一种等离子机械割炬定位起弧器

若愚

　　一种等离子机械割炬定位起弧器

引言：

许多大型装备制造企业、造船行业和切割行业普遍使用等离子切割机，为了提高生产效率和减少材料的加工成本，为此，研制了一种自动机械割炬定位起弧器。

1. 本成果所解决的技术问题

解决割炬定位、起弧、显示距离。

2. 采用的技术手段及所达到的技术效果

技术手段：

等离子机械割炬定位起弧器采用机电一体化自动控制技术，运用NE555和NE556单稳态电子线路产生控制电机正传、反转、停止控制信号，达到机械割炬定位的目的，起弧后，STC89C52单片机作为控制器，采集霍尔传感器送来的模拟信号，并把模拟信号转换为割炬与钢板的距离数据，显示在1602液晶屏幕上、完成割炬定位、起弧、显示距离。

技术效果：

采用等离子机械割炬定位起弧器后，大大减轻了机器操作者劳动强度，设备操作简单、稳定可靠。

3. 本成果的应用领域

可用于金属材料切割技术领域。

一、 割炬定位起弧结构系统

割炬定位起弧器由霍尔传感器、水电缆、微动开关、触头、上夹紧盘、割炬夹、弹簧、下夹紧盘、割炬、喷嘴、信号线、驱动线、丝杆、直流电机、机架、固定燕尾槽、丝杆套滑块、上行程开关、下行程开关组成，如图1所示。

图1

二、安装割炬方法：

割炬直径与夹具的圆孔直径一样大小，上夹紧盘通过螺丝把割炬夹紧，并穿过夹具圆孔，摆放在夹具上，这样割炬穿过圆孔就掉不下来，随后把细弹簧通过割炬喷嘴往上穿过，贴紧到夹具下方，最后安装下夹紧盘，下夹紧盘穿过割炬，紧贴弹簧下，下夹紧盘用螺丝拧紧割炬，这样割炬就能平稳安装在夹具上。我们用手抓住割炬往上使力，弹簧就被夹具和下夹紧盘压缩，割炬和上夹紧盘就会一起上升，当我们松手，割炬在弹簧和重力的作用下，割炬和上夹紧盘又平稳垂直放在割炬夹上，恢复了原来的状态。为了使割炬能灵活上下运动，割炬枪穿过割炬夹圆孔时，割炬夹圆孔直径应比割炬直径稍微大半个毫米，这样割炬可以在割炬夹圆孔中灵活上下运动。

三、 割炬定位工作原理

当操作人员通过控制器按压SB1触发按钮（见图6右下角），发出向下操作指令时，电机正转，带动丝杠正转，丝杠正转又带动丝杠套滑块向下运动，当割炬碰到钢板后，钢板顶起割炬，这时割炬穿过割炬夹圆孔产生相对割炬夹向上运动，这时弹簧被压缩在割炬夹和下夹紧盘之间，直到连接在下夹紧盘的触头碰到微动开关L1(见图6左下角)，割炬才提升。微动开关闭合后，产生的触发信号传给控制器，控制器发出电机反转信号，带动丝杠反转，丝杠反转又带动丝杠套滑块向上运动，随着丝杠套滑块向上运动，又带动夹具提升，割炬在重力和压缩弹簧两种力作用下，相对与夹具向下运动，随着夹具的提升，割炬离开钢板，割炬也逐渐被恢复，平稳地落在割炬夹上，这时弹簧也恢复原样。

产生割炬上升的高度，由控制器设定时间常数而定，即决定定位时间，也就是直流电动机反转提升割炬的时间。由于割炬的提升，压缩弹簧也逐渐被恢复，如果操作人员事先通过控制器器设定割炬提升时间常数，就可以决定割炬提升后割炬与钢板的距离，得到一个割炬与钢板的最佳起弧距离。

割炬通过割炬夹与丝杆套滑块连接，丝杆套滑块与丝杆连接，丝杆与电机连接，通过电机正反转带动丝杆套滑块上下移动，为了防止丝杆套滑块上下移动距离超过正常工作范围，在机架上下两端添加两个行程开关来限制丝杆套滑块行程。

水电缆穿过霍尔传感器，霍尔传感器就可以采集切割变化的电流。

图2

图3

图4

图5

四、 控制器电路

操作人员按下SB1按钮（见图6右下角），触发NE556器件G1的单稳态的6脚，接着5脚输出的高电平加到U11的第5脚，将直流电机驱动模块U11选通，这时电机驱动模块U11驱动直流电机正转，直流电机正转带动丝杆运转，丝杆运转又带动割炬丝杆套向下运动并带动割炬整体向下运动，割炬碰到钢板后（见图2），钢板顶起割炬，这时割炬穿过割炬夹圆孔产生相对割炬夹向上继续运动（见图3），这时弹簧被压缩在割炬夹和下夹紧盘之间，直到连接在下夹紧盘的触头碰到微动开关L1（见图3），L1微动开关闭合，触发单稳态延迟电路G2器件NE556的8脚，接着G2的9脚输出高电平，此高电平分为三路传输，第1路输出给直流电机驱动模块U11的第1脚，第2路通过D4二极管和电阻R15反馈给G1的电容C5的正端。

第3路通过电容C10加到G3的NE555 的第2脚触发端。

图6

G2的9脚输出高电平输出给直流电机驱动模块U11的第1脚，驱动模块再输出给直流电机反转，与此同时，G2的9脚输出高电平顺速输入到G1器件NE556的2脚复位端，以使NE556的5脚立即停止输出高电平，提早结束单稳态时间常数，终止割炬继续下降， NE556的9脚延迟单稳态时间就是割炬上升定位的时间，也是直流电动机反转提升割炬的时间。这时割炬完成定位。当NE556的9脚单稳态时间结束后，脉冲的下降沿通过R18和C10微分电路触发G3单稳态的2脚，G3的3脚输出通过R21，使三极管Q1导通，继电器线包J得电，使继电器常开触点闭合，产生起弧，起弧时间长短由R20和C13时间常数决定，这时割炬枪完成定位起弧。

五、 比较电路

为了给电机驱动模块U11的2脚和4脚加一稳定的参考电压，我们利用W2电位器取5V直流电压,W2电位器动点端接二极管D1的正极，二极管D1的负极接电阻R1到地，形成一个回路，当调节W2电位器动点电压时，二极管D1两端电压也跟随变化，二极管D1的正负极分别接电机驱动模块U11的2脚和4脚，这样U11的2脚和4脚的参考电压由W2电位器设置决定。

当割炬起弧成功后，霍尔传感器采集到起弧电流而产生霍尔电压输出到U4的3脚，通过缓冲，从U4的1脚输出加到电机驱动模块的3脚，此电压与电机驱动模块2脚和4脚电压进行比较，当3脚电压高于2脚电压，电机反转，割炬提升；当3脚电压低于4脚电压，电机正转，割炬下降升；当3脚电压低于2脚电压而又高于4脚电压，电机停止运转，割炬停止不动。

六、 显示割炬定位距离电路

显示割炬定位距离电路由一片51单片机、两片ADC0804模数转换芯片和一片1602液晶屏组成，显示屏采用1602液晶显示，每行显示16个字符，共两行。由STC89C52单片机的P0口输入驱动信息，因为P0口是OC门集电极开路门电路，所以在P0口加一个上拉10K的排电阻，这样P0口的数据就可以加给1602液晶显示器。液晶的数据/命令选择端的第4脚由单片机的第13脚控制（即单片机的P3口的P3.3）；液晶的使能端的第6脚，由单片机的第14脚控制（即单片机的P3口的P3.4）。液晶因为只输入数据，所以第5脚接地，液晶第7脚到第14脚，接P0口，液晶电源由5V电源提供。

　　本设计采用ADC0804模/数转换芯片，分辨率为8位，转换时间为100us，芯片内具有三态输出数据锁存器，可直接连接在数据总线上。如图6所示，将R5电阻和W3电位器接在U5的1脚与地端之间，中间引脚接到AD0804的第6脚VIN脚，可实现A/D转换器对输出U5的1脚的采样。AD0804的11脚到18脚接单片机P2口， RD读2脚接单片机RD读17脚，WR写3脚接单片机WR写16脚，CS片选端1脚接单片机15脚，一旦CS有效，表明A/D被选中，可启动工作。R7与C2组成ADC0804的时钟，其频率为1/(1.1RC)。VIN接电位器W3中间滑动端，VIN即AD0804的模拟输入电压输入端，VIN与W3之间串联一个R6电阻，阻值为10K,目的是限制VIN端的电流，防止电流过大而烧毁芯片。9脚是通过LM7805辅助电源提供的5V电压再通过电阻R3和R4分压，来提供该芯片内部工作时的参考电压，决定量化单位。一旦通电，单片机就按写入的程序进行A/D转换。

　　同理P1口上的ADC0804模/数转换芯片，与P2口上ADC0804模/数转换芯片原理和功能都相同，W4电位器接在U6的7脚与地端之间，中间引脚接到AD0804的第6脚VIN脚，11脚到18脚接单片机P1口，RD读2脚接单片机RD读11脚，WR写3脚接单片机WR写12脚，CS片选端1脚接单片机15脚，一旦CS有效，表明A/D被选中，可启动工作。R22与C14组成ADC0804的时钟，其频率为1/(1.1RC)。VIN接电位器W4中间滑动端，VIN即AD0804的模拟输入电压输入端,9脚是通过LM7805提供的5V电压再通过电阻R9和R8分压，来提供该芯片内部工作时的参考电压，决定量化单位。一旦通电，单片机就按写入的程序进行A/D转换。

　　当定位好后，产生起弧，霍尔传感器采集到起弧电流后，产生霍尔电压输入U6的5脚，7脚输出电压传给U10模数转换器的6脚端，U10进行模数转换，单片机把经过模数转换的电压转换成定位好后的距离，显示在1602液晶屏上，这时操作人员就可以根据屏幕上的数据，调节W2，来设置屏幕上的数据，这时整个定位起弧就完成了。

发明者：若愚