等离子割炬初始高度自动定位研究

应 坤，补家武，周 敏

(中国地质大学 机电学院，湖北 武汉 430074)

等离子割炬初始高度自动定位研究

应 坤，补家武，周 敏

(中国地质大学 机电学院，湖北 武汉 430074)

针对等离子割炬初始高度定位方式存在的一些问题，设计了两种定位方式：一是利用钢板导电性进行接触定位，在电路中利用共模电感等元件来增强抗干扰性能；二是采用限位开关进行初始定位，割炬调高体采用扭轮摩擦传动机构，将限位开关合理地安装在该调高体内，简化定位机构结构。对比分析了所设计的两种定位方式与目前国内常用的几种定位方式，结果表明，限位开关定位方式更具经济性和实用性。

等离子割炬；初始高度定位；限位开关；扭轮摩擦

0 前言

在制造业中，采用等离子切割机加工金属板材已越来越普遍，其切割效果和经济性也倍受关注。

在等离子切割机起弧前应对割炬高度进行初始定位，即使割炬处于钢板上方一个确定的高度。割炬自动调高装置是通过电机传动使割炬进行升降，从而调节割炬头与钢板的距离。该距离的准确性不仅影响等离子起弧能否建立，还会影响初始切割质量。

文献[1]概述了初始高度定位方式可采用接触式和非接触式。接触式是调高装置接触到钢板；非接触式是通过接近开关或电容式传感器来感应钢板，调高体不接触钢板。据调查，目前等离子割炬初始高度定位方式有三种：传感器接触定位方式、接近开关定位方式、升降电机电流检测定位方式。

通过分析这几种定位方式的原理和特点，它们或多或少存在着一定的局限性。因此，本研究设计了钢板导电性的接触定位方式和限位开关定位方式。

1 钢板导电性的接触定位

1.1 电路设计与分析

电路设计原理是利用具有导电性的金属割炬头与钢板接触实现割炬初始定位，如图1所示。主要由共模电感、磁珠、继电器、光耦PC817等元件组成。导线在割炬和钢板上的安装示意如图2所示，图1中信号线signal1与图2中割炬上的钢片套环3相连(套环紧套于割炬，并与割炬接触良好)；继电器常闭触点与信号线signal2相连，与钢板上钢夹相连的绝缘导线和图1中两脚插座JP3的2脚相连。自动定位过程为：割炬体下降(先加速后减速运行)，当割炬头接触到钢板时，光耦PC817左端电路形成回路，光耦右端导通，单片机的P2.2脚由高电平变为低电平；单片机P1.7输出低电平执行继电器触点切换，使触点与GND-E相连；单片机通过P2.0(该P2.0口控制电机旋转方向)和P2.1口输出脉冲控制电机驱动器来使电机反转，带动割炬以一定的速度(6～10 mm／s)匀速上升到指定高度，此时完成割炬初始高度定位。

图1 接触定位硬件设计原理

图2 导线在割炬和钢板上的安装示意

由于干扰源较多，经过试验，该电路设计应考虑以下方面：

电路中采用共模电感、磁珠、续流二极管N4008来增强电路的抗干扰性能。共模电感工作过程如图3所示，当共模电感输入端A、B加两个电流变化相同、幅值相等的信号时(电流i1，磁通Φ1)，磁通因方向相同而互相加强，每一线圈的电感值为单独存在时的两倍，能较好地抑制高压的信号，接线方式如图1所示。磁珠能有效抑制高频噪声和尖峰干扰，也能吸收静电脉冲。经过多次修改和调试，该电路具有较好的抗干扰能力。

1.2 注意事项

通过现场调试，钢板导电性的接触定位方式是可行的，但也有一定的局限性。

(1)割炬与钢板接触后，抗干扰性能较好。初始高度定位完成后，需将继电器的触动切换到引脚GNDE，以免起弧后产生的高弧压(一般大于100 V)损坏电路板。

(2)割炬下降速度缓慢，一般为6～10 mm／s，以免对割炬头损坏。

(3)加工薄钢板时，割炬下降速度为2～4 mm／s，以免初始定位时割炬头使钢板变形。

(4)当钢板锈蚀严重时，定位之前必须清除钢板表面的锈斑。

2 限位开关的割炬初始高度定位

2.1 割炬初始高度定位原理

割炬调高体采用扭轮摩擦的传动方式来实现割炬的升降。扭轮摩擦传动是摩擦传动与螺旋传动相结合的传动方式，扭轮摩擦传动机构主要由光轴、三个圆锥滚子轴承、轴承座等部件组成。割炬调高体机械结构如图4所示，电机1通过滑块联轴器3带动光轴4转动，轴承座5通过光轴4与滚珠轴承之间的扭轮摩擦实现上下移动，从而带动割炬传动件11在圆柱形导杆2上移动，进而带动割炬升降。

图4中限位开关安装于小薄钢板6上，小薄钢板6通过紧定螺钉固定于轴承座5的侧面；薄板9固定于轴承座下部，六角螺栓8穿过薄板9的孔(间隙1 mm)与割炬传动件11相连，套筒7穿过薄板孔套于六角螺栓8上，套筒下端部与矩形平板10上表面相接触。

定位原理：电机正转，割炬下降，当碰到钢板后，传动件停止下降，此时轴承座5、薄板9与限位开关12会继续向下移动，在套筒7的外壁上穿梭；当限位开关12的薄片与矩形平板10的上表面相碰使限位开关闭合时，单片机P1.3端口输入低电平(电路见5)，单片机输出控制信号，步进电机反转，轴承座和薄板8一起上升，割炬传动件11在自身重力(约20 N)作用下仍与钢板接触，直至轴承座上升H＝10mm时，薄板上表面与六角螺栓头部8接触；在薄板与六角螺栓头部的作用力下，带动传动件上升，将割炬上升到指定高度，完成割炬初始高度定位。

图5 限位开关硬件接口

2.2 软件编程

若要较准确地定位高度，需确定导程ly(电机带动光轴转动一圈，轴承座移动的距离)。

光轴与滚珠轴承间传动示意如图6所示，滚珠轴承轴线与光轴轴线形成一定角度θ＝5°。当步进电机匀速转动(光轴角加速度α＝0)[3]时，三个滚珠轴承受光轴摩擦力产生速度v，将v分解为轴向速度vl和径向速度vr，导程ly和轴承座移动速度vl表达式为

式中 π为圆周率；R为光轴半径；n为步进电机转速；θ为滚珠轴承轴线与光轴轴线间的夹角。

图6 光轴与滚珠轴承间传动示意

轴承座移动速度vl＝10 mm／s为已知，则由式(2)可确定步进电机匀速转速n，进而确定单片机向步进驱动器发的脉冲数和频率。软件编程算法流程如图7所示。

图7 软件编程算法流程

2.3 两方案对比分析

两方案对比分析如表1所示。

由表1可知，方案1与方案2的升降调高方式都采用了扭轮摩擦调高机构，初始高度定位精度±0.1 mm(满足初始定位要求)，较丝杠调高方式更为经济。方案2适用范围更广，电路设计简单，抗干扰性能好。

3 几种定位方式比较

传感器接触式定位方式、接近开关定位方式、升降电机电流检测定位方式与研究中的两种方式的定位原理及适用范围对比如表2所示。

由表2可知，升降电机电流检测定位方式适用于较厚的钢板初始定位，但此方式对割炬有损伤，一般情况下不采用。文献[4]、[5]设计的传感器接触式定位方式与文献[6]设计的接近开关定位方式类似，都是单独设计初始定位机械夹具，再将机械夹具安装于割炬调高体上；都是采用通过机械夹具来使传感器感应钢板，定位完成后将夹具上的感应装置向上提升的定位方式。限位开关定位方式是在割炬调高体内添加限位开关来定位。限位开关定位方式的整体机械装置设计和电路设计较简单，成本低，能满足要求。

表1 两方案对比分析

表2 几种定位方式比较

[1]尹明康.等离子弧割炬初始高度设定装置[J].造船技术，2002(3)：23.

[2]戴一帆，李圣怡.扭轮摩擦驱动系统研究[J].国防科技大学学报，1999，21(2)：85-88.

[3]刘 波，刘 宾.压力可调式扭轮摩擦传动机构研制[J].制造技术与机床，2005(8)：47-49.

[4]何晓阳.等离子割炬初始定位装置[P].中国：200710133193.8，2008.3.12.

[5]高龙军.数控等离子切割机初始定位装置[P].中国：200820 117223.6，2009.6.24.

[6]赵么子，孙 兵.切割机割炬初始定位装置[P].中国：2004 20025389.7，2005.4.13.

Research for automatic positioning of initial height on plasma cutting torch

YING Kun，BU Jia-wu，ZHOU Min
(Faculty of Mechnical＆Electronic Information，CUG，Wuhan 430074，China)

With regard to some problem of initial height positioning on plasma cutting torch，this paper has introduced two ways of initial height positioning.One way is to use conductivity of armor plate to make location,the designed circuit has used the commonmode inductor and others to enhance anti-jamming performance.Another way is to use the limit switch for positioning，and lifting device of cutting torch has used the twist-roller frictional drive.Meanwhile，the limit switch is integrated into the lifting device，making this positioning mechanism designed to be simple.Finally，the paper have done a comparative analysis between two ways referred to the paper and the current domestic positioning ways，and have concluded that such limit switch positioning mode have been more economical and practical.

plasma cutting torch；initial height positioning；limit switch；twist-roller frictional

TG483

A

1001-2303(2010)01-0062-04

2009-11-30

应 坤(1986—)，男，湖北荆州人，在读硕士，主要从事机电一体化技术及应用、数控系统研究等工作。