CN113927141B

CN113927141B - 一种电弧控制方法、系统及装置

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Publication number: CN113927141B
Application number: CN202111081498.5A
Authority: CN
Inventors: 陶国利; 袁荣勤; 唐涛; 王洪
Original assignee: Chengdu Huayuan Electric Equipment Co ltd
Current assignee: Chengdu Huayuan Electric Equipment Co ltd
Priority date: 2021-09-15
Filing date: 2021-09-15
Publication date: 2023-02-28
Anticipated expiration: 2041-09-15
Also published as: CN113927141A

Abstract

为解决现有的电弧控制方法中电弧拉断时进行转弧存在的由于外部条件干扰和响应速度要求高导致的转弧可靠性低的技术问题，本发明实施例提供一种电弧控制方法、系统及装置，包括：在电弧弧压过渡平稳、无跳变的状态下，进行切割电弧向引导电弧转换。包括：每隔一定时间或不定时间采样滤波电弧弧压，并计算得到弧压值和弧压变化率；若比较弧压值与弧压阈值且弧压值大于或等于弧压阈值和/或比较弧压变化率与弧压变化率阈值且弧压变化率大于或等于弧压变化率阈值，则发送指令以控制电弧切割设备进行切割电弧向引导电弧转换。本发明实施例通过在电弧弧压过渡平稳、无跳变的状态下，进行切割电弧向引导电弧转换；在合适的时机控制转弧，从而保证了转弧的可靠性。

Description

一种电弧控制方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及一种电弧控制方法、系统及装置。

背景技术

等离子切割加工网孔料工件或者使用等离子气刨工件的过程中，需要保持电弧不熄灭，要求电弧经常在切割电弧(图2所示)和引导电弧(图1所示)之间转换，不同的连续引导弧切割控制方法在转弧可靠性和消耗件损耗上往往差异较大，因此选择合适的控制方法是关键。

以往的连续引导弧切割控制方式，大致可以分成两种：一是在切割过程中切割电弧被强制拉断时转弧；二是切割电弧被拉断后再次起弧。这两种控制方式有明显的缺陷：缺陷一是切割电弧向引导电弧转换的可靠性低，经常容易出现断弧的情况；缺陷二是明显降低消耗件的使用寿命。具体情况如下：

方式一：电弧被拉断时进行转弧，该方式要求电弧被拉断后的0.2ms内实现对电弧转换的操作。要求等离子电源控制响应速度高，能在非常短的时间内捕捉到电流的变化并完成电弧延续和转换的操作。该方式易受外部条件的干扰而导致可靠性低，如切割速度、气压、输出电流等原因，并且在转弧的过程中消耗件损耗较大。

方式二：电弧被拉断后再起弧，切割效率低，该方式对消耗件的损耗非常大，严重降低消耗件的使用寿命。

同时，对上面两种方式中影响消耗件寿命的因素进行分析如下：

1)、拉断电弧的消耗：电弧被拉断前，往往会伴随输出电流振荡，原因是等离子电源输出能力已经到达极限而出现“打嗝”现象。输出电流振荡再加之高弧压使得消耗件过载，也就意味着消耗件温度将会更高。同时输出电流振荡会造成消耗件电极电芯的熔融状态不稳定，增加消耗件电极的损耗。

2)、起弧的消耗：起弧相较于正常切割消耗件的损耗较大，特别是起弧和熄弧时。

发明内容

为解决现有的电弧控制方法中电弧拉断时进行转弧存在的由于外部条件干扰和响应速度要求高导致的转弧可靠性低的技术问题，本发明实施例提供一种电弧控制方法、系统及装置。

本发明实施例通过下述技术方案实现：

第一方面，本发明实施例提供一种电弧控制方法，包括：

在电弧弧压过渡平稳、无跳变的状态下，进行切割电弧向引导电弧转换。

第二方面，本发明实施例提供一种电弧控制方法，包括：

每隔一定时间或不定时间采样滤波电弧弧压，并计算弧压值和/或弧压变化率；

比较弧压值与弧压阈值和/或比较弧压变化率与弧压变化率阈值；

若比较弧压值与弧压阈值且弧压值大于或等于弧压阈值；和/或

若比较弧压变化率与弧压变化率阈值且弧压变化率大于或等于弧压变化率阈值；则发送指令以控制电弧切割设备进行切割电弧向引导电弧转换。

进一步的，若比较弧压值与弧压阈值且弧压值大于或等于弧压阈值；和/或若比较弧压变化率与弧压变化率阈值且弧压变化率大于或等于弧压变化率阈值；则发送指令以控制电弧切割设备进行切割电弧向引导电弧转换，包括：

若比较弧压值与弧压阈值且弧压值大于或等于弧压阈值；和/或若比较弧压变化率与弧压变化率阈值且弧压变化率大于或等于弧压变化率阈值；则发送指令以控制电弧切割设备降低输出电流；

当输出电流下降指定时间后，发送指令以控制电弧切割设备进行切割电弧向引导电弧转换。

进一步的，还包括：若切割电弧转换成引导电弧后持续一段时间，引导电弧未向切割电弧转换，则结束切割。

进一步的，所述弧压变化率阈值为0.3v/ms；输出电流下降的指定时间为5ms；弧压阈值为DC220V；所述一段时间为10s。

第三方面，本发明实施例提供一种电弧控制系统，包括：

计算单元，用于每隔一定时间或不定时间采样滤波电弧弧压，并计算弧压值和/或弧压变化率；

比较单元，用于比较弧压值与弧压阈值和/或比较弧压变化率与弧压变化率阈值；

控制单元，用于若比较弧压值与弧压阈值且弧压值大于或等于弧压阈值；和/或若比较弧压变化率与弧压变化率阈值且弧压变化率大于或等于弧压变化率阈值；则发送指令以控制电弧切割设备进行切割电弧向引导电弧转换。

进一步的，所述控制单元，还用于若比较弧压值与弧压阈值且弧压值大于或等于弧压阈值；和/或若比较弧压变化率与弧压变化率阈值且弧压变化率大于或等于弧压变化率阈值；则发送指令以控制电弧切割设备降低输出电流；当输出电流下降指定时间后，发送指令以控制电弧切割设备进行切割电弧向引导电弧转换。

进一步的，所述控制单元，还用于若切割电弧转换成引导电弧后持续一段时间，引导电弧未向切割电弧转换，则控制电弧切割设备结束切割。

第四方面，本发明实施例提供一种电弧控制装置，包括：

弧压采样调理模块，用于采集监控电弧切割设备的割炬与工件之间的切割电弧弧压信号；

切割流程监控模块，用于监控切割电弧弧压信号以判定电弧切割设备是否处于稳定切割状态；

弧压信号处理模块，用于采样滤波电弧弧压，并计算得到弧压值和/或弧压变化率；

弧压监控模块，用于监控弧压变化值和/或弧压变化率；

转弧输出控制模块，用于比较弧压值与弧压阈值大小和/或比较弧压变化率与弧压变化率阈值大小；

若比较弧压值与弧压阈值且弧压值大于或等于弧压阈值和/或比较弧压变化率与弧压变化率阈值且弧压变化率大于或等于弧压变化率阈值，则发送指令以控制电弧切割设备进行切割电弧向引导电弧转换。

本发明实施例与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明实施例的一种电弧控制方法、系统及装置，通过在电弧弧压过渡平稳、无跳变的状态下，进行切割电弧向引导电弧转换；在合适的时机控制转弧，从而保证了转弧的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为等离子切割装置的引导电弧工作状态示意图。

图2为等离子切割装置的切割电弧工作状态示意图。

图3为电弧控制方法流程示意图。

图4为电弧控制系统的结构示意图。

图5为切割过程与电流、电压的对照图。

图6为电弧控制方法流程示意图。

图7为电弧控制装置的结构示意图。

图中，1-切割速度，2-割炬，3-工件，4-切割电流，5-弧压。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“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保护范围的限制。

实施例

为解决现有的电弧控制方法中电弧拉断时进行转弧存在的由于外部条件干扰和响应速度要求高导致的可靠性低的技术问题，发明人经过，统计和分析大量切割试验中切割电流和弧压的波形数据后，得出结论：切割电弧向引导电弧转换过程中，电弧弧压过渡平稳、无跳变的状态将会获得最低的消耗件损耗，同时表现出转弧的可靠性高的特点。

第一方面，本发明实施例提供一种电弧控制方法，包括：在电弧弧压过渡平稳、无跳变的状态下，进行切割电弧向引导电弧转换。从而引入弧压采样，在合适的时机控制转弧，保证了转弧的可靠性，获得最低的消耗件损耗。

参考图5所示，等离子切割电源由于其陡降的外特性，在切割过程中保持切割电流不变。那么可以监测电弧电压来判断当前的切割工况，辅助完成切割电弧向引导电弧转换。参考图5所示，图中，割炬2在稳定的切割速度1下切割工件3，此过程中切割电流4稳定不变，弧压5有明显上升。可知，当进入稳定切割后，电弧的电流基本维持在一个定值，而电弧电压会随割炬与切割工件之间的距离变化有小范围的波动。当切割电弧向工件边缘移动时，随着电弧被拉长，弧柱电阻增加导致电弧电压有明显的上升，当电弧弧压上升到一定程度时，等离子电源维弧能力不足，就会发生断弧。

本发明实施例利用切割过程中电弧电压的变化规律来实现在合适的时间点将切割电流从工件上取回到割炬枪头，再次形成引导弧，并保持电弧电压不突变用以降低在转弧时对消耗件的消耗。

具体地，为使在电弧弧压过渡平稳、无跳变的状态下，进行切割电弧向引导电弧转换，第二方面，本发明实施例提供一种电弧控制方法，参考图3所示，包括：

S101.每隔一定时间或不定时间采样滤波电弧弧压，并计算弧压值和/或弧压变化率；

S102.比较弧压值与弧压阈值和/或比较弧压变化率与弧压变化率阈值；若比较弧压值与弧压阈值且弧压值大于或等于弧压阈值；和/或若比较弧压变化率与弧压变化率阈值且弧压变化率大于或等于弧压变化率阈值；则发送指令以控制电弧切割设备进行切割电弧向引导电弧转换。

本发明实施例中涉及和/或选择的情况时，前一步骤的和/或选择与后一步骤的和/或对应出现，比如前一步骤出现了计算弧压值，则后续步骤的和/或选择中必然选择包含弧压值的步骤；其余情况仿此。

电弧弧压反映的是输出电流与输出电流回路中电阻之间的关系，即伏安特性。输出电流回路中阻值主要是切割弧弧柱电阻，同时弧柱电阻的大小也可以反应出割炬与工件之间的距离，距离越大电阻越大弧压也越高。当切割弧移出工件的过程中弧柱被拉长，电弧弧压也随之升高，故可根据弧压的变化情况来判断当前切割的状态。

在进入稳定切割前弧压变化主要是由于输出电流增加而造成的，同时在进入稳定切割之前电磁干扰大，势必会影响采样精度。

考虑到MCU处理性能和采样数据的实时性，将采样时间间隔控制在1ms以内。

弧压值可以根据采样的调整电路和ADC外设采样精度计算得到其结果。弧压变化率为一定时间段内弧压的变化大小，即Δu/Δt。关于Δt大小的选择，实际测试过程中观察到弧压在切割过程中变化缓慢，故可以将Δt设置为15ms。那么Δu/Δt表征弧压值在15ms期间的变化大小，即弧压变化率。

弧压设定阈值需要根据等离子电源硬件电路的设计情况作出相应调整，试验时以DC220V作为判断阈值。弧压变化率阈值考虑到实际应用场景设置成0.3v/ms，可以获得理想的控制要求。

当弧压或弧压上升率达到或超过设定阈值时，说明当前切割弧需要立即进行转弧处理。但是考虑到设备的安全性和消耗件的损耗情况先降低等离子设备的输出电流后再进行转弧，但相较于标准切割的电流缓降，连续引导弧切割不具备较长时间缓降输出电流的条件，所以需要做快速的电弧处理，这需要等离子电源控制系统有较高的快速响应能力。在试验中设置输出下降的时间在5ms时可以获得理想的控制要求。

当检测到输出电流下降到指定值时打开引导通道，可以有效降低大电流对引弧通道的冲击，同时可以有效的减少引弧通路中元器件的发热，当需要进行多次连续引导弧切割时可以很好的控制设备的发热，延长设备和元器件的使用寿命。一般设置该值为等离子电流的最小额定电流。

输出电流下降到一定值后打开引弧通道，此时切割电流可能不是全部通过引弧通道，而是既从引弧通道又从正负极之间流过，处于一种混合的状态。但随着割炬向工件外移动距离越大，输出正负极之间的电流会全部转移到引导弧通道形成引导弧电流。

考虑到实际场景，在连续引导弧切割的间隔留出一定的时间用于再次将引导弧转移到工件上。设置时间过长会增加消耗件的损耗，设置过短会出现操作人员还未来得及将引导弧引到工件上输出就关闭的情况。根据试验情况设置连续引导弧切割间隔的空喷弧时间为10s。

第三方面，本发明实施例提供一种电弧控制系统，参考图4所示，包括：

可选地，参考图6所示，取等离子电源正负极两端的电压，即割炬与工件之间的切割电弧弧压，作为判断当前切割电弧状态的依据。当切割进入稳定状态后，每隔一定时间采样滤波切割电弧弧压并计算其弧压值和弧压变化率。将弧压变化率和弧压值与设定阈值相比较。当超过设定阈值时，做快速电流输出下降，当输出电流下降到指定值时，开启引导弧通道，让切割电流向引导弧电流转移形成引导弧，在一定的时间内等待引导弧转到工件上再次形成切割弧，即完成一次连续引导弧切割。弧压变化相较于电流变化速度更缓和，可使用低速的MCU来实现监测功能，有效控制设备成本。

工作原理与控制方法类似，此不赘述。

第四方面，本发明实施例提供一种电弧控制装置，参考图7所示，包括：

本发明实施例提供一种电弧控制装置，包括：

弧压监控模块，用于监控弧压变化值和/或弧压变化率；

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种等离子切割电弧控制方法，其特征在于，包括：

当输出电流下降指定时间后，发送指令以控制电弧切割设备在电弧弧压过渡平稳、无跳变的状态下，进行切割电弧向引导电弧转换。

2.根据权利要求1所述等离子切割电弧控制方法，其特征在于，还包括：若切割电弧转换成引导电弧后持续一段时间，引导电弧未向切割电弧转换，则结束切割。

3.根据权利要求2所述等离子切割电弧控制方法，其特征在于，所述弧压变化率阈值为0.3v/ms；输出电流下降的指定时间为5ms；弧压阈值为DC220V；所述一段时间为10s。

4.一种等离子切割电弧控制系统，其特征在于，包括：

控制单元，用于若比较弧压值与弧压阈值且弧压值大于或等于弧压阈值；和/或若比较弧压变化率与弧压变化率阈值且弧压变化率大于或等于弧压变化率阈值；则发送指令以控制电弧切割设备在电弧弧压过渡平稳、无跳变的状态下，进行切割电弧向引导电弧转换；

所述控制单元，还用于若比较弧压值与弧压阈值且弧压值大于或等于弧压阈值；和/或若比较弧压变化率与弧压变化率阈值且弧压变化率大于或等于弧压变化率阈值；则发送指令以控制电弧切割设备降低输出电流；当输出电流下降指定时间后，发送指令以控制电弧切割设备在电弧弧压过渡平稳、无跳变的状态下，进行切割电弧向引导电弧转换。

5.如权利要求4所述等离子切割电弧控制系统，其特征在于，所述控制单元，还用于若切割电弧转换成引导电弧后持续一段时间，引导电弧未向切割电弧转换，则控制电弧切割设备结束切割。

6.一种等离子切割电弧控制装置，其特征在于，包括：

弧压监控模块，用于监控弧压变化值和/或弧压变化率；

若比较弧压值与弧压阈值且弧压值大于或等于弧压阈值；和/或比较弧压变化率与弧压变化率阈值且弧压变化率大于或等于弧压变化率阈值，则发送指令以控制电弧切割设备在电弧弧压过渡平稳、无跳变的状态下，进行切割电弧向引导电弧转换；

若比较弧压值与弧压阈值且弧压值大于或等于弧压阈值；和/或若比较弧压变化率与弧压变化率阈值且弧压变化率大于或等于弧压变化率阈值；则发送指令以控制电弧切割设备在电弧弧压过渡平稳、无跳变的状态下，进行切割电弧向引导电弧转换，包括：