數控切割機割炬高度傳感器研究

劉芝亮，湯立松，王鋒

1.中海油田服務股份有限公司 江蘇湛江 524057

2.河北石油職業技術大學機械系 河北承德 067000

1 序言

數控切割機普遍用于鋼板下料工序，其中應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量有很大影響，而控制割炬高度就成為不可或缺的環節。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高電動機的轉向，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，利用傳感器和調高電動機組成的反饋控制系統，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高系統。

2 研究目的

自動切割機是現代制造中不可或缺的設備，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高裝置。目前，自動調高裝置以電容式和渦流式附加傳感作為測量元件，來實現自動閉環控制。而附加傳感器存在應用場所、反應速度、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高系統如圖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自動調高的閉環控制，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，實現無傳感器的閉環控制。利用切割火焰的導電性實現的閉環自動調高系統如圖2所示。

圖1 自動調高系統

圖2 無傳感器閉環自動調高系統

3 試驗原理

處于熱平衡狀態的氣體，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量會增加，發生碰撞電離的數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。

根據薩哈公式

式中Nr+1、Nr——單位體積內同一元素的r+1次、r次電離原子的數目；

T——絕對溫度（K）；

Pe——電子壓力（Torr）；

me——電子質量（u）；

h——普朗克常數；

k——玻耳茲曼常數；

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。

薩哈公式表明，原子的電離程度與溫度、電子壓力有關，溫度越高或電子壓力越低時，原子的電離程度越高。而切割火焰的化學成分和溫度及氣壓都是相對不變的。根據相關文獻[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。這就為采用火焰導電原理設計調高傳感器創造了條件。

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。根據切割鋼板的厚度，通過調速旋鈕將行走小車的行走速度調至最佳狀態。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節。在鋼板與割炬之間串聯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，通過調整絕緣塊的高度，將切割起點的割炬高度調整為30mm，將切割終點的割炬高度調整為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割炬高度的數值。切割開始后，行走小車每走過50mm讀取一次電流表讀數，記錄在表1中。

表1 試驗數據

5 結果分析

將表1的數據在電流-割炬高度坐標系中繪制出函數關系，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系。因此，采用最小二乘法對電流-電壓關系進行相關系數和斜率及截距的計算，計算過程如下。

圖4 試驗數據

利用最小二乘法得出相關系數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。

根據上述試驗和數據處理結果，相關系數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高度線性的一次函數關系。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電性設計出合適的傳感器，從而避免采用附加傳感器。

傳感器的主要電路是電流-電壓轉換電路，如圖5所示。

圖5 電流-電壓轉換電路

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能力。據此原理設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]，對應的電離后的離子數量要少。但這不會影響傳感器的工作，只是通過電流會減小，后續處理電路完全可以彌補。在干擾方面，當切割鋼板表面有不均的鐵銹、油污、灰塵等雜質時，切割火焰成分會發生變化[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。

6 結束語

在采用附加傳感器系統中，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。而采用火焰自身導電性原理構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，并未發現對割炬高度測量產生影響，而改變鋼板材質同樣未發現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控切割機的自動割炬高度調整系統中。

綜上所述，采用切割火焰作為自動調高系統的測量對象，是一個很好的解決方案。