备的实验室内安装切割设备，同时将整个切割电源用屏蔽罩屏蔽，然后，采集8组不同预置气体流量X_i下的当前气体流量Φ_i，根据最小二乘的方程，

采用一阶线性曲线拟合，Φ=a+bx,a、b待定，将8组数据代入上式，得出方程组如下：

根据方程组求出a,b,并存储到等离子切割电源控制板的MCU的FLASH里面。

②实际切割过程中，等离子切割电源控制板的MCU实时采样切割气流数据，并做中值滤波，得到的切割气流值和上次采样的比较，如果差值比设定的阈值小，则认为本次采样为有效数据，如果差值比设定的阈值大，则认为本次采样受干扰，为无效数据，本次的采样值由最小二乘法曲线拟合获得，将当前预置气体流量作为参数，根据存储在FLASH里面的拟合方程，计算得出本次采样值。避免了干扰对本次采样的影响。

本系统等离子切割电源控制板的MCU可以是单片机、DSP、ARM或FPGA,气体流量检测传感器采用热式流量检测传感器，该传感器能直接测量出流量值，测量结果不受压力、温度变化的影响。高性能的传感器和中值滤波结合最小二乘法曲线拟合的算法组合在一起，实现对气体流量的的精确采样，内嵌的数据库最大限度的减少了人为因素的影响，实现等离子切割的气体流量精细控制，从根本上提高了系统综合性能。

本发明所述的切割气体流量数据库是通过采集大量实验和经验数据利用最小二乘法建立的分段线性拟合曲线。

取

其中，Φ是切割气体流量，S是切割速度，I是切割电流，A、B、C是待定的系数。母材板厚和切割电流是线性关系

通过分析实验和经验数据发现，在切割电流的全范围内（50-260A）,很难找到一条线性拟合曲线满足数据要求，但是，通过进一步分析发现，通过分段拟合的办法可以较好的解决问题，因此，本发明采用分段线性拟合的办法，将切割电流分成两个区间(50-140A)和（141-260A）,

设  根据最小二乘法

由    得到：

式1：     

分别在两个区间选取10组不同切割电流和切割速度的数据，选取数据尽量间隔范围大一些，n=10,代入式1，可以分别求出两个区间的A1、B1、C1和A2、B2、C2.同时，对分段的线性拟合曲线进行了大量的切割工艺试验，以验证A、B、C参数的可重复性.如果实验效果不佳，应重新选择一组数据计算A、B、C。经验证后的分段参数A1、B1、C1和A2、B2、C2存入存储在等离子切割电源控制板的MCU的FLASH里面。

引弧气体流量数据库的建立方法和切割气体流量数据库相似，不同点只是引弧气体流量Φy仅与割枪和钢板的距离即初始定位高度L一个参数有关。

Claims (8)

1.一种空气等离子切割机气体流量控制方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一，建立气体流量数据库，所述气体流量数据库包括切割气体流量数据库和引弧气体流量数据库，所述切割气体流量数据库包括多组气体流量Φ、切割速度S、切割电流I的数据，所述引弧气体流量数据库包括多组引弧气体流量Φy、割枪的初始定位高度L数据；所述数据存于存储器中，所述存储器和控制单元相互连接后由数控系统控制；

步骤二，在切割开始前，在数控系统中输入板厚H、电流I、切割速度S参数，并将所述参数发给控制单元，控制单元根据电流和切割速度，查找气体流量数据库匹配气体流量Φ1；

步骤三，在切割过程中，检测实际的气体流量信号Φ2，控制单元经过比较后，得出实际气体流量Φ2 以及匹配气体流量Φ1和实际气体流量Φ2的流量偏差ΔΦ；

步骤四，通过执行机构用流量偏差ΔΦ控制气阀，使流量偏差ΔΦ趋于零，即控制实际气体流量Φ2尽量接近或等于匹配气体流量Φ1。

2.如权利要求1所述的一种空气等离子切割机气体流量控制方法，其特征是，将实际气体流量Φ2的模拟信号送入控制单元进行A/D采样之后，进行滤波和运算。

3.如权利要求1所述的一种空气等离子切割机气体流量控制方法，其特征是，所述流量偏差ΔΦ经过遇限削弱积分PI控制算法运算，运算后的流量偏差ΔΦ作为执行机构的气体流量偏差调节量，经过D/A后控制气阀。

4.如权利要求1所述的一种空气等离子切割机气体流量控制方法，其特征是，气体流量数据库中切割气体流量 Φ用最小二乘法建立的分段线性拟合曲线计算，具体如下：

取                                                

其中，Φ是切割气体流量，S是切割速度，I是切割电流，A是切割电流对应的系数，B是切割速度对应的系数、C是常数，板厚H和切割电流I是线性关系，

将切割电流I的总范围分成两个区间，每个区间的大小为总范围的30-70%,

设  ,根据最小二乘法

由    得到：

式1：    

分别在两个区间选取n组不同切割电流I和切割速度S的数据，代入式1，可以分别求出两个区间的A1、B1、C1和A2、B2、C2。

5.一种空气等离子切割机气体流量控制系统，包括数控系统、气阀、气检测开关、传感器、割枪，其特征是，还包括电源控制板，所述电源控制板包括控制单元和存储器，所述控制单元连所述存储器；所述数控系统、电源控制板、气检测开关、气阀依次相连后再连传感器和割枪；所述控制单元和所述传感器相连。

6.如权利要求5所述的一种空气等离子切割机气体流量控制系统，其特征是，所述气阀包括相互并联的切割气体气阀和引弧气体气阀。

7.如权利要求5所述的一种空气等离子切割机气体流量控制系统，其特征是，所述割枪连自动调高装置，所述自动调高装置分别连数控系统和电源控制板。

8.如权利要求5所述的一种空气等离子切割机气体流量控制系统，其特征是，所述传感器是气体流量传感器。