专利名称：检测喷嘴和电极损耗的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于自动检测等离子弧割炬的喷嘴和电极损耗的系统和方法。
利用等离子弧割炬将金属工件切割成所需形状的技术是一种本领域的公知技术。如Carkhuff在美国专利5,216,221中所描述的那样，一个等离子弧割炬向电极施加高电压以产生一个从电极起并穿过一个喷嘴件的中心孔的电弧。在电极和喷嘴件间形成了一个气流，进而产生一个穿过中心孔而到达位于喷嘴件下方的工件的等离子流。
在工作过程中，工件的切割操作要求等离子弧割炬的精确定位，尤其是要求等离子弧割炬的电极和喷嘴一定要精确定位。可提供一种适当的装置以使该割炬或多个割炬在一个与其基本平行的平面内精确地经过工件表面上方，从而能够将工件切割成所需的形状。
在使用过程中，高温和电弧常常会损坏割炬的易耗部件如喷嘴和电极。因此，当这些易耗件耗尽或损坏时，必须定期对它们进行更换。一般情况下，这些部件都是由操作者在使用前被拧到割炬体上。一旦它们损坏了或用完了，则操作者将这些部件从割炬体上拧下来并进行更换。如果喷嘴或电极在完全耗尽前就被换掉，则将造成不必要的浪费。另一方面，如果直到喷嘴件和电极已耗尽而尚未进行更换，则由于使用耗尽或用完的电极或喷嘴件而有可能损坏工件，从而导致了成本不必要的提高。
目前存在一些用于测定电极使用极限的现有技术的系统和方法。其中这样一种属于现有技术的系统是Nishi等人的美国专利5,326,955，在该专利中公开了根据与包括工件厚度、喷嘴直径和切割速度在内的切割条件有关的各种因素来计算弧压，将计算弧压与反映电极使用极限的测量弧压进行比较并求出计算弧压与测量弧压间的差值。
根据弧压变化等因素来确定喷嘴或电极的损耗情况可能因无法精确地确定何时需要更换喷嘴件或电极而造成浪费和低效率，并这又导致了不必要的浪费和附加成本。因此，需要一种检测喷嘴和电极的损耗的改进的系统和方法。
所以，本发明的一个目的是提供一种有效地检测等离子弧割炬的喷嘴或电极的损耗的系统和方法。
本发明的另一个目的是提供一种检测等离子弧割炬的喷嘴或电极的损耗的系统和方法。同时，一方面避免了不必要的喷嘴或电极的更换，另一方面又避免了工件的损坏。
通过一种在等离子弧割炬工作过程中检测至少等离子弧割炬的电极和环绕喷嘴之一的损耗的系统和方法来实现这些和其它的目的。该系统和方法在等离子弧割炬的工作过程中确定电极和喷嘴与被等离子弧割炬切割的工件间的距离。该系统和方法同时也确定等离子弧割炬的电极或喷嘴件与待切割工件间的距离的变化情况。根据上述距离的变化情况，本系统和方法相应地指示喷嘴或电极需要更换。此外，可根据上述距离的变化情况采取初始校正措施以延长喷嘴或电极的寿命(即避免不必要地更换电极或喷嘴)。
本发明的系统和方法在等离子弧割炬的工作过程中连续监控等离子弧割炬的喷嘴/电极到工件的距离，从而确定所述距离的平均变化量并将所述的距离平均变化量与第一预定值进行比较。所述的距离变化情况可被记录下来。本发明同时也根据所述的距离平均变化量与第一预定值的比较结果指示出至少电极和环绕喷嘴之一需要更换。换句话说，如果至少电极和环绕喷嘴之一与工件间的距离平均变化量超过第一预定值，则本发明将指示出电极或环绕喷嘴需要更换。根据这种指示更换电极或喷嘴。
另外，由于根据喷嘴/电极到工件的距离的平均变化量与第一预定值间进行的比较对等离子弧割炬工作进行了校正，所以本发明还可以避免不必要的更换电极或喷嘴。换而言之，如果至少电极和喷嘴之一与工件间的距离平均变化量大于第一预定值时，本发明会对等离子弧割炬工作进行校正。这种校正由于避免了不必要的更换电极或喷嘴而延长了喷嘴或电极的寿命。
本发明的系统和方法可以确定校正次数并将校正次数与第二预定值进行比较并根据比较步骤指出何时需要至少更换电极和环绕喷嘴之一，即如果校正次数超过第二预定值，则指示出此时需要更换至少电极和喷嘴之一。针对等离子弧割炬进行的校正措施可包括改变等离子弧割炬的电弧参考设定点、改变等离子弧割炬的行进速度、改变等离子弧割炬电源的平均电流或者改变等离子弧割炬的等离子体供应气体或切割用水的流速。
检测至少电极和环绕喷嘴之一的损耗的系统和方法同时也记录上面确定的距离变化情况并如上所述地根据前面描述的与第二预定值进行比较的方法指示出至少电极和环绕喷嘴之一需要更换。
尽管以上对本发明的一些目的和优点已经做了说明，但是当结合附图作进一步描述时，本发明的其它目的和优点将显得更清楚，其中
图1是本发明的等离子弧割炬的剖面图；图2是用于说明有效地检测至少等离子弧割炬的电极和环绕喷嘴之一的损耗情况的本发明的框图；图3A-图3B是流程图，它描述了有效检测至少等离子弧割炬的电极和环绕喷嘴之一的损耗情况的本发明的工作过程。
现在参见附图地更详尽地描述本发明。在附图中示出了一个优选实施例。然而本发明可具有多种实施方式，因此不能认为本发明局限于在此所给出的实施例；这些该实施例的目的仅在于使对发明的说明更加充分和完整并将本发明的范围告知本领域的技术人员。在所有附图中，同样的标号表示同一部件。
现在参见图1，它示出了一个等离子弧割炬10。等离子弧割炬10包括一个喷嘴件12和一个确定纵轴的管状电极14。
有多种不同的等离子弧割炬配备有上面引用的本发明所用的部件。由于这些割炬都是传统的和公知的，所以在这里将不描述这些割炬。类似地，有多种不同类型的用于等离子弧割炬的电源，由于它们是公知的和传统的，所以在这里也不对它们进行描述。最后，还有多种不同类型的用于安装和相对于工件移动等离子弧割炬的机构也是公知的，所以在这里也不必进行描述。在美国专利No.5,290,955中公开了一个等离子弧割炬的例子，其内容在此被引用作参考文献。
如图2所示，本发明的等离子弧割炬10包括一个控制系统11，该系统可用一个控制器或微处理器来实现。控制系统控制割炬10相对于工件13的运动。控制系统11同时还控制电源21向等离子弧割炬10的供电。当供电开始时，在割炬10和工件13间形成了用于切割工件13或在工件13上做标记的等离子弧16。
根据本发明，配备有一个可用传感器实现的第一检测装置18，它用于在工作过程中测定至少电极14和环绕喷嘴件12之一与正被等离子弧割炬10切割的工件13间的距离。设置了第二检测装置20，在等离子弧割炬的工作过程中，它用于检测由第一检测装置18检测出来的电极14与工件13间或环绕喷嘴件12与工件13间的距离平均变化量。还设有比较装置22，它用于将由第二检测装置20检测出来的上述距离平均变化量与第一预定值进行比较。
本发明还包括记录装置24，它用于在等离子弧割炬10的工作过程中记录电极14与工件13间或环绕喷嘴12与工件13间的距离变化情况。本发明还包括第一指示装置26，它用于根据比较装置22的比较结果指示出电极14或环绕喷嘴12需要更换。当由第二检测装置20检测出来的电极14与工件13间或环绕喷嘴12与工件13间的距离平均变化量超过第一预定值或是在预定窗口外时，第一指示装置26被起动。
本发明还包括替换装置28，它用于按照指示装置26的指示控制电极14或环绕喷嘴12的更换。本发明还可能包括校正装置30，当电极14与工件13间或环绕喷嘴12与工件13间的距离平均变化量超过预定值或在预定窗口外时，校正装置30根据比较装置22的比较结果校正等离子弧割炬10的工作。
可能进行的校正包括改变等离子弧压、改变等离子弧割炬的行进速度、改变等离子弧割炬电源的平均电流或改变等离子弧割炬的供应气体或切割用水的流速。
本发明还包括第二指示装置32，它用于指示校正次数何时超过第二预定值。根据第二指示装置32的指示，替换装置28对电极14或环绕喷嘴12的更换进行控制。
现在参见图3，它给出了一张说明检测至少等离子弧割炬的电极和环绕喷嘴之一的损耗情况的本发明工作过程的流程图。如上所述，能够用控制器或微处理器实现本发明的控制系统11，所述系统控制着割炬10相对于工件13的运动。为此在34处，控制系统11开始自动高度控制并进而在36处向下驱动升降机构，直到割炬与工件接触为止。然后在38处升降机构反向以使割炬退回到初始高度设定点。在39处，将设定点存储在控制系统11中。在40处，由一个编码器或线性传感器测量割炬的退回距离。
等离子弧割炬在42处被触发，在短暂的延迟以便稳定等离子弧压后，在44处启动对电压幅度的控制。在46处，割炬升降机构将割炬置于一个选定高度上。在45处，该选定切割高度已被存储在控制系统11中且它与等离子弧割炬的等离子弧压是对应的。此后在48处，升降机构的任何位置变化将被控制系统11检测出来并被记录在存储器中(见图2)。根据在48处所示的并记录在存储器中的升降机构位置变化，在50处将割炬高度变化存储在一个缓冲寄存器中。如在52处所示的那样，在一个等离子弧割炬的特定起动次数的范围内，这种指示和记录升降机构位置变化的过程一直持续进行。这个特定的起动次数如在51处所示的那样是事先预定的，其中在该特定起动次数的范围内将记录升降机构的位置变化。
当达到等离子弧割炬起动的预定次数时，割炬高度的变化数据将在54处被平均。然后在56处，将该平均值与一个窗口内的容许值进行比较。处于窗口内的容许值如57处所示的那样是预先设定的。然后在58处，该系统根据比较结果判断所述平均值是处于预定的容许值窗口内还是处于该窗口外。如果所述平均值不在预定的容许值窗口内，则在60处改变等离子弧压，使等离子弧割炬的升降机构的位置返回到容许值窗口的极限内。等离子弧压的变化量是一个如59处所示的预定的补偿增量。等离子弧压的每次变化均在62处被计算和记录下来。也可进行一些其它的改变以使升降机构的位置返回容许窗口的极限内，这些改变包括改变等离子弧割炬的行进速度、改变等离子弧割炬电源的平均电流或者改变等离子弧割炬的等离子体供应气体或切割用水的流速。
在进行过这些改变而使等离子弧割炬升降机构的位置返回到容许极限内后，在64处开始一个新的监控程序。一旦等离子弧割炬的升降机构经过限定次数的调整后，在66处达到校正极限。对等离子弧压容许极限校正的限定次数是一个如在67处所示的预定数。如在66处所示的那样，当达到容许进行校正的预定次数后，如在68处所示的那样，将向等离子弧割炬操作者发出一个故障信息，指示出需要更换电极14或环绕喷嘴12。如在70处所示的那样，该系统将检查并确认电极12或环绕喷嘴12是否已被更换。一旦进行过这种确认后，在72处开始一个新的监控程序且上述过程结束。
对于那些受益于以上描述及相关附图的教导的且与本发明相关的技术领域中的技术人员来说，他们会想到本发明的许多变形和实施方案。因此应当理解的是，本发明不局限于所公开的特定实施例，各种变型和其它实施方案均应包括在后续的权利要求书的范围之内。尽管在这里使用了一些特殊的术语，但只是广义和描述性地使用这些术语而不是为了限制。
权利要求
1．一种在等离子弧割炬的工作过程中检测至少等离子弧割炬的电极和环绕喷嘴之一的损耗的方法，所述方法包括以下步骤在等离子弧割炬工作过程中检测至少电极和环绕喷嘴之一与正由等离子弧割炬进行切割的工件间的距离；在等离子弧割炬的工作过程中检测所述的至少电极和环绕喷嘴之一与所述工件间的距离平均变化量；将所述的至少电极和环绕喷嘴之一与所述工件间的距离平均变化量与第一预定值进行比较。
2．如权利要求1所述的检测损耗的方法，还包括下面的步骤，即在等离子弧割炬的工作过程中，将所述的至少电极和环绕喷嘴之一与所述工件间的距离记录在一个记录装置中。
3．如权利要求1所述的检测损耗的方法，还包括以下步骤根据所述比较步骤，如果所述的至少电极和环绕喷嘴之一与所述工件间的距离平均变化量超过所述第一预定值时，将指示出所述的至少电极和环绕喷嘴之一需要更换；根据指示步骤更换所述的至少电极和环绕喷嘴之一。
4．如权利要求1所述的检测损耗的方法，还包括以下步骤根据所述比较步骤，如果所述的至少电极和环绕喷嘴之一与所述工件间的距离平均变化量超过所述第一预定值时，校正等离子弧割炬的工作；检测由所述校正步骤所进行的校正次数；将所述校正次数与第二预定值进行比较；根据与第二预定值的比较步骤，如果所述校正次数超过所述第二预定值，指示至少电极和环绕喷嘴之一需要更换；根据所述第二预定值指示步骤更换所述的至少电极和环绕喷嘴之一；在更换过所述的至少电极和环绕喷嘴之一后，使所述校正次数归零。
5．如权利要求4所述的检测损耗的方法，其中，所述校正步骤包括至少下述步骤之一，即改变等离子弧割炬的等离子弧参考设定点、改变所述等离子弧割炬的行进速度、改变所述等离子弧割炬电源的平均电流、改变所述等离子弧割炬的等离子体供应气体或切割用水的流速。
6．一种在等离子弧割炬工作过程中检测至少等离子弧割炬的电极和环绕喷嘴之一的损耗的系统，所述系统包括第一检测装置，它用于在等离子弧割炬工作过程中检测至少电极和环绕喷嘴之一与正被等离子弧割炬切割的工件间的距离；第二检测装置，它用于在等离子弧割炬工作过程中检测所述的至少电极和环绕喷嘴之一与所述工件间的距离平均变化量；比较装置，它用于将所述的至少电极与环绕喷嘴之一与所述工件间的距离平均变化量与第一预定值进行比较。
7．如权利要求6所述的检测损耗的系统，进一步包括记录装置，它用于在等离子弧割炬的工作过程中记录所述的至少电极和喷嘴之一与所述工件间的距离变化情况；指示装置，它用于根据比较装置的比较结果指示至少电极和环绕喷嘴之一需要更换，其中当所述的至少电极和环绕喷嘴之一与所述工件间的距离平均变化量超过所述第一预定值时，起动所述指示装置；替换装置，它用于根据所述指示装置的指示控制所述的至少电极和环绕喷嘴之一的更换。
8．如权利要求6所述的检测系统，进一步包括校正装置，根据所述比较装置的比较结果，如果所述的至少电极和环绕喷嘴之一与所述工件间的距离平均变化量超过所述第一预定值时，该校正装置校正等离子弧割炬的工作；比较装置，它用于将所述校正装置进行的校正次数与第二预定值进行比较；第二指示装置，根据所述第二预定值比较装置的比较结果，如果所述的至少电极和环绕喷嘴之一与所述工件间的距离平均变化量超过所述第二预定值时，该第二指示装置将指示出至少电极和环绕喷嘴之一需要更换；替换装置，它用于根据所述第二指示装置的指示控制至少电极和环绕喷嘴之一的更换，其中在根据第二指示装置的指示更换了所述的至少电极和环绕喷嘴之一后，使由所述校正装置所进行的校正次数归零。
9．如权利要求8所述的损耗检测的系统，其中，所述校正装置至少包括下述装置之一，即改变等离子弧割炬参考设定点的装置、改变所述等离子弧割炬行进速度的装置、改变所述等离子弧割炬电源平均电流的装置、改变所述等离子弧割炬的等离子体供应气体或切割用水流速的装置。
10．如权利要求6所述的损耗检测系统，其中，所述第一检测装置包括一个传感器。
全文摘要
一种检测等离子弧割炬的喷嘴和电极的损耗的系统和方法,用于对等离子弧割炬的电极/喷嘴与工件间的距离平均变化量进行监控,电极/喷嘴件与工件间的距离平均变化量一旦超过一个预定值,则实施校正措施。校正措施包括改变等离子弧割炬的弧压、改变等离子弧割断的行进速度、改变等离子弧割炬电源的平均电流或者改变等离子弧割炬的等离子体供应气体或切割用水的流速。对校正次数进行监控,从而在经过预定次数的校正后,该系统和方法将提醒操作者需要更换等离子弧割炬本身、电极或环绕喷嘴。
文档编号G01B21/00GK1226003SQ9812436
公开日1999年8月18日 申请日期1998年9月15日 优先权日1997年9月15日
发明者托马斯·F·奥克利 申请人:埃萨布集团公司