逆變式等離子弧切割機(jī)數(shù)字控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著工業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展,越來(lái)越多的高性能材料被用于機(jī)械制造、建筑、船舶等工業(yè)行業(yè)中,其中許多材料具有導(dǎo)熱性強(qiáng)、熔點(diǎn)高、易生成高熔點(diǎn)氧化物和高粘度熔渣等特性,如果采用傳統(tǒng)的火焰加工方法進(jìn)行切割,很難保證切割質(zhì)量,增加了二次加工難度和材料的浪費(fèi)。而逆變式等離子弧切割因具有弧柱溫度高、焰流速度大、切割范圍廣、通用性強(qiáng)、切割質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn),在切割領(lǐng)域中占有越來(lái)越重要的位置。
　　 然而,目前常用的逆變式等離子弧切割機(jī)還存在一些

2、不足或者說(shuō)不適宜在我國(guó)廣泛應(yīng)用的問(wèn)題,如:逆變式等離子切割機(jī)產(chǎn)生的等離子弧熱功率密度低(切割電流≤160A),導(dǎo)致切割能力低、割縫質(zhì)量差、尺寸誤差大、切割效率低、加大后道工序的工作量,而且對(duì)中厚板切割時(shí)直接影響了切割過(guò)程中等離子弧的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的可靠性；不具備數(shù)控通信、弧壓反饋等功能,不能夠滿足與數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行切割工藝參數(shù)信息交互的要求；切割機(jī)本身不具備人機(jī)界面,脫離數(shù)控系統(tǒng),不能實(shí)現(xiàn)切割工藝參數(shù)的儲(chǔ)存和設(shè)定等功能,這都制約著等離子弧切割

3、技術(shù)的推廣。
　　 本文的數(shù)字化逆變式等離子弧切割機(jī)就是在上述技術(shù)背景下提出并展開(kāi)研究的,從控制工藝技術(shù)上將切割電流提高到200A,擴(kuò)大了板材無(wú)掛渣切割范圍和效率(低碳鋼≤50mm)；通過(guò)對(duì)等離子弧導(dǎo)電機(jī)理及其切割參數(shù)影響關(guān)系的分析,提出了新型的工藝過(guò)程控制策略,對(duì)厚度小于25mm的不銹鋼板材實(shí)現(xiàn)了切口表面粗糙度小于1mm的高精度切割。在理論上探索并掌握了等離子體的熱特性、焰流特性和電磁特性,進(jìn)行了等離子弧切割靜止電弧的數(shù)值模擬

4、及對(duì)切割性能影響的分析研究。
　　 等離子體電弧是等離子弧切割中的熱源,其特性直接影響切割工藝參數(shù)的設(shè)定和切割性能。本文首先對(duì)大功率等離子弧的特性進(jìn)行研究,在假設(shè)條件下確定了數(shù)值模型,建立了等離子體電弧流場(chǎng)的控制方程,在求解區(qū)域內(nèi)采用交錯(cuò)網(wǎng)格的布置方式,使用有限體積法將等離子弧流場(chǎng)的控制方程進(jìn)行離散化。在交錯(cuò)網(wǎng)格系統(tǒng)中,針對(duì)等離子弧的特性,進(jìn)行了邊界條件的設(shè)置與離散方程源項(xiàng)的構(gòu)造。采用流場(chǎng)計(jì)算的SIMPLE算法求得正確的溫度場(chǎng)和

5、焰流的速度場(chǎng),并進(jìn)行了溫度分布的數(shù)值模擬,模擬結(jié)果顯示:增大切割電流值,等離子體電弧的溫度和流速顯著增大；同時(shí),針對(duì)等離子弧電流對(duì)等離子體電弧的電磁力和熱效率的作用進(jìn)行了模擬分析,最終得到了等離子弧電流對(duì)流場(chǎng)特性影響的理論依據(jù)。
　　 對(duì)于等離子弧切割工藝的關(guān)鍵設(shè)備-逆變式等離子弧切割機(jī),本文從數(shù)字控制的特點(diǎn)開(kāi)始,通過(guò)提高切割機(jī)在時(shí)間上的精確控制和響應(yīng)特性,實(shí)現(xiàn)等離子切割電弧脈動(dòng)特性的有效調(diào)節(jié),提高其輸出電流到200A；并結(jié)合切

6、割過(guò)程的邏輯控制、信息交互和參數(shù)儲(chǔ)存、設(shè)定等功能要求,研制了一套數(shù)字化逆變式等離子弧切割機(jī)。切割機(jī)的控制核心采用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A和STC89C58RD+雙核結(jié)構(gòu),充分利用DSP運(yùn)算速度快、精度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、I/O口資源豐富和單片機(jī)的強(qiáng)控制等優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)了等離子弧切割過(guò)程實(shí)時(shí)、有效的在線控制。
　　 針對(duì)等離子弧的非線性伏安特性和多參數(shù)強(qiáng)耦合切割工藝過(guò)程,結(jié)合所研制的數(shù)字化控制器硬件平臺(tái),本文提出了一種

7、新型模糊-PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略。通過(guò)在全論域范圍內(nèi)帶有自調(diào)整因子的變間距模糊量化算法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化給定電流閉環(huán)控制；引入PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)切割過(guò)程中反饋工藝參數(shù)和給定工藝參數(shù)進(jìn)行解耦優(yōu)化處理,實(shí)現(xiàn)了模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)勢(shì)融合,解決傳統(tǒng)按設(shè)定值的恒流閉環(huán)控制忽略其他切割工藝參數(shù)變化對(duì)切割質(zhì)量影響這一致命問(wèn)題。
　　 最后,對(duì)切割電流為200A數(shù)字化逆變式等離子切割機(jī)的切割能力、切割速度和切割質(zhì)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和對(duì)比切割實(shí)驗(yàn),選