逆變式等離子弧切割機數(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,越來越多的高性能材料被用于機械制造、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、熔點高、易生成高熔點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。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、切割質(zhì)量好、生產(chǎn)成本低等特點,在切割領(lǐng)域中占有越來越重要的位置。
　　 然而,目前常用的逆變式等離子弧切割機還存在一些

2、不足或者說不適宜在我國廣泛應(yīng)用的問題,如:逆變式等離子切割機產(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,而且對中厚板切割時直接影響了切割過程中等離子弧的穩(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)進行切割工藝參數(shù)信息交互的要求；切割機本身不具備人機界面,脫離數(shù)控系統(tǒng),不能實現(xiàn)切割工藝參數(shù)的儲存和設(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就是在上述技術(shù)背景下提出并展開研究的,從控制工藝技術(shù)上將切割電流提高到200A,擴大了板材無掛渣切割范圍和效率(低碳鋼≤50mm)；通過對等離子弧導(dǎo)電機理及其切割參數(shù)影響關(guān)系的分析,提出了新型的工藝過程控制策略,對厚度小于25mm的不銹鋼板材實現(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,進行了等離子弧切割靜止電弧的數(shù)值模擬

4、及對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。本文首先對大功率等離子弧的特性進行研究,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的控制方程,在求解區(qū)域內(nèi)采用交錯網(wǎng)格的布置方式,使用有限體積法將等離子弧流場的控制方程進行離散化。在交錯網(wǎng)格系統(tǒng)中,針對等離子弧的特性,進行了邊界條件的設(shè)置與離散方程源項的構(gòu)造。采用流場計算的SIMPLE算法求得正確的溫度場和

5、焰流的速度場,并進行了溫度分布的數(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,針對等離子弧電流對等離子體電弧的電磁力和熱效率的作用進行了模擬分析,最終得到了等離子弧電流對流場特性影響的理論依據(jù)。
　　 對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,本文從數(shù)字控制的特點開始,通過提高切割機在時間上的精確控制和響應(yīng)特性,實現(xiàn)等離子切割電弧脈動特性的有效調(diào)節(jié),提高其輸出電流到200A；并結(jié)合切

6、割過程的邏輯控制、信息交互和參數(shù)儲存、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。切割機的控制核心采用數(shù)字信號處理器TMS320LF2407A和STC89C58RD+雙核結(jié)構(gòu),充分利用DSP運算速度快、精度高、數(shù)據(jù)處理能力強、I/O口資源豐富和單片機的強控制等優(yōu)勢,實現(xiàn)了等離子弧切割過程實時、有效的在線控制。
　　 針對等離子弧的非線性伏安特性和多參數(shù)強耦合切割工藝過程,結(jié)合所研制的數(shù)字化控制器硬件平臺,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)對切割過程中反饋工藝參數(shù)和給定工藝參數(shù)進行解耦優(yōu)化處理,實現(xiàn)了模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)勢融合,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)變化對切割質(zhì)量影響這一致命問題。
　　 最后,對切割電流為200A數(shù)字化逆變式等離子切割機的切割能力、切割速度和切割質(zhì)量進行了實驗方案設(shè)計和對比切割實驗,選