數(shù)控切割機割炬高度傳感器研究

劉芝亮，湯立松，王鋒

1.中海油田服務(wù)股份有限公司 江蘇湛江 524057

2.河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué)機械系 河北承德 067000

1 序言

數(shù)控切割機普遍用于鋼板下料工序，其中應(yīng)用最廣的氧乙炔火焰切割，尤其是碳素鋼板的下料過程。其原理是采用氧氣助燃的乙炔火焰對鋼板進行加熱，利用割嘴中心吹出的純氧燃燒鋼板而形成切口。割炬的高度對切口的形狀和質(zhì)量有很大影響，而控制割炬高度就成為不可或缺的環(huán)節(jié)。通常，控制割炬的高度有兩種方法：一是人工觀察加手動操作。由操作員目測割炬的高度，再通過操作臺的按鈕控制調(diào)高電動機的轉(zhuǎn)向，達到控制割炬高度的目的。這種方式存在控制精度差、反應(yīng)慢、難以控制多個割炬的缺點。二是在切割火焰附近增加高度傳感器，利用傳感器和調(diào)高電動機組成的反饋控制系統(tǒng)，自動控制割炬的高度。該方式增加了附加傳感器，存在抗干擾性差、切口和傳感器之間存在不同步、傳感器受工件大小形狀影響的缺點。為此，研制了無傳感器的割炬自動調(diào)高系統(tǒng)。

2 研究目的

自動切割機是現(xiàn)代制造中不可或缺的設(shè)備，其中包括火焰切割、等離子切割、激光切割等。在碳素鋼板切割中，用的最多的是火焰切割。根據(jù)燃料的不同，又有氧乙炔切割和氧氣-丙烷切割。而在自動切割中，切割火焰的長度對切割質(zhì)量的影響非常大。因此，在精度高的切割機上會安裝有自動火焰調(diào)高裝置。目前，自動調(diào)高裝置以電容式和渦流式附加傳感作為測量元件，來實現(xiàn)自動閉環(huán)控制。而附加傳感器存在應(yīng)用場所、反應(yīng)速度、抗干擾和成本等方面的問題。

特別是附加傳感器需要一定的工作面積，而在切割工件上相應(yīng)地需要同樣面積的投影，這就限制了工件的大小和形狀。采用附加傳感器的自動調(diào)高系統(tǒng)如圖1所示。如果采用切割火焰作為測量原件，通過測量切割火焰上流過的電流實現(xiàn)自動調(diào)高的閉環(huán)控制，這就擺脫了附加傳感器，從而避免了附加傳感器的各種弊端，實現(xiàn)無傳感器的閉環(huán)控制。利用切割火焰的導(dǎo)電性實現(xiàn)的閉環(huán)自動調(diào)高系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 自動調(diào)高系統(tǒng)

圖2 無傳感器閉環(huán)自動調(diào)高系統(tǒng)

3 試驗原理

處于熱平衡狀態(tài)的氣體，其原子或分子的運動遵循麥克斯韋-玻爾茲曼速度分布律，即

原子或分子的運動速度大部分都處于最概然速率附近，其值與氣體溫度的平方根成正比。低速運動氣體原子或分子的動能低，發(fā)生碰撞電離的概率非常低。若將氣體加熱到高溫，則高速運動的原子和分子數(shù)量會增加，發(fā)生碰撞電離的數(shù)量才能達到一定的值。如將銫蒸汽加熱到10000K，則約2000次碰撞中就能產(chǎn)生一次碰撞電離。這種因高溫氣體原子、分子的熱運動而引起的電離稱為熱電離，而離子濃度與溫度的平方根成正比。

根據(jù)薩哈公式

式中Nr+1、Nr——單位體積內(nèi)同一元素的r+1次、r次電離原子的數(shù)目；

T——絕對溫度（K）；

Pe——電子壓力（Torr）；

me——電子質(zhì)量（u）；

h——普朗克常數(shù)；

k——玻耳茲曼常數(shù)；

xr——r次電離原子的電離電勢（原子電離所需要的最小能量，eV）；

ur+1（T）、ur(T)——r+1次電離原子、r次電離原子的配分函數(shù)。

薩哈公式表明，原子的電離程度與溫度、電子壓力有關(guān)，溫度越高或電子壓力越低時，原子的電離程度越高。而切割火焰的化學(xué)成分和溫度及氣壓都是相對不變的。根據(jù)相關(guān)文獻[1-4]可知，在火焰切割機的切割火焰中，溫度為2700～3300K。在這種溫度下，根據(jù)切割氣體成分的不同和碳素鋼中合金元素的不同，其離子濃度為1.2-5～2.5-4mol/L。這就為采用火焰導(dǎo)電原理設(shè)計調(diào)高傳感器創(chuàng)造了條件。

4 試驗過程

為了測量相同材料切割時割嘴和鋼板之間的炬離（以下簡稱割炬高度）與通過切割火焰的電流之間的關(guān)系，研制了試驗裝置，通過該裝置實際測量割炬高度和電流，并制作表格和曲線，作為傳感器的輸出曲線。

4.1 試驗裝置

試驗裝置如圖3所示。行走小車是常用的自動氣割機，割炬固定在行走小車上且高度可調(diào)。根據(jù)切割鋼板的厚度，通過調(diào)速旋鈕將行走小車的行走速度調(diào)至最佳狀態(tài)。被切割的鋼板通過絕緣塊放置于與切割軌道平行的位置，并且可通過絕緣塊的大小對鋼板的傾斜度進行調(diào)節(jié)。在鋼板與割炬之間串聯(lián)1個電壓源和1個電流表，可以通過電流表測量通過切割火焰的電流。

圖3 試驗裝置示意

4.2 試驗操作

將長度為500mm的鋼板傾斜放在絕緣塊上，通過調(diào)整絕緣塊的高度，將切割起點的割炬高度調(diào)整為30mm，將切割終點的割炬高度調(diào)整為5mm。電壓源的電壓通過割炬和電流表及鋼板作用于切割火焰上，通過電流表讀取流過切割火焰的電流值。事先通過切割起點和切割終點的割炬高度，計算出切割過程中行走小車每走過50mm割炬高度的數(shù)值。切割開始后，行走小車每走過50mm讀取一次電流表讀數(shù)，記錄在表1中。

表1 試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)果分析

將表1的數(shù)據(jù)在電流-割炬高度坐標系中繪制出函數(shù)關(guān)系，如圖4所示。由圖4可見，在上述試驗條件下，通過切割火焰的電流和割炬的高度基本呈線性關(guān)系。因此，采用最小二乘法對電流-電壓關(guān)系進行相關(guān)系數(shù)和斜率及截距的計算，計算過程如下。

圖4 試驗數(shù)據(jù)

利用最小二乘法得出相關(guān)系數(shù)r和近似計算公式的斜率a、截距b。

由圖4可看出，在電壓源電壓不變的情況下，通過切割火焰的電流和割炬高度基本呈線性的反比。

根據(jù)上述試驗和數(shù)據(jù)處理結(jié)果，相關(guān)系數(shù)r＝0.9998。說明在割炬高度為5～30mm時，通過火焰的電流和割炬高度呈現(xiàn)高度線性的一次函數(shù)關(guān)系。由此可以認定，在自動火焰切割機中，可以利用切割火焰的導(dǎo)電性設(shè)計出合適的傳感器，從而避免采用附加傳感器。

傳感器的主要電路是電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖5所示。

圖5 電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

圖5中，U0是輸出電壓，Ii是通過切割火焰的電流，二者關(guān)系如下

式中U0——輸出電壓（V）；

Ii——通過切割火焰的電流（A）；

R2、R3、R4、R5——電阻（Ω）。

這不僅大大提高了傳感器的可靠性，而且在很大程度上提高了傳感器對工件的適應(yīng)能力。據(jù)此原理設(shè)計的傳感器可以用于任意形狀和尺寸的工件。在切割火焰方面，本試驗采用的是氧乙炔切割，相應(yīng)的溫度較高。對于采用氧氣-丙烷或氧氣-液化石油氣的切割火焰，溫度相對要低大約1000K[5]，對應(yīng)的電離后的離子數(shù)量要少。但這不會影響傳感器的工作，只是通過電流會減小，后續(xù)處理電路完全可以彌補。在干擾方面，當(dāng)切割鋼板表面有不均的鐵銹、油污、灰塵等雜質(zhì)時，切割火焰成分會發(fā)生變化[6-7]，從而引起電流的變化而造成干擾。這可以通過信號處理和控制算法來解決，不在本文的討論范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

在采用附加傳感器系統(tǒng)中，無論是電容式、電感式、超聲波或激光，都有很多弊病，那就是與切割火焰不同步。而采用火焰自身導(dǎo)電性原理構(gòu)成的火焰高度傳感器，可以很好地解決該問題，不存在工件大小和切割位置對割炬高度的測量影響。在多次試驗中，分別采用了固定激勵電壓進行割炬高度的測量。試驗中改變切割鋼板的大小，并未發(fā)現(xiàn)對割炬高度測量產(chǎn)生影響，而改變鋼板材質(zhì)同樣未發(fā)現(xiàn)測量電路的輸出電壓受到影響，證明采用該原理的割炬高度傳感器可以用于數(shù)控切割機的自動割炬高度調(diào)整系統(tǒng)中。

綜上所述，采用切割火焰作為自動調(diào)高系統(tǒng)的測量對象，是一個很好的解決方案。