专利名称：一种空气等离子切割机切割网格状金属的防断弧切割方法
技术领域：
本发明属于金属加工技术领域，具体涉及一种空气等离子切割机切割网格状金属的防断弧切割方法。
背景技术：
近年来，随着电力电子技术的发展，等离子切割逐渐广泛运用于机车、工程机械、 钢结构等各行各业。空气式等离子切割因其对有色金属切割效果好，切割速度快而受到用户的青睐，但在切割过程中，对于网格状金属切割时，需要来回频繁的断弧，容易引起喷嘴和电极的损坏，更大大的降低了切割时的工作效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种空气等离子切割机切割网格状金属的防断弧切割方法， 以解决现有技术中空气式等离子切割在切割网格状金属时需要来回手动断弧的缺点。本发明所采用的技术方案是，一种空气等离子切割机切割网格状金属的防断弧切割方法，本方法利用一种装置，该装置包括割枪以及与割枪相连接的的电源控制装置，割枪上设置有用于吹离该割枪上喷嘴与电极的气路，电源控制装置包括用于和工件相连接的切割回路，以及用于和喷嘴相连接的引弧回路，割枪的切割开关和电源控制装置之间还连接有用于检测切割开关信号的检测信号电路；本方法包括以下步骤a、初始状态喷嘴和电极短路连接，喷嘴和工件之间无电弧产生；b、引弧状态按下切割开关，检测信号电路将检测到的切割开关信号发送到电源控制装置，电源控制装置控制引弧回路导通，并控制气路供气，利用空气推力作用使喷嘴与电极分离的同时，喷嘴和工件之间产生电弧，该电弧的电流大小保持在20A 25A，维持电弧不灭；C、初始切割金属实体处的阶段喷嘴接近工件的实体处开始切割时，切割回路导通，电源控制装置关断引弧回路，并使电弧电流保持在30A 100A，维持电弧不灭；d、切割金属空白处的阶段喷嘴切割至工件的空白处时，切割回路电流关断，电源控制装置导通引弧回路，并使电弧的电流大小保持在20A 25A，维持电弧不灭；e、切割金属实体处和金属空白处的互相转换当割枪再次切割至工件的实体处阶段时，重复步骤c的动作，若再次遇到空白处，则重复阶段d的动作；f·、切割结束状态松开切割开关，检测信号电路将检测到的切割开关信号发送到电源控制装置，电源控制装置关断切割回路和引弧回路，在喷嘴冷却后，再次按下切割开关时，电源控制装置关断气路。其中，电源控制装置包括依次连接的三相AC380V输入、初级三相整流模块、功率因数校正模块和半桥逆变电路模块，半桥逆变电路模块通过变压器T与次级整流电路模块相连接，变压器T原边的输入端安装有霍尔电流传感器H2，次级整流电路模块和引弧电路模块相连接；半桥逆变电路模块包括与功率因数校正模块串联连接的电容Cl和电容C2，电容 Cl上并联有电阻R3，电容C2上并联有电阻R4，IGBT管Q2与IGBT管Q3串联后并联在电容Cl的阳极和电容C2的阴极之间，IGBT管Q2上的发射极和集电极之间连接有二极管D1， IGBT管Q3的发射极和集电极之间连接有二极管D2 ；引弧电路模块包括与次级整流电路模块的阳极相连接的IGBT管Q4，IGBT管Q4的发射极用于构成引弧回路，IGBT管Q4的集电极用于构成切割回路，引弧回路上安装有霍尔电流传感器H4，切割回路上安装有霍尔电流传感器H3 ；控制电路模块包括DSP控制器，DSP控制器与霍尔电流传感器H2、霍尔电流传感器 H3和霍尔电流传感器H4信号连接，DSP控制器还通过HCPL316驱动板与IGBT管Q2、IGBT 管Q3和IGBT管Q4相连接。尤其是，步骤b中，检测信号电路将检测到的切割开关信号发送到DSP控制器，DSP 控制器驱动IGBT管Q4导通；DSP控制器控制气路供气，并将IGBT管Q2和IGBT管Q3的电压占空比控制在20% 30%的范围内，喷嘴9和工件10之间起弧电压为300士20V ；步骤c中，切割回路导通后，霍尔电流传感器H3将测得的切割回路中的电流信号传送到DSP控制器，DSP控制器关断IGBT管Q4，并将IGBT管Q2和IGBT管Q3的电压占空比控制在35% 45%的范围内；步骤d中，切割回路关断后，霍尔电流传感器H3将测得的切割回路中的电流信号传送到DSP控制器，DSP控制器驱动IGBT管Q4导通，并调节IGBT管Q2和IGBT管Q3的电压占空比为20% 30% ；步骤f中，检测信号电路将检测到的切割开关信号发送到DSP控制器后，DSP控制器关断所述IGBT管Q2、IGBT管Q3和IGBT管Q4。本发明一种空气等离子切割机切割网格状金属的防断弧切割方法，利用本发明方法在切割网格状金属件时不需要频繁断弧，电弧自动在转移型弧和非转移型弧之间自动转换，从而有效地保护了切割机的易损件，延长了其使用寿命。有利于节约资金，同时大大提高了切割过程中的工作效率。
图1是本发明所利用的电源控制装置的电路图；图2是使用本发明方法切割网格状金属时的切割波形图；其中，图2. 1为IGBT管 Q4在各工作状态下的导通与关断的波形图，图2. 2为引弧电路中的电流在各工作状态下的波形图，图2. 3为气路在各工作状态下的导通与关断的波形图，图2. 4为切割电路中的电流在各工作状态下的波形图。其中，1.三相AC380V输入，2.初级三相整流模块，3.功率因数校正模块，4.半桥逆变电路模块，5.次级整流电路模块，6.引弧电路模块，7.控制电路模块，8.电极，9.喷嘴， 10.工件。
具体实施例方式本发明一种空气等离子切割机切割网格状金属的防断弧切割方法，本方法利用的装置包括割枪以及连接在割枪上的电源控制装置，割枪上设置有用于吹离该割枪上喷嘴9 与电极8的气路，电源控制装置包括用于和工件10相连接的切割回路以及用于和喷嘴9相连接的引弧回路，割枪的切割开关和电源控制装置之间还连接有用于检测切割开关信号的检测信号电路。如图1所示，电源控制装置包括依次连接的三相AC380V输入1、初级三相整流模块2、功率因数校正模块3和半桥逆变电路模块4，半桥逆变电路模块4通过变压器T与次级整流电路模块5相连接，变压器T 原边的输入端安装有霍尔电流传感器H2，次级整流电路模块5和引弧电路模块6相连接。初级三相整流模块2的电路连接为，二极管VDl的正向和二极管VD4的负向、二极管VD2的正向和二极管VD5的负向以及二极管VD3的正向和二极管VD6的负向分别对应连接在所述AC380V输入1的三相线上，二极管VD1、二极管VD2和二极管VD3的负向相连接， 二极管VD4、二极管VD5和二极管VD6的正向相连接。三相AC380V输入1经过初级三相整流模块2输出直流537V。功率因数校正模块3包括与初级三相整流模块2相连接的电感Li，电感Ll和IGBT 管Ql串联，IGBT管Ql的集电极上连接有二极管D，电阻Rl与电阻R2串联后并联在二极管 D和IGBT管Ql的发射极之间。功率因数校正模块3的输入端安装有霍尔电流传感器HI。半桥逆变电路模块4包括与功率因数校正模块3串联连接的电容Cl和电容C2，电容Cl上并联有电阻R3，电容C2上并联有电阻R4，IGBT管Q2与IGBT管Q3串联后并联在电容Cl的阳极和电容C2的阴极之间，IGBT管Q2上的发射极和集电极之间连接有二极管 Dl, IGBT管Q3的发射极和集电极之间连接有二极管D2。变压器T原边的输入端安装有霍尔电流传感器H2。变电器T原边的一端连接在 IGBT管Q2的发射极上，变电器T原边的另一端连接在电容Cl和电容C2之间。次级整流电路模块5包括二极管VDl 1、二极管VD22、二极管VD33和二极管VD44，二极管VDll的正向和二极管VD33的负向均与变电器T副边的一端连接，二极管VD22的正向和二极管VD44 的负向均与变电器T副边的另一端连接，二极管VDll和二极管VD22的负向相连接，二极管 VD33和二极管VD44的正向相连接后串联有电感L2，电感L2起滤波作用。引弧电路模块6包括与次级整流电路模块5的阳极相连接的IGBT管Q4，IGBT管 Q4的发射极用于构成引弧回路，IGBT管Q4的集电极用于构成切割回路，其中，IGBT管Q4 的发射极与喷嘴9相连接并构成引弧回路，引弧回路上安装有霍尔电流传感器H4，IGBT管 Q4的集电极与工件10相连接并构成切割回路，切割回路上安装有霍尔电流传感器H3。割枪的电极8与次级整流电路模块5的阴极相连接。控制电路模块7包括DSP控制器，DSP控制器与霍尔电流传感器H2、霍尔电流传感器H3和霍尔电流传感器H4信号连接，DSP控制器还通过HCPL316驱动板与IGBT管Q2、 IGBT管Q3和IGBT管Q4相连接。控制电路模块7还包括UC3854控制器，UC3854控制器与霍尔电流传感器Hl信号连接，还连接在电阻Rl与R2之间，UC3854控制器通过另一个HCPL316驱动板与IGBT管Ql 相连接，并通过霍尔电流传感器Hl的电流信号与电阻Rl与R2之间的电压信号驱动IGBT 管Ql的工作状态。电阻Rl与电阻R2是分压电阻，功率因数校正模块3输出反馈电压经过 Rl和R2进行分压，得到采样电压信号送入UC3854控制器，霍尔电流传感器Hl测量的电流信号也送人UC3854控制器，经过UC3854控制器内部模拟电路运算得出PWM波控制信号，经过HCPL316驱动板驱动隔离来控制IGBT管Ql的导通与关断，UC3854控制器和HCPL316驱动板根据霍尔电流传感器Hl的电流信号与电阻Rl与R2之间的电压信号协同控制IGBT管 Ql工作，从而达到提高功率因数的目的。其中，UC3854控制器起主要的控制作用，HCPL316 驱动板用于增加UC3854控制器对IGBT管Ql的驱动能力。用霍尔电流传感器Hl取代电流检测电阻来检测电流，减小损耗，提高电源效率如图2所示，本方法包括以下步骤a、初始状态喷嘴9和电极8短路连接，喷嘴9和工件10之间无电弧产生。b、引弧状态按下切割开关，检测信号电路将检测到的切割开关信号发送到DSP 控制器，DSP控制器驱动IGBT管Q4导通，以使引弧回路导通；DSP控制器控制气路供气，利用空气推力作用使喷嘴9与电极8分离的同时；DSP控制器将IGBT管Q2和IGBT管Q3的电压占空比控制在20% 30%的范围内，以使喷嘴9和工件10之间具有300士20V的起弧电压。这样，在所述喷嘴9与电极8分离分离后，喷嘴9和工件10之间瞬间产生电弧，此时， 电弧为非转移型弧(即未切割时形成的弧)，非转移型弧需要较小的能量，因此，该电弧的电流大小为20A 25A，维持该电弧不灭。C、初始切割金属实体处的阶段喷嘴9接近工件10的实体处开始切割时，切割回路中电流陡升，切割回路导通，霍尔电流传感器H3将测得的切割回路中的电流信号传送到 DSP控制器，DSP控制器关断IGBT管Q4，以使引弧回路关断的同时，DSP控制器将IGBT管 Q2和IGBT管Q3的电压占空比调节为35% 45%，使电弧电流保持在30A 100A，维持电弧不灭。此时，电弧由非转移型弧变为转移型弧(即切割工件时形成的弧)，此时通过转移型弧对金属进行切割，需要较大的能量，通过DSP输出较大电压占空比的PWM波控制信号， 控制IGBT管Q2和IGBT管Q3输出较大电流，以保证转移型弧对金属进行连续切割。其中， 调整IGBT管Q2和IGBT管Q3的导通时，电压占空比越大，半桥逆变电路输出能量越多，从而使得电弧电流越大。d、切割金属空白处的阶段喷嘴9切割至工件10的空白处时，切割回路电流陡降至切割回路关断，同时，霍尔电流传感器H3将测得的切割回路中的电流信号传送到DSP控制器，DSP控制器驱动IGBT管Q4导通，引弧回路导通，并调节IGBT管Q2和IGBT管Q3的电压占空比为20% 30%，使电弧电流保持在20A 25A，维持电弧不灭。此时，电弧由转移型弧变为非转移型弧，电路重新进入引弧状态。e、切割金属实体处和金属空白处的互相转换当割枪再次切割至所述工件10的实体处阶段时，重复步骤c的动作，若再次遇到空白处，则重复阶段d的动作。如此重复，对网格状金属进行连续切割，在切割过程中，保证电弧不断，提高工作效率。f、切割结束状态松开切割开关，检测信号电路将检测到的切割开关信号发送到 DSP控制器，DSP控制器关断IGBT管Q2、IGBT管Q3和IGBT管Q4，使切割回路和引弧回路关断，在喷嘴9冷却后，再次按下切割开关时，DSP控制电路关断气路。
权利要求
1.一种空气等离子切割机切割网格状金属的防断弧切割方法，其特征在于，本方法利用一种装置，该装置包括割枪以及与所述割枪相连接的的电源控制装置，所述割枪上设置有用于吹离该割枪上喷嘴(9)与电极⑶的气路，所述电源控制装置包括用于和工件(10) 相连接的切割回路，以及用于和所述喷嘴(9)相连接的引弧回路，所述割枪的切割开关和所述电源控制装置之间还连接有用于检测所述切割开关信号的检测信号电路；本方法包括以下步骤a、初始状态所述喷嘴(9)和所述电极⑶短路连接，所述喷嘴(9)和所述工件(10) 之间无电弧产生；b、引弧状态按下所述切割开关，所述检测信号电路将检测到的切割开关信号发送到所述电源控制装置，所述电源控制装置控制所述引弧回路导通，并控制所述气路供气，利用空气推力作用使所述喷嘴(9)与所述电极(8)分离的同时，所述喷嘴(9)和所述工件(10) 之间产生电弧，该电弧的电流大小保持在20A 25A，维持电弧不灭；C、初始切割金属实体处的阶段所述喷嘴(9)接近所述工件(10)的实体处开始切割时，所述切割回路导通，所述电源控制装置关断所述引弧回路，并使电弧电流保持在30A 100A，维持电弧不灭；d、切割金属空白处的阶段所述喷嘴(9)切割至所述工件(10)的空白处时，所述切割回路电流关断，所述电源控制装置导通所述引弧回路，并使电弧的电流大小保持在20A 25A，维持电弧不灭；e、切割金属实体处和金属空白处的互相转换当割枪再次切割至所述工件(10)的实体处阶段时，重复步骤c的动作，若再次遇到空白处，则重复阶段d的动作；f、切割结束状态松开所述切割开关，所述检测信号电路将检测到的切割开关信号发送到所述电源控制装置，所述电源控制装置关断所述切割回路和所述引弧回路，在所述喷嘴(9)冷却后，再次按下所述切割开关时，所述电源控制装置关断气路。
2.按照权利要求1所述一种空气等离子切割机切割网格状金属的防断弧切割方法， 其特征在于，所述电源控制装置包括依次连接的三相AC380V输入(1)、初级三相整流模块 (2)、功率因数校正模块(3)和半桥逆变电路模块(4)，所述半桥逆变电路模块(4)通过变压器T与次级整流电路模块(5)相连接，所述变压器T原边的输入端安装有霍尔电流传感器 H2，所述次级整流电路模块(5)和引弧电路模块(6)相连接；所述半桥逆变电路模块(4)包括与所述功率因数校正模块(3)串联连接的电容Cl和电容C2，所述电容Cl上并联有电阻R3，所述电容C2上并联有电阻R4，IGBT管Q2与IGBT 管Q3串联后并联在所述电容Cl的阳极和所述电容C2的阴极之间，所述IGBT管Q2上的发射极和集电极之间连接有二极管D1，所述IGBT管Q3的发射极和集电极之间连接有二极管 D2 ；所述引弧电路模块(6)包括与所述次级整流电路模块(5)的阳极相连接的IGBT管Q4， 所述IGBT管Q4的发射极用于构成所述引弧回路，所述IGBT管Q4的集电极用于构成所述切割回路，所述引弧回路上安装有霍尔电流传感器H4，所述切割回路上安装有霍尔电流传感器H3 ；所述控制电路模块(7)包括DSP控制器，所述DSP控制器与所述霍尔电流传感器H2、霍尔电流传感器H3和霍尔电流传感器H4信号连接，所述DSP控制器还通过HCPL316驱动板与所述IGBT管Q2、IGBT管Q3和IGBT管Q4相连接。
3.按照权利要求2所述一种空气等离子切割机切割网格状金属的防断弧切割方法，其特征在于，步骤b中，所述检测信号电路将检测到的切割开关信号发送到所述DSP控制器，所述 DSP控制器驱动所述IGBT管Q4导通；所述DSP控制器控制所述气路供气，并将所述IGBT 管Q2和IGBT管Q3的电压占空比控制在20% 30%的范围内，所述喷嘴(9)和所述工件 (10)之间起弧电压为300 士 20V ；步骤c中，所述切割回路导通后，所述霍尔电流传感器H3将测得的切割回路中的电流信号传送到所述DSP控制器，所述DSP控制器关断所述IGBT管Q4，并将所述IGBT管Q2和 IGBT管Q3的电压占空比控制在35% 45%的范围内；步骤d中，所述切割回路关断后，所述霍尔电流传感器H3将测得的切割回路中的电流信号传送到所述DSP控制器，所述DSP控制器驱动IGBT管Q4导通，并调节所述IGBT管Q2 禾口 IGBT管Q3的电压占空比为20% 30% ；步骤f中，所述检测信号电路将检测到的切割开关信号发送到所述DSP控制器后，所述 DSP控制器关断所述IGBT管Q2、IGBT管Q3和IGBT管Q4。
全文摘要
本发明公开了一种空气等离子切割机的防断弧切割方法，本方法包括初始状态、引弧状态、初始切割金属实体处的阶段、切割金属空白处的阶段、切割金属实体处和金属空白处的互相转换和切割结束状态等不同工作状态，并通过调整工作工程中各个IGBT管的电压占空比，来控制电弧在非转移型弧与转移型弧之间自动转换，从而实现在对网格状金属切割过程中不断弧。
文档编号G05B19/042GK102350579SQ201110089938
公开日2012年2月15日 申请日期2011年4月11日 优先权日2011年4月11日
发明者刘争光, 姬军鹏, 孙强, 王佳, 陈桂涛, 黄西平 申请人:西安理工大学