1、等离子弧割矩初始定位系统设计摘要:为准确高效地对等离子切割机的割矩进行切割前的初始定位,提出了一种基于接近开关的初始定位检测方式.ATMGA16 微控制器作为核心控制单元,处理接近开关采集的距离信息,并以 PWM 方式通过 H 桥驱动直流电机来调整割矩高度,实现精准定位.这种接近开关初始定位方式,即可用于水上切割割矩定位,又适用于水下切割割矩定位,也不受割枪高频引弧或接触式引弧方式的限制,有广阔的应用空间.关键词: 接近开关 初始定位 H 桥驱动 直流电机Design of Initial Positioning System on Plasm Arc Voltage Adusting Con
2、trollerAbstract: In order to positioning plasm arc voltage adusting controller accurately and efficiently before cutting,a positioning system based on approach switch is designed.Micro-controller ATMGA16 as a main control unit, of the system, processing with distance information collected from appro
3、ach switch,and drive DC motor in PWM mode by H bridge. In this way,precise positioning before cutting is achieved.This pre-cutting positioning system can be used both in air and underwater,and will not be affected by Cutting machines high-frequency arc or contact arc,which have broad application pro
4、spects.Key words: approach switch, pre-cutting positioning, H bridge, DC motor1.引言在工业生产中,金属热切割一般有火焰切割、等离子切割、激光切割等.其中等离子切割与火焰切割相比,其切割范围更广、效率更高1.而精细等离子切割技术在材料的切割表面质量方面己接近了激光切割的质量,但成本却远低于激光切割.等离子切割在节约材料、提高劳动生产率等方面显示出巨大优势,这促使等离子切割技术从手工或半自动逐步向数控自动化方向发展,并成为数控切割技术发展的主要方向之一.等离子切割机在切割过程中,割矩与钢板的距离一般由弧压高度控制器自动
5、调节.等离子弧压高度控制器利用等离子电源的恒流特性,在切割过程中,切割电流总是等于设定的电流,而切割的弧电压在固定的速度下跟随割矩与板材的高度变化而变化,当割矩与板材的高度增大时,弧电压上升;反之,弧电压下降 .弧压高度控制器就是通过检测弧电压的变化,控制割矩的升降电机来控制割矩与板材的距离,使弧电压保持不变,割矩高度同时也保持不变.实际上,要实现全自动切割,弧压高度控制器还应具有很多辅助功能,在切割开始前的割矩初始定位就是一个重要的辅助功能之一.目前,国内的弧压高度控制技术已经比较成熟,但在切割开始前的割矩初始定位方面,尚无最优方案.本文比较了几种初始定位方式,并提出了一种最佳解决方案.2.
6、 初始定位(IHS)方式等离子在起弧前总要将割枪移到距板材的一定高度才能进行起弧操作,我们将实现这一过程称为初始定位.初始定位方式有两种:手动初始定位方式和自动初始定位方式.手动初始定位直接通过肉眼观测割矩与钢板的距离来调节其高度,在某些粗加工切割生产上还在采用这种方式,但由于误差较大,正逐渐被自动初始定位所取代.自动初始定位通过信号反馈检测技术,将割矩与钢板的距离信息通过某种检测技术反馈给数控切割系统,由数控系统来调节其高度2.下面是国内等离子切割机采用的两种主要自动初始定位方式:(1)电机电流(力矩 )检测定位方式:当调高电机驱动割矩下降,接触到被切割钢板时,电机堵转,电机电流会急剧升高,
7、控制器内部可以检测到这种大幅度过流,并自动认为已经下降到最低点,进而执行随后的上升定位过程.这是一种基础性的保护性措施,对等离子割矩会有较轻的损害,所以不推荐正常情况下使用.在对厚一点钢板的切割进行初始定位时,也可作为一种工作方式使用.使用时应使用较低的割矩下降速度,以免对等离子割矩及保护帽损伤太大.(2)割矩保护帽定位检测方式:通常用于水上切割.通过连接到保护帽上的传感电缆、当保护帽接触到钢板时,调高器接收到该信号,立即控制割矩提升到设定的定位高度.采用这种方式,适用于接触式引弧的等离子.但通过外部专用定位板,也可用与高频引弧的等离子.由于力矩检测定位方式对割矩存在损害,而割矩保护帽定位方式
8、不适用于水下切割,因此,本文提出了一种接近开关距离检测定位方式:接近开关固定在割枪附近,调高器接收到数控系统发出的起弧信号后,割矩立即下降,带动接近开关一起下降.当接触到钢板时,接近开关脱离接近点,调高器接收到该信号,立即控制割矩提升到设定的定位高度(在提升过程中,接近开关会自动复位),定位完成后,调高器自动控制等离子起弧 .采用这种方式,适用于所有等离子割矩的初始定位.即不管水上切割或水下切割,高频引弧等离子或接触式引弧等离子,均可采用这种定位方式.因此,这种接近开关距离检测定位方式有更广阔的应用空间.3.接近开关初始定位系统设计系统按功能主要分为接近开关信号检测单元、信号处理单元(包括滤波
9、、光电隔离器等) 、单片机运算处理单元、直流电机驱动及系统电源等2 .系统框图如下 :图 1 控制系统框图控制系统主控制芯片选择 ATMEGA16,ATMEGA16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗8 位微控制器.由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATMEGA16 的数据吞吐率高达 1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾3.目前,在国内的调高控制系统中,多采用 DC24V 供电的直流电动机驱动升降系统.在实际应用中由于弧压控制系统采用的是 DC110V 电源,如果选用 DC24V 的直流电机需要为此直流电动机另设立一组电源,会增加系统的成本与复杂
10、程度,因此改选用 DC110V 的直流电动机,但需要使用 H 桥模块进行直流电机的 PWM 控制1.3.1 接近开关初始定位接口电路如下图 2 为接近开关初始定位接口电路.调高器接受到单片机系统发出的起弧信号后,割矩立即下降,当接触到钢板后,接近开关脱离接近点,调高器接收到信号后,立即控制割矩提升到设定的定位高度4.提升过程中,接近开关会自动复位,定位完成后 ,调高器自动控制等离子起弧.图 2 接近开关初始定位接口电路接近开关信号处理单元为消除干扰,进行了光电隔离处理,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.单片机得到接近开关的距离信息后,与用
11、户预先设定的距离信息进行比较,得出最终的割矩补偿调节量,再经光电隔离后,送入直流电机驱动单元,带动机械执行机构完成最终的补偿处理.3.2 直流电机驱动接口电路直流电机驱动采用 H 型 PWM 电路.它由 4 个 MOS 管和 4 个二极管组成的桥式电路5. 具体电路如图 3 所示.图 3 PWM 驱动接口电路系统工作原理:通过控制电压的脉冲宽度来改变加在直流电机上的平均电枢电压的大小,从而改变直流电机的转速.图中,4 个 MOS 管的基极驱动电压分为两组,其中 Q2 和 Q4 为一组,当Q2 接收 PWM 信号导通时,Q4 常开;而 Q3 和 Q5 截止.这时 ,电机两端得到电压而旋转,而且占
12、空比越大,转速越高.由于直流电机是一个感性负载,当 MOS 关断时,电机中的电流不能立即降到零,所以必须给这个电流提供一条释放通路,否则将产生高压破坏器件.处理这种情况的通常方法是在管旁边并联一个二极管,使电流流过二极管,最后通过欧姆耗散的方式在二极管中消失.对于大电流,耗散是重要的排放方法.这里必须使用高速二极管.电机反转时道理相同,这里不再叙述.3.3 系统抗干扰措施割矩高度控制器是一个完整的控制系统,涉及的元器件多,在系统工作时,不可避免的会产生各种各样的干扰.为了提高整个系统的可靠性,保证其正常工作,必须采取必要的抗干扰措施4.(1)电源采用分散独立功能模块供电,在每块系统功能模块上,
13、用三端稳压集成块组成稳压电源.电源端通过转换模块与驱动电路进行隔离.在电源进入三端稳压集成块端和稳压输出端分别接一个 0.33uF 和 0.1uF 的电解电容,对电源部分进行稳压滤波.(2)直流电机直流电机所产生的噪音是整个系统的主要干扰源,为此可在电机的引出线端分别接三个旁路电容.在单片机和电机通讯模块分别加上旁路电容也可以在很大程度上抑制电机噪音的干扰.另外在直流电机接线端联入了续流二极管,以消除直流电机在起转与停转时对驱动电路的影响.(3)电路隔离电路隔离对于整个系统的控制电路,信号端通过光耦 TLP521 实现与驱动电路的光电隔离.对小信号低电平实行物理隔离,其信号连线应尽量远离高电平
14、大功率的导线,以减少噪声和电磁场的干扰.4. 结束语该初始定位系统具有抗电磁干扰、简洁可靠、灵敏度高的特点,可以应用于不同切割现场.不仅可以保证金属切割的质量,而且降低了切割机成本,提高了切割效率,具有较好的实用性.目前,已经在数控等离子切割机的弧压调高控制器上得到使用,实践证明该系统性能稳定、定位效果好.参考文献1 宗俭,等离子弧压调高控制器研究,哈尔滨工程大学出版社 ,2006.2 黎民英等,等离子弧压调高控制器研究,南华大学学报(理工版),2004.3 张军,AVR 单片机应用系统开发典型实例,中国电力出版社,2005.4 梁桂芳,切割技术手册,机械工业出版社,1997.5 秦继荣等,现代直流司服控制技术及其系统设计,机械工业出版社 ,1993.
