CN109475967A - 具有包括可移动等离子体喷嘴的外壳的自动化等离子体切割设备以及等离子体切割系统 - Google Patents

Abstract

一种等离子体切割设备(1)包含外壳(12)、工件支撑件(14)、可移动等离子体喷嘴(16)和喷嘴驱动布置。外壳(12)包含：底座(18)；竖立台座(20)，从底座(18)向上延伸；以及固定头部(22)，从竖立台座(18)悬伸。工件支撑件(14)从竖立台座(18)延伸并位于固定头部(22)之下。喷嘴(16)从固定头部(22)的下侧向下延伸，并且被取向成大体上沿着一个方向并朝向工件支撑件(14)上的工件输送切割等离子体。喷嘴驱动布置被安装到固定头部(22)，并被连接以在切割操作期间移动等离子体喷嘴(16)。

Description

具有包括可移动等离子体喷嘴的外壳的自动化等离子体切割 设备以及等离子体切割系统

相关申请的交叉引用

本申请主张2016年7月29日申请的第62/368,249号美国临时申请的优先权，所述美国临时申请的全部内容以引用方式并入本文中。

技术领域

本申请总的来说涉及用于切割金属的切割机，并且更明确地说，涉及良好适用于车间环境中并可被携带到工作现场的等离子体切割机。

背景技术

典型生产用等离子体切割机是针对大规模工业应用而设计的，在这类大规模工业应用中，设计是无法反复更改的。大多数紧凑型等离子体切割台基本上是生产用等离子体切割台的小型版本，具有许多相同缺点，这些缺点包含通常仅限于切割平坦(大体上不弯曲的)的部件并且无法容易地被调整以在切割和/或所切割部件方面产生变化。

典型生产用等离子体切割机使用围住材料片的台架系统。已知的悬臂装置在加工材料时通常仅沿一个切割方向平移，通常是对在悬臂喷嘴下面连续地经过的管材的加工。需要独立悬臂装置，其中工件并不移动并且切割机的相对位置完全由上方的驱动布置控制。

等离子体输送的仅有的已知用途经由手动操作的焰炬或被配备成安装到第三方CNC工作台和机器中的机器焰炬而实现。前面两种形式都包含接收典型等离子体磨损耗材(例如(但不限于)末端、电极和涡流环)的喷嘴主体。焰炬还永久组装有较大体积和长度的缆线，该缆线通常包含必要的气体软管、电压导线和反馈导线。这些焰炬配置使得实现到紧凑型切割设备中变得麻烦且昂贵，并且需要增大的空间范围来进行操作。

金属的替代仿形切割机包含冲床和铁器加工机。这些机器需要针对对应形状使用模具组，并且不适用于超过单个圆形孔的定制计算机设计配置文件的发展需要。这些机器还是笨重的，从而基于液压吨位具有有限的材料厚度能力。市场上容易购得的最低功率等离子体供应发生器容易超过这些典型厚度限制。

希望提供适用于典型车间环境的需要并可被携带到工作现场的简单紧凑的切割设备。需要适用于多用户多材料环境的灵活、合乎需要的等离子体切割机。

发明内容

在一个方面中，一种等离子体切割设备包含外壳、工件支撑件、可移动等离子体喷嘴和喷嘴驱动布置。外壳包含：底座；竖立台座，从底座向上延伸；以及固定头部，从竖立台座悬伸。工件支撑件从竖立台座延伸并位于固定头部之下。喷嘴从固定头部的下侧向下延伸，并且被取向成大体上沿着一个方向并朝向工件支撑件上的工件输送切割等离子体。喷嘴驱动布置安装到固定头部，并被连接以在切割操作期间移动等离子体喷嘴。

在一个实施方案中，等离子体切割设备包含控制器，其中所述控制器处于外壳内并连接到喷嘴驱动布置和等离子体喷嘴。

在一个实施方案中，等离子体切割设备还在外壳上包含用户界面。

在一个实施方案中，等离子体切割设备允许从预编程的控制器进行圆形切割图案的用户选择并从金属工件切割圆形。

在另一实施方案中，等离子体切割设备还包含：等离子体供应气体和电压输送网络，完全处于外壳内；以及等离子体喷嘴，从固定的等离子体输入端口开始延伸，该等离子体输入端口被设置成对应于等离子体喷嘴。

在一个实施方案中，工件支撑件沿台座的高度是可调整的。

在一个实施方案中，等离子体切割设备还包含对准机构。

在一个实施方案中，悬伸头部的覆盖面积和底座的覆盖面积是实质上相同的。

在另一方面中，一种自动化等离子体切割系统包含：自动化等离子体切割设备；等离子体电弧功率发生器；以及导线和软管的外部铠装线铠装线，其在等离子体切割设备与等离子体电弧功率发生器之间直接连接且通信。

通过直接将喷嘴主体实现到切割设备中，等离子体供应气体、电压和反馈可经由软管和导线的较紧凑的、灵活的且较低成本的网络而传输。这可进一步消除软管和导线上以及喷嘴驱动部件上的过度机械应力。

一个或更多个实施例的细节阐述在附图和下文描述中。其它特征、目标和优点将从描述和附图以及权利要求书变得清楚。

附图说明

图1是示范性等离子体切割设备的示意图；

图2是图1所示的等离子体切割设备的侧视图；

图3是图1所示的等离子体切割设备的前视图；

图4是图1所示的等离子体切割设备的后视图；

图5是图1所示的等离子体切割设备的前视透视图，示出一些内部部件；

图6A到图6B是自动化等离子体切割系统的示意图；

图7是图1所示的等离子体切割设备的前视图，显示出可选的特征；

图8A到图8C是等离子体切割设备的示范性用户界面的详细视图；以及

图9到图11示出适于连接到等离子体电弧源的等离子体切割设备的另一实施例。

具体实施方式

参照图1到图8C，等离子体切割设备10包含外壳12、工件支撑件14、可移动等离子体喷嘴16和喷嘴驱动布置15。外壳12包含：底座18；竖立台座20，从底座向上延伸；以及固定头部22，从竖立台座20悬伸。工件支撑件14从竖立台座20延伸并位于固定头部22之下。喷嘴16从固定头部22的下侧向下延伸，并且被取向成大体上沿着一个方向(例如，此处垂直向下)并朝向工件支撑件14上的工件101输送切割等离子体。

喷嘴驱动布置15安装到固定头部22，并被连接以在切割操作期间移动等离子体喷嘴16。例如，喷嘴驱动布置可在头部之上或从头部悬伸，或上述两者的组合。如图5所示，喷嘴驱动布置可完全被包围在头部22内。布置15可采取间隔开的导轨或轨道17以及一组交叉的导轨或轨道19的形式，其中喷嘴16被安装成在交叉的导轨或轨道19上横向移动(例如，在例如步进电机等电机或线性致动器的控制下)，并且交叉的导轨或轨道19被安装成沿着间隔开的导轨或轨道17前后移动(例如，在例如步进电机等电机或线性致动器的控制下)。等离子体喷嘴16的移动可在工件支撑件14的平面上的任何方向上。因此，如果工件支撑件14被视为X-Y平面，那么喷嘴驱动布置15可将等离子体喷嘴16定位在此X-Y平面的任何坐标处。

喷嘴驱动布置15可包含用于在切割操作期间相对于工件自动地调整喷嘴高度的构件。这通常被称为焰炬高度控制(THC)，并且若干实例是已知的，其中一种方法使用电压感测反馈。

工件支撑件14沿台座20的高度是可调整的。在一个实施例中，这可通过简单地将支撑件向上或向下以齿合方式移动经过与台座20成整体的一个或更多个带刻度的凹口或支撑部来实现。在其它实施例中，齿条与小齿轮装置可设置在外壳12内，并且通过外部旋钮或手柄24来手动致动。电动高度调整(例如，电机或线性致动器)也是可能的。

外壳12可包含与固定头部22相关联的一个或多个可移除盖面板25，其中盖面板25在正常切割操作期间覆盖并保护外壳12部件，但允许不经常地维修或维护喷嘴驱动布置15和头部中的其它机器部件。

如图1所示，等离子体切割设备10可包含收集盘26，其中收集盘26可收集已穿过工件支撑件14中的开口的切割部分或灰尘和/或在切割过程期间使用的任何冷却水。收集盘26可搁置在底座18上，从工件支撑件14悬伸，或直接安装到台座20。如图7所示，收集盘26被移除。

如图7所示，在固定头部22的下侧可包含等离子体挡板28，并且等离子体挡板28可沿着固定头部22的至少前侧部分、左侧部分和右侧部分围绕等离子体喷嘴16而设置。在图7中，挡板28的部分视图被示出在固定头部22的左侧部分上。此等离子体挡板28可以是有色的，以便不仅在针对切割而产生的等离子体周围提供物理遮挡，还提供能量遮挡以帮助保护用户的眼睛。等离子体挡板28的高度也可升高和降低以有助于在切割之前对准等离子体喷嘴16以及访问等离子体喷嘴16来维修和/或更换等离子体喷嘴16。高度调整可通过手柄27来实现。或者，高度调整可通过驱动布置(例如，电机或线性致动器)来实现，该驱动布置包含在外壳12内以进行等离子体挡板28的高度的电动调整。

如最清楚地在图4中示出的，外壳12的台座20可包含用于将等离子体源气体、信息或电力引入到等离子体切割设备10中的各种端口。这些端口可集中在一起，作为一个阵列或群组结构32。示范性端口包含用于等离子体供应空气、电压、接地和系统反馈中的每一个的固定耦接件，被统一示出为端口组36。额外端口可包含通用串行总线端口38和固定电力入口耦接件42。为了方便，此端口组32可包含在等离子体切割设备10的后部上。

端口组36为如直接从等离子体供应器接收的等离子体源气体、电压、接地和系统反馈提供入口。针对气体和电压的典型等离子体供应输出在一根缆线上被输送到喷嘴，系统反馈是在此缆线上从喷嘴接收并经由独立通信缆线(例如，以太网)输送到独立机器控制器，并且接地经由通常在一端附加到线夹的独立导线进行。缆线、以太网和接地导线可以或不可以与等离子体供应器分离。在切割设备10处对这些输入和信号的接收和通信取决于等离子体供应器的具体输出配置。因此，软管和配线的外部铠装线铠装线103是优选的，用以在端口组36处直接将等离子体供应器连接到切割设备10。

如图5示意性地示出，用于在端口组36与喷嘴16之间输送等离子体供应气体和电压的软管和配线的网络35可完全包含在外壳12和喷嘴16内。头部22中的网络35的至少一部分可以是柔性的，以有助于喷嘴移动(例如，如在盘管状空气软管中)。

端口组36可包含气体供应、电压路径、接地路径以及一个或更多个状态反馈路径。以此方式，独立等离子体电弧功率发生器102可附接到等离子体切割设备10，并且信号可在从等离子体电弧功率发生器开始与返回到等离子体电弧功率发生器这两个的方向上在等离子体切割设备10与等离子体电弧功率发生器102之间传递。因此，使用在两个单元之间反馈的系统，有效量的电力可用于产生切割等离子体。

可使多个等离子体供应接地路径可供使用。工件101接地的一个优选位置是经由工件支撑件14而进行的。或者，可提供固定的接地路径耦接件40并用于使用可拆卸的缆线以及连接到耦接件40的线夹而直接将工件101接地。等离子体操作在没有适当工件接地的情况下是不可以进行的，因此需要遍及切割设备地设置广泛的且有冗余的接地路径。

如图6A到图6B所示，完整的自动化等离子体切割系统200包含：自动化等离子体切割设备10；等离子体电弧功率发生器102；以及软管和配线(示意性地示出)的外部铠装线103，其直接连接在等离子体切割设备与等离子体电弧功率发生器之间并且进行通信。取决于等离子体电弧功率发生器102上的输出的数量和类型，外部铠装线可包含一个或多个导线、缆线或软管。外部铠装线103与喷嘴16不具有直接的气体或电压供应或通信手段，除了经由切割设备10和端口组36。图6A示出常规工作台上的典型车间环境配置，而图6B示出地板布置。

虽然等离子体切割设备10可用基本切割形状进行预编程，但如下文更全面地描述，通用串行总线端口38、54可用于导入较复杂的切割形状的编程。作为附加或替代，等离子体切割设备10也可包含用于导入此编程的无线网络无线电装置。

等离子体切割设备10也可在外壳12上包含用户界面44。方便起见，用户界面44可被包含在等离子体切割设备10的前部上，特别是头部22上，并且可由显示器66、开关、按钮、旋钮和/或数据端口形成。

如图5所示，等离子体切割设备10包含控制器100，其中控制器100处于外壳12内并被连接以控制喷嘴驱动布置15和等离子体喷嘴16以根据将在工件101中作出的指定切割图案而控制等离子体喷嘴移动和等离子体喷嘴射击。如本文所使用，术语控制器希望广泛地涵盖任何电路(例如，固态电路、专用集成电路(ASIC)、电子电路、组合逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA))、处理器(例如，共享处理器、专用处理器或群组处理器，包含执行代码的硬件或软件)、软件、固件和/或其它部件、或上述电路、处理器或部件中的一些或全部的组合，它们执行所述机器的控制功能或其任何部件的控制功能。控制器可还包含本地存储且可存取的非暂时性存储器，其中所述非暂时性存储器例如包含切割图案(例如，G代码)。切割图案可包含或可不包含可供用户经由用户界面进行调整的可变参数。

为方便起见，控制器100可被配置成对喷嘴驱动布置15的操作发生作用以在给定切割过程结束后执行等离子体喷嘴的自动复位操作。此外，控制器可被配置成自动将某些图形格式转换为G代码以进行喷嘴驱动布置的操作和等离子体喷嘴射击。

如最清楚地在图3和图8A到图8C中示出，用户界面44可包含多个可选择的标准切割形状输入。便利的标准切割形状可包含圆形、长方形(或正方形)或线条(或狭槽)。圆形允许引入孔，并且可允许等离子体切割设备10在制造具有孔的部件时替换标准钻压机器。用户界面44可还包含尺寸调整旋钮48以增大标准切割圆形的半径、标准切割长方形的边长以及标准切割线条的长度。此外，用户界面44可包含喷嘴速度输入50。可选用的切缝位置调整输入52允许切换切缝位置，在等离子体切割设备10将用于制造切块(即，从工件移除的部件被保持，而剩余工件被丢弃)与孔(即，工件被保持，而所移除的部件被丢弃)两者的情况下，这是便利的。在图3中被示出为通用串行总线端口的数据输入端口54可用于接收定制切割数据，正如上述的通用串行总线端口38那样。通过通用串行总线的闪速存储器和/或经由wifi连接而接收切割数据是可能的。用户界面44可还包含发光启动按钮56，其中发光启动按钮56可按一种颜色点亮以指示等离子体切割设备10的正确接地和整体就绪状态，并且可按不同颜色点亮以指示切割正在进行。例如，发光启动按钮56可以绿色发光以指示设备已作好切割的准备，并且可以红色发光以指示设备正执行切割。

如图8A到图8C所示，用户界面44可显示各种预编程的配置。图8a示出一组触摸屏选择控件，其中所述触摸屏选择控件可用于选择切割的形状，例如，圆形58、狭槽60、正方形62和长方形64。尺寸调整旋钮48可以是触摸屏的整体部件，如图8A所示，但也可以是独立控件，如图3所示。通过如下方式来选择尺寸：旋转旋钮直到适当尺寸显示在显示器66上。对于圆形58来说，所显示的值是半径。对于狭槽60来说，所显示的值是长度。对于正方形62来说，所显示的值是边长。对于长方形64来说，显示两个值，即每个边的边长。每一标准切割形状可具有与其相关联的指示灯。在一个实例中，指示灯针对所选择的形状68被示出为一种颜色，并且针对未选择的形状70被示出为另一颜色。

图8B示出用户界面44的另一选项。此处，触摸屏控件允许选择其中一个形状，并且独立控件接着用于控制这些形状的尺寸，如图8C所示。在图8C中，所选择的形状72被示出，并且尺寸调整控件74用于设定相关尺寸。

将被切割的工件上的开始位置可使用许多对准机构中的一个来对准。最简单的对准机构可包含沿着等离子体喷嘴16并向下指向工件101的激光指示器。或者，所意欲的切口的整个轮廓可使用常规投影技术而投影到工件上。作为另一替代方案，可安装相机以沿着等离子体喷嘴16进行观察，并且从此相机显示的图像可包含所意欲的切口的轮廓。又一替代方案是对准透镜和镜面以允许用户在观察落在透镜内的、构建在工件101上的对准标记的同时从设备的前部中操作等离子体切割设备10。

等离子体切割设备10使用图4所示的固定的电力输入耦接件42作为将来自典型壁式插座的正常电源电力(120V或240V)连接到等离子体切割设备10的手段。

参照图7，喷嘴16的区段16A相对于工件支撑件14的角度可以是可调整的，以在工件(未示出)中产生斜角切割。使喷嘴成角度的其它可能用途包含补偿已知拔模角以及因切割过程所致的可见条纹图案。

喷嘴16包括业内已知的典型等离子体磨损耗材，例如(但不限于)末端、电极和涡流环。喷嘴主体可被限定为接收等离子体磨损耗材。

在另一实施例中，外壳12可包含切割机构(例如，等离子体喷嘴16)，其中所述切割机构被安装成大体上沿着一个方向或维度输送切割等离子体，并输送到工件支撑件14上的工件101。外壳可还含有等离子体源导管网络35、用户界面44、控制器100和固定的端口组36，其中固定的端口组36用于接收等离子体供应气体、电压、接地和系统反馈。等离子体源导管网络35连接切割机构和至少一个固定的端口组36，并且在等离子体切割设备的操作期间完全被包围在外壳和切割机构内。

切割等离子体相对于工件支撑件14的位置可在所述一个方向或维度的两个正交方向上进行调整，而不必调整工件支撑件14、台座20和顶部22之间的相对位置。因此，工件支撑件14可在切割期间保持固定。

典型机器焰炬反馈信号包含确定移动和电压感测。这些反馈信号通常从喷嘴传输到等离子体功率供应器，并接着传输到独立运动控制器。在优选实施例中，反馈信号和运动控制器与切割设备是独立的。

在一个实施例中，头部22的投影长方形覆盖区域的面积可以是底座的投影长方形覆盖区域的面积的至少70％并且不超过底座的投影长方形覆盖区域的面积的130％。如本文所使用，投影长方形覆盖区域的面积表示通过将(头部或底座的)最大前后尺寸与(头部或底座的)最大横向尺寸相乘来确定的面积。在所图示的实施例中，头部的投影长方形覆盖区域的面积与底座的投影长方形覆盖区域的面积实质上相同。

应清楚地理解，上文的描述希望仅作为说明和实例，不希望被视为限制性的，并且其它改变和修改是可能的。例如，示出此切割设备110的替代实施例，其具有底座112、台座114、悬伸头部116、工件支撑件118、等离子体喷嘴120、挡板122和固定耦接件124，并且具有软管或管材和配线126的内部集合。其它配置也是可能的。

Claims (20)

1.一种等离子体切割设备，包括：

外壳，包括：底座；竖立台座，从所述底座向上延伸；以及固定头部，从所述竖立台座悬伸；

工件支撑件，从所述竖立台座延伸并位于所述固定头部之下；

可移动的等离子体喷嘴，从所述固定头部的下侧向下延伸，并且被取向成大体上沿着一个方向并朝向所述工件支撑件上的工件输送切割等离子体；以及

喷嘴驱动布置，被安装到所述固定头部，并被连接以在切割操作期间移动所述等离子体喷嘴。

2.根据权利要求1所述的等离子体切割设备，其中：

所述喷嘴驱动布置被配置成在实质上垂直于所述一个方向的第一方向以及实质上既垂直于所述一个方向又垂直于所述第一方向的第二方向上移动所述等离子体喷嘴；并且

所述喷嘴驱动布置被配置成在实质上平行于所述一个方向的第三方向上移动所述等离子体喷嘴，从而在切割操作期间实现喷嘴相对于所述工件的距离的变化和/或控制。

3.根据权利要求1所述的等离子体切割设备，其中所述工件支撑件沿所述台座的高度是可调整的。

4.根据权利要求1所述的等离子体切割设备，还包括控制器，所述控制器处于所述外壳内并被连接以控制所述喷嘴驱动布置和所述等离子体喷嘴以根据将在工件中作出的指定切割图案而控制等离子体喷嘴移动和等离子体喷嘴射击。

5.根据权利要求4所述的等离子体切割设备，其中所述控制器包括存储一个或更多个切割图案的机载非暂时性存储器。

6.根据权利要求5所述的等离子体切割设备，还在所述外壳上包括用户界面。

7.根据权利要求6所述的等离子体切割设备，其中所述用户界面包含用于访问本地存储的切割图案的可选择输入。

8.根据权利要求7所述的等离子体切割设备，其中所述用户界面包含圆形孔切割图案和圆形孔尺寸的可选择输入。

9.根据权利要求6所述的等离子体切割设备，其中所述用户界面包含喷嘴速度的可选择输入和/或自动喷嘴速度调整的选择。

10.根据权利要求1所述的等离子体切割设备，还包含被配置成从外部源接收定制切割图案信息的一个或更多个数据端口。

11.根据权利要求1所述的等离子体切割设备，还包含对准机构。

12.根据权利要求1所述的等离子体切割设备，其中喷嘴末端相对于所述工件支撑件的角度是可调整的。

13.根据权利要求1所述的等离子体切割设备，其中所述工件支撑件接地到等离子体供应接地路径。

14.根据权利要求1所述的切割设备，还包含永久的、可移除的或可弯折的挡板。

15.根据权利要求1所述的切割设备，还包含在所述工件支撑件下的可移除承接盘。

16.根据权利要求1所述的切割设备，其中所述头部的投影长方形覆盖区域是所述底座的投影长方形覆盖区域的面积的至少70％并且不超过所述底座的所述投影长方形覆盖区域的所述面积的130％。

17.一种等离子体切割设备，包括：

外壳，包括用于接收等离子体供应气体、等离子体电压、等离子体接地和等离子体系统反馈的一个或更多个固定的耦接件；

可移动的喷嘴主体，安装在所述外壳上以进行移动，所述可移动的喷嘴主体包含可更换的磨损部件；

软管和配线的网络，用于在所述固定的耦接件与所述喷嘴主体之间传输等离子体供应气体和等离子体电压，其中所述软管和配线的网络(35)被包围在所述外壳和所述喷嘴主体内。

18.根据权利要求17所述的等离子体切割设备，其中所述软管和配线完全被包围在所述外壳和所述喷嘴主体内。

19.根据权利要求17所述的等离子体切割设备，其中所述喷嘴主体是不可转移的。

20.一种等离子体切割系统，包括：

自动化等离子体切割设备，包含安装在上面的可移动的等离子体喷嘴主体；

远程等离子体电弧功率发生器；以及

软管和配线的外部铠装线，在所述等离子体切割设备与所述等离子体电弧功率发生器之间直接连接和通信。