CN109877431A - 双枪逆变式空气等离子切割机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双枪逆变式空气等离子切割机，包括壳体及设置在壳体内部的控制模块，切割机上设有两路割炬，分别作为自动切割和人工切割；控制模块包括电源控制电路、高频电路、气路控制电路和微控制器；电源控制电路用于将外部输入的工频交流电转换为符合割炬工作的直流电；每一路割炬的输入端都连接有高频电路，独立的高频电路用于分别实现两把割炬的引弧，以实现切割工作；气路控制电路将输入至切割机内部的压缩空气分为两路输出，包括A路和B路，以向不同的割炬供气，实现切割和冷却的工作。本发明的切割机设置了两路割炬，通过其内部控制模块可切换两把割炬的工作，以实现整体工件的切割和余角废料的切割，提高了工作效率。

Description

双枪逆变式空气等离子切割机

技术领域

本发明涉及双枪等离子切割技术领域，特别是涉及一种双枪逆变式空气等离子切割机。

背景技术

目前市面上的金属切割常用火焰和常规等离子切割等类型。对于火焰切割因其使用乙炔氧气切割，使用成本高，对于设备使用的安全要求也很高，且切割时对环境污染很重。而常规等离子切割因为使用空气和电能的原因，其具有高效节能，切割成本低，安全性高等特点得以广泛使用，特别是数控平台结合等离子切割，实现了自动高效的金属切割。但是由于等离子切割是使用电离压缩空气从而形成等离子弧柱，在对厚金属切割时，其末尾会因弧柱的偏移而产生一个余角不能切断，严重影响了工作效率。而且采用数控平台切割后的废料同样还需要人工来将断料切割。且对于较厚的工件需要大电流水冷割炬才能隔断，而薄板只需要小电流气冷割炬就能满足其切割要求，若薄板切割使用大电流等离子切割机工作，其切割缝隙过大，浪费材料的同时也增加了切割成本。所以一般切割工艺采用另外的切割方式或另外配置一台等离子切割机来切割余角废料或者以实现薄板的切割，但这样一项工作使用两套设备，提高了设备投入成本和相关的配套设施要求。所以说提出一种双割炬的等离子切割机是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于：为了克服上述缺陷，提出一种双枪逆变式空气等离子切割机能够在一套设备上同时挂接两套等离子割炬，以实现数控平台切割和人工切割工作，提高切割效率的同时降低切割的成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：双枪逆变式空气等离子切割机，包括壳体及设置在壳体内部的控制模块，切割机上设有两路割炬接口，分别连接外部自动切割割炬和人工切割割炬；控制模块包括电源控制电路、高频电路、气路控制电路和微控制器，其中电源控制电路、高频电路、气路控制电路均与微控制器连接；

电源控制电路用于将外部输入的工频交流电转换为符合割炬工作的直流电；电源控制模块中还设有反馈控制模块以实现切割机的闭环控制，以向割炬输入恒定的电流，得到稳定的电弧；

每一路割炬的输入端都连接有高频电路，独立的两路高频电路分别用于实现两把割炬的引弧，以实现切割工作，高频电路连接在微控制器与电源控制电路之间，包括高频发生板和高频互感器，高频互感器次级侧的一端与割炬连接，其另一端通过引弧线与电源控制电路的输出端连接，如此以在割炬与引弧线之间产生可以引弧的高压；

气路控制电路将输入至切割机内部的压缩空气分两路输出，包括A路和B路，以向不同的割炬供气，实现切割和冷却的工作。

进一步地，电源控制电路包括输入整流电路、IGBT逆变电路和输出整流电路，输入整流电路作为整个电源控制电路的输入端与外部交流电连接， IGBT逆变电路连接在输入整流电路和输出整流电路之间，输出整流电路作为电源控制电路的输出端与割炬的输入端连接，以向割炬供电。

进一步地，所述IGBT逆变电路与输出整流电路之间还设有变压器T1，以将IGBT逆变电路输出的高压中频电转换为低压中频电再输出至输出整流电路中。

进一步地，所述电源控制电路中还分别设有滤波电路，包括输入滤波电路和输出滤波电路，以保证电路系统中电流的平滑性。

进一步地，所述高频发生板的输入端与微控制器连接，其输出端与高频互感器的初级侧连接。

进一步地，所述气路控制电路将输入切割机内部的压缩空气分为等离子气流和引弧气流两路导通。

进一步地，所述等离子气流和引弧气流两路按切割状态导通后合并成一路，再通过电磁阀YV3切换A、B两路为工作的割炬供气。

进一步地，所述气路控制电路的进气气路上设置有电磁阀YV1，可控制该气路等离子气流的通断，进气气路上还并联设有电磁阀YV2和节流阀DV1，节流阀DV1的输入端与电磁阀YV2的输出端连接，通过节流阀DV1与电磁阀YV2的配合，可控制该气路中的引弧气流量以向割炬提供引弧气体；电磁阀YV1与节流阀DV1的输出端均与电磁阀YV3的输入端连接，电磁阀YV3的A、B两路输出端分别连接至两路割炬的输入端，电磁阀YV3用于为要工作的割炬供气。

由于采用了上述方案，本发明的有益效果在于：本发明提出一种双枪逆变式空气等离子切割机，其好处是：

（1）本发明的切割机设置了两路割炬接口，通过其内部控制模块可快捷切换两把割炬的工作，以实现整体工件的切割和余角废料的切割，提高了工作效率。且两路割炬的设置可兼顾薄件与厚件对不同割炬的配置要求，减少了设备、场地的投入，降低了切割成本。

（2）本发明的电源控制模块中采用多个电路对外部输入的工频交流电进行处理，并结合反馈控制模块，避免出现切口不齐、熔渣堆积等问题影响影响割炬的正常切割工作。

（3）本发明的气路控制电路采用大气流、小气流两路控制，以分别配合割炬的引弧、切割和冷却工作，提高了不同品牌、不同型号的割炬对切割气体流量要求的适应性。

（4）本发明采用独立的两路高频电路以分别对两把割炬进行引弧，保证了切割工作的正常运行。高频电路采用分开设立的方式保证了工作过程的安全，还可有效避免因误操作或割炬损坏原因长期引弧造成对外部的严重电磁干扰。

附图说明

图1是本发明所述控制模块的原理框图。

图2是本发明所述气路控制电路的电气原理图。

图3是本发明所述控制模块中高压电路的电气原理图。

图4是本发明所述电源控制电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例

如图1所示，双枪逆变式空气等离子切割机，包括壳体及集成设置在壳体内部的控制模块，控制模块包括电源控制电路、高频电路、气路控制电路和微控制器，其中电源控制电路、高频电路、气路控制电路均与微控制器连接，微控制器的型号为arm stm32f103。切割机上设有两路割炬接口以外接两把割炬，分别为一把水冷割炬作为主切割割炬和一把气冷割炬作为手持割炬。切割机外部还连接有数字控制平台，通过数字控制平台与控制模块的配合可切换两把割炬分时工作以完成切割工作。数字控制平台为等离子切割机常用的外部控制设备，因此在这里不对其具体结构做详细描述。

具体地说，所述电源控制电路包括输入整流电路、IGBT逆变电路和输出整流电路。通过电源控制电路可将外部输入的交流电转换成符合割炬工作的直流电，以在外部数字控制平台的配合下，保证两路割炬的正常切换与工作。

具体地说，所述输入整流电路用于将输入切割机的外部工频交流电整流变为直流电并输出至IGBT逆变电路，在外部工频交流电与输入整流电路之间设有断路器，以实现电源严重故障时断开外部工频交流电避免故障扩大化，如图3所示。所述输入整流电路包括电容C1~C3、整流模块和电阻R1，其中整流模块由二极管D1~D6构成。外部工频交流电进入整流输入电路后分别连接在整流模块的三个输入端之间，即二极管D1~D3的一端，二极管D1~D3的一端还连接至二极管D4~D6的另一端和电容C1~C3的一端，电容C1的另一端与电容C2、C3的另一端连接。二极管D1的另一端连接至二极管D2、D3、电阻R1的另一端，二极管D4的一端与二极管D5、D6、电阻R1的一端连接。二极管D1~D3的另一端和二极管D4~D6的一端为整流模块的正负输出端，并且作为该输入整流电路的输出端与IGBT逆变电路的输入端连接。其中电阻R1接于整流模块的正负输出端之间作为防外部交流电浪涌高压保护，通过整流模块、电容C1~C3和压敏电阻R1组成整流，有效的将输入的交流电整流为高压直流电。

进一步地，在输入整流电路与IGBT逆变电路之间还连接有输入滤波电路，用于对输入IGBT逆变电路中的直流电进行滤波，以滤去交流成分，保证后续电路的稳定进行。所述输入滤波电路包括电感L1、滤波电容C4~C8和电阻R2、R3，电感L1的另一端和电容C4的一端分别作为该电路的输入端与输入整流电路的输出端连接，电感L1的另一端还连接至电容C6、C7和电阻R1的另一端连接，电感L1的一端连接至电容C4、C5的另一端，电容C4的一端还连接至电容C5、C6、C8和电阻R3的一端，电容C7的一端与电阻C8的另一端连接，电阻R2的一端和电阻R3的另一端连接。其中电容C7的另一端和电容C8的一端分别作为该电路的输出端与IGBT逆变电路的输入端连接。电感L1与电容C4串联后再与电容C8并联，可有效的过滤掉直流电中的交流成分，电阻R2、R3串联后再并联至电容C6两端，作为断电后滤波电容储能的泄放回路，保证滤波效果。

所述IGBT逆变电路用于将输入的直流电逆变成高压中频电后，输出至输出整流电路中。所述IGBT逆变电路包括IGBT Q1~Q4、电容C9~C11和电感L2，所述IGBT Q1、Q3的集电极相连，IGBT Q2、Q4的发射极相连，并且分别作为该电路的输入端与输入滤波电路的输出端连接， IGBT Q1的发射极与IGBT Q2的集电极连接并连接至电感L2的一端，电感L2的另一端连接至电容C11的一端，电容C11的另一端作为全桥逆变的输出A端；电容C9接于IGBT Q1的发射极与集电极之间，电容C10接于IGBT Q2的集电极与发射极之间，电容C9、C10与IGBTQ1、Q2的配合实现零电压开启；IGBT Q4的集电极与IGBT Q3的发射极连接并作为全桥逆变的输出B端。电感L2和电容C11的串联与IGBT Q3、Q4的配合实现零电流关闭。通过IGBT Q1~Q4的两两串联再并联，实现直流电的软开关逆变，可保证4个IGBT的正常工作。

IGBT逆变电路与输出整流电路之间还连接有变压器T1，变压器T1用于将IGBT逆变电路中输出的高压中频电转换为低压中频电，变压器T1采用非晶变压器即可实现能量的转换。IGBT逆变电路的输出A、B端与变压器T1的初级侧连接，变压器的次级侧与输出整流电路的输入端连接，以将转换后的低压中频电传输至输出整流电路中。

所述输出整流电路用于将转化后的低压低频电整流成直流电以向切割机的割炬供电，输出整流电路包括电阻R4~R7、电容C12~C15和二极管D7~D10。具体地说，所述二极管D7的一端和二极管D10的另一端作为该电路的输入端与变压器T1的次级侧连接，二极管D7的一端还连接至电容C12的一端和二极管D9、电阻R6的另一端，电容C12的另一端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与二极管D7、D8和电阻R5的另一端连接，电阻R6的一端连接至电容C14的另一端，电容C14的一端与二极管D9、D10和电容C15的一端连接，电容C15的另一端连接至电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接至二极管D10的另一端后与二极管D8和电容C13的一端连接，电容C13的另一端与电阻R5的一端连接。二极管D8的另一端和二极管D10的一端作为该电路的输出端。4个二极管采用桥式连接，电阻和电容串联后组成吸收回路再与二极管并联，其中电容可抑制反向的峰值电压对二极管的影响，吸收多余的能量，电阻可消耗能量，减弱振荡过程，保证二极管的正常工作，以实现信号的整流。

进一步地，为了保证电路系统中电流的平滑性，在输出整流电路的输出端与割炬的输入端之间还设有输出滤波电路。所述输出滤波电路包括电感L3和磁环电感L4，所述磁环电感L4、电感L3的一端分别作为该电路的输入端，过滤后的电流通过磁环电感L4和电感L3的另一端输出，磁环电感L4可有效抑制高频干扰，以向割炬提供其工作电流。电源控制电路采用多个电路对输入的工频交流电进行处理，对交流电进行多次处理，避免供电的不稳定，确保了最终输入割炬的电流为干净不带有杂质的、使其正常工作的直流电。

进一步地，因为当外界条件（如电网电压波动、输出电缆长度不同等）变化时，产生的电弧不稳定，会导致切口不齐、熔渣堆积等问题以影响切割的顺利进行，为了得到稳定的电弧，电源控制模块中还设有反馈控制模块，反馈控制模块与微控制器连接以实现切割机的闭环控制，如图1和图3所示。具体地说，所述反馈控制模块包括电流采样器和驱动模块，其中电流采样器使用高速的电流传感器即可进行电流的测定和采样，其型号采用TKC100BAR，驱动模块由驱动板U1组成，驱动板U1的型号为zx7-iiiqd。电流采样器连接在割炬的输入端，以获取输入割炬的实时切割电流，将实时切割电流与外部数字控制平台设定好的标准电流比较后，再输出至与电流采样器输出端连接的微控制器中，采集到电流采样器的信号后，微控制器控制与其连接的驱动板U1发出信号至IGBT逆变电路中，J1为IGBT逆变电路中设置的接收端，以接收来自驱动板U1发出的信号。如此，通过反馈控制模块，IGBT逆变电路即可获得一个恒定的脉冲信号，再通过其输出端连接的输出整流电路等以向割炬输入恒定的电流，从而输出可控大小的稳定的电弧，以确保割炬的正常工作。

进一步地，每一路割炬的输入端还连接有高频电路，独立的两路高频电路用于分别实现两把割炬的高频引弧，以实现切割工作，如图3所示。传统的等离子切割机中，只设有一路高频电路，所以为了实现两路割炬的正常切割，通常需要将高频电路进行分路，即将高频电路与一个切换开关连接，但因为高频电路在使用的时候，其电压高达上万伏。在这样的高压环境下，使用切换开关会有很大的安全隐患，且过高的电压也会出现切换开关无法进行切换的情况。所以本发明直接设置独立的两路高频电路，只需采用低压电对需要工作的高频电路进行供电使其工作，如此单独控制一路高频电路即可实现引弧，避免使用切换开关对高频电路进行高压的分路，保证了切割机在工作时的安全性。

具体地说，高频电路包括高频发生板及与高频发生板输出端连接的高频互感器，割炬的输入端与高频互感器次级侧的一端连接，高频互感器次级侧的另一端通过引弧线与输出滤波电路的正极输出端连接，高频发生板的输入端与微控制器连接。如此，通过引弧线即可产生可以引弧的高压，避免直接在割炬的供电端上产生高压引弧，保证了在高压下引弧的安全性，也降低了对两路割炬分别引弧的技术难度。高频发生板采用气焊行业中切割机常用的高频发生板，在这里不对其具体内部结构做详细描述。

进一步地，传统的等离子切割机，直接采用手动的气路选择开关以实现分别对两个割炬的供气，或者使用一个气路口，需要切换割炬时，操作人员手动将需要工作的割炬与气路口连接。以上的气路控制方式在切换割炬的时候，都需要现场的工作人员实时进行手动操作，增加了工作量。本发明的控制模块中还采用了一种新的气路控制电路，如图2所示。

具体地说，在等离子切割机的壳体上设有多个输入接口，以输入外部的压缩空气、冷却液等。从输入接口通入后的压缩空气在切割机内被分为两路输出，包括A路和B路，以分别向不同的割炬供气。所述气路控制电路将输入压缩空气分为等离子气流和引弧气流两路导通，进气气路上设有电磁阀YV1可控制该气路等离子气体的通断；进气气路上还并联设有电磁阀YV2和节流阀DV1，节流阀DV1的输入端与电磁阀YV2的输出端连接，通过节流阀DV1与电磁阀YV2的配合，可控制该气路中的引弧气流量以向割炬提供引弧气体；进气气路上还还连接有气压开关P1，以监测进气有无。电磁阀YV1与节流阀DV1的输出端均与电磁阀YV3的输入端连接，电磁阀YV3的A、B两路输出端分别连接至两路割炬的输入端，电磁阀YV3用于为要工作的割炬供气，电磁阀YV3选用5口2位的电磁阀。其中，电磁阀YV1、2、3、节流阀DV1与气压开关P1均与微控制器连接，以在切割机工作时，通过微控制器控制其通断。

具体工作时，通过外部数字控制平台选择要使用的割炬后，调整电磁阀YV3导通需要切割的割炬，接入的外部交流电通过控制电路处理后将工作直流电输入至待工作的割炬，同时，微控制器控制高频电路引弧，引弧时导通气路控制模块，即通过微控制器打开电磁阀YV2和节流阀DV1，以开启小流量气流引弧，等引弧成功后再打开电磁阀YV1开启大气流进行切割，切割完成后先关闭电磁阀YV1，电磁阀YV2延时关闭，引弧气用于冷却割炬，如此便完成了一个切割流程。

进一步地，由于工作环境的不同，切割机上设置的两路水冷割炬和手持割炬的线缆可以根据需要分别调整长度，便于切割操作。

进一步地，因为等离子切割机在长时间使用后，会产生热量，为了确保热量的快速扩散，在其壳体内，还设有冷却风机，冷却风机为切割机内常使用的设备，因此在这里不对其具体结构做详细描述。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征 进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.双枪逆变式空气等离子切割机，其特征在于：包括壳体及设置在壳体内部的控制模块，切割机上设有两路割炬接口，分别连接外部自动切割割炬和人工切割割炬；控制模块包括电源控制电路、高频电路、气路控制电路和微控制器，其中电源控制电路、高频电路、气路控制电路均与微控制器连接；

电源控制电路用于将外部输入的工频交流电转换为符合割炬工作的直流电；电源控制模块中还设有反馈控制模块以实现切割机的闭环控制，以向割炬输入恒定的电流，得到稳定的电弧；

每一路割炬的输入端都连接有高频电路，独立的两路高频电路分别用于实现两把割炬的引弧，以实现切割工作，高频电路连接在微控制器与电源控制电路之间，包括高频发生板和高频互感器，高频互感器次级侧的一端与割炬连接，其另一端通过引弧线与电源控制电路的输出端连接，如此以在割炬与引弧线之间产生可以引弧的高压；

气路控制电路将输入至切割机内部的压缩空气分两路输出，包括A路和B路，以向不同的割炬供气，实现切割和冷却的工作。

2.根据权利要求1所述的双枪逆变式空气等离子切割机，其特征在于：电源控制电路包括输入整流电路、IGBT逆变电路和输出整流电路，输入整流电路作为整个电源控制电路的输入端与外部交流电连接， IGBT逆变电路连接在输入整流电路和输出整流电路之间，输出整流电路作为电源控制电路的输出端与割炬的输入端连接，以向割炬供电。

3.根据权利要求2所述的双枪逆变式空气等离子切割机，其特征在于：所述IGBT逆变电路与输出整流电路之间还设有变压器T1，以将IGBT逆变电路输出的高压中频电转换为低压中频电再输出至输出整流电路中。

4.根据权利要求2所述的双枪逆变式空气等离子切割机，其特征在于：所述电源控制电路中还分别设有滤波电路，包括输入滤波电路和输出滤波电路，以保证电路系统中电流的平滑性。

5.根据权利要求1所述的双枪逆变式空气等离子切割机，其特征在于：所述高频发生板的输入端与微控制器连接，其输出端与高频互感器的初级侧连接。

6.根据权利要求1所述的双枪逆变式空气等离子切割机，其特征在于：所述气路控制电路将输入切割机内部的压缩空气分为等离子气流和引弧气流两路导通。

7.根据权利要求6所述的双枪逆变式空气等离子切割机，其特征在于：所述等离子气流和引弧气流两路按切割状态导通后合并成一路，再通过电磁阀YV3切换A、B两路输出为工作的割炬供气。

8.根据权利要求6所述的双枪逆变式空气等离子切割机，其特征在于：所述气路控制电路的进气气路上设置有电磁阀YV1，可控制该气路等离子气流的通断，进气气路上还并联设有电磁阀YV2和节流阀DV1，节流阀DV1的输入端与电磁阀YV2的输出端连接，通过节流阀DV1与电磁阀YV2的配合，可控制该气路中的引弧气流量以向割炬提供引弧气体；电磁阀YV1与节流阀DV1的输出端均与电磁阀YV3的输入端连接，电磁阀YV3的A、B两路输出端分别连接至两路割炬的输入端，电磁阀YV3用于为要工作的割炬供气。