CN111225488B - 控制等离子体电弧炬以及相关系统和方法 - Google Patents

控制等离子体电弧炬以及相关系统和方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及控制等离子体电弧炬以及相关系统和方法。在一些方面中，用于保持安装于等离子体电弧炬中的等离子体电弧电极消耗品的可使用寿命的方法可包含测量正提供到所述炬以产生所述炬和待处理的工件之间的等离子体电弧的电信号的特性；在所述炬的操作期间在一时间段内监测所述特性；将所述特性与阈值进行比较；和响应于确定测量的特性符合和/或超过所述阈值，起始电弧熄灭序列以保持所述电极的所述寿命。

Description

控制等离子体电弧炬以及相关系统和方法
本申请为发明名称为“控制等离子体电弧炬以及相关系统和方法”、申请号为201680065380.4、申请日为2016年10月6日的中国发明专利申请的分案申请。
相关申请案
本申请案主张2015年10月6日申请的标题为“控制等离子体电弧炬以及相关系统和方法(Controlling Plasma Arc Torches and Related Systems and Methods)”的美国临时专利申请案第62/237,780号的权益，所述美国临时专利申请案的内容由此以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开大体上涉及热切割炬(例如，等离子体电弧炬)，且更具体来说，涉及控制等离子体电弧炬以及相关系统和方法。
背景技术
热处理炬(例如，等离子体电弧炬)广泛用于对材料加热、切割、刨削和标记中。等离子体电弧炬大体上包含电极、具有安装于炬主体内的中心出口孔的喷嘴、电连接件、用于冷却的通路以及用于电弧控制流体(例如，等离子气体)的通路。漩涡环可用以控制形成于电极与喷嘴之间的等离子室中的流体流动模式。在一些炬中，固持顶盖可用以维持炬主体中的喷嘴和/或漩涡环。在操作中，等离子体电弧炬产生等离子体电弧，其为具有高温和足以协助移除熔融金属的动量的离子化气体的收缩射流。用以操作等离子体电弧炬的电力可受等离子体操作系统的电力供应器组合件控制。所述电力供应器可包含被配置成控制和供应操作电流到等离子体电弧炬，控制提供到等离子体电弧炬的气流以及在一些情况下等离子体电弧炬的运动的多个电子组件。
在切割序列期间，等离子体射流用以首先刺穿工件以形成初始导向孔。所述导向孔通常必须在炬可移动以形成切割之前形成。常规系统通常不能够确定等离子体射流完全刺穿工件实际上花费多长时间。因此，使用经验数据确定磨损的消耗品可完全执行刺穿操作的保守时间估计值。由于这些保守时间估计值，等离子体射流通常保持在原位比刺穿工件所需的时间更长的时间，这可造成处理时间损耗，不必要的电极磨损以及潜在的工件翘曲或损坏。
一些系统被配置成基于在使用期间电弧的期望特性在启动或关断期间实施某些气体或电参数。举例来说，一些系统在等离子体电弧有意熄灭后即可提供用于关断的合乎需要的气体流或电流分布曲线组合。
通常，在长期使用之后，消耗品(例如，电极)可物理上降级并且归因于热量和压力开始机械断裂。在一些情况下，电极可经历灾难性失效，可被称作完全灭弧，其中消耗品的熔融金属部分可回流到堵塞炬的通路中，可发生非预期组件电弧击穿，且/或电极可分裂并排出到炬中。此类行动可致使对炬的损坏。
发明内容
在一些方面中，用于保持安装于等离子体电弧炬中的等离子体电弧电极消耗品的可使用寿命的方法以及用于执行所述方法的相关系统和装置可包含测量正提供到所述炬以产生所述炬和待处理的工件之间的等离子体电弧的电信号的特性；在所述炬的操作期间在一时间段内监测所述特性；将所述特性与阈值进行比较；和响应于确定测量的特性符合和/或超过所述阈值，起始电弧熄灭序列以保持所述电极的所述寿命。
实施例可以包含以下特征中的一个或多个。
在一些实施例中，所述特性表示脉冲宽度调制占空比。在一些实施例中，所述阈值是大于约80％。在一些实施例中，所述方法另外包含将总线电压与传入电压进行比较以确定斩波器或脉冲宽度调制器中的至少一个的占空比百分比。在一些实施例中，所述特性包括脉冲宽度调制值。所述特性可包含脉冲宽度调制值的改变速率。在一些实施例中，所述电弧熄灭序列包括致使气室气体压力减小。在一些实施例中，所述电弧熄灭序列包括致使电弧电流减小。在一些实施例中，所述电弧熄灭序列在小于约70毫秒内完成。在一些实施例中，所述测量的特性符合或超过所述阈值指示所述等离子体电弧炬与所述等离子体电弧附接到所述工件所处的电弧附接点之间的距离增加。在一些情况下，所述距离增加指示所述炬已到达所述工件的边缘中的至少一个。在一些情况下，所述距离增加指示所述炬已到达锯口区。在一些实施例中，所述阈值针对特定切割过程预定义。在一些实施例中，所述比较所述特性包括参考特定切割过程的阈值的查找表。
在一些方面中，操作等离子体电弧炬和在材料处理操作期间熄灭等离子体电弧以限制由非预期电弧消失造成的电极磨损的方法以及用于执行所述方法的相关系统和装置可包含起始所述等离子体电弧炬的电极和待用所述炬进行处理的工件之间的所述等离子体电弧；使所述炬沿着所述工件平移并且执行对所述工件的处理操作；使所述炬朝向由所述工件界定的空隙推进；响应于所述炬到达所述空隙，检测电弧附接点和所述炬之间的所述等离子体电弧的延长；和基于所述所检测的等离子体电弧延长，起始电弧熄灭序列以限制所述电极的磨损。
实施例可以包含以下特征中的一个或多个。
在一些实施例中，所述空隙包括所述工件的周边边缘。在一些实施例中，所述检测所述等离子体电弧的所述延长包括监测正提供到所述炬以产生所述等离子体电弧的电信号的特性并将所述特性与阈值进行比较。在一些情况下，所述特性包括测量总线电压。在一些情况下，所述方法另外包括将所述总线电压与传入电压进行比较以确定斩波器或脉冲宽度调制器中的至少一个的占空比百分比。在一些实施例中，所述特性包括脉冲宽度调制值。在一些实施例中，所述特性包括脉冲宽度调制值的改变速率。在一些实施例中，所述电弧熄灭序列包括致使气室气体压力减小。在一些实施例中，所述电弧熄灭序列包括致使电弧电流减小。在一些实施例中，所述电弧熄灭序列在小于约70毫秒内完成。
在一些方面中，等离子体电弧材料处理系统可包含炬，其包含炬主体，所述炬主体被配置成接纳连接到所述炬主体的一组消耗品组件并且被配置成产生等离子体电弧；和电力供应器，其可操作地连接到所述炬，所述电力供应器包括：用于测量正提供到所述炬以产生所述炬和待处理的工件之间的所述等离子体电弧的电信号的特性的装置；用于在所述炬的操作期间在一时间段内监测所述特性的装置；用于将所述特性与阈值进行比较的装置；和用于响应于确定测量的特性符合和/或超过所述阈值，起始电弧熄灭序列以保持电极的寿命的装置。
在一些方面中，用于限制由炬内的消耗品失效造成的对等离子体电弧炬主体的损坏的方法以及用于执行所述方法的相关系统和装置可包含确定待提供给所述等离子体电弧炬以用于材料处理操作的电流的规定传导率参数设定点；测量正提供到所述等离子体炬以执行所述材料处理操作的等离子体电弧电流的所检测的传导率参数；将所述规定传导率参数设定点与等离子体电弧电流的所述所检测的传导率参数进行比较并计算误差项信号；和基于确定所述误差项信号超过阈值量，起始等离子体电弧关断序列以熄灭所述等离子体电弧，从而限制对所述等离子体电弧炬主体的损坏。
实施例可以包含以下特征中的一个或多个。
在一些实施例中，待提供给所述等离子体电弧炬的电流的所述规定传导率参数设定点包括等离子体电弧电流设定点。在一些实施例中，待提供给所述等离子体电弧炬的电流的所述规定传导率参数设定点包括等离子体电弧电压设定点。在一些实施例中，所述误差项信号包括在材料处理操作期间的多个时间进行的所述规定电流设定点与所述所检测的等离子体电弧电流的多个比较的汇集。在一些情况下，所述多个时间包括预定时间间隔。在一些情况下，所述多个比较包括在连续等离子体电弧电流测量内检测到的多个误差项信号的滚动和。在一些情况下，所述多个误差项信号包括约5个误差项信号到约20个误差项信号。在一些实施例中，所述方法还包含参考实例误差项信号阈值量的查找表。在一些情况下，所述查找表包括多个实例误差项信号阈值量。在一些情况下，所述多个实例误差项信号阈值量中的每一个对应于不同的材料处理情境。在一些实施例中，误差项增加指示所述等离子体炬中的所述消耗品的物理降级。在一些实施例中，所述等离子体电弧关断序列包括致使气室气体压力减小。在一些实施例中，所述等离子体电弧关断序列包括致使电弧电流减小。在一些实施例中，所述等离子体电弧关断序列在小于约70毫秒内完成。
在一些方面中，操作等离子体电弧炬的方法以及执行所述方法的系统和装置可包含起始所述等离子体电弧炬中的等离子体电弧并发送信号以在定义的操作电流下操作所述等离子体电弧；检测所述等离子体电弧的实际电流电平；确定所述定义的操作电流和所述实际电流电平之间的偏差；响应于确定所述偏差低于阈值误差水平，准许所述等离子体炬继续操作；在预定样本循环时间之后，重新检测所述等离子体电弧的实际电流电平以确定所述定义的操作电流与所述重新检测的实际电流电平之间的经更新偏差；和响应于确定所述经更新偏差符合或超过所述阈值误差水平，起始等离子体电弧熄灭序列以熄灭所述等离子体电弧，从而限制对所述等离子体炬主体的损坏。
实施例可以包含以下特征中的一个或多个。
在一些实施例中，所述方法还包含所述等离子体电弧的所述实际电流电平与所述定义的操作电流的第三或更多检测和比较序列。在一些实施例中，所述经更新偏差包括在一组检测和比较序列期间确定的偏差的滚动和。在一些情况下，所述经更新偏差包括在一组约5到约20检测和比较序列期间确定的偏差的滚动和。在一些情况下，所述经更新偏差包括在一组约10检测和比较序列期间确定的偏差的滚动和。在一些实施例中，所述方法另外包含参考实例阈值误差水平的查找表。在一些情况下，所述查找表包括多个阈值误差水平。在一些实施例中，所述电弧熄灭序列包括致使电弧电流减小。在一些实施例中，所述电弧熄灭序列在小于约70毫秒内完成。
在一些方面中，等离子体电弧材料处理系统可包含等离子体电弧炬，其包含炬主体，所述炬主体被配置成接纳连接到所述炬主体的一组消耗品组件并且被配置成产生等离子体电弧；和电力供应器，其可操作地连接到所述炬，所述电力供应器包括：用于确定待提供给所述等离子体电弧炬以用于材料处理操作的电流的规定传导率参数设定点的装置；用于测量正提供到所述等离子体炬以执行所述材料处理操作的等离子体电弧电流的所检测的传导率参数的装置；用于将所述规定传导率参数设定点与等离子体电弧电流的所述所检测的传导率参数进行比较并计算误差项信号的装置；和用于基于确定所述误差项信号超过阈值量，起始等离子体电弧关断序列以熄灭所述等离子体电弧，从而限制对所述等离子体电弧炬主体的损坏的装置。
在一些方面中，起始等离子体电弧炬的等离子体电弧以刺穿工件并检测穿过所述工件的等离子体刺穿以开始切割序列的方法以及用于执行所述方法的相关系统和装置可包含计算与等离子体电弧炬的电极和待处理的工件之间的等离子体电弧相关联的电信号的脉冲宽度调制特性；在所述炬的操作期间在工件刺穿序列的时间段内监测所述特性；将所述特性与阈值进行比较；和响应于确定计算的特性符合和/或超过所述阈值，结束所述工件刺穿序列并开始所述切割序列，且致使所述等离子体电弧炬相对于所述工件移动以形成切割。
实施例可以包含以下特征中的一个或多个。
在一些实施例中，所述特性包括脉冲宽度调制控制参数的改变速率。在一些情况下，所述特性包括脉冲宽度调制占空比的改变速率。在一些实施例中，所述比较所述特性包括参考特定切割过程的阈值的查找表。在一些情况下，所述查找表包括多个阈值，每一阈值都与一组切割参数相关联。在一些实施例中，所述方法还包含在所述刺穿序列期间，递送包括惰性气体的气体混合物作为等离子体气体和/或包围等离子体的保护气体，所述惰性气体的存在减小在所述刺穿序列期间穿透所述工件所需的最大等离子体电弧电压。在一些实施例中，所述开始所述切割序列包括将来自包括惰性气体的刺穿气体混合物的等离子体气体或保护气体中的至少一个改变为不同的气体混合物。在一些情况下，包括所述惰性气体的所述刺穿气体混合物是等离子体气体。在一些情况下，包括所述惰性气体的所述刺穿气体混合物是保护气体，且所述不同的气体混合物包括用于所述切割序列的空气或氧气。在一些实施例中，所述开始所述切割序列并致使所述等离子体电弧炬相对于所述工件移动以形成所述切割包括将信号从所述电力供应器发送到台架控制器，以致使所述炬和所述工件之间的相对运动。
在一些方面中，执行刺穿序列以用等离子体电弧炬在工件中刺穿孔的方法以及用于执行所述方法的相关系统和装置可包含在前导电弧模式期间起始所述电极和所述等离子体电弧炬的喷嘴之间的电弧；将所述电弧从所述喷嘴传送到工件以用于刺穿和切割所述工件；开始工件刺穿序列；估计在所述工件刺穿序列期间与正提供到电力模块以维持所述炬和所述工件之间的所述电弧的脉冲宽度经调制信号相关联的特性；将所述特性与预定值进行比较；和响应于确定所估计的特性符合和/或超过所述预定值，起始所述工件和所述等离子体电弧炬之间的相对移动以开始切割序列。
实施例可以包含以下特征中的一个或多个。
在一些实施例中，所述特性包括脉冲宽度调制控制参数。在一些情况下，所述特性包括脉冲宽度调制占空比的改变速率。在一些实施例中，所述起始所述工件和所述等离子体电弧炬之间的相对移动包括将信号从与所述等离子体电弧炬通信的电力供应器发送到机械耦合到所述等离子体电弧炬的移动控制器。在一些实施例中，所述确定所述估计的特性符合和/或超过所述预定值识别来自所述等离子体电弧炬的等离子体已经穿透所述工件。在一些实施例中，所述起始所述工件和所述等离子体电弧炬之间的相对移动延迟预定时间段。在一些实施例中，延迟所述起始相对移动使用从所述等离子体电弧炬排出的等离子体将所述工件中的半圆锥形刺穿孔打开为基本圆筒形刺穿孔。
在一些方面中，增加用于等离子体电弧炬的电极的刺穿操作的可用数目的方法以及用于执行所述方法的相关系统和装置可包含在前导电弧模式期间起始所述电极和所述等离子体电弧炬的对应喷嘴之间的电弧；将所述电弧从所述对应喷嘴传送到工件以用于刺穿和切割所述工件；增加所述等离子体电弧的电流；递送包括惰性气体的气体混合物作为等离子体气体或包围电弧的保护气体中的至少一个并起始刺穿序列；响应于确定所述刺穿序列已经完成，开始切割序列并使所述等离子体电弧炬相对于所述工件移动。
实施例可以包含以下特征中的一个或多个。
在一些实施例中，所述惰性气体的存在减小在所述刺穿序列期间穿透所述工件所需的最大等离子体电弧电压。在一些实施例中，所述惰性气体的存在增加在刺穿序列期间的电弧附接时间。在一些实施例中，所述惰性气体的存在增加工件刺穿时间。在一些实施例中，所述开始切割序列包括提供运动信号到CNC控制器以起始所述炬和所述工件之间的相对运动。在一些实施例中，所述开始切割序列包括递送不同于在所述刺穿序列期间递送的气体混合物的包围所述电弧的第二气体混合物。在一些实施例中，所述气体混合物包括在所述刺穿序列期间作为等离子体气体的惰性气体。在一些实施例中，在所述刺穿序列期间递送的所述气体混合物包括包括氩的等离子体气体和包括氧的保护气体，且所述开始切割序列包括递送包围所述电弧的第二气体混合物，所述第二气体混合物包括包括氮的等离子体气体和包括氩的保护气体。在一些实施例中，从位于所述等离子体电弧炬上或附近的计量控制台递送包括所述惰性气体的所述气体混合物。在一些实施例中，所述确定所述刺穿序列已经完成包括：估计和监测与所述电极和所述工件之间的所述电弧相关联的电信号的特性；将所述特性与阈值进行比较；和确定所估计的特性符合和/或超过所述阈值。在一些情况下，所述特性包括脉冲宽度调制控制参数或脉冲宽度调制控制参数的改变速率。
在一些方面中，操作等离子体电弧炬的方法以及用于执行所述方法的相关系统和装置可包含在电弧起始模式中通过在存在第一组保护和等离子体气体的情况下产生电极和喷嘴之间的电弧来操作所述等离子体电弧炬；在传送刺穿模式中通过在存在第二组保护和/或等离子体气体的情况下将所述电弧从所述喷嘴传送到工件来操作所述等离子体电弧炬，所述第二组的所述保护或等离子体气体中的至少一个至少部分地包括惰性气体；和基于确定所述电弧已经完全刺穿所述工件，在传送切割模式中通过在存在第三组保护和等离子体气体的情况下使所述炬相对于所述工件移动来操作所述等离子体电弧炬。
实施例可以包含以下特征中的一个或多个。
在一些实施例中，所述在传送切割模式中操作所述等离子体电弧炬包括提供运动信号到CNC控制器以起始所述移动所述炬。在一些实施例中，所述第三组保护和等离子体气体不同于所述第二组。在一些实施例中，所述第二组的所述惰性气体增加完全刺穿所述工件所需的时间长度。在一些实施例中，所述第二组的所述惰性气体减小完全刺穿所述工件所需的最大等离子体电弧电压。在一些实施例中，所述确定所述电弧已经完全刺穿所述工件包括：估计和监测与所述电极和所述工件之间的所述电弧相关联的电信号的特性；将所述特性与阈值进行比较；和确定所估计的特性符合和/或超过所述阈值。在一些情况下，所述特性包括电弧电压或脉冲宽度调制占空比的改变速率。在一些实施例中，所述特性包括脉冲宽度调制控制参数。
在一些方面中，等离子体电弧材料处理系统可包含等离子体电弧炬，其包含炬主体，所述炬主体被配置成接纳连接到所述炬主体的一组消耗品组件并且被配置成产生等离子体电弧；和电力供应器，其可操作地连接到所述炬，所述电力供应器包括：用于计算与等离子体电弧炬的电极和待处理的工件之间的所述等离子体电弧相关联的电信号的脉冲宽度调制特性的装置；用于在所述炬的操作期间在工件刺穿序列的时间段内监测所述特性的装置；用于将所述特性与阈值进行比较的装置；和用于响应于确定计算的特性符合和/或超过所述阈值，结束所述工件刺穿序列并开始切割序列，且致使所述等离子体电弧炬相对于所述工件移动以形成切割的装置。
附图说明
图1是实例等离子体电弧炬的横截面图。
图2是等离子体电弧炬的实例组合式等离子体气体和保护气体供应系统的示意性图示。
图3是等离子体电弧炬的实例组合式等离子体气体和保护气体供应系统的另一示意性图示。
图4是包含电弧电压估计模块的实例电力控制块的示意性电路图。
图5是用以提供电力以形成等离子体电弧的另一实例电路的示意性电路图，其描绘监测炬性能的多个测量点。
图6是描绘在实例切割序列期间等离子体电弧电压和电压改变速率的示意图，其说明电压对影响切割序列的物理改变做出如何反应。
图7是用于预测即将发生的等离子体电弧失效和在失效之前实施电弧熄灭序列的实例序列的示意图。
图8是用于基于等离子体电弧电流的波动预测等离子体电弧炬中的即将发生的消耗品灭弧的实例序列的示意图。
图9是用于通过监测系统的电参数改变来检测不同厚度的等离子体刺穿工件的实例序列的示意图。
图10是在工件刺穿期间的实例电弧电压的示意图，其说明当使用多种气体用于等离子体和保护气体时减小的刺穿电压。
图11是在工件刺穿期间的实例电弧电压的示意图，其说明针对较短间隔高度的减小的刺穿电压和较短刺穿时间。
图12是等离子体电弧炬的另一实例组合式等离子体气体和保护气体供应系统的示意图，其说明炬和气体分配阀之间的距离。
图13是描绘例如用于Hypertherm的HD 4070等离子体切割系统中的实例脉冲宽度调制电流控制电路的示意图。
图14是描绘例如用于Hypertherm的HPR等离子体切割系统中的另一实例脉冲宽度调制电流控制电路的示意图。
具体实施方式
在一些方面中，如本文中所论述，本文中所描述的系统和方法可包含电力供应器，其具有可使用本文中的系统设计达成的一或多个精确地且动态地监测和控制的等离子体电弧炬的电参数和气体参数，包含等离子体电弧电流和其脉冲宽度调制控制、等离子体气体流和/或保护气体流。这些系统的精确控制已发现将用于实施本文中所描述的数种有利炬控制方法。如本文中所详细论述的实例方法包含通过检测等离子体电弧的延长的斜降误差检测和预防序列、通过确定等离子体电弧电流设定点和实际等离子体电弧电流的误差或偏差的更准确消耗品失效预测和实施的炬保护序列，以及改进的工件刺穿序列，例如通过计算电参数变化(例如，提供电流到等离子体电弧的电弧电压或脉冲宽度调制值的改变)的更准确的工件刺穿检测。
参考图1，实例等离子体电弧炬10可包含炬主体12和炬尖端11。炬尖端11包含多个消耗品，例如电极14、喷嘴16、固持顶盖13、漩涡环15和防护罩22。具有大体圆柱形形状的炬主体12支撑电极14和喷嘴16。喷嘴16与电极14间隔开并且具有安装于炬主体12内的中心出口孔。漩涡环15安装到炬主体12并且可具有一组径向偏移或倾斜的气体分配孔，其施加切向速度分量到等离子体气体流，以致使等离子体气体流围绕电极14涡漩。也包含出口孔的防护罩22连接(例如，旋拧)到固持顶盖13或炬主体。炬10可另外包含电连接件、用于冷却的通路、用于电弧控制流体(例如，等离子体气体)的通路以及电力供应器。在一些实例中，炬可包含开关(例如，触发开关)，其可用以发送信号到电力供应器以起始电力供应器产生等离子体电弧。基于此信号，电力供应器内的电力分量可产生和调制提供到炬的信号以控制点火和切割操作。
在操作中，等离子体气体流动穿过气体入口管(未示出)和漩涡环15中的气体分配孔。在一些情况下，所述炬可包含将炬流体耦合到计量控制台的气体连接。如下文所论述，计量控制台可用以提供气体(例如非氧化气体(例如，惰性气体(例如，氩气)))到炬以用于进行多个过程。等离子体气体从此处流到等离子室18中并通过喷嘴16和防护罩22的出口孔离开炬10。为了操作炬并产生等离子体射流，通常首先在电极14和喷嘴16之间产生前导电弧。前导电弧使通过喷嘴出口孔和防护罩出口孔的气体电离。这可被称作前导电弧模式。所述电弧接着可从喷嘴16传送到工件(未示出)以用于以热方式处理(例如，切割、刨削或焊接)工件。应注意，所说明的炬10的细节(包含组件的布置、气体和冷却流体流的方向以及电连接件)可呈现多种形式。
炬10是通常电性地和流体地连接到等离子体电弧系统电力供应器以提供能量(例如，电)到炬10以在所要炬操作期间维持等离子体电弧。电力供应器可包含充当电力供应器的多个电和流体组件的罩壳的壳体。举例来说，多个系统和装置可实施以递送气体和液体到炬，所述气体和液体以等离子体气体形式传递到电极14和喷嘴之间的等离子室18，在所述等离子室中可形成等离子体电弧，或者所述气体和液体呈喷嘴16和防护罩22之间的保护气体形式。举例来说，图2是等离子体电弧炬的组合式等离子体气体和保护气体供应系统的示意性图示。等离子体气体可编程控制阀205(例如比例电磁控制阀)在等离子体气体供应线201中定位成邻近于炬10。保护气体可编程控制阀405(例如比例电磁控制阀)可在保护气体供应线401中定位成邻近于炬10和/或在所述炬中。任选地，传感器210可存在于等离子体气体线201中并且提供控制信号212到DSP 215。也任选地，传感器410可存在于保护气体供应线401中并且提供控制信号412到DSP 215。传感器210、410可测量不同类型的物理参数，例如流量、压力等，例如上文所描述的那些参数。
可使用本文中的系统设计达成等离子体电弧炬的精确和动态实时控制(包含等离子体电弧电流和其脉冲宽度调制控制、等离子体气体流和/或保护气体流)。这些系统的精确控制已发现将用于实施本文中所描述的数种有利炬控制方法。本文中所描述的实例方法包含斜降误差检测和预防序列、更准确消耗品失效预测和检测以及实施的炬保护序列，以及改进的或优化的工件刺穿序列，例如更准确的工件刺穿检测。
具体地说，在第一方面中，通过本文中所描述的系统的精确和动态控制可用以通过减小等离子体炬斜降误差延长电极寿命。斜降误差(RDE)可当等离子体系统经历等离子体电弧突然消失时，例如当等离子体炬退出工件且不能够完成等离子体气体气室压力和切割电流的协同斜降(其在一些情况下被称作“长寿命技术”)时发生。电弧的突然消失可致使铪磨损增加，尤其是在存在氧气的情况下。举例来说，在一些情况下，在无正确电弧熄灭序列的情况下，当等离子体电弧迅即消失时，如同等离子体电弧仍连接到工件一样继续流动的等离子体气体的高压力可吹走熔融的发射体材料，这可导致磨损。因此，精确和准确等离子体气体斜变技术可尤其适用于当稳定状态切割过程转变到炬关断(即，熄灭电弧)时延长电极寿命。也就是说，在此方面中，电力供应器可预测/检测原本可致使对电极的不必要磨损的非期望电弧消失，并且采取行动限制此类不必要磨损以延长电极的寿命。
举例来说，当等离子体炬行进超出材料的边缘时，等离子体电弧拉伸(例如，炬与工件的边缘(例如，电弧附接点)之间的距离增加)并且致使系统的PWM值相应地变化。脉冲宽度调制占空比的增加是斩波器控制器调整脉冲宽度调制器以维持所要电流的结果。因此，本文中的系统可监测这些电、系统和控制参数以预测等离子体电弧在何时即将消失。作为响应，电力供应器可快速采取行动防止可导致电极磨损和较短寿命的电弧突然消失。如下文所论述，此防止电弧突然消失的快速行动可包含调整电弧的电参数、到炬的气体流量，或炬本身的运动。虽然本文中提供本申请案的方面的概述，但下文提供更多实施例和细节。
在第二方面中，如下详述，所述本文中所描述的系统的精确和动态控制可用以保护等离子体炬免受可由消耗品失效引起的损坏。也就是说，在一些常规装置中，消耗品(例如电极)可磨损到灾难性失效的程度。在一些情况下，消耗品可磨损直到其掉下来(例如，电极的端部可被吹掉)，致使对其中安装有电极的炬的损坏。然而，本申请案的本发明人已经发现随着电极接近失效，可观测到等离子体电弧电流的变化(例如，设置电流与实际电流)。因此，通过监测等离子体电弧系统的电参数(例如等离子体电弧电流)，电力供应器可预测即将发生的消耗品失效并且快速采取行动以防止此类失效并且进而还限制对炬的损坏。如下文所论述，举例来说，电力供应器可监测电流设定点与等离子体电弧的实际电流的比较。一旦设定电流与实际电流之间的误差达到阈值水平，电力供应器便可采取快速行动防止进一步的损坏。在一些情况下，举例来说，电力供应器可关断并锁定以防另外使用直到消耗品被置换。在一些实施例中，如下文所论述，冷却剂温度的波动可另外或替代地用以预测即将发生的消耗品失效。也就是说，在一些情况下，冷却剂流体温度升高可指示即将发生的消耗品失效。在一些情况下，电弧电流和冷却剂温度可以互补方式使用，其中冷却剂温度可被视为可能失效的警告指示符，且电弧电流可提供对即将发生的失效的更确凿证据。虽然本文中提供本申请案的方面的概述，但下文提供更多实施例和细节。
在第三方面中，本文中所描述的精确电和气体递送系统可用以预测(例如，使用电力供应器本身)工件刺穿序列何时完成使得炬可移动且可开始材料处理操作。通过启用刺穿检测，可调整多个处理参数以增加等离子体炬性能。如下详述，现有常规系统通常在继续移动炬以执行切割之前在预定时间内刺穿。这可导致不必要的长切割时间、不必要的电极磨损或非期望工件损坏。然而，在一些实施例中，本文中的具有精确和快速控制的电弧电压估计系统可用以检测等离子体电弧何时成功地刺穿工件以开始等离子体炬的运动和/或更改递送的用于切割的气体。准确地知道一旦工件已经刺穿便可用于在刺穿之后按实际尽快开始切割，而非如在现有常规系统中一样在刺穿之后不必要地停留在原位。在一些实施例中，如下详述，可通过监测产生等离子体电弧信号的电力供应器中的一或多个电信号(例如脉冲宽度调制参数(或其改变速率)或电压参数(例如，随时间的电压改变速率(dV/dt))、一或多个阈值或两者的某种组合)检测电弧刺穿工件的时间。
在第四方面中，本文中所描述的精确和快速起作用的气体和电系统可用以在刺穿期间实施技术以增加电极的可使用寿命(例如，可使用电极的刺穿序列的数目)。举例来说，在存在非氧化气体(例如惰性气体(例如，氩气或氮气))的情况下执行刺穿序列可有助于产生其中减小完成刺穿所需的电压的环境。由于用于刺穿的较低电压，所以等离子体电弧电极可用于较大数目个刺穿操作。举例来说，惰性气体(例如，氩气或氮气)和较低电压可准许炬在刺穿期间更远离工件(例如，具有较高间隔高度)，这也可有助于增加可使用寿命。举例来说，在一些情况下，较大间隔高度可有助于减少粘附到炬(例如，消耗品)的熔融工件材料溅出物。如本文中所描述，炬和递送保护和/或等离子体气体到炬的气体阀中的减小的气体体积可位于更接近于炬本身处，而非如同一些常规系统一样远离的位置处(例如，等离子体引线的相对端处)。由于阀接近于炬且系统以较小气体体积工作，所以气体可快速其有效地改变，使本文中的气体递送方法更具可行性。
为了达成上述方面中描述的本发明方法，可使用DSP 215(例如，CNC)例如自动实施用于等离子体和/或保护气体的气体流和电学性质斜升和斜降技术。在一些实施例中，可使用包含基于变量(例如上文识别的那些变量)的具体切割信息的切割表。这些参数可例如以电子形式存储于“切割表”中以供切割程序快速参考和使用。因此，切割表可存储切割形状和参数以备切割程序参考或例如供设备操作人员选择和使用。使用此系统，炬电流电平和气体流动速率的自动控制可用于一致切割操作。可采用此系统以利用先前已鉴于影响切割操作的多个互相关变量经优化的具体切割信息。
图3是等离子体电弧炬的另一实例组合式等离子体气体和保护气体供应系统的示意性图示，其提供增强的操作灵活性。具体地说，图3说明多个(例如，在此实例中为七个)不同供应气体可如何并入到提供两种切割气体701、702的系统中，每一切割气体可用以提供等离子体气体和/或保护气体。举例来说，当切割不同工件材料或厚度时，不同等离子体或保护气体组合物可为优选的。另外或替代地，在一些实施例中，对于材料处理序列的不同方面，例如前导电弧起始序列(例如，前导电弧模式)、工件刺穿序列(例如，刺穿模式)和后续工件切割序列(例如，切割模式)，不同等离子体气体组合物可为优选的。在一些情况下，如本文中详述，可在工件刺穿模式期间使用一或多种非氧化气体(例如包括氩气的气体)，其可提供用于刺穿工件的有利环境。举例来说，在一些实施例中，在工件刺穿序列期间存在氩气可用于减小完全刺穿工件所需的等离子体电弧电压。减小的所需电压也可适用于通过增加电极在失效之前可经历的刺穿序列的数目来保持或延长等离子体电弧电极的可使用寿命。
在一些实施例中，如图3中的实例系统中所描绘，系统可通过阀(例如，电磁阀)710供应具有第一高氩含量(例如，H5(约5％氢含量，约95％氩))的气体，通过阀711供应具有第二较小氩含量(例如，H35(约35％氢含量，约65％氩含量))的气体，通过阀712供应具有高氮内容(例如，F5(约5％氢含量，约95％氮))的气体，和/或通过阀713供应甲烷(CH4)作为第一切割气体(例如，作为等离子体气体)701。也可通过阀714供应例如作为第一切割气体的氮(N2)。也可通过阀715供应作为第一切割气体的空气。止回阀703可包含在第一切割气体线中。可通过定位成邻近于等离子体炬的等离子体气体可编程控制阀205并通过如上文所描述的传感器210用通道输送此第一切割气体701。虽然上文已针对第一切割气体(例如，等离子体气体)描述了某些实例气体，但这些仅作为实例提供。因此，本文中所描述的系统和方法可用以递送多个气体组合中的任一个到等离子体炬以供使用。另外，多个阀可用以在不同切割序列期间提供不同气体到炬。
也可通过开/关型电磁阀720供应氮，通过阀721供应空气，通过阀723供应氦，且通过阀722供应O2(氧)，作为第二切割气体(例如，保护气体)702。止回阀704可包含在第二切割气体线中。如所说明，第二切割气体可用作保护气体，其可通过定位成邻近于等离子体电弧炬的保护气体可编程控制阀405，并且通过如上文所描述的传感器410。虽然未示出，但DSP 215可用以操控例如可编程控制阀205、205A、405和405A，以及/或阀710、711、712、713、714、715、720、721、722和729中的一些或全部。本文中所描述的阀可包含各种类型的阀，例如选择阀或三通阀。另外，本文中所描述的阀可具有改进的响应时间，例如相当于约5毫秒到约40毫秒。应注意。改进的阀响应时间除了减小炬内的气体体积之外还可改进炬操作的一致性，例如开关递送到炬的气体或实施炬关断序列。
虽然上文已针对第二切割气体(例如，保护气体)描述了某些实例气体，但这些仅作为实例提供。因此，本文中所描述的系统和方法可用以递送多个气体组合中的任一个到等离子体炬以供使用。另外，多个阀可用以在不同切割序列期间提供不同气体到炬。此外，虽然某些气体已被描述为可能用于第一切割气体或第二切割气体，但所属领域的技术人员将理解多种实例气体或本文中所描述的其它气体可根据本文中和权利要求书中所描述的多个序列用作第一切割气体或第二切割气体。
如图3中所描绘，一些实例也可突出特征交越线730和732。也就是说，交越线730递送第一切割气体(例如，等离子体气体)701用作保护气体；且交越线732递送第二切割气体(例如，保护气体)702用作等离子体气体。交越线中的每一个可包含阀(例如，可编程控制阀)205A、405A，例如比例电磁控制阀，其可用以控制交越气体流的量。对于并入有交越流的实施例，通常适用的是交越可编程控制阀205A、405A定位成邻近于等离子体电弧炬或定位于等离子体电弧炬内。交越气体流可用以增强或替换其它已经在系统中流动的气体。
虽然以上论述主要聚焦于位于邻近炬处(例如，距离炬2英尺、6英尺或10英尺内)的可编程控制阀(例如，205、405)，但一些实施例也包含已集成可编程控制阀功能性的炬。举例来说，等离子体炬和可编程控制阀可为一体式组合件，即，在这两者之间不具有连接软管。此类密切耦合的实施例包含直接附接(即，直接耦合(例如，栓接))到等离子体炬的壳体的可编程控制阀。在一些实施例中，可编程控制阀设备安置于等离子体炬主体内。将可编程控制阀功能性(例如，用于等离子体气体或保护气体)定位于炬内减小存在于等离子体炬系统中的外部组件的数目。
虽然上文已描述一些实例气体递送系统配置，但其它实施例是可能的。具体地说，虽然描述其中用于操作等离子体电弧炬的气体(例如，等离子体或保护气体)位于炬外部(例如，显著地远离炬(例如，在炬引线软管的相对端处))的一些实例，但其它实例可包含位于不同位置的气体供应器。举例来说，在一些实施例中，用以辅助工件刺穿的气体(例如，氩)与一些其它气体相比可位于更接近于炬处。在一些情况下，将刺穿辅助气体定位于与在炬引线软管相对于炬的相对端处(例如在流体地连接到炬的计量控制台处)相比更接近于炬处可用以更好地控制在刺穿操作期间递送到炬的气体。举例来说，计量控制台与一些常规气体递送技术相比可更快速地且更精确地控制刺穿辅助的递送。在下文关于图12更详细地说明和描述计量控制台。
在图3中还说明可用以将等离子体气体排放到大气(ATM)的任选的排放阀729。排放阀729可为开/关型电磁阀。在一些实施例中，排放阀729可为可编程控制阀。可编程控制阀排放阀729可当遇到其中需要减小比仅通过等离子体气体可编程控制阀205、205A可能的更快速地流动到等离子室207的等离子体气体的流动速率(例如，以改进斜降时间)的切割条件时适用。在一些实施例中，排放阀729可为并行地安装的两个或更多个开/关型电磁阀，实现增加的排放容量和控制。两个或更多个排气阀可独立或同时操作并且可具有不同大小(即，不同阀系数(Cv's))。
当然，其它组合是可能的。可使用除说明的那些气体供应器以外的气体供应器，且可使用所属领域的技术人员已知多种技术例如混合不同气体源。举例来说，可通过使用所属领域的技术人员已知的技术和器械(未示出)混合甲烷和H35，形成等离子体气体混合物。除了上文所描述的使用交越线730和732的混合技术之外，可邻近炬添加额外气体供应器且可使用可编程控制阀控制这些额外气体供应器。举例来说，一些实施例包含将还原气体流(例如甲烷)添加到可编程控制阀405与传感器410之间的保护气体，使得还原气体流受可编程控制阀控制。可以此方式添加多于一种的额外气体(例如还原气体流)。类似技术可用于等离子体气体。多个其它布置和组合也是可能的。
在图12中描绘另一实例气体递送配置。如所说明，所述系统可提供多种气体，例如F5、H2、Ar、N2、O2和空气到流体地连接到炬的数个阀以提供保护和等离子体气体。如所描绘，气体引导到炬的阀(例如，三通阀)可安置于距离炬约2米到约4.5米的炬连接模块中。然而，气体供应器可安置于距离炬连接模块约3米到约15米处。
如下文所论述，气体可以多个序列例如作为等离子体气体或保护气体递送到炬，以实施本文中所描述的炬操作技术，包含炬起始、工件刺穿或切割序列。除非本文中另行说明，否则可使用上述气体递送系统实施下文的多个气体递送方法和序列。
单独地或结合本文中所描述的多个气体递送系统，用于控制和操作等离子体电弧炬的电系统可用以估计(例如，或确定)一或多个电特性，其可用以实施一或多个处理序列。在一些实施例中，举例来说，等离子体电弧系统可估计切割序列的某些物理特性并且实施对此类物理特性的响应。举例来说，图4是包含电弧电压估计模块的电源的电力控制块的电路图。如所示出，电路100包含耦合到电力电路块300的脉冲宽度调制(PWM)控制电路块200。电力电路块300可为开关模式电力供应器，其包含未经调节的输入电压源VIN、电力晶体管开关二极管组合Ql、D1、输出滤波器电感器L1和等离子体电弧负载RLD。电力电路块300可操作为标准斩波器，使得通过电弧负载RLD的输出电流IARC取决于开关Q1的占空比。虽然示出的电力电路块300是降压转换器，但其它实施例可包含其它电路拓扑，包含升压、降压-升压和其变化形式。
PWM控制电路块200可提供栅极信号T3PWM到开关Ql以控制其占空比，以及因此通过等离子体电弧负载RLD的输出电流IARC。如所示出，PWM控制块200包含电流参考块210、误差控制块220、反馈电流传感器240、PWM比较器块230和电弧电压估计模块250。
系统的程序或操作人员可将块210手动地设置为输出电流IARC所维持在的所要电流参考IREF。可使用电流传感器240(例如霍尔电流传感器)监测输出电流IARC。电流传感器240发射反馈电流IFB到误差控制块220的输入。误差控制块220可实施为例如所属领域的技术人员已知的标准比例-积分-微分控制器(PID控制器)。误差控制块220将反馈电流IFB与所要电流参考IREF进行比较并且输出调制误差信号Error。
误差信号Error接着可输入到PWM比较器块230，其中对是取样并用以产生调整开关模式电力供应器300的占空比的适当栅极信号T3PWM，进而校正输出电流中的误差。可使用数字信号处理器(DSP)(例如来自德克萨斯仪器公司(Texas Instruments)的TMS320LF2407)实现PWM比较器块230和电弧电压估计模块250。也可使用一或多个经适合地编程或专用处理器(例如，微处理器或微控制器)、硬接线逻辑、专用集成电路(ASIC)或可编程逻辑装置(PLD)(例如，现场可编程门阵列(FPGA))等等的组合实现这些控制块。
为了产生适当栅极信号T3PWM，PWM比较器块230将瞬时误差样本T3CMPR与载波信号T3CNT进行比较。载波信号可产生为锯齿形或三角形载波，其任何处的频率范围取决于应用为从数百赫兹(Hz)到兆赫兹(MHz)。在等离子体切割应用中，载波信号的频率通常约15kHz。比较器放大两个信号之间的差并且产生栅极信号T3PWM，其在载波信号T3CNT的一个开关循环内的平均值等于瞬时误差样本T3CMPR的值。栅极信号应用到开关Q1会调整占空比以驱动和维持所要稳定状态值下的输出电流IARC。
除上文所描述的电弧估计技术以外或替代地，其它技术有可能用于估计等离子体电弧的电特性(S)。举例来说，在一些实施例中，可监测提供电信号到等离子体电弧炬以产生等离子体电弧的脉冲宽度调制器的占空比并且用以估计在使用等离子体电弧炬期间观测到的多个物理含义中的任一个。
举例来说，参考图5，在一些情况下，电力供应器系统500可包含接收电输入(例如，线电压)并将其转换成系统信号(例如总线电压(例如，直流总线电压))的变压器502。在一些情况下，总线电压可处于或约为360伏特。
总线电压可从变压器502馈给到斩波器504。斩波器504可包含将固定DC输入(例如，总线电压)转换成可变DC输出电压以用以产生等离子体电弧的电信号的开关装置。来自斩波器504的可变DC输出电压可提供所述并且用以产生等离子体电弧以执行等离子体电弧处理操作506，例如穿过工件的切割操作。
提供到工件用于处理操作的电力(例如，形成等离子体电弧的电力)传送通过工件并且返回到电力供应系统。举例来说，闭合电路可形成有斩波器以维持具有工件和电力供应系统的电路。举例来说，脉冲宽度调制系统508可安置于工件和到斩波器504的返回之间的电路中。可实施脉冲宽度调制控制系统508以设置产生等离子体电弧的电信号的电流电平(例如，通过调整其占空比)。脉冲宽度调制(PWM)信号是用于使用数字源产生信号(例如，模拟信号)的方法。举例来说，斩波器可具有开路电压并且在操作期间可测量电流，且如果电流太低，那么可增加脉冲宽度调制占空比。可定期(例如，每33微秒)执行此取样和调整以调整脉冲宽度调制占空比。此调整可被视为控制环路，且经调整的脉冲宽度调制占空比可在每一环路处与阈值进行比较。举例来说，PWM信号由定义其行为的两个主要分量组成：占空比和频率。占空比将信号处于高(接通)状态的时间量描述为其完成一个循环花费的总时间的百分比。所述频率确定PWM有多快速完成循环(即，1000Hz为每秒1000个循环)，以及因此其在高和低状态之间有多快速进行切换。通过使数字信号以足够快速的速率循环关断和接通，并且在特定占空比下，当提供功率到装置时，输出将看起来表现得像恒定电压模拟信号。如所属领域的技术人员将理解，脉冲宽度调制控制系统占空比类似于维持设定电流的节制机构。也就是说，在一些实例中，脉冲宽度调制是系统的“接通”百分比时间。举例来说，系统可在15kHz下操作，时间段为66微秒，PWM是百分比接通时间。举例来说，为了产生3V信号，给定可在5V下为高(接通)或在0V下为低(关断)的数字源，可使用具有60％占空比的PWM，其60％的时间输出5V。因此，信号在60％的时间内“接通”(例如，60％“接通”时间)。如果数字信号足够快速地循环，那么输出处所见的电压呈现为平均电压。如果数字低为0V(通常是这种情况)，那么可通过使数字高电压乘以占空比，或5V×0.6＝3V，计算平均电压。选择80％的占空比将得出4V，20％将得出1V等。
除了控制等离子体电弧的电流设定点(其设置等离子体电弧的预期电流)之外，还可监测等离子体电弧的实际电流。举例来说，等离子体电弧与脉冲宽度调制控制系统508之间的电连接处的电流。此电连接在图5中标示为电流测量点510。所属领域的技术人员将容易地理解，在测量电流处也可测量电压。
如下文所论述，可在贯穿系统的多个点处测量和监测电特性以预测或者估计正在实施的等离子体电弧过程的改变(例如，物理或机械改变)。举例来说，等离子体电弧电压或提供等离子体电弧的脉冲宽度调制器占空比的波动可指示等离子体电弧的延长。另外，可监测(例如，电流测量点510处的)等离子体电弧电流并将其与当前点进行比较，借此可通过设定点与实际电流之间的噪声级预测消耗品失效。
另外，在一些实施例中，可使用DSP和基于op-amp的电路的混合式组合实施电力供应器中的脉冲宽度调制(PWM)电流控制。举例来说，首先，在图13中描述包含PWM电流控制电路(例如，来自Hypertherm的HD 4070等离子体切割系统)的构建块。此描述之后接着是对图14中的HPR PWM电流控制电路的描述。在HPR控制电路中使用DSP有助于容易地估计电弧电压。除了严格地使用电弧电压之外，如本文中所描述，也可计算PWM占空比并用以实施本文中的各种方法。举例来说，图13示出实例等离子体切割电力供应器控制系统的示意图，其包含基于模拟op-amp的PWM电流控制电路和其相关联电力电路块。PWM控制电路的构建块可包含：
1)误差控制器块(例如，比例-积分-微分或PID)，其监测电力供应器电流并在与所要电流参考进行比较之后产生误差输出；
2)PWM比较器块，其将调制信号(在此情况下为误差控制器输出)与载波信号进行比较。所述载波信号为大体锯齿或三角形波形，其任何处的频率范围取决于应用介于数百Hz到MHz之间。在等离子体切割应用中，此频率通常为约15kHz。比较器放大两个信号之间的差并产生输出，所述输出的在一个开关(载波)循环内的平均值等于比较时刻调制波的值；和
3)反馈电流传感器块(例如，霍尔电流传感器)，其监测电力供应器输出电流并将其反馈回到控制器。
等离子体切割电力电路块可包含未经调节的dc输入电压源Vin、电力晶体管开关-二极管组合(Q1-D1)、输出滤波器电感器(L1)和电弧负载。PWM比较器输出控制Q1状态(接通或关断)以实现达成和维持所要输出电流的控制目标。
在另一实例中，如图14所描绘，其为混合式等离子体切割电力供应器控制系统(例如，Hypertherm的HPR 130电力供应器)的框图。在此实例中，可使用DSP(TI LF2407)实现PWM比较器块。DSP芯片内部的适当外围设备通常被配置成产生15kHz频率的三角形载波。可通过DSP A/D转换器接口感测基于op-amp的PID误差控制器输出。PWM信号比较器接着将这些信号进行比较并在其输出处产生PWM脉冲串。此信号接着用以接通和关断在所述过程中控制输出电流的HPR斩波器IGBT。
使用这些和其它电力供应器设计，可以数种方式计算电弧电压。举例来说，在一些实施例中，估计电弧电压的方法可基于电感器电压降在恒定电弧电流下基本为零的原理。这意味着电感器的输入处的平均dc电压等于电弧电压的平均值。例如：
Varc＝Dss*Vin 方程式(1)
其中，
Dss-晶体管开关的稳定状态占空比
Vin-未经调节的dc输入电压
Varc-平均电弧电压分量
在HPR控制电路的情况下，这些参数(即Dss和Vin)都可容易地用于电弧电压计算。电流控制器输出(其值由DSP存储于T3CMPR(计时器比较寄存器)中)是占空比值Dss。DSP也可监测输入ac电压Vacin以提供对系统的输入ac欠电压和过电压保护。此参数可用以获得Vin，这是因为这两个(Vin和Vacin)彼此成正比。在这些参数都可用的情况下，方程式(1)可容易地实施于DSP中，具有极少用于Varc估计的计算额外负担。
此类型的电弧电压估计可具有数个优点。首先，举例来说，电弧电压估计实施方案不需要额外硬件并且需要极少软件和计算额外负担。此外，估计的Varc值可发射到炬高度控制器，其可通过已经连结这两者(即，电力供应器与THC)的串行电缆设置炬距离工件的间隔高度。在过程中，可消除目前用于电弧电压测量的分压器板以及将此板连接到电力供应器和炬命令模块(TCM)的电缆，从而减小相关联板和布线成本。另外，即使分路器板提供电弧电压的电流隔离措施，使用分压器板的电弧电压测量仍可易受电噪声。然而，本文中的电弧电压估计减小(例如，消除)此问题和其相关联服务成本。
上述电和流体管理系统可用以实施各种方法以实施或改进材料处理操作，例如切割或刨削操作。
消耗品保护方法
本文中所描述的电力系统(例如等离子体电弧电力供应器系统)的发展具有增加的快速监测指示等离子体电弧的(以及因此海洋即将发生的电弧失效事件的)物理状态的多个电信号的能力以及快速作出响应以产生电弧斜坡程序的能力。也就是说，在材料处理操作(例如切割、刨削或其它材料更改操作)期间观测到的电特性可用以推断在操作期间遇到的多个问题，并且基于所述特性，等离子体电弧系统可实施多个响应性行动以维持处理操作或限制对系统组件(例如等离子体炬的消耗品)的非期望损坏。
举例来说，本文中所描述的系统和方法可用以减小等离子体炬斜降误差。当经历斜降误差时，等离子体切割电极寿命可显著地减小。斜降误差(RDE)可当等离子体系统经历等离子体电弧的突然消失且不能够完成等离子体气体气室压力和切割电流的协同斜降(在一些情况下，被称作“长寿命技术”)时发生。电弧的突然消失可致使增加的铪磨损，尤其是在存在氧气的情况下。举例来说，在一些情况下，在无正确电弧熄灭序列的情况下，当等离子体电弧迅即消失时，继续流动的等离子体气体的高压力可吹掉熔融的发射体材料，这可导致磨损。此外，在一些情况下，电弧快速消失(snapping out)可在炬内产生湍动流，这还造成材料损失。在一些情况下，20％的斜降误差RDE速率可导致电极寿命减少50％或更大。因此，本文中所描述的系统和方法可用以减小等离子体炬斜降误差。
本文中所描述的概念可使得等离子体系统能够例如通过监测电特性(例如估计的电弧电压、估计的电弧电压的改变、脉冲宽度调制控制系统的特性(例如，占空比或占空比的改变速率))检测斜降误差的早期阶段，并且接着起始快速斜降。举例来说，在一些情况下，快速斜降可包含快速电流和/或气体斜降。替代地或另外，斜降可包含使用炬控制器(例如，CNC)停止炬的运动。检测和后续斜降通常将在电力供应器达到其最大电压能力(例如，等离子体电弧消失所处的点)之前发生，从而通过调整数个系统参数以针对具体事件修整斜降分布曲线来限制或防止斜降误差。
在斜降误差之前的电弧电压行为
当等离子体炬行进超出材料的边缘时，等离子体电弧拉伸(例如，炬与工件的边缘(例如，等离子体电弧附接到工件所处的电弧附接点)之间的距离增加)并且致使电弧电压快速增加。在斩波器控制器调整脉冲宽度调制器以维持所要电流时，脉冲宽度调制占空比也将与电弧电压一起增加。通常，这将在材料的外部边缘处或大内部特征((例如，锯口、孔、间隙等)(足够大使得电弧无法“跳跃”间隙))的边缘上发生。虽然脉冲宽度调制占空比和电弧电压预期在稳态切割期间略有变化，但拉伸的电弧将致使其突然且显著地增加。
检测即将发生的斜降
可直接监测或使用电流控制系统的BUSS电压和PWM占空比计算电弧电压。行动下限可用以对归因于材料瑕疵、板翘曲、电弧动力学等引起的正常电压波动进行滤波。也可施加行动限制以滤除锯口交叉点电压改变。在图6中，Vkerf和Vedge、V以及dV/dt之间的关系全都可有可能指示边缘处的唯一特性并且可用以区分可恢复的锯口交叉点和不可恢复的边缘。另外或替代地，如上文所提及，维持等离子体电弧的所要电流电平脉冲宽度调制占空比也可指示边缘处的唯一特性。图6的实例描绘20英寸/分钟(ipm)的130A氧气/空气处理的行为。这是非常缓慢的切割速度且电压迹线类似于预测的行为。此测试还示出刺穿事件(即，其中的电压和电压尖峰的改变速率)，其通常将在调整电弧电压行动限制例如以限制或避免假斜降估计时需要被考虑。虽然其它切割情境预期类似行为，但随着切割速度增加，dV/dt通常也会增加，引起用于斜降的较少时间。因此，随着速度增加，对锯口交叉点进行滤波(即，为了避免在当横越锯口时斜降的情况下操作人员不希望的假斜降)可更具挑战性。
因此，参考图7，可监测电特性以预测等离子体电弧何时即将无意中熄灭(例如，在不存在计划的电弧熄灭序列的情况下)并且实施替代的(例如，加速的)电弧关断。其特性和改变可表明在处理操作期间发生的物理改变。具体地说，等离子体电弧的电特性的波动可表明等离子体电弧的物理改变，例如电弧的延长。在一些情况下，电弧的此类延长可表明等离子体炬已经或即将跨越工件中的空隙。举例来说，空隙可包含超出工件的边缘(例如，外部外围边缘)或越过锯口。举例来说，在一些方面中，方法(例如用于限制等离子体电弧吹灭(例如，或快速消失)或用于保持安装于等离子体电弧炬中的等离子体电弧电极消耗品的可使用寿命的方法)可首先包含测量(例如，连续地、即刻或实时地测量)正在提供到炬以产生炬和待处理的工件之间的等离子体电弧的电信号的特性。也就是说，随着等离子体炬开始离开工件并朝向空隙移动，测量的特性或其改变可指示等离子体电弧炬与等离子体电弧附接到工件所在的电弧附接点之间的距离增加。举例来说，所述特性通常包含脉冲宽度调制系统(例如，脉冲宽度调制控制系统508)的特性。在一些情况下，所述特性可包含脉冲宽度调制控制系统的占空比。也就是说，随着电弧变长，在斩波器控制器调整脉冲宽度调制器以维持所要电流时，脉冲宽度调制占空比也将增加。替代地或另外，所述特性可包含脉冲宽度调制控制系统的占空比的改变速率。脉冲宽度调制控制系统的占空比也可表明或指示正在用以维持一致(例如，恒定)等离子体电弧电流的电力的量。实际上，占空比可展示控制一致等离子体电弧电流所需的投入程度。也就是说，使用本文中所描述的电系统设计，可在电力供应器本身中执行电弧的系统和物理状态的此监测和控制，这允许相应地较快速的检测和响应并且不需要依赖于控制器获得此信息。类似地，可通过通信系统和改进的气体控制系统近实时地监测使用所述工件的性能，可实施替代性斜降方法以延长寿命。在其它先前常规系统中，控制器通常用以监测炬性能并且相应地做出调整。因此，与现有常规系统相比，使用本文中的系统和方法的反应时间可较快速，且因此对炬组件具有更多保护。
在一些实施例中，所述特性可包含等离子体电弧的电压。举例来说，可根据上文相对于图4和5所说明和描述的系统和方法估计(或检测)等离子体电弧电压。
这些方法通常也包含在一时间段内在炬操作期间监测所述特性并且将所述特性与阈值进行比较。举例来说，监测所述特性的所述时间段可包含材料处理时间段(例如，完成切割或刨削操作的时间)或预定时间段。如上文所提及，所述特性可与等离子体电弧的物理观测结果相关，且阈值可用以估计等离子体电弧的某些物理准则。举例来说，脉冲宽度调制占空比、等离子体电弧电压或其改变速率的某些值可表明等离子体电弧已到达特定(例如，非所要的)长度。因此，其可用于确定此类阈值(例如，凭经验)能够预测电弧本身的特性。
在一些实例中，可针对特定切割过程或材料预定义阈值。也就是说，阈值可在不同类型的工件材料和/或厚度、不同切割速度或不同切割操作(例如，细切割、粗切割、刨削等)之间变化。在一些情况下，等离子体电弧系统(例如，电力供应器)可参考基于编程的切割操作的查找表以确定将考虑的所要阈值。举例来说，阈值脉冲宽度调制占空比值可为大于约70％(例如，大于或等于约71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％)，大于约80％(例如，大于或等于约85％)，大于约90％，或大于约95％。
基于所述特性与阈值的比较，等离子体电弧系统可实施对材料处理操作的多个调整。举例来说，在一些实施例中，响应于确定测量的特性符合(例如，和/或超过)阈值，等离子体电弧系统可起始电弧熄灭序列。在一些情况下，电弧熄灭序列(例如，也称为等离子体电弧关断序列)可在电极失效之前保持或保护电极的寿命。也就是说，系统可基于测量的特性预测非期望或无意的电弧失效或其它系统关断将在何时发生并且实施加速的(例如，应急或快速)关断序列。举例来说，气体压力和电流可快速减少到会减小(例如，减到最少)电极发射体的铪磨蚀的水平。在一些实施例中，这可通过减小由于电弧快速消失、吹灭或熄灭引起铪排出(吹走)的量引起改进的电极寿命。类似于标准斜降过程，低等离子体气室气体压力通常需要减小(例如，减到最少)铪磨蚀。这可为特别适用的，因为无意电弧关断可致使对炬消耗品的损坏(例如，电极降级)，因此如果例如因为炬正在离开工件的边缘，所以系统预测电弧即将关断，那么其可实施缩短的或加速的关断程序。在一些实施例中，电弧熄灭序列可包含减小气室气体压力使得等离子体电弧在较低压力环境中熄灭。举例来说，在一些情况下，气室气体压力可减少到约7psi到约3psi。压力可以多种方式中的任一种快速减少。举例来说，减少时间以减小等离子体气体压力的概念可包含在炬附近使用额外排出路径(排出口)或减少在切割时通往大气压力的一或多个供应气体线，并且允许等离子体气室排气到较低压力供应气体线中。
如先前所提及，常规电极寿命可当经历20％的斜降误差率时减小50-70％。一些常规设计和一些新概念呈现此易感性。如果将斜降误差降到最低或防止斜降误差，那么电极寿命将显著地更具一致性和可预测性。
另外或替代地，在一些实施例中，电弧熄灭序列可包含减小等离子体电弧电流使得等离子体电弧在较低电流环境中熄灭。在一些实施例中，等离子体电弧电流可减少到约90安培到约22安培的值。在一些实例(例如，高电流实例)中，电流从约300安培减少到约90安培。在一些实例中(例如，低电流实例)，电流可从约30安培增加到约22安培。在一些实例中，电流可减小约25％到约70％。在一些情况下，等离子体电弧电流可刚好在预期的100ms时间范围内减少到接近零。
如上文所描述，可实施电弧熄灭序列以快速但受控制方式熄灭等离子体电弧。可发生关断序列所跨的时间量可变化。举例来说，行动下限、信号延迟、炬行进速度、最大可持续电弧电压和气体阀延迟通常确定可用于斜降的时间量。在一些实施例中，电弧熄灭序列可于小于约70毫秒(例如，小于约60毫秒(例如，小于约10毫秒))内完成。举例来说，在300amp切割过程中，电弧熄灭序列可在小于约60毫秒内完成。在另一实例中，在30amp切割过程中，电弧熄灭序列可在小于约10毫秒内完成。在一个实例中，对于预测的约300V的最大电压、20ipm到230ipm的切割速度和10ms的CAN信号延迟，可用于斜降的预测的时间范围可以是从约100ms到约1000ms。
其它用于操作等离子体电弧炬的方法可实施上述用于在材料处理(例如，切割或刨削)操作期间熄灭等离子体电弧以限制或减小由非预期电弧消失产生的电极磨损的概念中的一或多个。
此类方法可包含起始等离子体电弧炬的电极与待用炬进行处理的工件之间的等离子体电弧(或将等离子体电弧从喷嘴传送到工件)以及使炬沿着工件平移并且执行对工件的处理操作。举例来说，可起始等离子体电弧以开始刺穿或切割/刨削，且可移动炬以在工件中形成切割或刨削。
可沿着工件并朝向由工件界定的空隙推进或以其它方式移动炬。如上文所提及，此可包含在材料处理操作期间朝向工件的边缘(例如，外部外围边缘)或由先前处理操作形成的锯口移动炬。在一些情况下，炬可归因于所要处理操作有意地朝向所述空隙(例如，边缘或锯口)移动。替代地，在一些情况下，炬可例如因为工件未经恰当地设定大小或错误地定位于等离子体电弧系统(例如，切割台)上而无意地朝向空隙移动。在一些情况下，等离子体电弧系统可沿着工件引导炬并且不合需要地到达工件的非预期边缘。
如上文所论述，在炬到达或离开所述空隙时，等离子体电弧可增加炬和电弧从电极连接到工件所处的电弧附接点之间的长度。因此，响应于炬到达所述空隙，所述方法可包含检测电弧附接点与炬之间的等离子体电弧的延长。在一些实施例中，所述检测等离子体电弧的延长包括监测正提供到炬的电信号的特性以产生等离子体电弧并将所述特性与阈值进行比较。如上文所提及，所述特性可包含与等离子体电弧相关联的多个电准则中的任一个。举例来说，所述特性可包含等离子体电弧系统的总线电压。在一些情况下，总线电压可与传入电压进行比较以确定斩波器或脉冲宽度调制器中的至少一个的占空比百分比。上文详细地描述这些等离子体电弧估计和脉冲宽度调制占空比计算。所述特性可包含脉冲宽度调制值，例如占空比。举例来说，在一些实例中，可确定斩波器输出。斩波器可具有开路电压，且在操作期间可测量电流，且如果电流太低，那么可增加脉冲宽度调制占空比。可定期(例如，每33微秒)执行此取样和调整以调整脉冲宽度调制占空比。此调整可被视为控制环路，且经调整脉冲宽度调制占空比可在每一环路处与阈值进行比较。所述特性还可包含电测量值的改变速率，例如脉冲宽度调制占空比的改变速率或等离子体电弧电压的改变速率。在一些情况下，使用改变速率作为滤波、移除错误肯定或者观察传送的可能不必然指示等离子体电弧的此类延长的临时尖峰或波动的方式可为有用的。基于所检测的等离子体电弧延长，等离子体电弧系统可起始电弧熄灭序列，其可提供更合乎熄灭等离子体电弧和限制电极的磨损的需要的环境。
除非另行说明，否则这些方法的多个特征和实施例可彼此或与本文中所描述的其它方面组合。
炬保护方法
与等离子体电弧有关的电测量或等离子体电弧电力供应器内的与等离子体电弧有关的其它观测到的电信号也可用作监测消耗品降级或失效并保护炬主体的方式。也就是说，在一些情况下，在安装于炬主体内的消耗品开始失效且完全吹灭(例如，可通过电弧击穿损坏或在进入炬的冷却通路的熔融铜/材料中发生损坏)时，炬主体也可归因于来自消耗品的高热量和流体损失而受损。然而，参考图8，使用上文所描述的炬监测和控制系统中的一些，可监测炬操作以便检测或预测即将发生的炬失效并结束炬操作以限制或防止对炬的损坏。
举例来说，在一些方面中，用于限制由检测到的即将发生的炬内消耗品失效造成的对等离子体电弧炬的损坏的方法可包含确定待提供给等离子体电弧炬以用于材料处理操作的电流的规定传导率参数(例如，电流或电压)设定点。举例来说，关于上文描述并在图4和5中所说明的实施例，脉冲宽度调制控制系统508可用以设置所要等离子体电弧电流设定点。电流设定点可基于多个限制(例如所要切割过程(例如，细切割、刨削等)、所要切割速度、待处理的材料等)而变化。
接下来，可测量正在提供到等离子体炬以执行材料处理操作的等离子体电弧电流的传导率参数。也就是说，虽然设置所要等离子体电弧电流或电压，但系统也可测量或者确定等离子体电弧的实际电流或电压。在一些实施例中，这包含测量数个n样本内的传导率参数的偏差并且接着将其求和。当n的总和超过阈值时，其触发警告并/或关断系统。在一些情况下，这可为差的幅值差(例如，针对较低amp过程的100的误差值和针对300amp过程的150的误差值)。然而，正常操作条件可趋于仅产生一位数误差值。举例来说，可在等离子体电弧与脉冲宽度调制控制系统508之间的电连接处测量传导率参数。此实例电连接在图5中标示为电流测量点510。
接着，规定的传导率参数设定点可与等离子体电弧电流的所检测的传导率参数进行比较。在一些实例中，计算设定点传导率参数与实际检测的传导率之间的差。在一些实施例中，所述差可用以计算指示实际传导率参数偏离其预期值的程度的误差项信号(例如，也称为偏差)。在一些情况下，这确定等离子体电弧电流的误差或波动。误差项信号可包含在材料处理操作期间/在给定时间段内的多个时间进行的规定的电流设定点与所检测的等离子体电弧电流的多个比较的汇集。所述多个时间可以预定时间间隔执行。所述多个比较可为在连续等离子体电弧电流测量内检测到的多个误差项信号的滚动和。在一些情况下，多个误差项信号可为约5个误差项信号到约20个误差项信号。
误差项信号可与阈值量进行比较。举例来说，所述系统可参考实例误差项信号阈值量的查找表。在一些实例中，可针对特定切割过程或材料预定义阈值。也就是说，阈值可在不同类型的工件材料和/或厚度、不同切割速度或不同切割操作(例如，细切割、粗切割、刨削等)之间变化。基于确定误差项信号超过阈值量，可起始等离子体电弧关断序列以熄灭等离子体电弧以限制对等离子体电弧炬主体的损坏。也就是说，如上文所论述，误差项增加可指示或表明等离子体炬中的消耗品的物理降级。因此，炬主体中的消耗品失效可致使流体在炬主体内排出，可在等离子体电弧电信号中产生不希望的噪声，这造成误差项无意地增加。可实施等离子体关断序列以在进一步带来可损坏炬主体的消耗品失效之前关断炬。在一些实施例中，等离子体关断序列可包含减小气室气体压力使得等离子体电弧在较低压力环境中熄灭。在此方面中，所述系统通常无需以受控方式关断炬以保护消耗品供在未来如同上文所描述的归因于消耗品的降级的斜降方面一样使用。也就是说，此处的炬保护方法通常实施为确定消耗品或一组消耗品失效，且因此超出可能进一步使用的程度。因此，等离子体关断序列可包含炬的突然立即关断。在一些实施例中，关断炬可包含减小等离子体电弧电流并关断泵。在一些实施例中，关断泵可包含迫使系统重置并替换消耗品。也就是说，由于所述系统已确定消耗品已失效或即将失效，所以系统可进入锁定模式，其中所述系统基本上不可操作直到置换失效的消耗品为止。在一些情况下，这限制或防止用户尝试进一步使用具有失效消耗品的炬，这可导致炬受损。这可用于通过限制或防止总电极灭弧来保护炬。
其它实例方法可能实施上述炬保护特征中的一或多个。举例来说，一些操作等离子体电弧炬的方法可包含起始等离子体电弧炬中的等离子体电弧并且发送信号以操作定义的操作电流下的等离子体电弧并检测等离子体电弧的实际电流电平。如上文所描述，可例如在等离子体电弧与脉冲宽度调制控制系统508之间的电连接处测量等离子体电弧的电流电平。此实例电连接在图5中标示为电流测量点510。
可确定定义的操作电流与实际电流电平之间的下一偏差，并且响应于确定所述偏差低于阈值误差水平，准许等离子体炬继续操作。也就是说，所述系统可被配置成在滚动基础上基本连续地监测等离子体电弧电流，并且只要测量的电流在电流设定点的特定偏差范围内，便准许系统操作。可检测电流并在一或多个样本循环时间段之后重新检测，且可确定定义的操作电流和重新检测的实际电流电平之间的更新的偏差。举例来说，可测量等离子体电弧电流并针对第二、第三、第四等时间进行比较。在一些情况下，所述偏差可包含前5到20测量值(例如，约十测量值)的滚动和。在一些实施例中，实际电流可与设定电流进行比较。可集成在一时间段内的实际电流与设定电流之间的差并与阈值进行比较。在一些实例中，可每330微秒执行此比较。
然而，一旦确定更新的偏差符合或超过阈值误差水平，便可起始等离子体电弧熄灭序列以熄灭等离子体电弧，从而限制对等离子体炬主体的损坏。如上文所论述，偏差与阈值误差水平的比较可包含参考对应于一或多个材料处理情境的阈值的查找表。可实施等离子体电弧熄灭序列以快速关断等离子体炬，并且在一些情况下，锁定炬以免进一步使用直到置换受损的消耗品为止。
在一些方面中，通过炬的液态冷却剂的温度可用以单独地或结合上文所描述的使用等离子体电弧电流的失效预测来预测消耗品失效。举例来说，在一些实施例中，冷却剂温度(例如，电极冷却剂温度)的波动(例如，上升)可暗示即将发生的失效事件(例如，预测寿命终止事件)。因此，如果可监测到冷却剂温度的此类波动，那么可预测寿命终止事件。在一些情况下，冷却剂温度的用途是可用作对失效可能接近发生的一般警告。这可被视为引起用户注意的“黄色”警示灯。然而，上述电流监测可对失效即将发生更具决定性警示意义。这可被视为电力供应器可采取行动停止炬操作的“红色”停止灯。这可用于提供针对炬中使用的每一电极的个别化寿命终止预测，且通常不需要考虑切割误差、标记起始、斜降误差、切割过程等。这些方法也有助于限制或防止电极灭弧。除了保护电极之外，所述方法还可减少炬损坏和质保退回，并且减少报废和工件失效。
此方面的实施例可包含多个特征中的任一个。举例来说，所述系统可使用温度探针监测在炬操作期间流到电极和/或从电极流出的冷却剂。所述系统可包含两个温度探针以监测例如两个不同的时间情境(例如，接通和关断温度)或两个位置(例如，在电极前后的流温度)。在一些实施例中，可监测在一段时间内跨越探针的温度升高以产生温度分布曲线，其可用以预测灾难性失效。另外，可监测到电极的电力输入。电极温度的尖峰或显著波动(例如，显著上升)可指示即将到来的失效。举例来说，在一些情况下，温度分布曲线可与阈值分布曲线进行比较以确定即将到来的失效。
除非另行说明，否则这些方法的多个特征和实施例可彼此或与本文中所描述的其它方面组合。
材料工件刺穿检测方法
除了上文所描述的消耗品和炬保护方法之外或替代性地，可在等离子体电弧炬的起动序列期间使用上文所描述的电和气体递送系统。具体地说，本文中所描述的电系统预测(例如，使用电力供应器本身)工件刺穿序列何时完成使得炬可移动且材料处理操作可开始。通过启用刺穿检测，可调整多个处理参数以增加等离子体炬性能、寿命和效率。
举例来说，在一些实施例中，上文所论述的PWM监测和/或电弧电压估计可用以检测等离子体电弧何时成功地刺穿工件并且在电弧电压变成不可持续之前开始等离子体炬的运动。在一些实施例中，电弧电压估计可用以通过提供对更改过程参数(例如，等离子体压力、电弧电流)的洞察力，或通过更改刺穿气体类型(例如，惰性气体，例如保护气体中的氩、氮等)，降低在刺穿期间所需的的总电弧电压。一旦使用PWM监测和/或电弧电压估计检测到刺穿，过程参数便可调整到切割过程(例如，相较于刺穿过程所要的那些参数)。举例来说，可在检测到刺穿(穿透)之后降低电弧电压。
这可为特别适用的，因为如图11中所描绘，通常在间隔距离(例如，炬与工件之间的距离)与如在不同的炬到工件/电弧附接点距离(例如，1英寸、1.3英寸和1.6英寸)处取得的刺穿迹线所说明的电弧电压之间存在权衡。对于2英寸刺穿，通常存在即使在1.6英寸的间隔高度处仍可足够用以穿透板的电压。此观测结果的一个问题是炬通常必须在穿透工件的0.5秒到1秒内开始运动。对于单一刺穿时间，以及通过时间通常将随着板组合物和消耗品磨损而变化的事实，最终用户可经历非期望或失败的启动尝试，例如未激发(弹出)或刺穿失败。应注意，当电弧刺穿工件时的电压与在穿透之后不久所见的最大电压相比相对较低。当使用较大间隔时，最终用户可在穿透之后但在电弧消除之前用以起始台运动的时间显著较短。
另外或替代地，在一些情况下，可基于等离子体刺穿调整参数(例如气流(例如，保护气体或等离子体气体流)或电参数(例如，电流或电压))，以增加(例如，达到最大)消耗品的可使用寿命和/或增加系统的最大刺穿容量。举例来说，机械化系统的最大刺穿额定值通常在根本上受到对防护罩的损坏或可用以维持电弧的最大电压的限制。这些限制通常是相冲突的。举例来说，高炬到工作距离可有助于保护防护罩免受损坏但需要高(例如，非常高)电压保持电弧不会熄灭。在一些实施例中，本文中所描述的系统和方法可用以实现高炬到工作距离与较低电压要求。举例来说，可选择性地递送某些气体(例如，非氧化等离子体或保护气体(例如，惰性气体，例如氩气))以通过需要较小等离子体电弧电压来更容易形成工件刺穿。由于刺穿工件所需的减小的等离子体电弧电压，消耗品可用于与原本使用常规气体实现的刺穿操作相比更多的刺穿操作。另外，所需的减小的电压可用于在刺穿期间增加间隔高度。在一些实施例中，一旦例如使用观测到的电系统(例如，脉冲宽度调制系统)的被监测参数改变而检测到刺穿便可停止氩气流。
参考图9，可在工件刺穿操作期间基于观测到的参数的改变监测电参数，可当刺穿已经完成时检测等离子体系统。图9说明不同工件厚度(例如，1/2英寸、3/4英寸和1英寸厚度)的三个不同实例观测结果。如所描绘，如等离子体电弧电压的改变速率中的尖峰(例如，快速增加)所反映，较厚工件通常需要较大时间来完全刺穿。基于这些观测结果和发现，可进行用于起始等离子体电弧、刺穿工件和执行/转换到切割操作的各种方法。具体地说，可在等离子体电弧信号(例如脉冲宽度调制参数(或其改变速率))或电压参数(例如，随时间的电压改变速率(dV/dt))、一或多个阈值、或两者的某种组合)中检测到当电弧刺穿工件时的时间。
举例来说，在一些方面中，使用等离子体电弧炬开始(例如，起始)等离子体电弧以刺穿工件并检测穿过工件的等离子体刺穿以开始切割序列的方法可包含测量与等离子体电弧炬的电极与待处理的工件之间的等离子体电弧相关联的电信号的电特性。在一些实施例中，所述电特性可包含脉冲宽度调制特性(例如，占空比)或正在发送以产生和维持等离子体电弧的信号的脉冲宽度调制特性的改变速率。在一些情况下，所述特性可包含基于电压的特性，例如电压的改变速率。举例来说，关于上文描述和在图4和5中所说明的实施例，脉冲宽度调制控制系统508可用以设置所要电流设定，并且基于刺穿过程，所述特性(例如，脉冲宽度调制占空比)可在刺穿发生时变化。在一些实例中，所述系统可在15kHz下操作，其为66微秒时间段。如上文所论述，脉冲宽度调制占空比是百分比“接通”时间。
接下来，可在炬的操作期间在工件刺穿序列的时间段内监测所述特性。也就是说，等离子体电弧炬电力供应器可在刺穿期间测量和监测所述特性以确定所述特性作为对刺穿工件的反应将如何变化(例如，脉冲宽度调制占空比如何变化)。
所述特性(例如，监测的脉冲宽度调制占空比)接着可与阈值进行比较。在一些情况下，所述阈值可为表明等离子体已刺穿(例如，穿透)工件的预定值。也就是说，监测的脉冲宽度调制占空比可在刺穿期间增加且尤其当等离子体穿透工件时出现尖峰(快速增加)。所述阈值可基于多个限制(例如所要切割过程(例如，细切割、刨削等)、所要切割速度、待处理的材料等)而变化。因此，等离子体系统可编程有多个阈值，其中每一阈值对应于特定切割过程。在一些情况下，可凭经验确定所述阈值。在一些情况下，所述阈值可存储在查找表中。
响应于或者基于确定测量的特性符合和/或超过阈值，等离子体系统(例如，电力供应器)可开始切割序列并且致使等离子体电弧炬相对于工件移动以形成切割。也就是说，当测量的特性符合或超过阈值时，所述系统实际上确定等离子体已刺穿工件。一旦检测到刺穿，电力供应器便可起始炬的移动以沿着其运动路径形成切割。在一些实例中，这可包含将信号从电力供应器发送到台架控制器(例如，CNC控制器)，以致使炬和工件之间的相对运动。与简单地基于刺穿时间的一些常规系统相比，以此方式检测刺穿和起始运动可为有利的，这是因为电力供应器可主动地跟踪刺穿并且具体地在刺穿完成时开始切割运动。在一些情况下，这可产生较快速的切割过程。在一些情况下，可在检测刺穿与开始切割过程之间存在延迟。举例来说，当首先检测到刺穿时，有可能的是等离子体已失效(虽然工件和穿过其的孔是半圆锥形或抛物线形)，且使刺穿等离子体保持在原位某一时间段可有助于使孔更具大体圆筒形。实际上，等离子体可保持在原位以在开始切割之前使由等离子体形成的孔显著扩大。在一些情况下，时间延迟可为约0毫秒到约500毫秒。
使用本文中所描述的电力系统检测工件刺穿的能力可有助于减小或消除使用常规工件刺穿和切割程序数个问题或缺点。举例来说，常规技术通常依赖于在移动到切割过程(例如，移动炬以形成切割)之前的预定刺穿时间段。举例来说，经验数据可用以确定刺穿需要的估计时间。在一些情况下，估计的时间可为针对其95％的可使用寿命用以完全刺穿工件的电极所需的时间的估计的最差情况情境。借助于实例，此时间周期可为约50微秒。然而，类似但新的消耗品可仅需要约10微秒。因此，这些最差情况的预定时间周期有可能远远长于实际刺穿工件需要的时间。也就是说，在一些情况下，等离子体可刺穿工件并在移动以形成切割之前保持在原位不必要长的时间。由于在原位的过量时间，电极可经历不必要磨损，可浪费时间(例如，因为炬可替代地移动)，以及由工件过度工作或被静止等离子体加热所导致对工件的损坏。因此，通过检测等离子体何时实际上穿透工件，电力供应器可例如通过改变气流或开始炬运动来采取行动开始切割序列。
在一些情况下，气体(例如，保护或等离子体气体)可从刺穿气体集改变为切割气体集。举例来说，在刺穿序列期间，可递送具有惰性(例如，氩或氮)气体的气体混合物作为等离子体气体和/或包围等离子体的保护气体。在完成刺穿后，气体可即刻改变为切割气体配置。
其它方法是可能的。举例来说，在一些方面中，执行刺穿序列以用等离子体电弧炬在工件中刺穿孔的方法可包含在前导电弧模式期间起始电极与等离子体电弧炬的喷嘴之间的电弧。接下来，电弧可从对应喷嘴传送到工件以用于刺穿和切割工件。在电弧被传送的情况下，等离子体系统(例如，电力供应器)可一种工件刺穿序列。举例来说，在一些情况下，刺穿序列可包含增加等离子体电弧电流以增加引导到工件的能量。替代地或另外，刺穿序列可包含增加气体压力例如以有助于从刺穿工件的孔移除熔融材料。
在刺穿序列期间，可测量与正提供到炬以维持炬和工件之间的等离子体电弧的脉冲宽度经调制信号相关联的特性。如上文所论述，电系统参数(例如脉冲宽度调制占空比或其改变速率，以及等离子体电弧电压改变)可表明在刺穿期间的物理信息。具体地说，与正提供到炬的脉冲宽度经调制信号相关联的特性的快速增加或突发可表明等离子体已经刺穿(例如，穿透)工件。因此，在刺穿序列期间，所述特性可与预定值(例如，阈值)进行比较。并且响应于确定测量的特性符合或超过预定值，可起始工件和等离子体电弧炬之间的相对移动以开始切割序列，从而形成沿着工件的切割。举例来说，可通过将信号从与等离子体电弧炬通信的电力供应器发送到机械耦合到等离子体电弧炬的移动控制器，起始工件和等离子体电弧炬之间的相对移动。如上文所描述，在一些实施例中，工件和等离子体电弧炬之间的起始的相对移动延迟预定时间段。所述延迟可用于使用从等离子体电弧炬排出的等离子体将工件中的半圆锥形刺穿孔打开为基本圆筒形刺穿孔。
除非另行说明，否则这些方法的多个特征和实施例可彼此或与本文中所描述的其它方面组合。
惰性气体辅助工件刺穿方法
可在刺穿期间单独地或结合上文所描述的多个其它方面实施其它技术以增加电极的可使用寿命(例如，可使用电极的刺穿序列的数目)。如本文中所论述，这些方法可结合常规刺穿序列(例如，使用上文所论述的预定刺穿时间)或结合本文中的更多受控制刺穿检测序列中的一或多个(例如，使用电压估计或脉冲宽度调制)实施。在一些情况下，方法的组合具有减小刺穿时间的优点，这是由于较高电压刺穿通常具有较短刺穿时间，并且也可有助于与CNC控制交互。具体地说，在存在非氧化气体(例如惰性气体(例如，氩气或氮气))的情况下，执行刺穿序列(例如，在等离子体电弧已经传送到工件之后，正在工件中形成导向孔，之后移动炬以形成切割)可有助于产生其中完成刺穿所需的电压减小的环境。由于用于刺穿的较低电压，等离子体电弧电极可用于较大数目个刺穿操作。举例来说，惰性气体(例如，氩气或氮气)和较低电压可准许炬在刺穿期间更远离工件(例如，具有较高间隔高度)，这也可有助于增加可使用寿命。在一些情况下，较大间隔高度可有助于减少粘附到炬(例如，消耗品)的熔融工件材料溅出物。这些改变可有损于切割性能且将仅在刺穿时使用。因此，可在刺穿期间选择性地使用通过电弧电压估计、PWM分析以及/或处理的刺穿检测和/或气体类型和设置(保护或等离子体)的改变并且切换到用于切割操作的最佳设置。在一些实施例中，可在刺穿期间使用某些参数且可在切割期间使用某些参数。实例可改变电弧电流、等离子体气体压力或保护压力。举例来说，图10描绘其中使用氩气可导致在刺穿期间较低等离子体电弧电压的实验。
基于这些观测结果和发现，可执行用于起始等离子体电弧，刺穿工件以及执行切割操作的各种方法。举例来说，在一些方面中，用于增加用于等离子体电弧炬的电极的刺穿操作可用数目的方法可首先包含在前导电弧模式期间起始电极和等离子体电弧炬的对应喷嘴之间的电弧并且将所述电弧从对应喷嘴传送到工件以用于刺穿和切割工件。一旦附接到工件，等离子体电弧的电流可增加。所述刺穿还可包含递送包括作为等离子体气体或包围电弧的保护气体的氩气的气体混合物。在一些实施例中，所述气体混合物可包含正从如上文所描述位于等离子体电弧炬上或附近的计量控制台递送的氩气。惰性气体(例如，氩、氮等)的存在可减小在刺穿序列期间穿透工件所需的最大等离子体电弧电压。另外，在一些情况下，惰性气体的存在可实际上增加穿入和刺穿工件的时间。
接着，响应于确定刺穿序列已经完成，等离子体系统可开始切割序列并且使等离子体电弧炬相对于工件移动。确定刺穿序列已经完成可以包含使用预定时间段和切割图表以及上文所描述的多个刺穿检测方法的多种方式中的任一种实现。在一些实施例中，开始切割序列可包含提供运动信号到CNC控制器以起始炬和工件之间的相对运动。在一些实施例中，开始切割序列可包含递送不同于在刺穿序列期间递送的气体混合物的包围电弧的第二气体混合物。也就是说，在一些实例中，可在刺穿期间使用一组气体并且接着针对切割进行改变。举例来说，在刺穿序列期间递送的气体混合物可包含包括氩的等离子体气体和包括氧气的保护气体，且开始切割序列可包含递送包围电弧的第二气体混合物，所述第二气体混合物包括包括氮的等离子体气体和包括氩的保护气体。
另外或替代地，在一些方面中，操作等离子体电弧炬的方法可包含在电弧起始模式中通过在存在第一组保护和等离子体气体的情况下产生电极和喷嘴之间的电弧来操作等离子体电弧炬。所述第一组气体可包含前导电弧模式气体。在一些情况下，前导电弧模式气体可与随后使用的刺穿气体类似或相同。
所述方法接下来可包含在传送刺穿模式中通过在存在第二组保护和/或等离子体气体的情况下将电弧从喷嘴传送到工件来操作等离子体电弧炬。第二组的保护或等离子体气体中的至少一个至少部分地包含氩气。
基于确定电弧已完全刺穿工件，等离子体电弧炬可在传送切割模式中。举例来说，传送切割模式可包含在存在第三组保护和等离子体气体的情况下使炬相对于工件移动。在一些实施例中，在传送切割模式中操作等离子体电弧炬可包含提供运动信号到CNC控制器以起始炬的移动。在一些实施例中，第三组保护和等离子体气体可不同于所述第二组。也就是说，某一组的气体(例如，具有氩)可用于刺穿并且接着不同组的气体可用于切割。
除非另行说明，否则这些方法的多个特征和实施例可彼此或与本文中所描述的其它方面组合。
虽然本文中已描述各种方面和实施例，但应理解，其仅借助于实例呈现和描述，且不将特此呈现的权利要求书限制为任何特定配置或结构组件。因此，优选实施例的广度和范围不应受到上述示范性结构或实施例中的任一个限制，而应仅根据所附权利要求书和其等效物界定。因此，其它实施例处于所附权利要求书的范围内。

Claims (11)

1.一种在刺穿序列期间检测等离子体电弧炬的等离子体电弧已经刺穿工件以开始切割序列的方法，所述方法包括：
通过至少一个处理器计算反映与所述等离子体电弧炬的电极和所述工件之间的等离子体电弧相关联的脉冲宽度调制占空比的特性的改变速率；
在所述炬的操作期间在工件刺穿序列的时间段内通过所述至少一个处理器监测所述特性的所述改变速率；
通过所述至少一个处理器将所述特性的所述改变速率与阈值进行比较；及
响应于通过所述至少一个处理器确定所述特性的所述改变速率等于或大于所述阈值，其表明等离子体电弧已经刺穿所述工件，而结束所述工件刺穿序列并通过致使所述等离子体电弧炬相对于所述工件移动以形成切割来开始所述切割序列，
其中在等离子体电弧已经刺穿所述工件与开始所述切割序列之间存在延迟，且
其中所述开始所述切割序列包括将来自包括惰性气体的刺穿气体混合物的等离子体气体或保护气体中的至少一个改变为不同的气体混合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中比较所述特性包括参考特定切割过程的阈值的查找表。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述查找表包括多个阈值，每一阈值都与一组切割参数相关联。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包括在所述工件刺穿序列期间，递送包括所述惰性气体的所述刺穿气体混合物作为所述等离子体气体和/或包围所述等离子体的所述保护气体，所述惰性气体的存在减小在所述刺穿序列期间穿透所述工件所需的最大等离子体电弧电压。
5.根据权利要求1所述的方法，其中包括所述惰性气体的所述刺穿气体混合物是等离子体气体。
6.根据权利要求1所述的方法，其中包括所述惰性气体的所述刺穿气体混合物是保护气体，且所述不同的气体混合物包括用于所述切割序列的空气或氧气。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述开始所述切割序列并致使所述等离子体电弧炬相对于所述工件移动以形成所述切割包括将信号从电力供应器发送到台架控制器，以致使所述炬和所述工件之间的相对运动。
8.一种执行刺穿序列以用等离子体电弧炬在工件中刺穿孔的方法，所述方法包括：
在前导电弧模式期间起始所述等离子体电弧炬的电极和喷嘴之间的电弧；
将所述电弧从所述喷嘴传送到工件以用于刺穿和切割所述工件；
开始工件刺穿序列；
在所述工件刺穿序列期间通过至少一个处理器估计反映正提供到电力模块以维持所述炬和所述工件之间的所述电弧的脉冲宽度经调制占空比的特性的改变速率；
通过所述至少一个处理器将所述特性的所述改变速率与预定值进行比较；及
响应于通过所述至少一个处理器确定所述特性的所述改变速率等于或大于所述预定值，其表明所述等离子体电弧已经刺穿所述工件，而结束所述工件刺穿序列并起始切割序列，
其中所述起始所述切割序列包括起始所述工件与所述等离子体电弧炬之间的相对移动，且所述起始所述工件和所述等离子体电弧炬之间的相对移动延迟预定时间段，且
其中所述起始所述切割序列包括将来自包括惰性气体的刺穿气体混合物的等离子体气体或保护气体中的至少一个改变为不同的气体混合物。
9.根据权利要求8所述的方法，其中确定所估计的特性符合和/或超过所述预定值识别来自所述等离子体电弧炬的等离子体已经刺穿所述工件。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述起始所述工件和所述等离子体电弧炬之间的相对移动包括将信号从与所述等离子体电弧炬通信的电力供应器发送到机械耦合到所述等离子体电弧炬的移动控制器。
11.根据权利要求8所述的方法，其中延迟所述起始相对移动使用从所述等离子体电弧炬排出的等离子体将所述工件中的半圆锥形刺穿孔打开为基本圆筒形刺穿孔。
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