發布日期：2022-10-09 點擊率：78
1 引言
等離子自動高低調節器是切割機中必不可少的配套設備，廣泛應用于大型裝備制造、造船和切割等領域，其主要功能是保證切割割炬與被切割工件保持最佳切割距離，消除由被切割工件的不平度變化引起的加工精度誤差。切割機在工作過程中不能準確獲取切割割炬與鋼板的距離，這就必然影響鋼板的切割質量。切割的弧電流強光會給操作人員造成視覺疲勞。因此，給出了一種基于霍爾傳感器的設計方案，保證切割過程中割縫寬度均勻，切割精度提高。
2 系統設計
該設計方案利用霍爾效應原理產生隨磁場變化而產生變化的電壓，把變化的電壓送到自動高低調節器，控制割炬的上升與下降，形成一個閉環的自動高低調節系統，如圖1所示。該閉環自動控制系統由霍爾傳感器、自檢器、高頻濾波器、運算放大器、比較器、斷弧提升器、模擬開關手動自動轉換器、光電耦合器、三態門互鎖器、電機驅動器以及機械絲桿傳遞定位系統組成。圖2所示是系統控制電路圖，從而能在切割過程中實時控制割炬與鋼板的距離，有效保證鋼板的切割質量。
2．1 霍爾傳感器
將一塊導體板置于磁場，使磁場的磁感應強度B的方向與板垂直，當導體板中流經一定電流時，垂直于磁場和電流方向的導體板的橫向兩側會產生一定的電勢差，這一現象稱為霍爾效應。霍爾傳感器是根據該原理制成的。圖3是一個霍爾傳感器，它共有4個接線端，分別為接地、+5 V，-5 V和電壓輸出，水電纜通過中間空心圓。
等離子發生器起弧后，霍爾傳感器采集割炬與鋼板之間的電流，水電纜中的電流穿過霍爾傳感器，在其周圍產生恒定磁場。向霍爾傳感器預先施加一恒壓，產生一恒定電流，霍爾傳感器則輸出霍爾電壓。如果切割電流有微小變化，則產生變化的磁場，而輸出的霍爾電壓也是變化的，這樣就把切割中的變化電流轉化為變化電壓，輸出的霍爾電壓包含有干擾信號，其高頻信號的范圍較寬，這就需對信號電壓進行高頻濾波，從而獲取有用信號，再將其信號送至等離子自動高低調節器。以運算放大器C1的引腳1的輸出電壓作為自檢電壓，并通過調節VR1改變其輸出電壓，也可以模擬霍爾傳感器輸出電壓。
2．2 高頻濾波電路
高頻濾波電路由C1，L1，R1組成。由于高頻信號經LM324運算放大器后，還有部分雜散的高頻信號沒有濾除，電容C1用于濾除高頻信號，而電感L1阻礙高頻信號，只允許被檢波的低頻解調信號通過，這樣在負載R1上就建立了微弱的電壓信號。
2．3 差分運算放大器
運算差分放大器采用LM324。R1上的電壓輸入B1的引腳3，引腳3緩沖輸出，用于隔離信號源，提高負載驅動能力。D2和D3二極管具有箝位作用，正向導通，信號電壓被耦合至R2，R2上的電壓隨R1變化，具有電壓跟隨器的作用，R2的電壓輸入至后續B2的12引腳，14引腳和8引腳分別輸出電壓V14和V8。采用雙端輸入、單端輸出放大信號，將B3的8引腳和B2的14引腳的輸出信號輸入至差分放大器B4的5引腳和6引腳，由B4的7引腳輸出放大后的信號。
2．4 比較器
控制系統中的比較器將差分運算放大器B4輸出的電壓施加至LM339比較器的E3和E4的5引腳和6引腳，而4引腳和7引腳被二極管D5箝位于0．3 V。當差分運算放大器輸出的電壓落在5引腳和6引腳中，即輸出電壓比E3的4引腳電壓低，而高于E4的7引腳，比較放大器的E3的2引腳和E4的1引腳無電壓輸出。這時割炬與鋼板的距離保持靜止，發光二極管D19和D20不亮。當電壓高于E3的4引腳電壓，比較器E3的2引腳輸出高電平，D19點亮；當電壓低于E4的7引腳，比較器1引腳輸出高電平，D20點亮，從而指示割炬的升高或降低。調節VR3電位器中點電壓，改變E4的4引腳和7引腳電壓，使其始終箝位于0．3 V，實際上就是改變割炬離鋼板的實際距離。由圖2看出，當割炬離鋼板時，霍爾傳感器和B4都輸出低電壓，甚至低于E2的8引腳電壓。使E2的14引腳輸出低電平，從而控制M1模擬開關的12引腳和6引腳，M1變為開路狀態。比較器信號無法通過，割炬保持靜止。
2．5 斷弧提升器
起弧后，霍爾傳感器產生的電壓通過D1送至E1的11引腳，由于E1的10引腳的發光二極管被箝位于2 V，所以當霍爾傳感器起弧后輸出電壓低于2 V時就為斷弧，處于斷弧狀態時E1的11引腳電壓比10引腳電壓低，13引腳輸出低電平，該下降的低電平通過微分電路C2和R17產生下降的負向微分信號來觸發NE555單穩態2引腳。NE555在電源打開瞬間產生一個控制模擬開關的輸出電壓，選通模擬開關，這樣M1的脈沖能夠順利通過引腳，使割矩產生提升動作，從而為自動定位作好準備。即使在數控機切割爬坡過程中，突然斷弧。割炬也會順速提升，割炬避免與鋼板碰撞，從而保護割炬。
2．6 模擬開關手動自動轉換器
模擬開關是由兩片CD4066集成電路組成，用于控制手動和自動調節割矩高低。自動狀態下，K3處于自動檔位，控制M2的6引腳和12引腳來選通M2，使上升信號和下降信號順利通過M2模擬開關，發光二極管D21可指示自動和手動狀態，D21點亮時表示自動狀態，反之為手動狀態。也可通過手動調節SBl和SB2，以實現割矩高低調節。
2．7 定位起弧電路
自動定位時，K3處于自動狀態，按下SB3按鈕，觸發單穩態556器件C1的6引腳，其5引腳輸出的高電平通過D28加到M1的5引腳，選通模擬開關M1的3引腳和4引腳，這時F1器件的9引腳輸出振蕩方波加到M1的3引腳。由于K3處于自動狀態，M2的6引腳和12引腳處于高電平，振蕩方波通過M2傳輸給光電耦合驅動電機電路，從而驅動直流電機正轉。通過絲杠帶動割炬向下運動，割炬碰到鋼板，鋼板頂起割炬，直到割炬觸頭碰到微動開關L1。L1微動開關閉合，觸發單穩態延時電路G2的8引腳，9引腳輸出階躍上升信號，可迅速輸入到G1的2引腳復位端，使5引腳停止輸出高電平，以終止割炬繼續下降。該信號同時通過D29加到模擬開關M1的13引腳，以選通M1的1引腳和2引腳，這時G2的9引腳輸m的振蕩方波加到M1的1引腳，由于K3處于自動狀態，M2的11引腳和10引腳處于選通狀態，振蕩方波通過M2的11引腳和10引腳，傳輸到光電耦合驅動電機電路，從而驅動直流電機反轉，G2的9引腳延時單穩時間或割炬上升定位時間，或直流電動機反轉提升割炬時間。定位后，G2觸發單穩態電路H器件555的2引腳，H通過R31和C13時間常數的積分延時，3引腳輸出一個脈沖方波，通過D29和光耦，使繼電器上電，常開觸點閉合，啟動起弧開關，傳送至等離子發生器，使得強大的電流擊穿鋼板，起弧成功。霍爾傳感器采樣起弧信號，輸出電壓，傳送至B1的3引腳，使B1的1引腳輸出變化的電壓，從而實現調節。
2．8 可變占空比產生器
手動和自動振蕩器組成可變占空比發生器，其原理是由F1與R40、R41、VR5、D32、D33、C16組成無穩態多諧振蕩器。D32、D33分別是充電和放電回路的導通管。
調節VR5不會影響振蕩周期T，但可改變占空系數，即改變脈沖寬度，也就是改變電機的旋轉速度和割炬的上升速度和下降速度。
2．9 光電耦合與電機驅動電路
比較電路的高低調節信號通過光耦VLC1和VLC3傳送至功率驅動電路，使得電機驅動電路與模擬開關電路光電隔離，這樣可減少模擬開關電路的干擾。光電耦合與電機驅動電路如圖4。
當上升信號通過VLC1時。D36的發光二極管導通發亮，并在R45上建立電壓。該電壓加在三態門S1的2引腳和三態門S4的12引腳端，與此同時，由于VLC3無信號，D37截止，在R47上無電壓，該低電平信號通過S2，輸出給S1控制端，S1 三態門選通。S1導通的同時，選通的S4輸出信號加到S3三態門控制端，封鎖S3 三態門導通。
當下降信號通過VLC3時，D37導通，并在R47上建立電壓，該電壓加到S3的9引腳和S2的5引腳。與此同時，由于VLC1無信號，D36截止，R45上無電壓，該低電平信號通過S4，輸出給S3的控制端，S3三態門選通；在S2導通的同時，選通的S2輸出信號加到S1的三態門控制端，封鎖S1。
當S1、S2、S4選通時，V1、V5、V6、V4、V10導通；V2、V7、V3、V8、V9截止。由于V6和V10導通，整流的直流110 V電壓直接加在電機兩端，電機正轉，電容探頭提升；當S2、S3、S4選通時，V2、V7、V3、V8、V9導通；V1、V5、V6、V4、V10截止，由于V9和V7導通，整流的直流110 V電壓直接加在電機兩端，電機反轉，電容探頭下降。
該電路受外界電磁干擾或者誤操作，同時按動“上升”和“下降”按鈕，可能導致VLC1和VLC2同時選通，但由于74LS125三態門具有保護作用，只允許上升或下降信號通過，電路具有互鎖性，可避免燒壞后續驅動管。當電機電流超過V6、V7、或V9、V10驅動管額定電流時，驅動管可能被燒壞。因此，采用74LS125三態門互鎖，并在V7和V10發射極增加采樣電阻。當采樣電壓超過光耦導通電壓，光耦輸出將調高的信號電壓短路，使信號電壓不能通過VLC1或VLC2，這樣就保護了驅動管。
3 割炬定位結構系統圖
割炬定位機械結構是由霍爾傳感器、水電纜、微動開關、觸頭、上夾緊盤、割炬夾、壓縮彈簧、下夾緊盤、信號線、絲桿、直流電機組成。上夾緊盤、下夾緊盤和壓縮彈簧夾緊割炬，割炬穿過割炬夾圓孔。割炬夾圓孔直徑比割炬直徑稍大一些，這樣可在夾圓孔中上下活動。由于彈簧和重力的作用，割炬平穩垂直地放在割炬夾圓盤上，水電纜穿過霍爾傳感器，霍爾傳感器采集切割變化的電流，如圖5所示。割炬定位時向下運動，割炬碰到鋼板后，鋼板頂起割炬，這時割炬與割炬夾產生相對運動，彈簧被壓縮，直到割炬觸頭碰到微動開關L1。L1閉合產生的觸發信號通過信號線傳給自動高低調節器，通過觸發單穩延時電路，產生割炬上升定位時間，也是直流電動機反轉提升割炬時間。由于割炬的提升，壓縮彈簧逐漸恢復，如果事先通過自動高低調節器設定割炬提升時間常數，從而確定割炬提升后割炬與鋼板的距離，獲到割炬與鋼板的最佳起弧距離。
4 調試與使用
系統使用前應進行電路自檢。首先打開電源開關，這時電機提升，D36點亮，說明D單穩態3引腳輸出高電平；按下SB1和SB2，割炬上升或下降，說明F1和F2振蕩器和功率驅動正常：自動／手動開關K3置于自動狀態位，按下SB3按鈕，D36先點亮，瞬間熄滅后，D37點亮，接著熄滅，說明G1和G2定位系統正常；K1和K2分別打在1和2位置，調節VR1電位器，如果三位半板表有電壓變化指示，說明運算放大器C1和B正常；板表測到一個電壓值，再左右調節VR3電位器，如果D19和D20交替點亮，說明比較器E正常的。
K1打在1位置，K2打在2位置，K3在手動位置，啟動起弧測量。如果板表測量值在3 V和8 V之間，將K2設在3位置，并調節VR3，使電壓介于3 V和8 V之間，然后把K3打在自動位置，就可以測量。
根據實際情況霍爾傳感器可選型為：40 A／4V，60 A／4V，80 A／4 V，100A／4 V，120A/4 V，160 A／4 V，200 A／4V，300 A／4 V。霍爾傳感器與高低調節器之間連接，應使用屏蔽電纜，屏蔽線接地，以免等離子起弧時，空間的強大電磁干擾把霍爾傳感器里面的電路擊穿而損壞。
5 結束語
霍爾傳感器應用到數控切割中是等離子切割機一種新的調節方法。這種方法不但切割后工件質量好，精度達到要求，同時還減輕了操作者的勞動強度。該系統設計不但可用于常規的套料切割，還可以用于水下套料切割，省時、省力、自動化程度高，安全可靠，通過多年的實際應用，使用效果良好。
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