一种空气等离子切割机控制电路及装置的制作方法

本实用新型属于空气等离子切割机技术领域，尤其涉及一种空气等离子切割机控制电路及装置。

背景技术：

空气等离子切割技术具有切割质量好、切割速度快、运行成本低、切割金属种类多等综合优势，越来越受到行业的认可，在机械加工中的普及率越来越高。中大电流等级的空气等离子切割机起弧方式一般采用高频转移弧起弧，即通过控制电路在切割枪的喷嘴与电极之间维持一定的电流，然后通过压缩空气吹出喷嘴形成维弧。转移弧接触工件后，电流就通过电极与工件形成回路进行正常切割。

目前，传统的空气等离子切割技术通常依赖人工设置和经验控制气阀、高频、转移弧以及电流给定值，经过反复人工调试以达到理想的切割效果；且为了保证转移弧效果和起弧成功率，通常采用两个气流量不同的二位二通气阀，流量小的二位二通气阀在转移弧时工作，以保证转移弧的连续性，流量大的二位二通气阀在正常切割时工作，以保证切割效果。然而，这种人工控制的方式导致可靠性低、控制过程繁琐，使用两只二位二通气阀使得气路连接结构复杂，响应速度慢。

因此，传统的空气等离子切割技术存在可靠性低、控制过程繁琐、气路连接结构复杂，响应速度慢的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种空气等离子切割机控制电路及装置，旨在解决传统的技术方案中存在的可靠性低、控制过程繁琐、气路连接结构复杂，响应速度慢的问题。

本实用新型实施例的第一方面提供了一种空气等离子切割机控制电路，包括一只二位三通气阀，还包括：

与枪开关连接，用于检测所述枪开关的通断信号并反馈的枪开关隔离反馈模块；

与切割机芯片连接，用于检测所述切割机芯片产生的脉冲宽度调制信号并反馈的脉宽反馈模块；

与所述枪开关隔离反馈模块以及所述脉宽反馈模块相连接，用于根据所述通断信号和所述脉冲宽度调制信号，判断切割机的工作状态，并输出气阀控制信号、高频控制信号、主电路控制信号、电流给定信号以及转移弧控制信号的单片机；

与所述二位三通气阀以及所述单片机连接，用于根据所述气阀控制信号控制所述二位三通气阀的工作状态的气阀控制模块；

与所述单片机连接，用于根据所述高频控制信号控制产生引弧频率的高频控制模块；

与所述单片机连接，用于根据所述转移弧控制信号控制产生转移弧的转移弧控制模块；

与所述单片机连接，用于根据所述主电路控制信号控制所述切割机芯片产生所述脉冲宽度调制信号的主电路控制模块；以及

与所述切割机芯片以及所述单片机连接，用于将所述电流给定信号进行数模转换后，输出至所述切割机芯片，以使所述切割机芯片对完成数模转换后的所述电流给定信号进行处理并输出给所述切割机的给定数模转换模块。

本实用新型实施例的第二方面提供了一种空气等离子切割机控制装置，其特征在于，包括上述的空气等离子切割机控制电路，还包括空气等离子切割机。

上述的空气等离子切割机控制电路及装置由单片机进行信号检测、逻辑控制和功能控制。单片机根据枪开关隔离反馈模块反馈的枪开关的通断信号以及切割机芯片反馈的脉冲宽度调制信号判断切割机的工作状态，并控制输出气阀控制信号、高频控制信号、主电路控制信号、电流给定信号以及转移弧控制信号，及时调节控制二位三通气阀、高频、主电路、电流给定以及转移弧的状态，因此气路中只需一个二位三通气阀即可进行引弧和正常切割，解决了传统的空气等离子切割技术存在可靠性低、控制过程繁琐、气路连接结构复杂，响应速度慢的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的一种空气等离子切割机控制电路的结构示意图；

图2为图1所示的空气等离子切割机控制电路中枪开关隔离反馈模块的示例电路原理图；

图3为图1所示的空气等离子切割机控制电路中脉宽反馈模块的示例电路原理图；

图4为图1所示的空气等离子切割机控制电路中气阀控制模块的示例电路原理图；

图5为图1所示的空气等离子切割机控制电路中高频控制模块的示例电路原理图；

图6为图1所示的空气等离子切割机控制电路中转移弧控制模块的示例电路原理图；

图7为图1所示的空气等离子切割机控制电路中主电路控制模块的示例电路原理图；

图8为图1所示的空气等离子切割机控制电路中给定数模转换模块的示例电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，本实用新型一实施例提供的一种空气等离子切割机控制电路的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种空气等离子切割机控制电路，包括：单片机10、枪开关隔离反馈模块 11、脉宽反馈模块12、气阀控制模块13、高频控制模块14、转移弧控制模块 15、主电路控制模块16、给定数模转换模块17以及枪开关18。

枪开关隔离反馈模块11与枪开关18以及单片机10连接，用于检测枪开关 18的通断信号并反馈给单片机10。

脉宽反馈模块12与切割机芯片19以及单片机10连接，用于将切割机芯片 19产生的脉冲宽度调制信号反馈给单片机10。

单片机10用于根据枪开关隔离反馈模块11反馈的枪开关18的通断信号以及切割机芯片19反馈的脉冲宽度调制信号判断切割机的工作状态，并进行逻辑控制和功能控制，具体为输出气阀控制信号、高频控制信号、主电路控制信号、电流给定信号以及转移弧控制信号。在一可选实施例中，单片机10采用型号为 STC15F2K32S2-LQFP32的8位单片机，切割机芯片19的型号为UC3846。

气阀控制模块13与单片机10连接，用于根据单片机10输出的气阀控制信号控制二位三通气阀20的工作状态。

高频控制模块14与单片机10连接，用于根据单片机10输出的高频控制信号控制产生引弧频率。

转移弧控制模块15与单片机10连接，用于根据单片机10输出的转移弧控制信号控制产生转移弧。

主电路控制模块16与单片机10连接，用于根据单片机10输出的主电路控制信号控制切割机芯片19产生脉冲宽度调制信号。

给定数模转换模块17与切割机芯片19以及单片机10连接，用于将单片机 10输出的电流给定信号进行数模转换后，输出至切割机芯片19，以使切割机芯片19对完成数模转换后的电流给定信号进行处理并输出给切割机。

上述的空气等离子切割机控制电路具体的工作过程如下：

当单片机10检测到枪开关隔离反馈模块11反馈的枪开关闭合信号时(即当单片机10的通断信号接收端接收到的信号由高电平变为低电平时)，单片机 10通过气阀控制模块13控制关闭二位三通气阀20(即单片机10的气阀控制端输出高电平，以控制关闭二位三通气阀20)，此时切割枪气管内的压缩空气通过二位三通气阀20的排气孔和喷嘴孔快速放气，气管内的气压迅速降低，延时一定时间后，单片机10通过气阀控制模块13控制打开二位三通气阀20(即单片机10的气阀控制端输出低电平，以控制关闭二位三通气阀20)。

同时，单片机10控制高频控制模块14、转移弧控制模块15以及主电路控制模块16开始工作。具体为，单片机10的高频控制端输出高电平，以控制产生高频；单片机10的转移弧控制端输出高电平，以控制产生转移弧；单片机 10的主电路控制端输出低电平，以控制切割机的主电路开始工作。此时，在切割枪的喷嘴与电极之间由于高频放电建立电弧，单片机10的电流给定输出端输出转移弧给定信号，经给定数模转换模块17进行数模转换后，输出的给定电流值主要用于建立电弧，因此为了减少喷嘴和电极的损耗，设定此时的给定电流值为正常转移弧电流值的一半(10A～12.5A)。

压缩空气经过一定时间到达切割枪的枪头将电弧吹出喷嘴，此时电弧电压变高，脉冲宽度调制信号的宽度增加，当单片机10检测到脉宽反馈模块12反馈的脉冲宽度调制信号的宽度值高于设定阈值时，判断空气等离子切割机已经进入转移弧状态，单片机10的电流给定输出端输出此时所需的转移弧给定信号，该转移弧给定信号通过给定数模转换模块17进行数模转换后，输出给切割机芯片19，最终得到的给定电流值为正常转移弧电流值(20～25A)，以保证转移弧的连续。连续的转移弧接触工件，当单片机10检测到主弧后，电流给定值立即上升到预设的切割电流值。

上述的空气等离子切割机控制电路由单片机进行信号检测、逻辑控制和功能控制，取消大量的硬件电路。单片机根据枪开关隔离反馈模块反馈的枪开关的通断信号以及切割机芯片反馈的脉冲宽度调制信号判断切割机的工作状态，并控制输出气阀控制信号、高频控制信号、主电路控制信号、电流给定信号以及转移弧控制信号，及时调节控制二位三通气阀、高频、主电路、电流给定以及转移弧的状态，通过单个二位三通气阀即可进行引弧和正常切割，解决了传统的空气等离子切割技术存在可靠性低、控制过程繁琐、气路连接结构复杂，响应速度慢的问题。

请参阅图2，为图1所示的空气等离子切割机控制电路中枪开关隔离反馈模块11的示例电路原理图，详述如下：

枪开关隔离反馈模块包括第一电容C78、第二电容C69、第三电容C58、第四电容C43、第五电容C37、第六电容C39、第七电容C47、第一电阻R68、第二电阻R69、第三电阻R65、第四电阻R70、第一电感L3、第二电感L4以及第一光耦H4。

枪开关的两端分别连接第一电容C78的第一端和第二电容C69的第一端，第一电容C78的第二端和第二电容C69的第二端接地；第三电容C58的第一端连接第一电容C78的第一端，第二端连接第二电容C69的第一端；第一电感L3的第一端连接第三电容C58的第一端，第二端连接第四电容C43的第一端。

第二电感L4的第一端连接第三电容C58的第二端，第二电感L4的第二端接地；第四电容C43的第二端连接第二电感L4的第二端；第一电阻R68的第一端连接第一电感L3的第二端，第二端连接第五电容C37的第一端，第五电容C37 的第二端接地；第一光耦H4内部的发光二极管的阴极连接第一电阻R68的第二端，阳极连接第二电阻R69的第一端，第二电阻R69的第二端接12V电源。

第一光耦H4内部的光敏半导体管的发射极接地，集电极连接第三电阻R65 的第一端，第三电阻R65的第二端接5V电源；第六电容C39的第一端连接第三电阻R65的第一端，第二端接地；第四电阻R70的第一端连接第三电阻R65的第一端，第二端连接第七电容C47的第一端，第七电容C47的第二端接地，第七电容C47的第一端连接单片机10的通断信号接收端。

其中，第一电容C78和第二电容C69为高频滤波电容，第三电容C58、第一电感L3、第二电感L4以及第四电容C43组成π型滤波器，第一电阻R68、第二电阻R69为限流电阻，第五电容C37为滤波电容，第一光耦H4为隔离光耦，第三电阻R65为上拉电阻，第四电阻R70为限流电阻，第六电容C39和第七电容C47为滤波电容。当枪开关18闭合时，单片机10的通断信号接收端接收到的信号由高电平变为低电平。

请参阅图3，为图1所示的空气等离子切割机控制电路中脉宽反馈模块12 的示例电路原理图，详述如下：

脉宽反馈模块12包括：瞬态抑制二极管Q12、第八电容C46、第九电容C57、第五电阻R62、第六电阻R60、第七电阻R81、第八电阻R84以及第一跟随器IC1B。

切割机芯片19的第一输出端连接第五电阻R62,第二输出端连接第六电阻 R60；第七电阻R81的第一端连接第六电阻R60，第二端接地；第八电容C46的第一端连接在第七电阻R81的第一端以及第一跟随器IC1B的同相输入端之间，第八电容C46的第二端接地。

第一跟随器IC1B的反相输入端与第一跟随器IC1B的输出端连接，第一跟随器IC1B的输出端串接第八电阻R84；第九电容C57的第一端连接第八电阻R84, 第二端接地；瞬态抑制二极管Q12内部的第一二极管的阴极接5V电压，第二二极管的阳极接地，第一二极管的阳极与第二二极管的阴极相连，且从第一二极管的阳极与第二二极管的阴极间引出线端连接第八电阻R84，第八电阻R84连接单片机10的脉宽信号接收端。

其中，切割机芯片19通过第一输出端和第二输出端输出脉冲宽度调制信号，脉冲宽度调制信号通过第五电阻R62和第六电阻R60后，经过第七电阻R81 降压，以及第八电容C46滤波，之后接入第一跟随器IC1B的同相输入端，第一跟随器IC1B输出信号经过由第八电阻R84和第九电容C57组成的一阶滤波器后，输入单片机10的脉宽信号接收端。瞬态抑制二极管Q12用于限制单片机 10输入的电压范围，保护单片机10。

请参阅图4，为图1所示的空气等离子切割机控制电路中气阀控制模块13 的示例电路原理图，详述如下：

气阀控制模块13包括：第九电阻R25、第十电阻R32、第十一电阻R21、第一三极管Q6、第三二极管D8以及NMOS管Q5。

单片机10的气阀控制端连接第九电阻R25的第一端，第九电阻R25的第二端接5V电源；第十电阻R32的第一端连接第九电阻R25的第一端，第十电阻 R32的第二端连接第一三极管Q6的基极；第一三极管Q6的集电极与第十一电阻R21的第一端共点接于NMOS管Q5的栅极，第十一电阻R21的第二端接15V 电源，第一三极管Q6的发射极接地；NMOS管Q5的漏极与第三二极管D8的阳极共点接于二位三通气阀20的第一端，第三二极管D8的阴极与二位三通气阀 20的第二端共点接入24V电源，NMOS管Q5的源极接地。

其中，第九电阻R25和第十一电阻R21为上拉电阻，第十电阻R32为限流电阻；第一三极管Q6为PNP型三极管，用于控制NMOS管Q5，NMOS管Q5为功率MOSFET，用于驱动二位三通气阀20，第三二极管D8为续流二极管，用于保护NMOS管Q5。当单片机10的气阀控制端输出低电平时，NMOS管Q5导通，二位三通气阀20工作；当单片机10的气阀控制端输出高电平时，NMOS管Q5截止，二位三通气阀20关闭，不工作。

本实用新型通过单片机10进行信号检测、逻辑控制和功能控制，因此只需采用一只二位三通气阀20使空气等离子切割机工作。该二位三通气阀20既用于引弧，也用于正常切割，相比传统的空气等离子切割技术中通常采用的两只二位二通气阀，小流量的二位二通气阀用于引弧、大流量的二位二通气阀用于正常切割的方法，本实用新型简化了气路结构和控制过程，提高了响应速度。

请参阅图5，为图1所示的空气等离子切割机控制电路中高频控制模块14 的示例电路原理图，详述如下：

高频控制模块14包括：第十二电阻R41、第十三电阻R34、第十电容C33、第四二极管D5、第二三极管Q8以及高频继电器RLY1；

第十二电阻R41的第一端和第十电容C33的第一端共点连接单片机10的高频控制端，第十电容C33的第二端接地，第十二电阻R41的第二端连接第十三电阻R34的第一端，第十三电阻R34的第二端接地；第二三极管Q8的基极连接第十三电阻R34的第一端，发射极接地，集电极连接第四二极管D5的阳极，第四二极管D5的阴极接24V电源，高频继电器RLY1的第一端连接第四二极管D5 的阳极，第二端接24V电源。

其中，第十二电阻R41为限流电阻，第十三电阻R34为分压电阻，第十电容C33为滤波电容，第二三极管Q8为PNP型三极管，用于控制高频继电器RLY1，第四二极管D5为续流二极管，用于保护第二三极管Q8。当单片机10的高频控制端输出高电平，高频继电器RLY1闭合工作，产生高频，用以起弧。

请参阅图6，为图1所示的空气等离子切割机控制电路中转移弧控制模块 15的示例电路原理图，详述如下

转移弧控制模块15包括：第十四电阻R42、第十五电阻R35、第十六电阻 R4、第十一电容C34、第二光耦H5以及第三三极管Q9。

第十一电容C34的第一端和第十四电阻R42的第一端共点连接单片机10 的转移弧控制端，第十一电容C34的第二端和第十五电阻R35的第一端共点接地，第十四电阻R42的第二端和第十五电阻R35的第二端共点连接第三三极管 Q9的基极；第三三极管Q9的发射极接地，集电极连接第二光耦H5内部的发光二极管的阴极，第二光耦H5内部的发光二极管的阳极连接第十六电阻R4的第一端，第十六电阻R4的第二端接24V电源，第二光耦H5内部的光敏半导体管的发射极连接切割机芯片的驱动信号端，集电极连接15V电源。

其中，第十四电阻R42为限流电阻，第十五电阻R35、为分压电阻，第十一电容C34为滤波电容，第三三极管Q9为PNP型三极管，用于控制第二光耦H5，第十六电阻R4为限流电阻，其阻值为2KΩ。当单片机10的转移弧控制端输出高电平时，转移弧控制模块15工作，驱动切割机芯片20内部的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，从而产生转移弧。

请参阅图7，为图1所示的空气等离子切割机控制电路中主电路控制模块 16的示例电路原理图，详述如下：

主电路控制模块16包括：第十七电阻R76、第十八电阻R73、第十九电阻 R71、第十二电容C48、第四三极管Q10以及第三光耦H3。

第十七电阻R76的第一端连接5V电源，第二端与第十二电容C48的第一端共点连接第十八电阻R73的第一端，第十二电容C48的第二端接地，单片机10 的主电路控制端连接第十八电阻R73的第一端，第十八电阻R73的第二端连接第四三极管Q10的基极，第四三极管Q10的发射极接地，集电极连接第三光耦H3 内部的发光二极管的阴极，第三光耦H3内部的发光二极管的阳极连接第十九电阻R71的第一端，第十九电阻R71的第二端接5V电源，第三光耦H3内部的光敏半导体管的发射极接地，集电极连接切割机芯片的使能端。

其中，第四三极管Q10为PNP型三极管，第十七电阻R76为上拉电阻，通过第十七电阻R76驱动第四三极管Q1导通，使第三光耦H3工作，将切割机芯片19的使能端的电压拉低为0，此时切割机芯片19被限制输出脉冲宽度调制信号，第十九电阻R71为限流电阻。当单片机10主电路控制端输出的信号是低电平时，第四三极管Q1因为驱动电压为0而截止，第三光耦H3停止工作，切割机芯片19的使能端电压上升到正常值，切割机芯片19的第一输出端和第二输出端输出正常脉冲宽度调制信号，主电路开始工作。

请参阅图8，为图1所示的空气等离子切割机控制电路中给定数模转换模块 17的示例电路原理图，详述如下：

给定数模转换模块17包括：第二十电阻R87、第二十一电阻R90、第二十二电阻R86、第二十三电阻R82、第二十四电阻R78、第十三电容C50、第十四电容C56、第二跟随器IC3D以及第三跟随器IC3A。

单片机10的电流给定输出端连接第二十电阻R87，第十三电容C50的第一端接第二十电阻R87，第二端接地；第二十一电阻R90的第一端接第十三电容 C50的第一端，第二端接第十四电容C56的第一端，第十四电容C56的第二端接地。

第十四电容C56的第一端接入第二跟随器IC3D的正相输入端，第二跟随器 IC3D的反相输入端与输出端相连，第二跟随器IC3D的输出端连接第二十二电阻R86的第一端，第二十二电阻R86的第二端连接第三跟随器IC3A的反相输入端。

第二十三电阻R82连接在第三跟随器IC3A的反相输入端以及输出端之间，第三跟随器IC3A的正相输入端接地。第三跟随器IC3A的输出端串接第二十四电阻R78，第二十四电阻R78连接切割机芯片的输入端。

其中，单片机10通过电流给定输出端输出转移弧给定信号，该信号为脉冲宽度可调的脉冲信号，该转移弧给定信号经过由第二十电阻R87、第十三电容 C50、第二十一电阻R90以及第十四电容C56组成的二阶滤波器后，转换为正模拟信号，第二跟随器IC3D用于保证模拟信号的稳定性，且能够提升带负载能力，由第八十六电阻R86、第八十二电阻R82以及第三跟随其IC3A组成的反相电路将正模拟信号转换为负模拟信号入切割机芯片的输入端(具体为切割机芯片内存的PI运算器的反相输入端)，与电流反馈正电压信号进行调节运算，从而达到控制转移弧电流的目的。

本实用新型另一实施例提供了一种空气等离子切割机控制装置，其包括上述的空气等离子切割机控制电路，还包括空气等离子切割机。

综上所述，本实用新型实施例提供的空气等离子切割机控制电路及装置，由单片机进行信号检测、逻辑控制和功能控制，利用一只二位三通气阀，完成空气等离子切割机的引弧和正常切割过程。单片机根据枪开关隔离反馈模块反馈的枪开关的通断信号以及切割机芯片反馈的脉冲宽度调制信号判断切割机的工作状态，并控制输出气阀控制信号、高频控制信号、主电路控制信号、电流给定信号以及转移弧控制信号，可靠性高，响应速度快、控制过程简单。通过单片机及时调节控制二位三通气阀、高频、主电路、电流给定以及转移弧的状态，因此气路中只需单个二位三通气阀即可进行引弧和正常切割，简化了气路连接结构。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中，上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述电路和装置中各模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。