降压型直流等离子电源切割方法与流程

本发明涉及等离子电源切割领域，具体地，涉及一种降压型直流等离子电源切割方法。

背景技术：

等离子切割是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属部分或局部熔化(和蒸发)，并借高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法。等离子切割技术的高效使其在行业中的应用有越来越普及的趋势，而关于等离子切割的工艺流程在该技术中是很重要的一环。

然而，通过对现有技术的检索发现，对直流等离子电源切割工艺流程的研究非常少。对直流等离子电源切割的研究主要集中在如何对输出电压电流进行控制以及如何提高起弧成功率等方面。刘宝其等人在2011年的《中国电机工程学报》上提出了一种具有指令电流前馈的电流外环电压内环的双闭环控制策略，通过建立切割电源的等效数学模型，对双闭环系统进行了频域分析与设计，克服了传统模式下可能出现引弧失败的缺点，同时抑制了切割负载的扰动；孙强等人在2014年的《焊接学报》中建立了等离子电弧的数学模型，提出了一种新型复合控制策略，满足了电源在非高频引弧负载条件下对快速性和稳定性的控制需求。在专利检索方面，华中科技大学林桦等人提出了一种数字化等离子额切割机控制系统，采用DSP作为控制中心，通过主电源、气体系统、冷却系统之间的协调控制，实现了整个等离子切割机控制系统的总体功能。

综上所述，目前对直流等离子电源切割的研究主要集中在如何对输出电压电流进行控制以及如何提高起弧成功率等方面，对等离子切割工艺流程的研究非常之少。但与此同时，等离子切割工艺流程却是等离子切割技术绕不过去的一个环节。随着等离子切割技术的应用和推广，如何确定等离子切割工艺流程逐渐成为了一个新的研究方向。

技术实现要素：

针对现有的关于等离子切割技术，本发明提供了一种降压型直流等离子电源切割方法。

本发明提供了一种降压型直流等离子电源切割方法，包括上电初始化、吹扫、预流、引弧、移弧、升流、切割、降流、断流、停机、复位和测试等步骤。本方法还提供了错误检查和实时保护功能，使得系统出现错误时能够采取措施更改或实现停机。

本发明提供的降压型直流等离子电源切割方法，包括如下步骤：

步骤S1，等离子电源切割机系统上电初始化。

优选地，步骤S1包括如下步骤：

-在给等离子电源切割机系统供电和上电时，等离子电源切割机BUCK DC-DC变换器(斩波器)的控制器DSP在微处理器模式下启动，在DSP外部闪存和DSP内存里开始执行程序码；DSP硬件有限初始化(初始化过程中使用到的IO口、PWM口、ADC口、外部中断和捕捉口、定时器、软件看门狗等)；计算DSP外部闪存和DSP内存的校验和，如果校验和不符，将DSP外部闪存里的程序码复制到DSP内存内；控制程序跳至DSP内存，开始执行程序码；

-DSP硬件全面初始化；读取EEPROM数据，获取上次切割完成的切割电流设定；

-检查内外部通用异步收发器的串行信息和CAN信息，根据检测到的信息，并执行相应程序行动，即信息的传递；每10ms检查一次信息，判断是否出现错误，每250ms刷新显示气体操作台的数据，每26ms更新等离子电源的斩波器控制回路；如果发生错误或不一致，则更新等离子电源切割机数控系统的模拟输入值；如果切割电流设定值发生变化，则更新EEPROM中的存储数据；如果气体操作台的入口气体发生变化，执行步骤S2，气体操作台吹扫。

优选地，步骤S1还包括如下步骤：

错误检查：核查起弧信号是否关闭，检查加电时的冷却剂流是否足量，检查是否有等离子电源斩波器电流。

步骤S2，气体操作台吹扫。

优选地，步骤S2包括如下步骤：

接通冷却剂泵或冷却用电机，使气体操作台让预留气体流动大致12s，在完成预留循环后，核查冷却剂流量是否足量，再使气体操作台的切割气体流动大致12s，在气体操作台进入步骤S3的等待状态之前，核查起弧信号关闭。

优选地，步骤S2还包括如下步骤：

错误检查：如果冷却剂流量小于1.11pm，则关闭等离子电源切割机系统，停止输出切割电流；如果冷却剂流量小于2.21pm，继续泵送冷却剂，直到流量超过2.21pm，此时暂时不允许启动气体操作台。

步骤S3，等待：

如果等离子电源切割机系统激活起弧信号，气体操作台进入步骤S4的预流状态，等离子电源切割机系统的接触器和软启动控制器接通，等离子电源切割机系统进入步骤S4的预流状态；如果气体操作台或等离子电源切割机系统的串行接口要求改变状态，采取行动接受状态改变；在最后的起弧信号发出8-12s，优选地，发出10s后，等离子电源切割机系统关闭接触器和软启动控制器，正式开始上电。

优选地，步骤S3还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量，检查是否有斩波器电流，核查所有温度测试点是否都低于规定的温度限值。

步骤S4，预流：

设定等离子电源的斩波器电流值等于引导弧电流，开始预流，并等候预流结束，优选地，如果接触器超时，则等候预流结束时间为2s，否则等候预流结束时间定为0.5s，并解除暂停信号，即等候预流结束过程。

优选地，步骤S4还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量，检查线电压是否过高或过低，检查冷却剂是否超温，检查等离子电源切割机BUCK DC-DC变换器(即斩波器)是否超温，检查变压器是否超温。

步骤S5，引弧：

等离子电源控制器接通和动作引导弧控制器和引导弧继电器，等待50ms的延迟后，等离子电源控制器发出HF(高频)脉冲使引导弧继电器关闭；如果等离子电源的斩波器电流等于引导弧电流的一半，则等离子电源控制器关闭HF(高频)脉冲，完成引弧工序，工序进入步骤S6的移弧状态；如果等离子电源控制器发出10次HF(高频)脉冲后，仍没有等离子电源的斩波器电流，表明出现异常状况，则进入步骤S11的关闭状态。

错误检查：由于HF(高频)脉冲噪音，此步骤下不进行错误检查。

步骤S6，移弧：

如果工作导线电流，即切割电流大于转移参照电流，工序进入步骤S7的升流状态，并关闭引导弧控制器和引导弧继电器；如果再过500ms后仍没有完成弧转移，则工序进入步骤S11的关闭状态；如果斩波器电流，即切割电流小于斩波器电流设定值的一半，则接通出和HF(高频)脉冲，试图增加切割电流。

错误检查：由于HF(高频)脉冲噪音，此步骤下不进行错误检查。

步骤S7，升流：

如果金属工件穿孔完成，则关闭等离子电源控制器的输入信号，气体操作台工作模式切换至切割流气体模式，渐升切割电流取决于不同类型的等离子电源切割机机床；一旦斩波器电流(即切割电流)大于或等于斩波器电流(即切割电流)设定值，气体操作台工作模式进入步骤S8的切割状态。

优选地，步骤S7还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量，检查线电压是否过高或过低，检查冷却剂是否超温，检查斩波器是否超温，检查变压器是否超温。

步骤S8，切割：

如果金属工件穿孔完成，，则关闭等离子电源控制器的输入信号，气体操作台工作模式切换至切割流气体模式；在切割状态下，如果切割工件的转角电流输入信号已经开启，则切换至转角电流设定值；如果起弧信号输入关闭，则工序进入步骤S9的降流状态。

优选地，步骤S8还包括如下步骤：

错误检查：检查是否缺相，检查加电时的冷却剂流是否足量，检查线电压是否过高或过低，检查冷却剂是否超温，检查等离子电源切割机斩波器是否超温，检查变压器是否超温，如果实际等离子电源切割机斩波器电流小于斩波器电流设定值的一半，则显示电流丢失错误，如果等离子电源切割机工作导线电流小于导线电流设定值的一半，显示转移丢失错误。

步骤S9，降流：

根据不同类型的等离子电源切割机机床进行不同的降流处理，根据机床具体状况，让气体操作台工作模式进入步骤S3的等待状态或降流状态，一旦切割电流下降达到截止电流，气体操作台工作模式进入最终的降流状态。

优选地，步骤S9还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量。

步骤S10，断流：

设定等离子电源斩波器电流等于零。

优选地，步骤S10还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量。

步骤S11，关闭：

关闭引导弧继电器、引导弧控制器、HF脉冲以及气体操作台的机械阀门输出，使得预留气体进入10s的后流期(相对于预流期)；如果此时出现关闭错误，则接通等离子电源切割机数控系统(CNC)关闭错误输出；如果此时出现降流错误，则接通等离子电源切割机数控系统(CNC)降流错误输出；后流定时器和接触器运行10s，如果没有起弧信号，则进入步骤S3的等待状态。

优选地，步骤S11还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量。

步骤S12，停机：

气体操作台工作模式进入停机状态，关闭气体操作台的所有输出，打开等离子电源切割机数控系统(CNC)错误输出，斩波器电流(切割电流)设定值等于零，气体操作台等候来自等离子电源切割机数控系统(CNC)的复位请求。

步骤S13，复位：

复位等离子电源切割机BUCK DC-DC变换器(斩波器)中控制器的CAN控制，并初始化后流定时器，气体操作台工作模式进入步骤S3的等待状态。

优选地，还包括如下步骤：

步骤S14，测试切割流：

气体操作台运行，流通切割流气体，并等候来自等离子电源切割机数控系统的不同请求，气体操作台工作模式进入步骤S15的测试预流状态，或进入步骤S3的等待状态。

优选地，步骤S14还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量，检查是否有起弧信号。

步骤S15，测试预流：

气体操作台运行，流通预流气体，，并等候来自等离子电源切割机数控系统的不同请求，气体操作台工作模式进入步骤S14的测试切割流状态，或进入步骤S3的等待状态。

优选地，步骤S15还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量，检查是否有起弧信号。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的降压型直流等离子电源切割方法，详细阐述了需要执行的各个具体步骤，为等离子电源切割工艺提供了一套完整和详细的流程，为等离子电源切割技术的应用、推广和普及起到了一定的作用。

2、本发明在很多步骤中都提供了错误检查和实施保护功能，使得等离子电源切割机系统的工作能够更加稳定可靠。

3、本发明提出的方法，其工艺流程结构精简，逻辑清晰，可以实现最大输出电流为270A的等离子电源切割，效果良好，实用性强。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的降压型直流等离子电源切割方法的工艺流程略图。

图2为等离子电源切割机系统配置示意图。

图中：1为等离子电源，2为引弧箱，3为气控箱，4为阀组，5为手持遥控器，6为外部遥控电缆，7为割炬调高器，8为数控系统CNC，9为工件。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种降压型直流等离子电源切割方法，包括上电初始化、吹扫、预流、引弧、移弧、升流、切割、降流、断流、停机、复位和测试等步骤。本方法还提供了错误检查和实时保护功能，使得系统出现错误时能够采取措施更改或实现停机。整个方法的主要步骤如下：

步骤S1，等离子电源切割机系统上电初始化。

优选地，步骤S1包括如下步骤：

-在给等离子电源切割机系统供电和上电时，等离子电源切割机BUCK DC-DC变换器(斩波器)的控制器DSP在微处理器模式下启动，在DSP外部闪存和DSP内存里开始执行程序码；DSP硬件有限初始化(初始化过程中使用到的IO口、PWM口、ADC口、外部中断和捕捉口、定时器、软件看门狗等)；计算DSP外部闪存和DSP内存的校验和，如果校验和不符，将DSP外部闪存里的程序码复制到DSP内存内；控制程序跳至DSP内存，开始执行程序码；

-DSP硬件全面初始化；读取EEPROM数据，获取上次切割完成的切割电流设定；

-检查内外部通用异步收发器的串行信息和CAN信息，根据检测到的信息，并执行相应程序行动，即信息的传递；每10ms检查一次信息，判断是否出现错误，每250ms刷新显示气体操作台的数据，每26ms更新等离子电源的斩波器控制回路；如果发生错误或不一致，则更新等离子电源切割机数控系统的模拟输入值；如果切割电流设定值发生变化，则更新EEPROM中的存储数据；如果气体操作台的入口气体发生变化，执行步骤S2，气体操作台吹扫。

优选地，步骤S1还包括如下步骤：

错误检查：核查起弧信号是否关闭，检查加电时的冷却剂流是否足量，检查是否有等离子电源斩波器电流。

步骤S2，气体操作台吹扫。

优选地，步骤S2包括如下步骤：

接通冷却剂泵或冷却用电机，使气体操作台让预留气体流动大致12s，在完成预留循环后，核查冷却剂流量是否足量，再使气体操作台的切割气体流动大致12s，在气体操作台进入步骤S3的等待状态之前，核查起弧信号关闭。

优选地，步骤S2还包括如下步骤：

错误检查：如果冷却剂流量小于1.11pm，则关闭等离子电源切割机系统，停止输出切割电流；如果冷却剂流量小于2.21pm，继续泵送冷却剂，直到流量超过2.21pm，此时暂时不允许启动气体操作台。

步骤S3，等待：

如果等离子电源切割机系统激活起弧信号，气体操作台进入步骤S4的预流状态，等离子电源切割机系统的接触器和软启动控制器接通，等离子电源切割机系统进入步骤S4的预流状态；如果气体操作台或等离子电源切割机系统的串行接口要求改变状态，采取行动接受状态改变；在最后的起弧信号发出8-12s，优选地，发出10s后，等离子电源切割机系统关闭接触器和软启动控制器，正式开始上电。

优选地，步骤S3还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量，检查是否有斩波器电流，核查所有温度测试点是否都低于规定的温度限值。

步骤S4，预流：

设定等离子电源的斩波器电流值等于引导弧电流，开始预流，并等候预流结束，优选地，如果接触器超时，则等候预流结束时间为2s，否则等候预流结束时间定为0.5s，并解除暂停信号，即等候预流结束过程。

优选地，步骤S4还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量，检查线电压是否过高或过低，检查冷却剂是否超温，检查等离子电源切割机BUCK DC-DC变换器(即斩波器)是否超温，检查变压器是否超温。

步骤S5，引弧：

等离子电源控制器接通和动作引导弧控制器和引导弧继电器，等待50ms的延迟后，等离子电源控制器发出HF(高频)脉冲使引导弧继电器关闭；如果等离子电源的斩波器电流等于引导弧电流的一半，则等离子电源控制器关闭HF(高频)脉冲，完成引弧工序，工序进入步骤S6的移弧状态；如果等离子电源控制器发出10次HF(高频)脉冲后，仍没有等离子电源的斩波器电流，表明出现异常状况，则进入步骤S11的关闭状态。

错误检查：由于HF(高频)脉冲噪音，此步骤下不进行错误检查。

步骤S6，移弧：

如果工作导线电流，即切割电流大于转移参照电流，工序进入步骤S7的升流状态，并关闭引导弧控制器和引导弧继电器；如果再过500ms后仍没有完成弧转移，则工序进入步骤S11的关闭状态；如果斩波器电流，即切割电流小于斩波器电流设定值的一半，则接通出和HF(高频)脉冲，试图增加切割电流。

错误检查：由于HF(高频)脉冲噪音，此步骤下不进行错误检查。

步骤S7，升流：

如果金属工件穿孔完成，则关闭等离子电源控制器的输入信号，气体操作台工作模式切换至切割流气体模式，渐升切割电流取决于不同类型的等离子电源切割机机床；一旦斩波器电流(即切割电流)大于或等于斩波器电流(即切割电流)设定值，气体操作台工作模式进入步骤S8的切割状态。

优选地，步骤S7还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量，检查线电压是否过高或过低，检查冷却剂是否超温，检查斩波器是否超温，检查变压器是否超温。

步骤S8，切割：

如果金属工件穿孔完成，，则关闭等离子电源控制器的输入信号，气体操作台工作模式切换至切割流气体模式；在切割状态下，如果切割工件的转角电流输入信号已经开启，则切换至转角电流设定值；如果起弧信号输入关闭，则工序进入步骤S9的降流状态。

优选地，步骤S8还包括如下步骤：

错误检查：检查是否缺相，检查加电时的冷却剂流是否足量，检查线电压是否过高或过低，检查冷却剂是否超温，检查等离子电源切割机斩波器是否超温，检查变压器是否超温，如果实际等离子电源切割机斩波器电流小于斩波器电流设定值的一半，则显示电流丢失错误，如果等离子电源切割机工作导线电流小于导线电流设定值的一半，显示转移丢失错误。

步骤S9，降流：

根据不同类型的等离子电源切割机机床进行不同的降流处理，根据机床具体状况，让气体操作台工作模式进入步骤S3的等待状态或降流状态，一旦切割电流下降达到截止电流，气体操作台工作模式进入最终的降流状态。

优选地，步骤S9还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量。

步骤S10，断流：

设定等离子电源斩波器电流等于零。

优选地，步骤S10还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量。

步骤S11，关闭：

关闭引导弧继电器、引导弧控制器、HF脉冲以及气体操作台的机械阀门输出，使得预留气体进入10s的后流期(相对于预流期)；如果此时出现关闭错误，则接通等离子电源切割机数控系统(CNC)关闭错误输出；如果此时出现降流错误，则接通等离子电源切割机数控系统(CNC)降流错误输出；后流定时器和接触器运行10s，如果没有起弧信号，则进入步骤S3的等待状态。

优选地，步骤S11还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量。

步骤S12，停机：

气体操作台工作模式进入停机状态，关闭气体操作台的所有输出，打开等离子电源切割机数控系统(CNC)错误输出，斩波器电流(切割电流)设定值等于零，气体操作台等候来自等离子电源切割机数控系统(CNC)的复位请求。

步骤S13，复位：

复位等离子电源切割机BUCK DC-DC变换器(斩波器)中控制器的CAN控制，并初始化后流定时器，气体操作台工作模式进入步骤S3的等待状态。

优选地，还包括如下步骤：

步骤S14，测试切割流：

气体操作台运行，流通切割流气体，并等候来自等离子电源切割机数控系统的不同请求，气体操作台工作模式进入步骤S15的测试预流状态，或进入步骤S3的等待状态。

优选地，步骤S14还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量，检查是否有起弧信号。

步骤S15，测试预流：

气体操作台运行，流通预流气体，，并等候来自等离子电源切割机数控系统的不同请求，气体操作台工作模式进入步骤S14的测试切割流状态，或进入步骤S3的等待状态。

优选地，步骤S15还包括如下步骤：

错误检查：检查加电时的冷却剂流是否足量，检查是否有起弧信号。

本实施例提供的降压型直流等离子电源切割方法，通过上电初始化、吹扫、预流、引弧、移弧、升流、切割、降流、断流、停机、复位和测试等步骤以及错误检查和实时保护功能，使得等离子电源切割机系统出现错误时能够采取措施更改或实现停机。本实施例提出的方法，其工艺流程结构精简，逻辑清晰，可以实现最大输出电流为270A的等离子电源切割，效果良好，实用性强。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。