專利名稱：接觸起動等離子切割過程的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子切割，尤其是涉及用于一種接觸起動等離子切割過程的方法和設(shè)備。
起燃等離子電弧放電以及起動電弧等離子割炬(用于等離子切割)有好幾種已知的方法。最好的包括高頻或者高電壓放電，接觸起動，以及帶有一根爆炸線。在每種方法中電弧都在一個正極和一個負(fù)極之間引起，向一種可電離氣體被引導(dǎo)到電弧周圍的氣流之中，形成等離子噴射氣流。
起燃等離子電弧的高頻放電或者說高電壓火花放電法使用已經(jīng)很長時間了曾在一個時期中得到廣泛應(yīng)用。該方法需要使用高電壓來擊穿正負(fù)極之間的間隙，從而產(chǎn)生建立電流通道的載體，所述電流通道是起動電弧所必需的。R·科希(R.Couch，Jr.).等人的美國專利No.3,641,308就披露了這樣一種方法。如同R·科希等人所披露的那樣，給陰極提供的瞬時高電壓脈沖起燃一個越過從陰極到接地工件間隙的電弧放電。
然而，這種高頻電弧起動法能對附近的電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，因此高頻電子裝置需要屏蔽或者放在遠(yuǎn)處。此外，產(chǎn)生高頻放電所需的設(shè)備可能十分昂貴。
在“爆炸線”(exploding wire)工藝中有一個導(dǎo)電器從陰極伸到工件。當(dāng)電流起燃時，導(dǎo)電器汽化，在其位置上留下電弧。顯然，這種爆炸線工藝實際上不能用在起動和停止類型的等離子切割過程之中。
接觸起動的等離子電弧需要正負(fù)極接觸，因而需用相對較小的電流和電壓，而且不再需要高頻設(shè)備(從而也消除了相關(guān)的高成本和電磁干擾)。在較老的接觸起動法中，手動放置陰極，使它與工件相連，并且電流從陰極流往工件。并手動回撤陰極使其離開工件，以便維持住電弧。通常，所述陰極是電極，而噴嘴(等離子射流通過它噴出)用作使電極與工件連通的導(dǎo)電器。噴嘴相對于電極滑動，當(dāng)噴嘴壓靠工件時與電極接觸。因此，當(dāng)電流被引進(jìn)時，電極、噴嘴和工件起到電串聯(lián)的作用。當(dāng)電極手動回撤離開工件時，允許噴嘴離開電極回到正常位置。
這種接觸起動系統(tǒng)的一個缺點是當(dāng)噴嘴壓靠在工件上時，通常放置在噴嘴端部的脆性陶瓷元件有損壞的危險。此外，在將噴嘴壓靠在工件上的同時起燃切割實際上是困難的。該起動方法的另一個問題在于油漆之類的非導(dǎo)電涂層使得利用工件的電接觸起動難以進(jìn)行。其結(jié)果是，甚至當(dāng)可提供接觸起動時，也可能需要前導(dǎo)電弧線路。
一個較新類型的接觸起動割炬在內(nèi)部具有最初接觸的一個陰極和一個陽極。這種接觸形成一個電流通道。然后陰極隨著割炬內(nèi)部形成氣壓而自動移動，與陽極分離。在分離之前從陰極流往陽極的電流形成一個前導(dǎo)電弧，該前導(dǎo)電弧在陰極和陽極分離時越過間隙。
N.桑德斯(N.Sanders)等人的美國專利4,791,268就披露過這種割炬，它具有一個用作陰極的可移動電極以及一個用作陽極的固定噴嘴。當(dāng)割炬內(nèi)沒有氣體流動時，一個彈簧迫使電極與噴嘴接觸。在這一位置電極關(guān)斷噴嘴口。在電流開始從電極流往噴嘴之后，將氣體送入噴嘴。該氣體給活塞部分施加一個與彈簧力作用相反的力，當(dāng)此力足夠大時就使電極移動，離開噴嘴。于是斷開了在電極和噴嘴之間的電接觸，并形成前導(dǎo)電弧。而且在電極離開噴嘴時還打開噴嘴口，其結(jié)果是割炬生成一個等離子噴射流。
現(xiàn)在新漢普郡的漢浩威人工發(fā)熱治療機(jī)股份有限公司(Hyper-therm，Ine.，Hanover，New Hampshire)銷售的一種割炬是一種接觸起動割炬。該割炬包括一個內(nèi)部接觸機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)具有一個電極與噴嘴的短路位置和一個開啟位置。電極由彈簧加載進(jìn)入短路位置，并可借助于壓縮空氣施加的力移動到開啟位置。在短路時該接觸機(jī)構(gòu)提供一個可靠的前導(dǎo)電流通路，而當(dāng)所述接觸機(jī)構(gòu)移到開啟位置時建立起一個電弧。在短路和開始位置之間有一個預(yù)先確定的傳送距離。
切割過程由位于噴嘴和電極之間的前導(dǎo)電弧點燃。位于前導(dǎo)電流通路內(nèi)的一個電感器儲存來自前導(dǎo)電流的感應(yīng)能量。所述短路由一個施加的空氣流強(qiáng)行開啟。當(dāng)短路開啟時，所述電感器造成通過電極和噴嘴之間開啟間隙的放電。放電能量電離所述間隙內(nèi)的空氣，降低間隙阻力，從而提供用來持續(xù)前導(dǎo)電流(現(xiàn)在是電弧)的通道。
將一部分來自電極的前導(dǎo)電流通過被切割金屬傳送到電源的正極末端，切割金屬就開始了。當(dāng)已有電弧傳送時電源內(nèi)的電子裝置能感知到，從而在傳送發(fā)生之后供應(yīng)數(shù)量較大的切割電流。而且，割炬噴嘴斷電，中斷了前導(dǎo)電流通道。因此，該流被用來切割工件，并沿著一條包括正極末端、工件和電極的通道行進(jìn)。
然而，這種類型的割炬有一個明顯不足如果電弧熄滅(或者沒有傳送，只能通過釋放并重新起動(再重復(fù))一個割炬起動開關(guān)來再次點燃。在切割多孔金屬網(wǎng)(例如格柵)時，必然會引起電弧熄滅，上述缺點就尤為嚴(yán)重。而且，在通往割炬的軟管中建立起的空氣壓力被消耗之前，切割電弧不能重新點燃。這在不帶軟管排氣機(jī)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中要占用一些時間。因此，一種不再重復(fù)起動就能重新點燃電弧的割炬和電源是符合需要的。
等離子切割系統(tǒng)的一個潛在危險是該過程伴隨著可能致命的電壓水平。通常，等離子切割系統(tǒng)提供零件在應(yīng)有位置(PIP)電路之類的安全防范措施，如果任何零件丟失，該電路也將阻止電源工作并防止應(yīng)用危險的高斷開電路電壓(OCV)。但這種技術(shù)并未提供備用安全系統(tǒng)。因此，有必要提供一種備用安全系統(tǒng)，即使在PIP系統(tǒng)失效而割炬結(jié)合時，也能防止危險的高斷開電路電壓(OCV)。
現(xiàn)有割炬以及等離子切割系統(tǒng)的另一個缺點是在工作期間割炬和割炬內(nèi)部的自耗零件變得很熱。然而，當(dāng)電弧被熄滅時，熱量通常不散失，所以縮短了零件壽命，并可能損壞割炬。因此，具有電弧后冷卻的割炬是符合需要的。然而，這種冷卻不應(yīng)干擾電弧的重新點燃。
本發(fā)明的一個目的是提供一種等離子切割裝置，它包括一個電源、一個割炬、一個空氣源以及一個閥。電源具有兩個輸出端(陰極和陽極)，而割炬與電源輸出端電連接。割炬還有一個噴嘴，空氣從氣源經(jīng)過閥送往割炬(和噴嘴)。在一個第一位置閥允許空氣從氣源流到噴嘴。在一個第二位置閥阻止空氣從氣源流經(jīng)噴嘴，并使噴嘴和割炬排氣。
在一個實施例中，割炬具有一個可移動電極，而噴嘴處于固定位置。噴嘴和電極分別與電源的一個不同輸出端電連結(jié)。電極被加壓(最好用一個彈簧)到與噴嘴接觸。然而，流入割炬和電極的空氣克服壓力并使電極離開噴嘴。
在另一個實施例中，割炬包括一個起動開關(guān)，它表明使用者是否需要電流流動。當(dāng)沒有電弧，電源處于感知狀態(tài)以及沒有電弧而使用者需要電流，就移動閥以防空氣流入割炬并使割炬排氣。
在又一個實施例中，電源感測在電極中有沒有電流流動，當(dāng)測出沒有輸出電流時減少輸出電壓。
在另一個不同的實施例中，當(dāng)電源被提供動力時，移動閥以便提供空氣流(因而吹洗割炬)。
隨后的附圖，詳細(xì)描述和所附權(quán)利要求將使熟悉此項技術(shù)的人對本發(fā)明的基本特點和優(yōu)越性更加明了。
圖1是本發(fā)明等離子切割系統(tǒng)的方塊圖；圖2是圖1的變頻器電路的線路圖；圖3是圖1的輸出功率電路和圖1輸出割炬的原理圖；圖4是圖1控制器的局部原理圖；圖5是圖1控制器的局部原理圖；圖6是圖1控制器的局部原理圖；圖7是圖1控制器的局部原理圖；圖8是圖1控制器的局部原理圖；圖9是本發(fā)明的流程圖。
在詳細(xì)介紹至少一個本發(fā)明實施例之前應(yīng)該理解，本發(fā)明不受下文和附圖所描述的具體結(jié)構(gòu)和組件排列限制。本發(fā)明還具有其它實施例或者說可進(jìn)行各種變化。此外還應(yīng)理解，此處所用的術(shù)語和詞匯僅作描述之用，也不構(gòu)成限制。
本發(fā)明針對一種等離子切割系統(tǒng)。本發(fā)明提供等離子切割用的割炬和電源，它能自動重新點燃切割電弧(以及前導(dǎo)電流)，因而使用方便，并適于切割多孔金屬網(wǎng)。在一個實施例中在電弧后提供空氣流(被稱作后氣流)，以便冷卻割炬。在另一個實施例中，一個安全系統(tǒng)提供一個低斷開電路電壓。
圖1以方塊圖形式畫出一個根據(jù)本發(fā)明的等離子切割系統(tǒng)100。一個輸入整流器電路102接納送入的交流電力，并以一種在現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的方式將其整流。輸入整流器102使輸入電力濾波并抑制其峰值(這也是在現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的)。因此，輸入整流器102的輸出是一個送往變頻器電路103的內(nèi)部直流匯流條(In-ternal dc buss)(在圖1中連接任何一個不同組件的每根線可為一個或多個電的或機(jī)械的連結(jié)器)。
變頻器電路103也具有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，下文將對其作出詳細(xì)介紹。變頻器電路103包括多個諧振變頻器。它們從輸入整流器102接收直流輸入功率，并提供一個交流信號，該信號具有一個與變頻器開關(guān)頻率相當(dāng)?shù)碾娏?shù)量。此外，變頻器電路103一般還包括用來執(zhí)行附加功能的電路，例如緩充電電路(soft charge circuit)電壓轉(zhuǎn)換電路以及浪涌電阻器(Surge resistors)。
變頻器電路103的輸出被送往一個輸出電力線路105，下文將對其作出詳細(xì)介紹。輸出電力線路105接收變頻信號，并以一種已知的方式變壓、整流和過濾該信號成一個直流輸出信號。
該直流輸出信號被送往一個輸出割炬系統(tǒng)107，它包括割炬、電極和工件，下文再作詳細(xì)介紹。割炬最好(但不是必需)具有美國專利號4,791,268和4,902,871(兩者均作參考用)披露的類型。并包括一個通常與割炬噴嘴接觸(即短路位置)的彈簧加壓電極。在這種類型的割炬中，空氣流(來自空氣源108)，能迫使電極離開噴嘴，進(jìn)入斷開位置，空氣源108可為壓縮空氣，或者是其它適用的切割氣體，并且經(jīng)過一般的濾波和調(diào)壓。
最初，存在一個從電極到割炬尖端(噴嘴)的前導(dǎo)電流通道。當(dāng)空氣流迫使電極離開噴嘴時，短路斷開，儲存在電流通道內(nèi)的感應(yīng)能量放出，電離間隙內(nèi)的空氣，從而形成電弧。
控制器109根據(jù)接收的反饋信號提供多種信號，這些控制信號是控制圖1中各電路所必需的。控制信號包括變頻器開關(guān)信號以及繼電器閉合/斷開信號。控制器109也在下文中詳述。
下面將作更為詳細(xì)的描述，與現(xiàn)有技術(shù)不同，當(dāng)切割電流中斷時，激活一個三通空氣螺線管(或者說電磁閥)。該三通電磁閥接通通往割炬的空氣通道，使電極快速自動接入到尖端接觸機(jī)構(gòu)。而且，在主控制板(下文詳述)上的邏輯線路允許操作者僅僅通過保持割炬起動開關(guān)接合，就能進(jìn)行連續(xù)切割。簡而言之，當(dāng)感知電弧中斷時，空氣電磁閥中斷空氣供應(yīng)，并使割炬排氣，噴嘴與輸出電路電連結(jié)，因而瞬時關(guān)閉前導(dǎo)電流通道并重新點燃一個前導(dǎo)電弧(pilot arc)。
安全電路110與輸入整流器以及變頻器電路相連。萬一交流線使用錯誤，安全電路110能保護(hù)電源系統(tǒng)(power train)。此外，安全電路110還為輔助電能線路111提供動力，后者又為邏輯線路(在控制器109內(nèi))、風(fēng)扇和其它輔助組件提供動力。
圖2詳細(xì)畫出變頻器電路103，它包括一個緩充電電路201。所述軟充電電路201包括一對保持電容C1、C2的的直流匯流條，電容C1、C2通過一對電阻PTC1和PTC2進(jìn)行緩充電。在電阻PCT1和PCT2之間的電壓由控制器109控制，只在一個緩充電循環(huán)成功(其標(biāo)志為電阻PTC1和PTC2之間的電壓降到臨界限值以下)之后才接通旁路可控硅整流器Q1。此外，電阻PCT1和PCT2之間的電壓還由安全電路110進(jìn)行控制。
一對電阻R1和R2用來限制電涌(current surges)，尤其是，當(dāng)變頻器開關(guān)誤動作和/或逆向?qū)щ姇r，電涌電阻R1和R2能提供一個限制電流的最小阻力。電阻R1/R2和一個斷路時間相結(jié)合，使輸入整流器102中的輸入二極管和旁路可控硅整流器用的電流得到限制。
變頻器電路103還包括含有一對電容C3和C4(實際上它們通常為電容器組)的串聯(lián)諧振變頻器、一個過電壓保護(hù)電路(包括二極管D1A和D1B、電阻R3以及一對電感L1、L2)、一對開關(guān)QA和QB(在本最佳實施例中為可控硅開關(guān))以及一對變壓器一次繞組T1A和T1B。借助于交替觸發(fā)可控硅開關(guān)QA和QB，將電力傳送到二次繞組。如同在現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣，傳送的電量與可控硅開關(guān)QA和QB的導(dǎo)通頻率成比例。所述可控硅開關(guān)由控制器109控制。
等離子切割系統(tǒng)100被設(shè)計用于雙交流線路電壓，例如在此最佳實施例中為230或460伏交流電壓。一個開關(guān)SW1將緩充電電容C1和C2、電涌電阻R1和R2，與電容C3和C4、二極管D1A、D2A、電阻R3和用于適當(dāng)線路電壓的變壓器繞組T1A和T1B連接在一起。
安全電路110(見圖1)控制輸入電容C1和C2兩端間的電壓。當(dāng)該電壓超過一個預(yù)定水平時，安全電路110中斷電阻PCT1至PCT2的公共連接，因而終止了緩充電循環(huán)并使電容C1、C2卸荷。在安全狀態(tài)控制器109防止旁路可控硅整流器Q1接通，直至在電阻PCT1和PCT2之間的電壓在一個正常緩充電循環(huán)的末尾降到正常水平為止。此外，如果輸入線路選擇不當(dāng)，安全電路110能防止對于輔助電能線路111的損傷。
圖3詳細(xì)畫出輸出電能線路105，它包括一個二次繞組T1C(與一次繞組T1A和T1B磁耦合)以及一個含有二極管D2至D5的全波整流器。通過與一個損耗電阻結(jié)合，并且在電容C3、和C4的電壓被電阻R3消耗到一個預(yù)定水平之前不讓可控硅開關(guān)QA和QB導(dǎo)通，能防止二極管D2至D5受到過度的逆向斷路電壓(reverse block-ing voltage)。該二極管連接一充電逆向復(fù)原是由一個阻尼器提供，該阻尼器由電阻R4和電容C5組成。
輸出割炬系統(tǒng)107包括一個割炬(如方塊306所示)、輸出終端以及連接器。工件311接地輸出并與二極管D4、D5相連。割炬306最好具有美國專利號4,791,268披露的類型(盡管多種設(shè)計可以適用)并包括一個通過輸出電感L5與二極管D2、D3相連的彈簧加壓電極309。電感L5提供創(chuàng)建前導(dǎo)電弧用的感應(yīng)能量，并在切割時(或者在前導(dǎo)模式中)保持一個穩(wěn)定的電流。到達(dá)電極309的電流由一個霍爾裝置(hall device)301(或其它適用的電流反饋裝置例如分流器)控制，并被提供到控制器109。壓力傳感器305也為控制器109提供一個壓力反饋信號。
割炬306包括一個割炬尖端(也稱作噴嘴)310，該尖端通過一個前導(dǎo)繼電器K1以及一個前導(dǎo)電阻R5與二極管D4、D5相連。因此，當(dāng)繼電器K1閉合時，使割炬尖端與正的直流輸出端相連。
軟管303和303A把割炬306連到空氣源108上，并包括一個三通空氣電磁閥307。在電弧熄滅時三通空氣電磁閥307(它也可為割炬306的一部分)使軟管303和割炬306快速排氣，從而允許電弧迅速重新點燃。
如上所述，割炬306可以具有現(xiàn)有技術(shù)中已知的類型，在彈簧加載狀態(tài)電極309和噴嘴310之間被短路。而當(dāng)三通空氣電磁閥307提供從空氣源108通往割炬306的空氣通道時，電極309和噴嘴310分離。在本發(fā)明中這種使兩者分離的機(jī)構(gòu)不是重要的，但前導(dǎo)電弧最好能自動建立。割炬306最好包括一個割炬起動開關(guān)以及一個稱作零件在應(yīng)有位置(PIP)開關(guān)的安全開關(guān)。PIP開關(guān)放置在割炬頭內(nèi)部并與割炬杯狀物相連。在更換自耗零件時操作者拆下杯狀物，此時PIP開關(guān)能探測出。在接收到一個PIP斷路信號狀態(tài)，控制器109采取適當(dāng)?shù)陌踩胧├缯f抑制信號，并防止危險的輸出電壓出現(xiàn)。
在起動繼電器K1閉合時，建立起一條從正的直流輸出端(二極管D4和D5)通過電阻R5和繼電器K1到達(dá)電極309的前導(dǎo)電流通道。由于電極被彈簧壓在短路位置，電流從噴嘴310流往電極309。當(dāng)三通電磁閥307閉合，允許空氣流到割炬306時，電極309開始與噴嘴310分離，并且儲存在電感L5內(nèi)的感應(yīng)電能通過打開的間隙放出。如上所述，放出的能量電離在間隙內(nèi)的空氣，降低間隙的阻力，從而提供一個用來延續(xù)前導(dǎo)電流的通道。
當(dāng)一部分前導(dǎo)電弧流從電極309傳送到工件311(如同在現(xiàn)有技術(shù)中一樣)時，對金屬工件311的等離子切割開始進(jìn)行。當(dāng)此事發(fā)生時，控制器109感知電弧傳輸并使變頻器電路103提供一個切割電流(它的數(shù)值比前導(dǎo)電流高)。此外，控制器109使繼電器K1斷開，從而不再與噴嘴310相連，將前導(dǎo)電流通路中斷。
三通空氣電磁閥307(它使軟管303A以及割炬306排氣，并使電極309再次快速連接到噴嘴310上)與控制邏輯線路(下文將介紹)結(jié)合，以便允許操作者僅僅保持住接合的割炬起動器開關(guān)就能進(jìn)行連續(xù)切割。當(dāng)感知電弧中斷(而起動器開關(guān)仍保持在受拉狀態(tài))時，空氣電磁閥307關(guān)斷空氣供應(yīng)并使割炬排氣。此時，控制器109也促使主切割電弧中斷，并快速閉合繼電器K1，從而重建前導(dǎo)電流通路，該通路不需要再次使用起動器開關(guān)重新點燃，就能在割炬內(nèi)部保持住電弧。通過電弧電壓預(yù)測出電弧中斷，即由弧電壓被超過一個預(yù)定電壓水平(它通過導(dǎo)線315、316反饋到控制器109)。也能采用其它適用的反饋信號，例如電流或功率。
此外，如果在割炬起動開關(guān)接合時沒有電弧傳輸，控制器109就使空氣電磁閥307中斷空氣供應(yīng)，并使割炬排氣。因此，一個前導(dǎo)電流通道很快重建起來，使前導(dǎo)電弧重新點燃。
然而，當(dāng)使用者通過松開啟動器開關(guān)發(fā)出信號來停止切割時，空氣電磁閥307不是立即使軟管303A和割炬306排氣。當(dāng)控制器109辨認(rèn)出這意味著使用者已經(jīng)結(jié)束切割時，仍使空氣電磁閥307暫時保持在接合狀態(tài)。因此空氣繼續(xù)經(jīng)過軟管303流到割炬306，使割炬306冷卻。在一個短時間之后空氣電磁閥307再關(guān)閉。然而，如果在任何時刻使用者重新激發(fā)起動器，后氣流循環(huán)(也就是說在電弧已熄滅和/或使用者松開起動器開關(guān)之后流動的空氣)被中斷，并且起動點燃狀態(tài)(沒有空氣流的短路狀態(tài))。在另一個實施例中，提供一個前氣流循環(huán)(也就是說在電弧前的空氣流)，以便為自動吹洗軟管303提供動力。
圖4至圖8示意地畫出控制器109，它包括發(fā)出必需控制信號并接收所需反饋信號的線路?？刂破?09提供的許多現(xiàn)有技術(shù)已有功能只作簡短介紹。此外，所用的特定線路不是必需的，用其它線路同樣也能完成。
現(xiàn)在參見圖4，控制器109的接線器J1從輔助電能線路111接受一個48伏的交流信號。該48伏交流信號通過一對電阻R7和R8以及一對保險絲401和402由多個二極管D11至D14進(jìn)行整流。再將整流后的信號濾波、穩(wěn)壓，以便滿足邏輯和模擬線路的電能需要。在本最佳實施例中，完成濾波和穩(wěn)壓的電路包括一對220微法的電容C4和C5，一對0.1微法電容C6和C7、一對47微法電容C8和C9、一個二極管D16、一對穩(wěn)壓二極管Z1和Z2以及電壓調(diào)節(jié)器Q4和Q5。
圖5所示線路用來產(chǎn)生用于可控硅開關(guān)QA和QB(屬變頻器電路103)的起動脈沖信號，它具有現(xiàn)有技術(shù)所用的類型。它包括一對脈沖變壓器T2和T3，以及相關(guān)的邏輯和控制信號(以在現(xiàn)有技術(shù)中已知的方式)線路。相關(guān)線路包括二極管D18至D21、一對100歐電阻R10和R11、一組10千歐電阻R12至R15和R17至R20、一對470歐電阻R16和R21、一對穩(wěn)壓二極管Z3和Z4、多個開關(guān)Q7至Q10、邏輯選擇器開關(guān)501至503、一個10千歐電阻R23、一個470歐電阻R22、一個二極管D21、兩個0.1微法電容C19和C20，以及一個集成電路504(零件號4027)。
控制器109還包括可控硅開關(guān)QA和QB的保護(hù)電路(見圖5)。例如在一個實施例中，可控硅開關(guān)QB在完全恢復(fù)之前阻止可控硅開關(guān)QA打開，反過來也一樣。另一個實施例包括一個電路，該電路在電容C3和C4(見圖2)兩端的電壓(用圖2電阻R3量測)消耗到一個預(yù)定水平之前抑制用于可控硅開關(guān)QA和QB的起動脈沖，從而保護(hù)輸出二極管D2至D5(見圖3)不受過大的反向斷路電壓?？刂破?09還包括用來在緩充電或安全狀態(tài)期間阻止脈沖的電路。在本最佳實施例中，用來完成本節(jié)所述控制器的電路如圖6所示。
該電路(它阻止可控硅開關(guān)QA和QB之一在另一個恢復(fù)之前打開)包括一個光耦合器Q11及其相關(guān)電路。在一個可控硅(AQ或QB)傳導(dǎo)循環(huán)的末尾，電感L5在電容C3和C4上產(chǎn)生高于+/-內(nèi)部直流匯流條水平的電壓(即斷路電壓)。該斷路電壓接通開關(guān)Q11。當(dāng)開關(guān)Q11接通時，激發(fā)一個脈沖抑制定時器，它在一段時間(在這段時間中原先導(dǎo)通的可控硅能完全恢復(fù))內(nèi)阻止脈沖產(chǎn)生。
使二極管D2至D5免失過大反向電壓的電路包括一個與開關(guān)Q11串聯(lián)的光耦合Q12及其相關(guān)電路。開關(guān)Q12只在出現(xiàn)過大斷路電壓(blocking voltage)時打開，并使控制器109在電壓消耗到一個預(yù)定的安全水平之前抑制可控硅開關(guān)QA和QB用的起動脈中。
開關(guān)Q11和Q12的相關(guān)電路如圖6所示，它包括開關(guān)Q15、Q16、Q17和Q18；二極管D24、D25、D26、D27和D28；電阻R25、R29、R31(4.7千歐)、R26、R27、R33、R35(470歐)、R28、R34、R36、R43(1千歐)R30、R39、R45、R47(10千歐)、R37、R38(2.2千歐)、R40(560千歐)、R41(30.1千歐)、R42(22千歐)、R44(10兆歐)和R44、R46(470千歐)；電容C22、C25、C26(0.1微法)、C23、C24、C28(0.001微法)和C27(100微微法)；運(yùn)算放大器601、602和603；以及集成電路604(零件號4538)。
在緩充電或安全狀態(tài)期間抑制脈沖變壓器T2和T3的電路包括一個光耦合器Q13及其相關(guān)電路。開關(guān)Q13或者在緩充電或者在安全狀態(tài)期間導(dǎo)通，并使控制器109抑制變壓器脈沖，從而防止可控硅開關(guān)QA或QB打開，并阻止電力供應(yīng)到變壓器T1(見圖2和圖3)。由于沒有電力脈沖通過變壓器T1，旁路可控硅開關(guān)Q1不會動作。
與開關(guān)Q13一起工作的相關(guān)電路包括一對45千歐電阻R50和R51、一個47微法電容C30、一個穩(wěn)壓二極管Z5、一個10千歐電阻R52、一個0.1微法電容C31以及一個運(yùn)算放大器606。
現(xiàn)在參見圖7，圖中較詳細(xì)地畫出電流反饋電路。霍爾效應(yīng)裝置301提供一個取自實際電流的信號。該電流信號由運(yùn)算放大器A2進(jìn)行放大，然后提供給控制器109的另一個電路。多個電阻R53至R56控制著運(yùn)算放大器A2的放大率，并具有相應(yīng)選定的阻值。由于電極309中的電流被霍爾裝置301感知，單獨(dú)的反饋電流能控制前導(dǎo)和切割電流兩者。
運(yùn)算放大器A3用來提供電壓反饋信號。該運(yùn)算放大器A3的輸入端與工件和電極相連。運(yùn)算放大器A3用作一個差別放大器，因而提供一個顯示輸出電壓的信號。該電壓反饋電路包括電阻R60、R61、R62、R63、R64、R65、R66、R67和R68，以及電容C40、C41、C42、C43、C44、C45和C46。它們的值可加以選擇，以便獲得適當(dāng)?shù)闹饾u增加和穩(wěn)定性。
在圖7中還示意地畫出一個電弧(或電流)校驗電路，該電路包括一個用作比較器(Comparator)的運(yùn)算放大器A3。運(yùn)算放大器A3接收運(yùn)算放大器A2的輸出(它是一個電流量信號)作為輸入信號。運(yùn)算放大器A3的另一個輸入端與一個基準(zhǔn)信號相連，所述基準(zhǔn)信號的量由相關(guān)電路確定。因此，當(dāng)電流量超過一個預(yù)定水平時，運(yùn)算放大器A3產(chǎn)生一個表示電弧出現(xiàn)的正信號。與運(yùn)算放大器A3相關(guān)的電路包括電阻R70、R71、R72、R73以及電容C45。選擇這些元件以便提供所需的電流界限。
本發(fā)明的一個實施例具有一種現(xiàn)有技術(shù)所沒有的冗余安全性能。通常，當(dāng)控制器109測知電極309上沒有電流時，就抑制變壓器脈沖。于是，輸出電壓相對降低，以免損壞。
圖7中示意地畫出了一種能實現(xiàn)這一性能的電路實例。運(yùn)算放大器A3-1(它指示電弧是否產(chǎn)生)的輸出通過一個22千歐電阻R75和一對二極管D30、D31用作一個運(yùn)算放大器A4-1的輸入。運(yùn)算放大器A4-1用作一個比較器，并且也通過一個121千歐電阻R78、一個150千歐電阻R79以及一個電容C48接收來自運(yùn)算放大器A3-2的電壓反饋信號。由電阻R76(56.2千歐)和R77(30.1千歐)組件提供的比較器A4-1的一個基準(zhǔn)電壓，通過一個220千歐電阻R80和A3-1輸出側(cè)的電阻R75。當(dāng)沒有電流出現(xiàn)時，運(yùn)算放大器A4-1使控制器109將變壓器脈沖抑制在一個低OCV水平上。從而確立了一個過剩量安全系統(tǒng)。
正如現(xiàn)有技術(shù)中已做的那樣，可對輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制。一種這樣的控制電路在圖8中示意畫出，它包括一個運(yùn)算放大器A7。運(yùn)算放大器A7接受來自面板的被選定電流(前導(dǎo)或切割)水平。電阻R81至R83、電容C50和C51(電流設(shè)定點通過它們提供)能被選擇，以便提供一個符合需要的增益。運(yùn)算放大器A7的輸出借助于運(yùn)算放大器A8與來自圖7運(yùn)算放大器A2的實際輸出電流反饋信號(+IOVT)相加。選擇多個電阻R84至R86、R86A，以便獲得符合需要的增益以及穩(wěn)定性。運(yùn)算放大器A8的輸出被送往一個運(yùn)算放大器A9，每當(dāng)設(shè)定(或使用者選擇)電流水平高于實際電流水平時，運(yùn)算放大器就提供一個起動信號。運(yùn)算放大器A9的這個輸出被送往運(yùn)算放大器601(圖6)，當(dāng)所述起動信號產(chǎn)生時，運(yùn)算放大器601取消脈沖抑制信號。因此，如果控制器109沒有被其它監(jiān)控電路抑制，它就產(chǎn)生一個起動脈沖。
圖8中還畫出一個電路，它確定電流何時從前導(dǎo)電流通道轉(zhuǎn)移到切割電流通道。一個光耦合器Q30控制在前導(dǎo)通道中的電流水平。該電流值可從在前導(dǎo)電阻R5(圖3)中形成的電壓推導(dǎo)出。當(dāng)電流在前導(dǎo)通道中流動時，光耦合器Q30開啟。然而，當(dāng)流過電阻R5的電流值降到一個預(yù)定值以下時，Q4改變狀態(tài)，表明電流已經(jīng)轉(zhuǎn)移。相關(guān)電阻R87至R89以及電容C51的值可由設(shè)計者進(jìn)行選擇。在電流轉(zhuǎn)移之后，繼電器K1(圖2和7)斷開。
一個前導(dǎo)定時器電路限制時間，在該時間內(nèi)操作者能使割炬內(nèi)的前導(dǎo)電流不轉(zhuǎn)換成切割電流，以便延長零件壽命。該電路在圖8中，包括集成電路801和802(零件號40106)及其相關(guān)分立元件(電阻R91至R93以及電容C53)。當(dāng)使用者松開起動器開關(guān)時該電路復(fù)位，當(dāng)電弧出現(xiàn)得到驗證時該電路開始計時。當(dāng)預(yù)定時間過去之后，如果還沒有轉(zhuǎn)換成切割電流，前導(dǎo)定時器鎖定并維持一個脈沖抑制狀態(tài)，并使空氣電磁閥307保持接合。于是割炬在沒有前導(dǎo)電流情況下冷卻。再使用起動器開關(guān)就能重新起動前導(dǎo)電流。
最后，在圖8中還畫出提供本發(fā)明后氣流性能的電路。該電路包括Q35、Q36、Q37、Q38以及它們的相關(guān)分立元件電阻R95(4.7千歐)、R96(1兆歐)、R97(4.7千歐)、R98(10千歐)；電容C54(0.1微法)、C55(10微法)和二極管D40至D44。當(dāng)開始給等離子切割系統(tǒng)以電力并使起動器開關(guān)斷路時，就起動一個后氣流循環(huán)，從而吹洗軟管303和割炬306。而在切割終了起動器開關(guān)斷路時，也起動一個后氣流循環(huán)以便冷卻元件。如果起動器開關(guān)被激活，該后氣流循環(huán)就終止。此外，一個PIP開關(guān)也能終止后氣流循環(huán)，以防止在更換消耗零件時空氣流動。
本發(fā)明的性能可用任何方法來實現(xiàn)，圖1至8所示的方塊圖和線路不對其構(gòu)成限制。圖9為本發(fā)明的流程圖。畫出了低OCV、電弧驗證以及前導(dǎo)或切割性能，還畫出了抑制及后氣流性能。
應(yīng)該理解，本發(fā)明已為接觸起動等離子切割過程提供完全滿足上述目的和優(yōu)點的一種方法和裝置。十分明顯，盡管本發(fā)明在此處結(jié)合專門實施例進(jìn)行描述，熟悉此項技術(shù)的人們可對此作出多種替代、改型和變化。所有這些替代、改型和變化均未越出本發(fā)明權(quán)利要求的精神和概括范圍。
權(quán)利要求
1.一種等離子切割系統(tǒng)，它包括一個電源，它具有一個第一電能輸出端和一個第二電能輸出端；一個割炬，它與所述第一電能輸出端和第二電能輸出端電連接；并具有一個空氣入口以及一個噴嘴；一個空氣源，它與所述空氣入口相連；以及一個閥，它連結(jié)在所述噴嘴和空氣源之間，其中，所述閥具有一個允許空氣從氣源流到噴嘴的空氣流通位置，并具有一個防止空氣從氣源流到噴嘴的排出位置，當(dāng)所述閥處于排出位置時，包括所述噴嘴的所述割炬與環(huán)境空氣相通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征為，所述割炬包括一個可移動電極以及一個處于固定位置的噴嘴；所述割炬具有一個在其內(nèi)部確定的空氣流動通道；所述電極與所述第一電能輸出端電連接；所述噴嘴與所述第二電能輸出端電連接；所述電極被加壓到與所述噴嘴接觸的狀態(tài)；而且所述電極處于所述空氣流動通道之中，其中，進(jìn)入所述割炬的空氣流克服所述加壓，從而使所述電極離開所述噴嘴。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征為，所述割炬包括一個起動器開關(guān)，所述起動器開關(guān)具有一個表明要求輸出電流的開啟位置，以及一個表明不要求輸出電流的關(guān)閉位置，其中，電源包括用來感知不存在電弧的裝置；用來在不存在電弧情況下將所述閥移到排出位置的裝置；以及用來在所述起動器開關(guān)處于開啟位置，而不存在電弧情況下保持一個前導(dǎo)電流的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征為，所述電源包括用來測定在電極中沒有電流流過的裝置，以及用來在沒有輸出電流被測出情況下降低輸出電壓的裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征為，所述電源包括一種裝置，所述裝置在所述起動器開關(guān)從開啟位置移到關(guān)閉位置時將所述閥保持在空氣流通位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征為，所述電源包括一種裝置，所述裝置在所述起動器開關(guān)從開啟位置移到關(guān)閉位置時將所述閥保持在空氣流通位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征為，所述電源包括一種裝置，所述裝置在所述電源被提供動力時將所述閥移到空氣流通位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征為，所述電源包括一種裝置，所述裝置在所述電源被提供動力時將所述閥移到空氣流通位置。
全文摘要
一種包括一個電源、一個割炬(帶有一個噴嘴)、一個空氣源以及一個閥的等離子切割裝置。割炬與兩個電源輸出端(陰極和陽極)相連?？諝鈴臍庠唇?jīng)過閥送往噴嘴。在一個第一位置閥允許空氣從氣源流到噴嘴。在一個第二位置，閥阻止空氣從氣源流往噴嘴，并使噴嘴和割炬排氣。割炬具有一個可移動電極，噴嘴處于固定位置。噴嘴和電極分別與電源的一個不同輸出端電連結(jié)。電極被加壓到與噴嘴接觸。流入割炬和電極的空氣克服壓力從而使電極離開噴嘴。
文檔編號B23K10/00GK1165066SQ96121669
公開日1997年11月19日 申請日期1996年12月10日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月15日
發(fā)明者彼得·瑙爾 申請人:伊利諾斯工具制造公司