CN106457449B - 包括保护装置的等离子切割机和用于操作该等离子切割机的方法 - Google Patents

Abstract

已知的等离子切割机包括：可以借助于移动单元移动的等离子燃烧器；可以在低压电平下致动并且具有用于确定要加工的工件和等离子燃烧器之间的距离的电子控制单元的距离传感器；可以在高压电平下致动，并且借助于其可以触发点火过程的点火装置；以及为了相对于由点火过程产生的干扰电压保护电子控制单元的目的，与等离子燃烧器一起移动的保护装置。根据本发明，为了提供一种等离子切割机，基于其满足对于抗干扰度和操作安全性的高需求，建议保护装置包含电子电路，该电子电路包括用于距离传感器的电子控制单元、具有多个保护等级的为了减少干扰电压的目的的保护开关和到机器控制系统的接口。

Description

包括保护装置的等离子切割机和用于操作该等离子切割机的 方法

技术领域

本发明涉及等离子切割机，包括

（a）等离子燃烧器，该等离子燃烧器可以借助于移动单元移动，

（b）距离传感器，该距离传感器可以在低压电平下致动，并且具有用于确定要加工的工件和等离子燃烧器之间的距离的电子控制单元，

（c）点火装置，该点火装置可以在高压电平下使致动，并且借助于该点火装置可以触发点火过程，

（d）以及保护装置，该保护装置与等离子燃烧器一起移动，用于相对于由点火过程产生的干扰电压保护电子控制单元。

此外，本发明涉及用于操作等离子切割机的方法。

背景技术

在热材料处理中，精确的过程控制对于确保对工件的高质量的焊接和切割操作是至关重要的。这里重要的参数是处理工具和工件之间的工作距离。在实际中标准的距离测量和控制装置是基于电感或电容测量值的获取。

以“初始值测定”而为人所知的测量原理中，旨在短暂地将等离子燃烧器与工件表面接触，以获得用于距离调节的可再现的和可靠的参考值。接触通过电子传感器作为电流/电压信号，该电子传感器通常与中心机器控制的距离调节装置一起安置在控制柜中。在初始值测定之后，等离子燃烧器被移出进入远离工件表面的初始位置中，并且开始点火过程。

为了该目的，提供可以在高压电平下致动的点火装置，用于触发辅助电极和工件之间的等离子电弧。这里点火电压可以多达20kV。在该过程以及其高频部件中产生的干扰电压（下文中还称为“瞬变”）可以交叉耦合到电子控制单元的部件中，并且可以导致损坏或故障。

DE 195 18 182A1公开了等离子切割机和根据上面所提到的类型的操作方法，DE195 18 182A1建议了用于限制该风险的以下的电保护装置。

借助于朝向和远离要加工的工件的定位驱动，等离子燃烧器是垂直可移动的。所使用的距离传感器是测量电容器，该测量电容器具有由工件自身形成的一个电极和被配置为环状电极的另一个电极，该环状电极机械地稳固连接到等离子燃烧器并且还执行其移动。测量电容器的电容随着等离子燃烧器距工件的距离变化，借助于控制单元的高频测量电桥电平连续测量电容器的电容，并且测量电容器的电容被用于距离调节。

提供点火装置用于点火等离子电弧，该点火装置可以在高压电平下致动，且借助此可以首先触发辅助电极和工件之间的点火电弧。用于保护免受过压的电保护装置包括火花隙和辉光放电管。后者连接在测量电容器的电极之间，并且火花隙连接在测量电容器的环状电极和其由工件形成的固定电极之间。火花隙被容纳在安装在燃烧器轴上的块状塑料壳体中，且因此还执行等离子燃烧器的移动。

火花隙的击穿电压低于由电子控制单元经受住的极限电压，虽然该电压永久地发生在其有用信号输入处，但是其显著高于有用信号经由电容器通过的交变电压的最大电平。从而即使在点火电弧的点火时，应该发生在点火装置的辅助电极和测量电容器的环状电极之间的闪络，对电子控制单元的损坏也由此能够避免。

技术目标

在已知的等离子切割机中，保护装置以火花隙的形式被直接定位在等离子燃烧器的附近。用于距离调节的电子控制单元被在距实际等离子切割过程的安全距离处遮蔽，例如，位于挨着机器装配且容纳中心机器控制的控制柜中。用于点火电弧的控制也从那里发生。

来自测量电极的有用信号线被配置为被屏蔽的同轴电缆。然而，高压导线和有用信号线可以从实际测量位置沿着铺设路径汇聚到控制单元，例如，在所谓的电缆组件中，其中多条线结合在有限空间内，并且电缆组件可以具有几米的长度。尽管进行了屏蔽，但这种方式可以导致闪络以及导致干扰电压耦合到有用信号线中。虽然总线系统在该方面尤其敏感，但是这些被越来越多地用于等离子切割机中，用于快速数据传输。

此外，用于过压限制的电子部件，即，被用于已知的装置中的辉光放电管和火花隙，反应相对较慢，使得尤其不能排除从高压线到有用信号线中的高频电压部件的交叉耦合。

因此，本发明的目标是提供满足对抗干扰度和操作安全性的高需求的等离子切割机。

此外，本发明的目标是指出用于等离子切割机的操作方法，该方法可靠地防止干扰信号的交叉耦合进入到中心控制单元中。

发明内容

关于等离子切割机，根据本发明实现从上面提到的类型的机器开始的本目的是根据本发明实现的，其中保护装置包含电子电路，该电子电路包括用于距离传感器的电子控制单元、具有多个保护等级的用于减少干扰电压的保护开关、和到机器控制的接口。

在根据本发明的等离子切割机中，保护装置被配置为电子电路，该电子电路除了用于减少干扰电压的多个保护等级之外，还包括用于距离传感器的电子控制单元。在最简单的情况下，电子控制单元和保护装置容纳在联合壳体中。

像在已知的设备中，保护装置被布置在适当的机器控制的上游，并且被直接设置在等离子燃烧器的附近，使得保护装置与所述燃烧器一起移动，即，保护装置跟随等离子燃烧器的移动。

保护装置包括多个保护等级，用于减少高压闪络，且用于消除因其频率而产生干扰电位的高频电压信号。为了与机器控制电连接，保护装置被提供具有接口，可能的有用信号经由该接口被传递给机器控制。

然而，保护装置不仅包含用于减少由点火操作产生的高频电压峰值的所述保护开关，而且与现有技术相比――还包括用于距离传感器的电子控制单元。这使得可能完全在保护装置内（即，在等离子燃烧器上或在其附近中）完成初始值测定、当前距离测量且还有评估和距离调节（下文中还统称为“传感器电子装置”）。靠近燃烧器的传感器电子装置的该分散式布置提供了几个优点：

（1）测量点和传感器电子装置之间的测量数据的信号路径是短的。这促进更快的数据传输和更高的测量准确性。

（2）可以省略到中心机器控制的距离测量和调节的数据的传输，使得在该方面中，排除通过过压耦合到机器控制中的干扰。

（3）可以将可能的高压传导测量线的长度减少为最小值，这减少干扰电位，并且提高操作安全性和过程质量。

（4）此外，可以减少成本和装配时间。

一方面保护开关的各个等级和另一方面传感器电子装置这里优选地被配置为电分离电路，其仅在需要的情况下和在高压源的关断状态下彼此连接。

由于等离子体的热辐射和电子辐射，所以直接在等离子燃烧器的附近的传感器电子装置暴露在高温和高电子干扰发射下。为了处理环境影响，保护开关是多级类型，相对于电压干扰（瞬变）的消除和干净信号的准备，每个保护等级具有特定功能。在下文中将更详细地论述优选的这些特定功能的开发。

第一保护等级具有到工件的电连接，并且优选地被设计为高压电平，用于减少具有大于100V的干扰电压，并且包括至少一个二极管和高频滤波器。

所述高压电平最接近等离子体区域。其主要用于减少高过压和高频干扰电位。为了该目的，其具有一个或多个二极管以及用于高频的一个或多个滤波器（低通滤波器），其中在保护等级的输出侧，干扰电位可以被减少为小于50V，优选地小于36V。二极管用来消除或减少瞬变，并且低通滤波器用于消除高频干扰。

第一保护等级被配置成相对于可能的瞬变特别地稳健，并且优选地配备有允许连接到传感器电子装置的开关。仅如果传递用于距离测量和调节的数据，关闭该开关。开关可以是这样的坚固的结构，例如以继电器开关或翻转开关的形式，这在打开的状态下，可以基本上排除干扰的传输。然而，可靠的干扰的预防需要相当大尺寸的开关，这在等离子燃烧器的直接附近往往是不期望的。作为替代，并且有利于保护装置的结构的形状尽可能紧凑，如根据本发明在保护装置中所意图的，如果这些在随后的保护等级中可以被可靠地消除，则一定的干扰脉冲的交叉耦合可以是可接受的。形成阻抗的两个分离的频率滤波器被定位在开关的后面。

根据干扰电位的类型和程度，第一保护等级可能会太慢。因此，以电流补偿线圈的形式的阻抗被有利地提供在第一保护等级和第二保护等级之间。

一般来说，在穿过第一保护等级之后残留的瞬变具有小于50V（优选地小于36V）的电位。其借助于电流补偿线圈进一步减少，使得第二保护等级的电子部件的非破坏性操作被确保处于由机器控制提供的例如12V的操作电压。第二保护等级优选地包括具有至少一个DC/DC转换器和光耦合器的标准电位分离。

第二保护等级的DC/DC转换器和光耦合器致使机器电位和距离调节的电子控制单元之间的电位分离。

已经证明，有用的是为第二保护等级和第三保护等级之间的保护等级的部件的电力供应提供供电线，具有优选地被配置为LC构件的低通滤波器和被插入供电线中的保护二极管。

低通滤波器用来进一步减少频率干扰，并且保护二极管用于进一步减少瞬变。

已经发现频率干扰和瞬变还可以从接地电位侧侵入到电子装置中。这里干扰电压经由连接到地（接地）的线传播，且不经由标准信号和供电线传播。尤其当通常地要加工的工件被接地（即，连接到地）时出现这些问题。

还为了减少从接地侧侵入的瞬变，因此，保护电路有利地包括一个或多个保护等级，以防源于电压源的接地极的过压和干扰频率。

为了该目的，在根据本发明的等离子切割机的优选的实施例中，优选地被配置为LC构件的低通滤波器和保护二极管被插入接地线中，接地线电连接到接地极并且被提供在第二保护等级和第三保护等级之间。

相对于可能的电干扰脉冲，以与经由第二保护等级和第三保护等级之间的供电线的信号传输相同的方式处理经由第二保护等级和第三保护等级之间的接地线的信号传输。这尤其意味着低通滤波器致使高频干扰脉冲的平滑化和减少，并且保护二极管致使瞬变的减少。

当干扰脉冲可以确实经过相应准备的和保护的接地线且不能经由其它线逸出时，所述部件的保护效果发展。为了确保这一效果，被称为 “浮动接地”的装置已经证明是有用的。这里接地电位的参考点不再为零，使得独立于工件的电位（“机器电位”），可以根据干扰电位和电状态，自由地调整众多的不同的接地电位。从界定的信号处理的意义上来说，这样的“浮动接地”本身是不期望。然而，在根据本发明的保护装置中，基本功能在来自接地侧的干扰电位减少方面发展。

在该方面中，第二保护等级和第三保护等级代表接地电位保护接线。

第三保护等级的另外的基本功能在于将可能的瞬变转换成界定的电压状态。为了该目的，尤其是提供了包括快速二极管和电容器的阻抗。

已经证明，有用的是提供配备有多个阻抗且连接至到机器控制的接口的第四保护等级。

第四保护等级的阻抗还具有将可能的瞬变转换成界定的电压状态的功能，使得可以传输穿越第四保护等级的瞬变，而对于机器控制的电子部件不会有任何风险，并且不会有对经由到机器控制的对应接口的信号的显著的干扰。

有利地，到机器控制的接口还连接到用于距离测量的电子控制单元。

通过该连接，由机器控制将未受干扰的低压信号供应到电子控制单元，并且经由该接口使初始值测定的实施被激活。

关于根据本发明的等离子切割机的操作方法，根据本发明实现上面进一步指出的技术目标，这在于距离传感器的电子控制单元致动用于等离子燃烧器的移动单元，使得所述燃烧器被安装在要加工的工件上，该安装被控制单元记录为电信号，并且生成用于距离测量的参考点，于是致动移动单元，使得等离子燃烧器被移动到工件之上的工作位置中，并且然后借助于在高压电平下的点火装置触发点火过程，其中借助于与等离子燃烧器一起移动的保护装置减少由点火过程产生的干扰电压，其中所使用的保护装置是电子电路，电子电路包括用于距离传感器的电子控制单元和包括多个保护等级的用于减少干扰电压的保护开关，以及到机器控制的接口。

根据本发明的方法包括在材料和等离子燃烧器之间的距离调节，其中通过等离子燃烧器和工件之间的接触完成初始值测定。这为距离测量给予可靠的参考值。

直接设置在等离子燃烧器的附近且与所述燃烧器一起移动的控制单元（这里还称为“传感器电子装置”）被提供用于距离测量和调节。控制单元例如被直接安装在燃烧器轴上或横向支架上，等离子燃烧器借助于此水平移动。通过与容纳在静止的控制柜中的控制单元比较，由于与测量点靠的很近，所以在根据本发明的操作方法中，测量值获取和数据传输更快，并且因此随之控制中的停滞时间短。

传感器电子装置是保护装置的一部分，以防过压和由点火过程导致的其它电子干扰。这使得能够完全地在保护装置内（即，等离子燃烧器或其附近中）完成初始值测定、进行的距离测量以及评估和距离调节。基于根据本发明的等离子切割机，传感器电子装置的该分布式布置给予上面进一步论述的优点。

附图说明

现在将参考实施例和附图更详细地论述本发明。具体来说，

图1在具有等离子燃烧器和带有距离调节的保护装置的示意图中，示出了根据本发明的等离子切割机的实施例，以及

图2是具有保护装置的保护等级和距离调节的示意性简化框图。

具体实施方式

图1示意性地示出等离子切割机的等离子燃烧器1。借助于示意性地示出的在水平面中以标准形式的横向支架2，且在垂直方向借助于高度调整装置3，燃烧器1是可移动的。经由与保护电路一起容纳在保护装置5中的传感器电子装置，等离子燃烧器1和要加工的工件4之间的距离的检测以及高度调整装置3的控制发生。保护装置5被安装在横向支架2上，直接在等离子燃烧器1的附近，并且与所述燃烧器一起移动。下面参考图2将进一步更详细地论述保护装置5，保护装置5经由测量和控制线14连接到高度调整装置3。

提供中心机器控制6用于调整、监控和控制所有的其它机器功能，该中心机器控制6固定地装配在挨着等离子切割机的壁上的控制柜中。

等离子燃烧器1包括喷割嘴7，喷割嘴7限定了用于电离气体的出口孔，并且喷割嘴7包围内部电极8。喷割嘴7同时充当电容距离测量的电极。由与电接地相同电位的工件4形成对电极。

喷割嘴出口孔的自由边还充当用于辅助电弧的点火的辅助电极。为了该目的，喷割嘴7经由被屏蔽的高压线15连接到20kV交流电压的高压源9。

由此可在喷割嘴7和工件4之间产生电辅助电弧，在切割操作的引导阶段中以该电弧促进适当的等离子切割束的形成。在静止操作状态期间，等离子切割束在内部电极8和工件4之间燃烧。为了该目的，内部电极8还连接到高压源9，在切割操作期间，高压源9提供具有30kHz的300V的操作电压。

保护装置5的电路一方面与电接地（经由电线10到工件4）的电位相同，并且另一方面经由可分离的有用信号线11被连接到等离子燃烧器1。这里，有用信号线11可以与高压线8在公共电缆组件12中延伸经过一定距离，这仅在图1中示意性地示出。此外，经由用于24V直流电压的传输的另外的有用信号线13，保护装置5连接到中心机器控制6。

因此，保护装置5连接在来自等离子燃烧器1的有用信号线11和通向机器控制6的有用信号线13之间。保护装置5不仅用于测量和调整工作距离，而且对于机器控制6和距离传感器的电子装置来说，在过压和来自线10和线11的高频干扰电压的情况下，保护装置5还可操作为保护开关，如在下文中将参考图2且结合根据本发明的方法的示例更详细地论述的。

在第一阶段中，喷割嘴7被放置在工件4的表面上用于距离调节的初始值测定。为了该目的，保护装置5的传感器电子装置21以相应的方式致动高度调整装置3。这里，开关22被关闭，使得喷割嘴7和工件4之间的接触可以被传感器电子装置21检测为电信号。由于接触信号，等离子燃烧器1借助于高度调整装置3移动到工件4上方的预先确定的工作位置中。

在该位置中，借助于机器控制6，在第二阶段中启动点火过程。这里借助于内部电极8和工件4之间的高压发电机9，施加20kV的点火电压，导致以点火电弧的形式的放电。

由于点火电弧，流出喷割嘴出口孔的等离子气被激活到这样的程度，即在第三阶段中在300V操作电压和30kHz的频率下，在内部电极8和工件4之间形成稳定的等离子切割束。于是，切割过程开始，并具有燃烧器1和工件4之间的距离，该距离借助于传感器电子装置21来测量和调节，传感器电子装置21被供给有24V的低压。

点火过程中的高压可以分别交叉耦合到线10和线11中，并且点火过程中的高压必须在短的时间段内且经过短的路线在保护装置5中被减少，以避免对电子部件的损坏且还有过程故障。为了该目的，保护装置5具有保护电路23，保护电路23具有总共四个保护等级24、25、26、和27。

在第一保护等级24处，二极管和高频滤波器基本上并联连接。这些是用于大于100V的高压和高频干扰电位的减少的功能元件。在第一保护等级24的输出侧，干扰电位不超出36V。

在第一保护等级24和第二保护等级25之间提供阻抗，其中阻抗包括电流补偿线圈和两个电容器，该两个电容器中的每个具有47nF的电容，并且阻抗用做进一步减少第一保护等级的未消除的瞬变的能量。

第二保护等级25在机器电位和传感器电子装置之间形成电位分离。DC/DC转换器和光耦合器是基本功能元件。此外，光耦合器连接到传感器电子装置21。在等离子燃烧器与工件接触时，光耦合器检测电流，并且将该信息给到机器控制（用于触发上面论述的点火过程）。

在第二保护等级25和第三保护等级26之间提供来自机器控制的供电线。LC构件作为低通滤波器被插入所述供电线中。LC构件额外地被提供具有保护二极管，从而电压被限制为24V/DC，并且确保到保护装置的电子部件的不受干扰的电源。

由于瞬变还可以经由接地线10进入到电子装置中，相同的保护组件（即，作为低通滤波器的，具有用于电压限制的保护二极管的LC构件）还被插入到第二保护等级25和第三保护等级26之间的接地线10中。

电源被配置为处于具有浮动接地电位的第二保护等级25，由此确保了作为此处目的的电子部件的保护效果。在“浮动接地”中，接地电位与固定的参考电位（零）分离，由此其可根据干扰电位和电状态自由调整。由于该“浮动接地”，可以减轻来自接地侧的干扰电位，并且可以将可能的瞬变转换成界定的电压状态。

从而第三保护等级26表现为接地电位保护接线，并且另一方面其可用于将可能的瞬变转换成界定的电压状态，以实现“干净的”24V/DC的有用信号，并且因此实现保护装置的电子部件的可靠的功能。为了该目的，特别提供了阻抗，所述阻抗包括快速二极管和电容器。换句话说，通过确保干净的电源电压，可以确保有用信号的界定的和可再现的状态和保护装置的操作安全功能。

在第四保护等级27处，传入的信号被准备用于传输到机器控制6。提供了未受干扰的24V控制电压。该保护等级具有有助于提供上面所论述的浮动接地的阻抗。第四保护等级27连接至到机器控制6的接口28（线13），到机器控制6的接口28还是传感器电子装置21的一部分，并且通过到机器控制6的接口28高度调整装置3被寻址（线14）。

Claims (13)

1.一种等离子切割机，包括

（a）等离子燃烧器（1），能够借助于移动单元移动所述等离子燃烧器（1），

（b）距离传感器，能够在低压电平下使所述距离传感器致动， 并且所述距离传感器具有用于确定要加工的工件（4）和所述等离子燃烧器（1）之间的距离的电子控制单元，

（c）点火装置，能够在高压电平下使所述点火装置致动，借助于所述点火装置能够触发点火过程，

（d）以及保护装置（5），所述保护装置（5）与所述等离子燃烧器（1）一起移动，用于相对于由所述点火过程产生的干扰电压保护所述电子控制单元，

其特征在于，所述保护装置（5）包含电子电路，所述电子电路包括用于所述距离传感器的所述电子控制单元、具有多个保护等级的用于减少所述干扰电压的保护电路（23）和到机器控制（6）的接口（28）。

2.如权利要求1所述的等离子切割机，其特征在于，第一保护等级（24）具有到所述工件（4）的电连接，并且被设计为用于减少具有大于100V的干扰电压的高压电平，所述第一保护等级（24）包括二极管和高频滤波器。

3.如权利要求1所述的等离子切割机，其特征在于，以电流补偿线圈的形式的阻抗被提供在第一保护等级（24）和第二保护等级（25）之间。

4.如权利要求3所述的等离子切割机，其特征在于，所述第二保护等级（25）具有电位分离，该具有电位分离具有至少一个DC/DC转换器和光耦合器。

5.如权利要求3所述的等离子切割机，其特征在于，用于所述保护等级的部件的电力供应的供电线被提供在所述第二保护等级（25）和第三保护等级（26）之间，并且所述供电线具有插入其中的低通滤波器和保护二极管。

6.如前述权利要求1至5中任一项所述的等离子切割机，其特征在于，所述保护电路（23）包括针对来自电压源的接地极的过压和干扰频率的一个或多个保护等级（24；25；26；27）。

7.如权利要求6所述的等离子切割机，其特征在于，电连接到所述接地极的接地线被提供在第二保护等级（25）和第三保护等级（26）之间，并且所述接地线具有插入其中的低通滤波器和保护二极管。

8.如权利要求5所述的等离子切割机，其特征在于，所述低通滤波器被配置为LC构件。

9.如权利要求3所述的等离子切割机，其特征在于，在所述第二保护等级（25）处生成第一接地电位，并且在第三保护等级（26）处生成第二接地电位，所述第一接地电位和所述第二接地电位共同形成浮动接地。

10.如权利要求9所述的等离子切割机，其特征在于，所述第三保护等级（26）是接地电位保护接线，所述接地电位保护接线包括依据频率的线圈和快速二极管和电容器的形式的多个阻抗。

11.如前述权利要求1至5中任一项所述的等离子切割机，其特征在于，配备有多个阻抗的第四保护等级（27）被提供且连接至到所述机器控制（6）的所述接口（28）。

12.如前述权利要求1至5中任一项所述的等离子切割机，其特征在于，所述接口（28）被连接到用于距离测量的所述电子控制单元。

13.一种用于操作如权利要求1至12中任一项所述的等离子切割机的方法，其中所述距离传感器的所述电子控制单元（21）致动用于所述等离子燃烧器（1）的所述移动单元，使得所述燃烧器被安装在要加工的所述工件（4）上，由所述电子控制单元将所述安装记录为电信号，并且生成用于距离测量的参考点，于是致动所述移动单元，使得所述等离子燃烧器（1）被移动到所述工件之上的工作位置中，并且然后借助于在高压电平下的所述点火装置触发点火过程，其中借助于与所述等离子燃烧器（1）一起移动的所述保护装置（5）减少由所述点火过程产生的干扰电压，其中电子电路被用作所述保护装置（5），所述电子电路包括用于所述距离传感器的所述电子控制单元和包括多个保护等级（24；25；26；27）的用于减少所述干扰电压的保护电路（23），以及到机器控制（6）的接口（28）。