[00144564]等离子切割机的电气控制系统

数控等离子切割行业属于高端装备制造产业和战略性新兴产业,实现其完全国产化,有助于我国由制造大国到制造强国转型,具有重要战略意义。等离子切割机包括机械和电控两大部分,而后者又包括等离子电源及其控制系统、计算机数字控制系统CNC以及引弧箱、气控箱、水冷系统、供气系统、阀组和割炬等重要配件,该复杂系统集成了功率流、信息流和控制流,属于机电一体化重大装备。 ①课题来源： 上海交通大学杨喜军与唐厚君课题组自拟,并得到上海方菱以及江苏博大课题支持。 ②技术原理及性能指标： 等离子切割机一般都分为驱动装置和切割机头箱两部分。驱动装置用来拖动割矩,由数控系统（CNC）设定的驱动程序给出连续的x、Y坐标值,驱动电机按坐标变换带动割矩在工件上以恒定的速度改变位置。切割枪头处喷射出温度在2000度以上的恒定等离子束,熔化并穿透工件。机头箱内由循环冷却水、等离子气管路、保护气管路及电气线路等组成。电气部分主要可分为等离子电源、弧检测及控制回路、保护回路、引弧装置、整流装置、割矩等。整流装置使输入的三相交流电转变为直流输出,DC-DC变换器负责将直流电压转换为直流电流,提供等离子流的能量。 由以上可知,等离子切割机的电气控制系统,主要由等离子切割电源（功率控制）、数控系统CNC（主要负责运动和切割工艺控制）、割炬高度调节器（弧压调高器）三大核心部件组成,该系统具有数字化、智能化、高精细、高能效、高效率、高效益的特点,系统的主要性能指标达到了国外标杆产品的水平。 ③技术的创造性与先进性： 1.采用部分斩波的三相PWM整流器技术和软上电技术,可获得更高的网侧功率因数和平稳无冲击上电; 2.采用两级交错并联模块化BUCK型DC-DC变换器,可获得更高的转换效率和较低的电磁干扰辐射; 3.采用高压低频引弧装置、高灵敏弧压调高器以及自动气控箱等,; 4.应用CAN总线技术,进行电气控制系统各核心部件的实时信息传输,更好地实现了各核心部件的协调控制,从而达到更好的切割效果,提高了智能化程度; 5.开发智能化的自动套料软件,具有如下优势：只需一次套料,即可自动生成各种数控切割机所需的数控代码,具有自动套料、薄板件智能防变形技术、智能引入（出）线、智能连割、软件补偿、干涉点检查、桥接、公共边、多种工艺混合编程（切割、喷粉、冲打、钻孔、铆接一次完成）、代码优化等功能; 6.数控系统具有速度前瞻性控制功能,使得切割机的运动更加平稳,提高了切割质量。 核心部件和总体水平分述如下： （1）精细等离子切割电源 输出电流：直流260A,电流控制误差≤2%,电流纹波系数≤5%。额定输出功率时整机效率不小于0.89,轻载下不小于0.87。额定输出功率时功率因数不低于0.92,轻载下不小于0.88。采用三相部分有源整流器时,功率因数不低于0.98。暂载率为100%（可连续工作）;EMI符合工业标准EN50199。 （2）数控系统和割炬调高器 控制轴数：2～4轴联动;控制精度：±0.001mm;坐标范围：±99m;最高运行速度：10m/min,6mm低碳钢4.5m/min;总线通信：ECAN总线和切割电源、调高装置通讯;软件功能：82个图库、速度预先规划、镜向、偏移、透枪等;控气方式：自动控气;调高器的反应灵敏度：±1V,弧压调节时间分辨率：1ms。 （3）工件切割质量 切口棱边方形度（垂直度接近1.5度～2.5度）、切口宽度、表面粗糙度、热影响区宽度、挂渣量等质量指标达到海宝同类产品的性能。支持全时、自动、高效的平面切割和坡口切割,支持自动套料,包括共边、连割、借边、桥接、链割等。 ④技术的成熟程度,适用范围和安全性; 等离子切割机的一体化成套电控系统,具有完全的自主知识产权,功能与性能已达到国外同类产品的技术水平,但价格不及其60%,性价比高,市场竞争力强。多年来,陆续推出的数控系统CNC、割炬调高器、精细等离子电源等,已在行业内推广近百家用户,其中包括行业内的前三甲用户（如江苏博大、无锡华联、哈电机械电子）和外资企业用户（如小池酸素等）,部分产品已实现出口。仅以近三年为例,已实现销售收入超过2亿元,新增利润3700余万元。截止目前,课题组已经授权相关20项,并授权15项,另有10项处于实审和答辩阶段,其中1项涉及易耗品割炬设计,完全保证研发产品具有学术和技术上领先地位。 ⑤应用情况及存在的问题 经过广泛的使用和不断的改进,目前该产品的用户使用情况良好,暂无发现技术问题。 ⑥历年获奖情况 2013年12月：上海产学研合作优秀项目奖一等奖（中小微企业）,本产品引入了该奖项的“三开关高功率因数三相AC-DC变换器”; 2015年11月：第17届中国国际工业博览会创新奖,展品名称为“等离子切割机的电气控制系统”