机电一体化专栏
T h e s pe c ia lC o l u m e o n M e c h a tro n ic s
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2007年第1期
数控等离子切割机弧压调高系统
赵家政,补家武
(中国地质大学(武汉)机电学院,湖北 武汉 430074)
摘 要:本文分析了等离子切割机的切割过程,并采用弧压采样的方式将采样电压经过信号处理后输入给单片机,由I /O 口输出控制信号控制步进电机,从而实现数控等离子切割枪自动高低调节控制。关键词:等离子电弧;弧压调高;步进电机
0 前言
数控等离子切割机应用了以等离子弧为热源的高能量熔化切割的切割方法,具有切割速度快、切口的热影响区窄、工件变形小、切割精度好等优点,被广泛用于中薄金属板材自动化切割。而在切割过程中等离子切割枪与工件的高度距离控制很重要,它不仅造成电弧参数(U,
I)的
变化,而且直接影响切割质量。目前国内数控等离子切割高度控制一般由模拟电路实现,虽然其电路简单、成本低,但也存在控制精度低,控制高度范围波动大,经常需用手动调节缺点。在此我们介绍以单片机为核心的自动调节控制系统。
1 等离子电弧切割过程分析
等离子电弧是一种高能量密度的压缩电弧,它以压缩气体为工作介质,通过被压缩气体电离形成高温高速的等离子电弧将金属熔化并 吹离 基体而形成光洁的切口。电弧柱的电流和电压与电弧有效切割厚度有如下关系:
=
0 24IU
( t
+
)bv
(1)
式中: 表示电弧有效切割厚度,mm;
I 表示电弧电流,A;U 表示电弧电压,
V ;
表示功率利用参数;
b 表示切口宽度(由喷嘴喷孔直径决定),mm;v 表示切割速度,mm /s;
t 表示金属初始温度与熔化温度之差, ; 表示金属比重,
kg /m 3;
表示金属质量热容,J /(kg k); 表示金属熔化热,
J /kg 。
上式中,电弧切割厚度广义讲应包括切割板材厚度 、切割枪与工件距离h 和切割枪的喷道孔长度l ,即: = +h +l 。当切割电源、切割枪以及切割速度确定后,公式中 的变化主要影响电弧电流I 和电弧电压U 。从切割角度希望切割枪与工件距离越近越好,同时又要保证切割枪不碰工件。而等离子电弧又具有电阻抗作用,其阻抗在板材厚度和切割枪及其它切割工艺参数确定情况下,主要随切割枪与工件距离变化而变化。这种变化影响电弧的电压和电流。反过来说,电弧的电流和电压的变化影响了电弧的有效切割厚度(切割板材厚度 )。
2 系统硬件构成
系统按功能主要分为弧压检测单元、信号处理单元(包括滤波、光电隔离放大器等)、单片机运算处理单元、步进电机、机械执行机构及系统电源等。其中弧压检测单元主要完成直流弧压信号的采集,其输出信号送入信号处
理为0~5V 的直流采样信号。为消除干扰杂波并将其处理单元进行有源滤波处理。为消除工频干扰,此处的滤波截止频率取为40Hz 。经该单元处理后的信号,再经一级光电隔离放大器,送入单片机处理单元,这样可以将单片机处理单元与测量现场实现电气上的完全隔离,大幅度提高单片机系统运行的可靠性。弧压信号经过模拟到数字的转换后送入到单片机。为提高测量精度,此处采用12位A /D 转换器。测量结果经数字滤波处理后,作为实际的弧压测量值,单片机将实际的弧压测量值与根据工艺设定的最佳
弧压值及其精度值作出综合运算处理后,得出最终的弧长
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T h e s p e c i a lC o l u m e o n M e c h a tro n i c s 第十卷
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图1 控制系统硬件框图
补偿调节量,再经光电隔离后,送入步进电机驱动单元,带动机械执行机构完成最终的补偿处理。本系统采用拨码开关将给定的电压值输入给单片机,LED 则动态地显示出等离子切割机在切割过程中的电弧电压值。
2 1 弧压采样电路
本系统利用霍尔电压传感器CHV 25P,将等离子切割机工作时的电弧电压转换成0~5V 的直流电压,经有源滤波、光电隔离及二极管钳位电压后直接送入A /D 转换器中,实现对电压的实时采样。
图2 弧压采样及调理电路
以上采集与调理电路中在模拟输入端加上有源滤波电路,可以起到低通滤波的作用,减轻噪音的影响。电路中U 1,U 2是同一封装的双光电耦合器,可以认为它们的传输系数的温度特性和电流非线性是完全一致的,U 1作负反馈,U 2作输出,巧妙地补偿了它们的非线性。图中D 1,D2作钳位二极管,用来防止瞬间出现损坏A /D 转换通道的高压。
2 2 单片机处理
根据工艺事先设定好最佳电压值U 0以及电压波动值 U,U 0由拨码开关输入,单片机接受到U 0后自动生成控制域,其切割上位控制电压U 上=U 0+ U,下位控制电压U 下=U 0- U 。而后的采样电压信号U i 为控制信号,当U 下U 上时,切割枪应该向下运动,其下降速度由 =U i -U 0值的大小控制;当U i
2 3 驱动电路
该控制系统中的驱动电路采用U LN 2803达林顿管驱动,使三相式步进电机在中断服务程序的控制下完成较高精度的旋转,从而实现弧压值始终位于控制域的范围内,即:U 下
2 4 抗干扰措施
由于该系统装置在数控等离子切割机上,所
受到的干扰是多方面的。主要是电网干扰、切割电源干扰、外部环境干扰和整个系统内的有源或无源干扰。因此,在系统设计中采取必要的抗干
扰措施。
图3 中断服务程序流程框图(U1=U 下,U2=U 上)
(1)电源配置:采用隔离变压器以减少初级、次级线圈间耦合电容,提高其抗干扰共模干扰;采用低通滤波器滤去高于市电基波的高次谐波以改善电源波形;采用开关一体化电源对不同的部分分开供电。
(2)信号通道抗干扰措施:所有输入、输出接口均采
