大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型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(jī)、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(jī)連接；所述協(xié)同控制器與等離子弧切割機(jī)相互連接。該實(shí)用新型大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)適應(yīng)性寬，擴(kuò)展便利，不僅能夠提高大功率等離子弧切割機(jī)的切割精度和對(duì)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(zhǎng)使用壽命，降低運(yùn)行成本。
【專利說(shuō)明】大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及焊接工藝及設(shè)備技術(shù)，更具體地說(shuō)，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(lái)，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(diǎn)，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(diǎn)，在切割同樣厚度的碳鋼時(shí)，其切割速度是氧乙炔切割的5?7倍；而相對(duì)于激光切割，等離子弧切割設(shè)備和工作成本較低，并能達(dá)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(shì)。
[0003]但是，現(xiàn)有的大功率等離子弧切割的割口相對(duì)較寬，切割精度還不夠高，切割加工過(guò)程還需預(yù)留較大的留量，甚至達(dá)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(guó)等離子弧切割的材料利用率在68%左右，而國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已超過(guò)80%，按照我國(guó)一年切割鋼材7000萬(wàn)噸計(jì)算，如果能夠?qū)⒉牧侠寐侍岣叩?0%，每年可節(jié)省鋼材840萬(wàn)噸，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
[0004]目前，國(guó)外正在大力開發(fā)精細(xì)等離子弧切割方法，國(guó)內(nèi)也有不少?gòu)S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(shí)時(shí)間長(zhǎng)，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(shí)，為了提高切割精度，減少割口留量，又需要進(jìn)一步壓縮等離子弧，使熱源更集中，使得電弧斑點(diǎn)處的能量密度非常高。上述兩個(gè)因素會(huì)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。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)與不足，提供一種切割精度高、切割能力強(qiáng)、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(zhǎng)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(shí)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(dá)到上述目的，本實(shí)用新型通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)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(jī)、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(jī)連接；所述等離子弧切割機(jī)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，本實(shí)用新型的等離子弧切割系統(tǒng)在等離子弧切割機(jī)上增加一個(gè)高性能的磁控裝置，通過(guò)協(xié)同控制器的協(xié)同控制，利用外加磁場(chǎng)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(shí)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，本實(shí)用新型利用外加磁場(chǎng)控制電極上等離子弧斑點(diǎn)進(jìn)行勻質(zhì)化運(yùn)動(dòng)，使電極端部的熱量分布更為均勻，減少電極燒損，從而延長(zhǎng)電極的使用壽命。
[0008]所述等離子弧切割機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(shuō)，所述等離子弧切割機(jī)為模擬控制型等離子弧切割機(jī)，或者所述等離子弧切割機(jī)為數(shù)字化控制的等離子弧切割機(jī)。本實(shí)用新型的等離子弧切割機(jī)既可以是傳統(tǒng)的模擬控制型等離子弧切割機(jī)，也可以是數(shù)字化控制的等離子弧切割機(jī)。
[0010]所述協(xié)同控制器包括ARM微控制系統(tǒng)、可視化人機(jī)界面、繼電器模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊、通信接口模塊和信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊；所述ARM微控制系統(tǒng)分別與可視化人機(jī)界面、繼電器模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊、通信接口模塊和信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊連接；
[0011]所述協(xié)同控制器分別與執(zhí)行機(jī)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(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)相互連接以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)；所述信號(hào)檢測(cè)模塊與等離子弧切割機(jī)的等離子弧切割電源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接；所述等離子弧切割機(jī)為模擬控制型等離子弧切割機(jī)時(shí)，協(xié)同控制器的信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊與等離子弧切割機(jī)的等離子弧切割電源連接，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)代替等離子弧切割電源的給定；所述等離子弧切割機(jī)為數(shù)字化控制的等離子弧切割機(jī)時(shí)，協(xié)同控制器的通信接口模塊與等離子弧切割機(jī)的等離子弧切割電源連接，以實(shí)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(lì)磁線圈；所述勵(lì)磁線圈與等離子弧切割機(jī)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(jí)恒流源和后級(jí)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(jí)逆變橋的輸出端與勵(lì)磁線圈連接；所述前級(jí)恒流源的工作模式為移相全橋軟開關(guān)模式；所述后級(jí)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(hù)模塊、高頻驅(qū)動(dòng)模塊、低頻驅(qū)動(dòng)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(hù)模塊、高頻驅(qū)動(dòng)模塊、低頻驅(qū)動(dòng)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(hù)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(dòng)模塊和電流反饋模塊分別與主電路的前級(jí)恒流源連接；所述低頻驅(qū)動(dòng)模塊與主電路的后級(jí)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(hào)為L(zhǎng)M4F232H5QC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(guò)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(guò)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(guò)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(hào)為L(zhǎng)M4F232H5QC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(guò)外圍電路連接組成。
[0017]所述協(xié)同控制器的可視化人機(jī)界面由型號(hào)為RA8875的液晶驅(qū)動(dòng)芯片、型號(hào)為TPS61040的供電電源boost調(diào)整器、CAT4139LED背光驅(qū)動(dòng)電路以及型號(hào)為AT070TN92的液晶屏通過(guò)外圍電路連接組成，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定、狀態(tài)顯示和故障診斷的人機(jī)交互功能；所述可視化人機(jī)界面通過(guò)可編程GP1 口與ARM微控制系統(tǒng)連接；
[0018]所述協(xié)同控制器的信號(hào)檢測(cè)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(hào)調(diào)理電路通過(guò)外圍電路連接組成；所述信號(hào)檢測(cè)模塊通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器端口與ARM微控制系統(tǒng)連接，實(shí)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(hào)為SP3232E的芯片為主構(gòu)成的RS-232通信電路、以型號(hào)為SP3485的芯片構(gòu)成的RS-485通信電路和以型號(hào)為CTM8251T芯片為主構(gòu)成的CAN通信電路通過(guò)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(guò)UART端口與ARM微控制系統(tǒng)連接；所述CAN通信電路通過(guò)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(hào)驅(qū)動(dòng)模塊由型號(hào)為TLC5615的數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片和光I禹電路通過(guò)外圍電路連接組成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換以及隔離放大；所述信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)GP1端口與ARM微控制系統(tǒng)連接。
[0021]本實(shí)用新型的原理是這樣的:電弧在機(jī)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(lái)熔化被切割工件，并通過(guò)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。本實(shí)用新型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(jī)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(shí)，利用磁控裝置產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，通過(guò)協(xié)同控制器的協(xié)同控制，利用該磁場(chǎng)增強(qiáng)等離子弧的磁致壓縮效應(yīng)，使得等離子弧進(jìn)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(duì)中厚板的切割精度和切割能力。此外，由于強(qiáng)外磁場(chǎng)的作用，導(dǎo)致電極上的電弧斑點(diǎn)在電極端面進(jìn)行勻質(zhì)化的運(yùn)動(dòng)，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]本實(shí)用新型與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0023]1、本實(shí)用新型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(jī)，也能用于傳統(tǒng)模擬型等離子弧切割機(jī)的改造，只需在現(xiàn)有等離子弧切割機(jī)的割槍上安裝磁控裝置，通過(guò)協(xié)同控制器的協(xié)同控制就能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，其改裝便利，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
[0024]2、本實(shí)用新型的大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)能夠進(jìn)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(zhǎng)期運(yùn)行成本。
[0025]3、本實(shí)用新型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(jìn)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(dòng)態(tài)性能好，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度和分布特性的控制精度高。
[0026]4、本實(shí)用新型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(jī)交互模式，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的可視化管理，使得整個(gè)大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的可操作性好，擴(kuò)展和移植更為便利。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是本實(shí)用新型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是本實(shí)用新型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是本實(shí)用新型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是本實(shí)用新型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是本實(shí)用新型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是本實(shí)用新型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是本實(shí)用新型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。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0035]實(shí)施例
[0036]如圖1所示，本實(shí)用新型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(jī)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(jī)100連接；等離子弧切割機(jī)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(jī)100既可以是傳統(tǒng)的模擬控制型等離子弧切割機(jī)，也可以是數(shù)字化控制的等離子弧切割機(jī)，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(jī)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(jī)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(jī)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(lì)磁線圈220 ；勵(lì)磁線圈220與等離子弧切割機(jī)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，本實(shí)用新型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(jī)界面3002、繼電器模塊3004、信號(hào)檢測(cè)模塊3003、通信接口模塊3006和信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊3005 ;ARM微控制系統(tǒng)3001分別與可視化人機(jī)界面3002、繼電器模塊3004、信號(hào)檢測(cè)模塊3003、通信接口模塊3006和信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊3005連接。其中，協(xié)同控制器300分別與執(zhí)行機(jī)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(jī)100的執(zhí)行機(jī)構(gòu)1005相互連接以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)1005的運(yùn)動(dòng)；信號(hào)檢測(cè)模塊3003與等離子弧切割機(jī)100的等離子弧切割電源1001和執(zhí)行機(jī)構(gòu)1005連接。當(dāng)?shù)入x子弧切割機(jī)100為模擬控制型等離子弧切割機(jī)時(shí)，協(xié)同控制器300的信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊3005與等離子弧切割機(jī)100的等離子弧切割電源1001連接，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊3005的驅(qū)動(dòng)信號(hào)代替等離子弧切割電源1001的給定；當(dāng)?shù)入x子弧切割機(jī)100為數(shù)字化控制的等離子弧切割機(jī)時(shí)，協(xié)同控制器300的通信接口模塊3006與等離子弧切割機(jī)100的等離子弧切割電源1001連接，以實(shí)現(xiàn)信息交互和協(xié)同控制。
[0039]如圖2所示，本實(shí)用新型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(jí)恒流源2012和后級(jí)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(jí)逆變橋2013的輸出端與勵(lì)磁線圈220連接；前級(jí)恒流源2011的工作模式為移相全橋軟開關(guān)模式；后級(jí)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(hù)模塊2101、高頻驅(qū)動(dòng)模塊2102、低頻驅(qū)動(dòng)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(hù)模塊2101、高頻驅(qū)動(dòng)模塊2102、低頻驅(qū)動(dòng)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(hù)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(dòng)模塊2103和電流反饋模塊2104分別與主電路201的前級(jí)恒流源2012連接，低頻驅(qū)動(dòng)模塊2105與主電路201的后級(jí)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]本實(shí)用新型大功率類激光等離子弧切割系統(tǒng)的外加磁場(chǎng)可以采用橫向磁場(chǎng)、縱向磁場(chǎng)、雙尖角磁場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等，本實(shí)用新型以交變磁場(chǎng)為實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)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(jí)恒流源2012和后級(jí)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(jí)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(guò)外圍電路連接構(gòu)成；后級(jí)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(guò)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(guò)由功率開關(guān)管V1-V4構(gòu)成的功率逆變橋，通過(guò)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(guò)中頻變壓器T轉(zhuǎn)換為低壓高頻方波，再經(jīng)過(guò)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(hào)，經(jīng)過(guò)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(hào)進(jìn)行比較和數(shù)字運(yùn)算，然后輸出數(shù)字PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)高頻驅(qū)動(dòng)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(shí)序和占空比，實(shí)現(xiàn)電流的閉環(huán)控制，形成前級(jí)恒流源。該恒流源輸出恒流特性的直流電進(jìn)入到后級(jí)逆變橋，后級(jí)逆變橋是一個(gè)全橋拓?fù)浣Y(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(shí)，功率開關(guān)管V6/V7關(guān)斷；在功率開關(guān)管V5/V8關(guān)斷時(shí)，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(lì)磁線圈220，產(chǎn)生所需要的勵(lì)磁磁場(chǎng)。
[0041]如圖5所示，本實(shí)用新型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(gè)控制器210提供所需功率和電壓值的電能；故障保護(hù)模塊2101能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)壓、欠壓以及過(guò)熱等故障的檢測(cè)，并將對(duì)應(yīng)的故障信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_關(guān)量信號(hào)，直接接入ARM最小系統(tǒng)2107的可編程GP1 口，LM4F232H5QC根據(jù)對(duì)應(yīng)GP1 口的開關(guān)量信號(hào)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(jìn)行處置，并將信息發(fā)送到協(xié)同控制器300進(jìn)行故障狀態(tài)顯示和報(bào)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(duì)電流反饋信號(hào)進(jìn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和信息交互；前級(jí)恒流源控制所需的PWM信號(hào)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(dòng)模塊2103進(jìn)行電氣隔離和功率放大；而后級(jí)逆變橋所需的兩路推挽型低頻數(shù)字PWM信號(hào)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(dòng)模塊2105進(jìn)行電氣隔離和功率放大。
[0042]如圖6所示，本實(shí)用新型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(hào)為L(zhǎng)M4F232H5QC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(guò)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(guò)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(guò)外圍電路連接組成；JTAG接口電路一由JTAG接口芯片和電阻R100、RlOl、R102和R103連接組成。
[0043]圖7是本實(shí)用新型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(hào)為L(zhǎng)M4F232H5QC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(guò)外圍電路連接構(gòu)成?？梢暬藱C(jī)界面3002直接與ARM微控制系統(tǒng)3001的可編程GP1 口相連，主要由專用液晶驅(qū)動(dòng)芯片RA8875、供電電源TPS61040boost調(diào)整器、CAT4139LED背光驅(qū)動(dòng)電路和群創(chuàng)7寸液晶屏AT070TN92通過(guò)外圍電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定、狀態(tài)顯示、故障診斷等人機(jī)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GP1端口。信號(hào)檢測(cè)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(hào)調(diào)理電路通過(guò)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(shí)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(hào)驅(qū)動(dòng)模塊3005直接與ARM微控制系統(tǒng)3001的GP1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(guò)外圍電路連接構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換以及隔離放大。
[0044]本實(shí)用新型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(jī)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(shí)將熔化的金屬吹開形成割口。三相電源輸入電流經(jīng)勵(lì)磁裝置200主電路201的整流濾波電路2011、前級(jí)恒流源2012、后級(jí)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(lì)磁線圈220產(chǎn)生附加的強(qiáng)外磁場(chǎng)，而勵(lì)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(jī)100和磁控裝置200的協(xié)同工作。當(dāng)?shù)入x子弧切割機(jī)100是傳統(tǒng)的模擬型等離子弧切割機(jī)時(shí)，協(xié)同控制器300的信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊3005直接與等離子弧切割電源1001相連，用該驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)代替等離子弧切割電源1001的給定；如果等離子弧切割機(jī)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(jī)100進(jìn)行數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)信息交互和協(xié)同控制。在切割時(shí)，協(xié)同控制器300還可以通過(guò)繼電器模塊3004控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)1005的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還能通過(guò)信號(hào)檢測(cè)模塊3003檢測(cè)磁控裝置200、等離子弧切割機(jī)100的實(shí)際輸出電流波形、電壓波形、氣體流量、執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度、溫度等狀態(tài)信息，對(duì)勵(lì)磁參數(shù)與切割工工藝參數(shù)的匹配情況進(jìn)行觀測(cè)和評(píng)判。切割時(shí)，系統(tǒng)各組成部分供電，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，由協(xié)同控制器300對(duì)整個(gè)等離子弧系統(tǒng)進(jìn)行自檢，然后在可視化人機(jī)交互界面上設(shè)定相應(yīng)的勵(lì)磁參數(shù)和切割工藝參數(shù)，之后進(jìn)入切割流程，等離子弧切割機(jī)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(shí)磁控裝置200給勵(lì)磁線圈220通電，產(chǎn)生強(qiáng)外磁場(chǎng)，對(duì)等離子弧進(jìn)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(shí)強(qiáng)外磁場(chǎng)還使得電極上的電弧斑點(diǎn)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，確保電極上的溫度場(chǎng)分布更為均勻，降低電極燒損。
[0046]本實(shí)用新型的上述實(shí)施例具有以下特點(diǎn):
[0047]1、寬適應(yīng)性:本實(shí)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(jī)的割槍上安裝磁控裝置，就可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化切割，幾乎可以應(yīng)用于所有通用的等離子弧切割機(jī)；磁控裝置采用了高頻逆變技術(shù)，主回路的時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，同時(shí)外加磁場(chǎng)對(duì)等離子弧能量分布的是無(wú)觸點(diǎn)控制的，使得磁場(chǎng)控制切割過(guò)程非常靈敏；這些都提高了本實(shí)施例的工藝適應(yīng)性。
[0048]2、切割質(zhì)量好:本實(shí)施例根據(jù)等離子弧切割的基礎(chǔ)原理，通過(guò)外加強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)增強(qiáng)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(shí)等離子弧對(duì)中厚板的切割能力也得到了提高。
[0049]3、運(yùn)行成本低:通過(guò)磁控壓縮方式實(shí)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(shí)施例具有數(shù)字化、可視化的人機(jī)交互界面，參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)顯示都非常直觀；同時(shí)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(jī)的連接也非常方便，擴(kuò)展容易。
[0051]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)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(jī)、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(jī)連接；所述等離子弧切割機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)為模擬控制型等離子弧切割機(jī)，或者所述等離子弧切割機(jī)為數(shù)字化控制的等離子弧切割機(jī)。
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(jī)界面、繼電器模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊、通信接口模塊和信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊；所述ARM微控制系統(tǒng)分別與可視化人機(jī)界面、繼電器模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊、通信接口模塊和信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊連接； 所述協(xié)同控制器分別與執(zhí)行機(jī)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(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)相互連接以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)；所述信號(hào)檢測(cè)模塊與等離子弧切割機(jī)的等離子弧切割電源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接；所述等離子弧切割機(jī)為模擬控制型等離子弧切割機(jī)時(shí)，協(xié)同控制器的信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊與等離子弧切割機(jī)的等離子弧切割電源連接，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)代替等離子弧切割電源的給定；所述等離子弧切割機(jī)為數(shù)字化控制的等離子弧切割 機(jī)時(shí)，協(xié)同控制器的通信接口模塊與等離子弧切割機(jī)的等離子弧切割電源連接，以實(shí)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(lì)磁線圈；所述勵(lì)磁線圈與等離子弧切割機(jī)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(jí)恒流源和后級(jí)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(jí)逆變橋的輸出端與勵(lì)磁線圈連接；所述前級(jí)恒流源的工作模式為移相全橋軟開關(guān)模式；所述后級(jí)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(hù)模塊、高頻驅(qū)動(dòng)模塊、低頻驅(qū)動(dòng)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(hù)模塊、高頻驅(qū)動(dòng)模塊、低頻驅(qū)動(dòng)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(hù)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(dòng)模塊和電流反饋模塊分別與主電路的前級(jí)恒流源連接；所述低頻驅(qū)動(dòng)模塊與主電路的后級(jí)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(hào)為L(zhǎng)M4F232H5QC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(guò)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(guò)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(guò)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(hào)為L(zhǎng)M4F232H5QC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(guò)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(jī)界面由型號(hào)為RA8875的液晶驅(qū)動(dòng)芯片、型號(hào)為TPS61040的供電電源boost調(diào)整器、CAT4139LED背光驅(qū)動(dòng)電路以及型號(hào)為AT070TN92的液晶屏通過(guò)外圍電路連接組成，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定、狀態(tài)顯示和故障診斷的人機(jī)交互功能；所述可視化人機(jī)界面通過(guò)可編程GP1 口與ARM微控制系統(tǒng)連接； 所述協(xié)同控制器的信號(hào)檢測(cè)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(hào)調(diào)理電路通過(guò)外圍電路連接組成；所述信號(hào)檢測(cè)模塊通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器端口與ARM微控制系統(tǒng)連接，實(shí)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(hào)為SP3232E的芯片為主構(gòu)成的RS-232通信電路、以型號(hào)為SP3485的芯片構(gòu)成的RS-485通信電路和以型號(hào)為CTM8251T芯片為主構(gòu)成的CAN通信電路通過(guò)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(guò)UART端口與ARM微控制系統(tǒng)連接；所述CAN通信電路通過(guò)CAN端口與ARM微控制系統(tǒng)連接； 所述協(xié)同控制器的信號(hào) 驅(qū)動(dòng)模塊由型號(hào)為TLC5615的數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片和光耦電路通過(guò)外圍電路連接組成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換以及隔離放大；所述信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)GP1端口與ARM微控制系統(tǒng)連接。
【文檔編號(hào)】B23K10/00GK203817608SQ201320842262
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)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(qǐng)人:華南理工大學(xué)