大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)，其輸入端連接三相交流輸入電源；該系統(tǒng)包括等離子弧切割機、磁控裝置和協(xié)同控制器；所述磁控裝置的一端與三相交流輸入電源連接，另一端分別與協(xié)同控制器和等離子弧切割機連接；所述協(xié)同控制器與等離子弧切割機相互連接。該發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)適應(yīng)性寬，擴展便利，不僅能夠提高大功率等離子弧切割機的切割精度和對中厚板的切割能力，割口留量小，材料利用率高，而且能夠改善電極燒損情況，延長使用壽命，降低運行成本。
【專利說明】大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及焊接工藝及設(shè)備技術(shù)，更具體地說，涉及一種大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，在海洋工程、核電、航空航天、汽車、風(fēng)電、火電、船舶、軌道交通、石油化工等裝備制造業(yè)，其設(shè)備日趨大型化、結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化以及材料趨于多元化，迫切需要大量高效、高性能切割加工技術(shù)和設(shè)備。其中，氣割、等離子切割和激光切割是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較廣泛的熱切割方法。激光切割主要適用于薄板的切割，其具有精度高、割口窄和能夠節(jié)約大量切割材料的優(yōu)點，但是采用激光切割的設(shè)備成本以及生產(chǎn)成本都較高。相比傳統(tǒng)的氣割方法，等離子弧切割具有熱變形小、切割速度更快、生產(chǎn)率高、適用范圍更廣和能切割幾乎所有材料的特點，在切割同樣厚度的碳鋼時，其切割速度是氧乙炔切割的5?7倍；而相對于激光切割，等離子弧切割設(shè)備和工作成本較低，并能達到很高的切割質(zhì)量，尤其是在中、厚板切割方面，其更具有成本和效率的優(yōu)勢。
[0003]但是，現(xiàn)有的大功率等離子弧切割的割口相對較寬，切割精度還不夠高，切割加工過程還需預(yù)留較大的留量，甚至達到火焰氣割的1.5-2倍，材料利用率不高，損耗較多。目前，我國等離子弧切割的材料利用率在68%左右，而國外工業(yè)發(fā)達國家已超過80%，按照我國一年切割鋼材7000萬噸計算，如果能夠?qū)⒉牧侠寐侍岣叩?0%，每年可節(jié)省鋼材840萬噸，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
[0004]目前，國外正在大力開發(fā)精細等離子弧切割方法，國內(nèi)也有不少廠家開展了相關(guān)的研發(fā)工作，部分產(chǎn)品的切割精度已接近激光切割的水準(zhǔn)，但是切割厚度還是有限的，并且切割延時時間長，從而影響了生產(chǎn)效率。此外，隨著切割厚度的增加，必須要提高切割電流和切割電壓；同時，為了提高切割精度，減少割口留量，又需要進一步壓縮等離子弧，使熱源更集中，使得電弧斑點處的能量密度非常高。上述兩個因素會導(dǎo)致電極產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)龘p，影響到切割電極的壽命，甚至影響生產(chǎn)效率和成本。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點與不足，提供一種切割精度高、切割能力強、使電極端部的熱量分布更為均勻、能減少電極燒損和使用壽命長的大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)；該等離子弧切割系統(tǒng)在中厚板切割時的切割精度接近于激光切割水平，材料利用率提聞5%以上，從而提聞生廣效率和生廣成本。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn):一種大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)，其特征在于:其輸入端連接三相交流輸入電源；包括等離子弧切割機、磁控裝置和協(xié)同控制器；所述磁控裝置的一端與三相交流輸入電源連接，另一端分別與協(xié)同控制器和等離子弧切割機連接；所述等離子弧切割機一端與三相交流輸入電源連接，另一端與協(xié)同控制器相互連接。[0007]在上述方案中，本發(fā)明的等離子弧切割系統(tǒng)在等離子弧切割機上增加一個高性能的磁控裝置，通過協(xié)同控制器的協(xié)同控制，利用外加磁場提高等離子弧射流的磁致壓縮效應(yīng)，使電弧更集中，減少割口寬度，使得該等離子弧切割系統(tǒng)在中厚板切割時的切割精度接近于激光切割水平，材料利用率提高5%以上，從而提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。此外，本發(fā)明利用外加磁場控制電極上等離子弧斑點進行勻質(zhì)化運動，使電極端部的熱量分布更為均勻，減少電極燒損，從而延長電極的使用壽命。
[0008]所述等離子弧切割機包括等離子弧切割電源、壓縮氣體裝置、冷卻水裝置、等離子弧割槍和執(zhí)行機構(gòu)；所述等離子弧割槍分別與等離子弧切割電源、壓縮氣體裝置、冷卻水裝置和執(zhí)行機構(gòu)連接；所述冷卻水裝置與等離子弧切割電源連接；所述協(xié)同控制器分別與執(zhí)行機構(gòu)和等離子弧切割電源相互連接；所述等離子弧切割電源與三相交流輸入電源連接。
[0009]更具體地說，所述等離子弧切割機為模擬控制型等離子弧切割機，或者所述等離子弧切割機為數(shù)字化控制的等離子弧切割機。本發(fā)明的等離子弧切割機既可以是傳統(tǒng)的模擬控制型等離子弧切割機，也可以是數(shù)字化控制的等離子弧切割機。
[0010]所述協(xié)同控制器包括ARM微控制系統(tǒng)、可視化人機界面、繼電器模塊、信號檢測模塊、通信接口模塊和信號驅(qū)動模塊；所述ARM微控制系統(tǒng)分別與可視化人機界面、繼電器模塊、信號檢測模塊、通信接口模塊和信號驅(qū)動模塊連接；
[0011]所述協(xié)同控制器分別與執(zhí)行機構(gòu)和等離子弧切割電源相互連接是指:所述繼電器模塊與等離子弧切割機的執(zhí)行機構(gòu)相互連接以控制執(zhí)行機構(gòu)的運動；所述信號檢測模塊與等離子弧切割機的等離子弧切割電源和執(zhí)行機構(gòu)連接；所述等離子弧切割機為模擬控制型等離子弧切割機時，協(xié)同控制器的信號驅(qū)動模塊與等離子弧切割機的等離子弧切割電源連接，以實現(xiàn)信號驅(qū)動模塊的驅(qū)動信號代替等離子弧切割電源的給定；所述等離子弧切割機為數(shù)字化控制的等離子弧切割機時，協(xié)同控制器的通信接口模塊與等離子弧切割機的等離子弧切割電源連接，以實現(xiàn)信息交互和協(xié)同控制。
[0012]所述磁控裝置包括主電路、與主電路相互連接的控制器和與主電路連接的勵磁線圈；所述勵磁線圈與等離子弧切割機的等離子弧割槍相連，并設(shè)置在等離子弧割槍上；所述控制器與協(xié)同控制器相互相連。
[0013]所述主電路由整流濾波電路、前級恒流源和后級逆變橋依次連接組成；其中，整流濾波電路的輸入端與三相交流輸入電源連接，后級逆變橋的輸出端與勵磁線圈連接；所述前級恒流源的工作模式為移相全橋軟開關(guān)模式；所述后級逆變橋的工作模式為低頻全橋硬開關(guān)調(diào)制模式。
[0014]所述控制器包括ARM最小系統(tǒng)、故障保護模塊、高頻驅(qū)動模塊、低頻驅(qū)動模塊、供電模塊、電流反饋模塊和CAN接口電路；所述ARM最小系統(tǒng)分別與故障保護模塊、高頻驅(qū)動模塊、低頻驅(qū)動模塊、供電模塊、電流反饋模塊和CAN接口電路連接；所述故障保護模塊的一端和供電模塊的一端均與三相交流輸入電源連接；所述高頻驅(qū)動模塊和電流反饋模塊分別與主電路的前級恒流源連接；所述低頻驅(qū)動模塊與主電路的后級逆變橋連接；所述CAN接口電路與協(xié)同控制器的通信接口模塊相互連接。
[0015]所述ARM最小系統(tǒng)由型號為LM4F232H5QC的ARM微處理器一、JTAG接口電路一、晶振電路一和復(fù)位電路一通過外圍電路連接組成；所述晶振電路一由晶振Y1、電容C125和電容C126通過外圍電路連接組成；所述復(fù)位電路一由開關(guān)S1、電阻R106、電阻R107和電容C127通過外圍電路連接組成；所述JTAG接口電路一由JTAG接口芯片和電阻R100、RlOl、R102和R103連接組成。
[0016]所述協(xié)同控制器的ARM微控制系統(tǒng)由型號為LM4F232H5QC的ARM微處理器二、晶振電路二、JTAG接口電路二和復(fù)位電路二通過外圍電路連接組成。
[0017]所述協(xié)同控制器的可視化人機界面由型號為RA8875的液晶驅(qū)動芯片、型號為TPS61040的供電電源boost調(diào)整器、CAT4139LED背光驅(qū)動電路以及型號為AT070TN92的液晶屏通過外圍電路連接組成，以實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定、狀態(tài)顯示和故障診斷的人機交互功能；所述可視化人機界面通過可編程GPIO 口與ARM微控制系統(tǒng)連接；
[0018]所述協(xié)同控制器的信號檢測模塊由電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、流量傳感器和相應(yīng)的信號調(diào)理電路通過外圍電路連接組成；所述信號檢測模塊通過AD轉(zhuǎn)換器端口與ARM微控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換；
[0019]所述協(xié)同控制器的通信接口模塊由以型號為SP3232E的芯片為主構(gòu)成的RS-232通信電路、以型號為SP3485的芯片構(gòu)成的RS-485通信電路和以型號為CTM8251T芯片為主構(gòu)成的CAN通信電路通過外圍電路連接組成；所述RS-232通信電路和RS-485通信電路通過UART端口與ARM微控制系統(tǒng)連接；所述CAN通信電路通過CAN端口與ARM微控制系統(tǒng)連接;
[0020]所述協(xié)同控制器的信號驅(qū)動模塊由型號為TLC5615的數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片和光I禹電路通過外圍電路連接組成，實現(xiàn)信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換以及隔離放大；所述信號驅(qū)動模塊通過GPIO端口與ARM微控制系統(tǒng)連接。
[0021]本發(fā)明的原理是這樣的:電弧在機械壓縮效應(yīng)、熱收縮效應(yīng)以及磁致壓縮效應(yīng)的作用下產(chǎn)生收縮，形成壓縮等離子弧，等離子弧切割就是利用這種高能量密度的等離子弧來熔化被切割工件，并通過高速的壓縮氣體將熔化金屬吹開而形成切割割口，這就是等離子弧切割的基本原理。本發(fā)明為大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)，在通用的等離子弧切割機的切割槍上安裝一套高性能的磁控裝置；在等離子弧切割時，利用磁控裝置產(chǎn)生強磁場，通過協(xié)同控制器的協(xié)同控制，利用該磁場增強等離子弧的磁致壓縮效應(yīng)，使得等離子弧進一步壓縮，縮小弧柱截面積，電弧的挺度和能量密度得到提高，從而減少割口寬度，提高等離子弧切割系統(tǒng)對中厚板的切割精度和切割能力。此外，由于強外磁場的作用，導(dǎo)致電極上的電弧斑點在電極端面進行勻質(zhì)化的運動，使得電極表面的熱量分布趨于均勻，降低了電極燒損，從而提高電極使用壽命。
[0022]本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果:
[0023]1、本發(fā)明的大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)適應(yīng)性寬，不僅可以適用于數(shù)字化等離子弧切割機，也能用于傳統(tǒng)模擬型等離子弧切割機的改造，只需在現(xiàn)有等離子弧切割機的割槍上安裝磁控裝置，通過協(xié)同控制器的協(xié)同控制就能實現(xiàn)預(yù)期的效果，其改裝便利，結(jié)構(gòu)簡單。
[0024]2、本發(fā)明的大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)能夠進一步提高等離子弧切割工藝的切割精度和切割能力，減少割口寬度，提高材料利用率和電極使用壽命，從而降低了大功率等尚子弧切割系統(tǒng)的長期運行成本。
[0025]3、本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的磁控裝置采用了先進的高頻逆變技術(shù)和基于ARM的全數(shù)字控制技術(shù)，效率高，動態(tài)性能好，對磁場強度和分布特性的控制精度聞ο
[0026]4、本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的協(xié)同控制器采用了數(shù)字化的人機交互模式，實現(xiàn)了人機交互的可視化管理，使得整個大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的可操作性好，擴展和移植更為便利。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0028]圖2是本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的磁控裝置結(jié)構(gòu)框圖；
[0029]圖3是本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的協(xié)同控制器結(jié)構(gòu)框圖；
[0030]圖4是本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的磁控裝置主電路原理圖；
[0031]圖5是本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的磁控裝置控制器結(jié)構(gòu)框圖；
[0032]圖6是本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的磁控裝置的ARM最小系統(tǒng)原理圖；
[0033]圖7是本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的協(xié)同控制器功能接口示意圖?！揪唧w實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的描述。
[0035]實施例
[0036]如圖1所示，本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的輸入端連接三相交流輸入電源；該等離子弧切割系統(tǒng)包括等離子弧切割機100、磁控裝置200和協(xié)同控制器300 ;磁控裝置200的一端與三相交流輸入電源連接，另一端分別與協(xié)同控制器300和等離子弧切割機100連接；等離子弧切割機100 —端與三相交流輸入電源連接，另一端與協(xié)同控制器300相互連接。
[0037]其中，等離子弧切割機100既可以是傳統(tǒng)的模擬控制型等離子弧切割機，也可以是數(shù)字化控制的等離子弧切割機，其包括等離子弧切割電源1001、壓縮氣體裝置1002、冷卻水裝置1003、等離子弧割槍1004和執(zhí)行機構(gòu)1005 ;等離子弧割槍1004分別與等離子弧切割電源1001、壓縮氣體裝置1002、冷卻水裝置1003和執(zhí)行機構(gòu)1005連接；冷卻水裝置1003與等離子弧切割電源1001連接；等離子弧切割電源1001與三相交流輸入電源連接。協(xié)同控制器300分別與執(zhí)行機構(gòu)1005和等離子弧切割電源1001相互相連。磁控裝置200包括主電路201、與主電路201相互連接的控制器210和與主電路201連接的勵磁線圈220 ；勵磁線圈220與等離子弧切割機100的等離子弧割槍1004相連，并設(shè)置在等離子弧割槍1004上；控制器210與協(xié)同控制器300相互相連。
[0038]如圖3所示，本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的協(xié)同控制器300包括包括ARM微控制系統(tǒng)3001、可視化人機界面3002、繼電器模塊3004、信號檢測模塊3003、通信接口模塊3006和信號驅(qū)動模塊3005 ；ARM微控制系統(tǒng)3001分別與可視化人機界面3002、繼電器模塊3004、信號檢測模塊3003、通信接口模塊3006和信號驅(qū)動模塊3005連接。其中，協(xié)同控制器300分別與執(zhí)行機構(gòu)1005和等離子弧切割電源1001相互連接是指:繼電器模塊3004與等離子弧切割機100的執(zhí)行機構(gòu)1005相互連接以控制執(zhí)行機構(gòu)1005的運動；信號檢測模塊3003與等離子弧切割機100的等離子弧切割電源1001和執(zhí)行機構(gòu)1005連接。當(dāng)?shù)入x子弧切割機100為模擬控制型等離子弧切割機時，協(xié)同控制器300的信號驅(qū)動模塊3005與等離子弧切割機100的等離子弧切割電源1001連接，以實現(xiàn)信號驅(qū)動模塊3005的驅(qū)動信號代替等離子弧切割電源1001的給定；當(dāng)?shù)入x子弧切割機100為數(shù)字化控制的等離子弧切割機時，協(xié)同控制器300的通信接口模塊3006與等離子弧切割機100的等離子弧切害I]電源1001連接，以實現(xiàn)信息交互和協(xié)同控制。
[0039]如圖2所示，本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的磁控裝置的主電路201由整流濾波電路2011、前級恒流源2012和后級逆變橋2013依次連接組成；其中，整流濾波電路2011的輸入端與三相交流輸入電源連接，后級逆變橋2013的輸出端與勵磁線圈220連接；前級恒流源2011的工作模式為移相全橋軟開關(guān)模式；后級逆變橋2013的工作模式為低頻全橋硬開關(guān)調(diào)制模式?？刂破?10包括ARM最小系統(tǒng)2107、故障保護模塊2101、高頻驅(qū)動模塊2102、低頻驅(qū)動模塊2105、供電模塊2102、電流反饋模塊2104和CAN接口電路2106 ;ARM最小系統(tǒng)2107分別與故障保護模塊2101、高頻驅(qū)動模塊2102、低頻驅(qū)動模塊2105、供電模塊2102、電流反饋模塊2104和CAN接口電路2106連接。其中，故障保護模塊2101的一端和供電模塊2102的一端均與三相交流輸入電源連接，高頻驅(qū)動模塊2103和電流反饋模塊2104分別與主電路201的前級恒流源2012連接，低頻驅(qū)動模塊2105與主電路201的后級逆變橋2013連接，CAN接口電路2106與協(xié)同控制器300的通信接口模塊3006相互連接。
[0040]本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的外加磁場可以采用橫向磁場、縱向磁場、雙尖角磁場和旋轉(zhuǎn)磁場等，本發(fā)明以交變磁場為實施例進行說明。如圖4所示，磁控裝置200的主電路201由整流濾波電路2011、前級恒流源2012和后級逆變橋2013相互連接組成。其中，整流濾波電路2011由三相整流橋D1-D6、電容Cl連接構(gòu)成；前級恒流源2012由功率開關(guān)管V1-V4、反并聯(lián)二極管D7-D10、諧振電容C1-C4、諧振電感Lr、中頻變壓器T、輸出整流橋D11-D14以及濾波電抗LI通過外圍電路連接構(gòu)成；后級逆變橋2013由功率開關(guān)管V5-V8、反并聯(lián)二極管D15-D18以及電容C5-C8通過外圍電路連接構(gòu)成。三相電源經(jīng)整流濾波電路2011之后變成較平滑的直流電，然后經(jīng)過由功率開關(guān)管V1-V4構(gòu)成的功率逆變橋，通過功率開關(guān)管V1-V4的高頻組合開關(guān)，轉(zhuǎn)換成高壓高頻方波，然后經(jīng)過中頻變壓器T轉(zhuǎn)換為低壓高頻方波，再經(jīng)過輸出整流橋D11-D14的快速整流和濾波電抗LI的平滑濾波，變成直流電。其中，功率開關(guān)管V1-V4工作于移相軟開關(guān)換流模式；控制器210的電流反饋模塊2104采樣濾波電抗LI輸出端的電流信號，經(jīng)過調(diào)理之后輸入給ARM最小系統(tǒng)2107，在ARM微處理器內(nèi)與給定信號進行比較和數(shù)字運算，然后輸出數(shù)字PWM信號，經(jīng)過高頻驅(qū)動模塊2103隔離和放大之后去控制功率開關(guān)管V1-V4的開關(guān)時序和占空比，實現(xiàn)電流的閉環(huán)控制，形成前級恒流源。該恒流源輸出恒流特性的直流電進入到后級逆變橋，后級逆變橋是一個全橋拓撲結(jié)構(gòu)，其中功率開關(guān)管V5/V8同步開關(guān)，功率開關(guān)管V6/V7同步開關(guān)；在功率開關(guān)管V5/V8開通時，功率開關(guān)管V6/V7關(guān)斷；在功率開關(guān)管V5/V8關(guān)斷時，功率開關(guān)管V6/V7開關(guān)；這樣就可以輸出占空比和頻率均可改變的交流方波電流，如果恒流源的輸出值做同步變化，則輸出的交流方波電流大小也可以靈活調(diào)節(jié)。該交流方波電流輸入到勵磁線圈220，產(chǎn)生所需要的勵磁磁場。
[0041]如圖5所示，本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的磁控裝置控制器的ARM最小系統(tǒng)2107主要由基于M4內(nèi)核的LM4F232H5QC芯片為核心，輔以晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。供電模塊2102為整個控制器210提供所需功率和電壓值的電能；故障保護模塊2101能夠?qū)崿F(xiàn)過壓、欠壓以及過熱等故障的檢測，并將對應(yīng)的故障信號轉(zhuǎn)變?yōu)殚_關(guān)量信號，直接接入ARM最小系統(tǒng)2107的可編程GPIO 口，LM4F232H5QC根據(jù)對應(yīng)GPIO 口的開關(guān)量信號變化情況判斷發(fā)生的故障類型，并根據(jù)預(yù)設(shè)的處理流程進行處置，并將信息發(fā)送到協(xié)同控制器300進行故障狀態(tài)顯示和報警；電流反饋電路2104的輸出端直接接入到ARM最小系統(tǒng)2107的ADC模塊，對電流反饋信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；CAN接口電路2106 —端直接與ARM最小系統(tǒng)2107的CAN接口模塊相連，一端與協(xié)同控制器300相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和信息交互；前級恒流源控制所需的PWM信號由ARM最小系統(tǒng)2107的PWM端口直接產(chǎn)生，并輸入到高頻驅(qū)動模塊2103進行電氣隔離和功率放大；而后級逆變橋所需的兩路推挽型低頻數(shù)字PWM信號則由ARM最小系統(tǒng)2107的HMER端口產(chǎn)生，然后輸入到低頻驅(qū)動模塊2105進行電氣隔離和功率放大。
[0042]如圖6所示，本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的磁控裝置的ARM最小系統(tǒng)主要由型號為LM4F232H5QC的ARM微處理器一、JTAG接口電路一、晶振電路一和復(fù)位電路一通過外圍電路連接組成。其中，所述LM4F232H5QC ARM微處理器一內(nèi)固化有基于FreeRTOS內(nèi)核的磁控軟件；晶振電路一由晶振Y1、電容C125和電容C126通過外圍電路連接組成；復(fù)位電路一由開關(guān)S1、電阻R106、電阻R107和電容C127通過外圍電路連接組成JTAG接口電路一由JTAG接口芯片和電阻R100、R101、R102和R103連接組成。
[0043]圖7是本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的協(xié)同控制器功能接口示意圖。ARM微控制系統(tǒng)3001是由以型號為LM4F232H5QC的ARM微處理器二、晶振電路二、JTAG接口電路二和復(fù)位電路二通過外圍電路連接構(gòu)成?？梢暬藱C界面3002直接與ARM微控制系統(tǒng)3001的可編程GPIO 口相連，主要由專用液晶驅(qū)動芯片RA8875、供電電源TPS61040boost調(diào)整器、CAT4139LED背光驅(qū)動電路和群創(chuàng)7寸液晶屏AT070TN92通過外圍電路構(gòu)成，實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定、狀態(tài)顯示、故障診斷等人機交互功能。繼電器模塊3004直接與ARM微控制系統(tǒng)3001的可編程GPIO端口。信號檢測模塊3003主要由電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、流量傳感器以及相應(yīng)的信號調(diào)理電路通過外圍電路連接構(gòu)成，其直接連接到ARM微控制系統(tǒng)3001的AD轉(zhuǎn)換器端口，實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。通信接口模塊3006包括了由SP3232E芯片為主構(gòu)成的RS-232通信電路，由SP3485芯片為主構(gòu)成的RS-485通信電路以及由CTM8251T芯片為主構(gòu)成的CAN通信電路，通信接口模塊的RS232和RS485電路直接與ARM微控制系統(tǒng)3001的UART端口相連，而CAN通信電路直接與ARM微控制系統(tǒng)3001的CAN端口相連。信號驅(qū)動模塊3005直接與ARM微控制系統(tǒng)3001的GPIO端口相連，主要由具有串行接口的10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片TLC5615以及光耦電路通過外圍電路連接構(gòu)成，實現(xiàn)信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換以及隔離放大。
[0044]本發(fā)明大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)是這樣工作的:
[0045]如圖1、圖2和圖3所示，三相電源給等離子弧切割機100、磁控裝置200和協(xié)同控制器300供電，冷卻水裝置1003 —方面可以為等離子弧切割電源1001制冷散熱，一方面為等離子弧割槍1004散熱，為壓縮氣體裝置1002和等離子弧割槍1004提供壓縮氣體，在切割時將熔化的金屬吹開形成割口。三相電源輸入電流經(jīng)勵磁裝置200主電路201的整流濾波電路2011、前級恒流源2012、后級逆變橋2013，經(jīng)數(shù)字低頻調(diào)制成占空比、頻率和大小均可調(diào)的交流電流，接入勵磁線圈220產(chǎn)生附加的強外磁場，而勵磁線圈220直接安裝在等離子弧割槍1004上；協(xié)同控制器300協(xié)同控制等離子弧切割機100和磁控裝置200的協(xié)同工作。當(dāng)?shù)入x子弧切割機100是傳統(tǒng)的模擬型等離子弧切割機時，協(xié)同控制器300的信號驅(qū)動模塊3005直接與等離子弧切割電源1001相連，用該驅(qū)動信號來代替等離子弧切割電源1001的給定；如果等離子弧切割機100是數(shù)字型，則協(xié)同控制器300的通信接口模塊3006直接與等離子弧切割機100進行數(shù)字通信，實現(xiàn)信息交互和協(xié)同控制。在切割時，協(xié)同控制器300還可以通過繼電器模塊3004控制執(zhí)行機構(gòu)1005的運動，同時還能通過信號檢測模塊3003檢測磁控裝置200、等離子弧切割機100的實際輸出電流波形、電壓波形、氣體流量、執(zhí)行機構(gòu)運動速度、溫度等狀態(tài)信息，對勵磁參數(shù)與切割工工藝參數(shù)的匹配情況進行觀測和評判。切割時，系統(tǒng)各組成部分供電，系統(tǒng)進行初始化，由協(xié)同控制器300對整個等離子弧系統(tǒng)進行自檢，然后在可視化人機交互界面上設(shè)定相應(yīng)的勵磁參數(shù)和切割工藝參數(shù)，之后進入切割流程，等離子弧切割機100產(chǎn)生等離子弧，熔化工件，并在壓縮空氣的作用下將熔化材料吹開形成割口 ；此時磁控裝置200給勵磁線圈220通電，產(chǎn)生強外磁場，對等離子弧進行壓縮，使得等離子弧的挺度和能量密度提高，減少割口的寬度，提高切割精度。同時強外磁場還使得電極上的電弧斑點產(chǎn)生運動，確保電極上的溫度場分布更為均勻，降低電極燒損。
[0046]本發(fā)明的上述實施例具有以下特點:
[0047]1、寬適應(yīng)性:本實施例的磁控裝置和協(xié)同控制器均為模塊式結(jié)構(gòu)，只要在通用等離子弧切割機的割槍上安裝磁控裝置，就可以實現(xiàn)精細化切割，幾乎可以應(yīng)用于所有通用的等離子弧切割機；磁控裝置采用了高頻逆變技術(shù)，主回路的時間常數(shù)小，動態(tài)響應(yīng)快，同時外加磁場對等離子弧能量分布的是無觸點控制的，使得磁場控制切割過程非常靈敏；這些都提高了本實施例的工藝適應(yīng)性。
[0048]2、切割質(zhì)量好:本實施例根據(jù)等離子弧切割的基礎(chǔ)原理，通過外加強磁場來增強等離子弧的磁致壓縮效應(yīng)，能產(chǎn)生弧柱截面積更小、能量密度更高的等離子弧，從而減少了切割割口寬度，改善了切割質(zhì)量，增加了原材料的利用效率，同時等離子弧對中厚板的切割能力也得到了提高。
[0049]3、運行成本低:通過磁控壓縮方式實現(xiàn)類激光的切割效果，不僅節(jié)省了原材料，也節(jié)約了后續(xù)加工的成本，而且還可以提高電極使用壽命，也有利于企業(yè)充分利用現(xiàn)有的加工手段。
[0050]4、操作性好:本實施例具有數(shù)字化、可視化的人機交互界面，參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)顯示都非常直觀；同時既具有數(shù)字化通信接口，也具有傳統(tǒng)的模擬接口電路，與等離子弧切割機的連接也非常方便，擴展容易。
[0051]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)，其特征在于:其輸入端連接三相交流輸入電源；包括等離子弧切割機、磁控裝置和協(xié)同控制器；所述磁控裝置的一端與三相交流輸入電源連接，另一端分別與協(xié)同控制器和等離子弧切割機連接；所述等離子弧切割機一端與三相交流輸入電源連接，另一端與協(xié)同控制器相互連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)，其特征在于:所述等離子弧切割機包括等離子弧切割電源、壓縮氣體裝置、冷卻水裝置、等離子弧割槍和執(zhí)行機構(gòu)；所述等離子弧割槍分別與等離子弧切割電源、壓縮氣體裝置、冷卻水裝置和執(zhí)行機構(gòu)連接；所述冷卻水裝置與等離子弧切割電源連接；所述協(xié)同控制器分別與執(zhí)行機構(gòu)和等離子弧切割電源相互連接；所述等離子弧切割電源與三相交流輸入電源連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)，其特征在于:所述等離子弧切割機為模擬控制型等離子弧切割機，或者所述等離子弧切割機為數(shù)字化控制的等離子弧切割機。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)，其特征在于:所述協(xié)同控制器包括ARM微控制系統(tǒng)、可視化人機界面、繼電器模塊、信號檢測模塊、通信接口模塊和信號驅(qū)動模塊；所述ARM微控制系統(tǒng)分別與可視化人機界面、繼電器模塊、信號檢測模塊、通信接口模塊和信號驅(qū)動模塊連接； 所述協(xié)同控制器分別與執(zhí)行機構(gòu)和等離子弧切割電源相互連接是指:所述繼電器模塊與等離子弧切割機的執(zhí)行機構(gòu)相互連接以控制執(zhí)行機構(gòu)的運動；所述信號檢測模塊與等離子弧切割機的等離子弧切割電源和執(zhí)行機構(gòu)連接；所述等離子弧切割機為模擬控制型等離子弧切割機時，協(xié)同控制器的信號驅(qū)動模塊與等離子弧切割機的等離子弧切割電源連接，以實現(xiàn)信號驅(qū)動模塊的驅(qū)動信號代替等離子弧切割電源的給定；所述等離子弧切割機為數(shù)字化控制的等離子弧切割機時，協(xié)同控制器的通信接口模塊與等離子弧切割機的等離子弧切割電源連接，以實現(xiàn)信息交互和協(xié)同控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)，其特征在于:所述磁控裝置包括主電路、與主電路相互連接的控制器和與主電路連接的勵磁線圈；所述勵磁線圈與等離子弧切割機的等離子弧割槍相連，并設(shè)置在等離子弧割槍上；所述控制器與協(xié)同控制器相互相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)，其特征在于:所述主電路由整流濾波電路、前級恒流源和后級逆變橋依次連接組成；其中，整流濾波電路的輸入端與三相交流輸入電源連接，后級逆變橋的輸出端與勵磁線圈連接；所述前級恒流源的工作模式為移相全橋軟開關(guān)模式；所述后級逆變橋的工作模式為低頻全橋硬開關(guān)調(diào)制模式。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)，其特征在于:所述控制器包括ARM最小系統(tǒng)、故障保護模塊、高頻驅(qū)動模塊、低頻驅(qū)動模塊、供電模塊、電流反饋模塊和CAN接口電路；所述ARM最小系統(tǒng)分別與故障保護模塊、高頻驅(qū)動模塊、低頻驅(qū)動模塊、供電模塊、電流反饋模塊和CAN接口電路連接；所述故障保護模塊的一端和供電模塊的一端均與三相交流輸入電源連接；所述高頻驅(qū)動模塊和電流反饋模塊分別與主電路的前級恒流源連接；所述低頻驅(qū)動模塊與主電路的后級逆變橋連接；所述CAN接口電路與協(xié)同控制器的通信接口模塊相互連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)，其特征在于:所述ARM最小系統(tǒng)由型號為LM4F232H5QC的ARM微處理器一、JTAG接口電路一、晶振電路一和復(fù)位電路一通過外圍電路連接組成；所述晶振電路一由晶振Y1、電容C125和電容C126通過外圍電路連接組成；所述復(fù)位電路一由開關(guān)S1、電阻R106、電阻R107和電容C127通過外圍電路連接組成；所述JTAG接口電路一由JTAG接口芯片和電阻R100、R101、R102和R103連接組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)，其特征在于:所述協(xié)同控制器的ARM微控制系統(tǒng)由型號為LM4F232H5QC的ARM微處理器二、晶振電路二、JTAG接口電路二和復(fù)位電路二通過外圍電路連接組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)，其特征在于:所述協(xié)同控制器的可視化人機界面由型號為RA8875的液晶驅(qū)動芯片、型號為TPS61040的供電電源boost調(diào)整器、CAT4139LED背光驅(qū)動電路以及型號為AT070TN92的液晶屏通過外圍電路連接組成，以實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定、狀態(tài)顯示和故障診斷的人機交互功能；所述可視化人機界面通過可編程GPIO 口與ARM微控制系統(tǒng)連接； 所述協(xié)同控制器的信號檢測模塊由電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、流量傳感器和相應(yīng)的信號調(diào)理電路通過外圍電路連接組成；所述信號檢測模塊通過AD轉(zhuǎn)換器端口與ARM微控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換； 所述協(xié)同控制器的通信接口模塊由以型號為SP3232E的芯片為主構(gòu)成的RS-232通信電路、以型號為SP3485的芯片構(gòu)成的RS-485通信電路和以型號為CTM8251T芯片為主構(gòu)成的CAN通信電路通過外圍電路連接組成；所述RS-232通信電路和RS-485通信電路通過UART端口與ARM微控制系統(tǒng)連接；所述CAN通信電路通過CAN端口與ARM微控制系統(tǒng)連接； 所述協(xié)同控制器的信號驅(qū)動模塊由型號為TLC5615的數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片和光耦電路通過外圍電路連接組成，實現(xiàn)`信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換以及隔離放大；所述信號驅(qū)動模塊通過GPIO端口與ARM微控制系統(tǒng)連接。
【文檔編號】B23K10/00GK103692072SQ201310703568
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】王振民, 張新, 方小鑫, 馮允樑 申請人:華南理工大學(xué)