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等離子體電弧噴槍中的故障事件檢測的制作方法

文檔序號:8191721閱讀:322來源:國知局
專利名稱:等離子體電弧噴槍中的故障事件檢測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明大體涉及等離子體電弧噴槍,且更具體地,涉及標識等離子體電弧噴槍中的消耗件的故障事件。
背景技術(shù)
等離子體電弧噴槍被廣泛地用于對材料的加熱、切割、刨削、和標記。等離子體噴槍一般包括電極、安裝在噴槍本體內(nèi)的具有中間出口孔的噴嘴、電連接、用于冷卻的通道、和電弧控制液體(如,等離子氣體)的通道。任選地,采用渦流環(huán)來控制形成于電極和噴嘴之間的等離子體腔室中的流體流動模式。在一些噴槍中,可使用抵蓋來將噴嘴和/或渦流環(huán)維持在該等離子體電弧噴槍中。在操作中,該噴槍產(chǎn)生等離子體電弧,電弧是具有高溫和高動量的尚子化氣體的受限的噴射。等離子體電弧噴槍的消耗件易于故障。消耗件的壽命可隨機地波動,這取決于數(shù)量眾多的可控和不可控的因素。檢測消耗件壽命結(jié)束或消耗件故障的能力可提供各種益處,包括通過增加自動化機會來減少操作人員關(guān)注的需要、通過減少消耗件檢驗來減少切割機閑置時間、通過減少過早更換消耗件來增加消耗件的有效壽命、通過減少中斷的(mid-cut)消耗件故障的可能性來增加產(chǎn)率、以及減少由消耗件故障引起的對于其他組件的損壞。示例性消耗件故障發(fā)生在由于電極上的鉿的腐蝕引起的、等離子體電弧噴槍的電極尖端(包括噴槍的發(fā)射器)被熔化且吹走的情況下。因此,電極本體不可再將尖端維持到位。在這個事件過程中,對于噴槍和消耗件的熱負載急劇地增加,因為電弧現(xiàn)在直接與電極本體、噴嘴接觸,且可能與護罩接觸。因此,如果電弧沒有被及時切斷,此熱量可損壞其他噴槍組件,諸如渦流環(huán)、護罩、抵蓋,且最終損壞等離子體電弧噴槍自身。除了電極中發(fā)射器的缺失,其他消耗件故障包括有消耗件材料的大量損失或除了發(fā)射器之外的電極部分無法發(fā)射等尚子體電弧。消耗件故障還可發(fā)生在噴槍操作過程中將不正確的消耗件安裝在等離子體電弧噴槍的情況下。示例性等離子體電弧噴槍可在多個不同電流電平處操作,例如,65安培、85安培、或105安培。當(dāng)?shù)入x子體電弧噴槍在105安培操作時,噴槍要求比在65安培操作過程中更高的流速。由于對在不同電流電平處操作等離子體電弧噴槍所要求的變化的冷卻流和/或護罩流速,對于在每一個電流電平處的操作,需要不同的消耗件。進一步,當(dāng)噴槍的其他操作參數(shù)(例如,安培數(shù)、材料類型、或應(yīng)用)被調(diào)整時,可能需要不同的消耗件。

發(fā)明內(nèi)容
存在研發(fā)用于及時診斷消耗件故障事件并采取合適動作來防止對于其他噴槍組件的損壞的系統(tǒng)和方法的需要。這樣的診斷性和預(yù)防性方法是有利的,因為它們減少了等離子體電弧噴槍的整體操作成本。這些方法對于將正確的消耗件與期望的噴槍操作匹配也是有價值的。故障事件(或情況)可指消耗件的故障、近乎故障、極為可能的故障、或可能的故障。在一個方面,提供了確定等離子體噴槍的消耗件的故障事件的方法。該方法包括在等離子體電弧噴槍的轉(zhuǎn)移弧模式過程中,監(jiān)測操作電流或操作電壓中的至少一個。該方法還包括確定何時與操作電流或操作電壓關(guān)聯(lián)的至少一個參數(shù)超過容限閾值達表示可能故障事件的時間段。該方法還包括當(dāng)至少一個參數(shù)超過容限閾值達該時間段時,切斷等離子體電弧噴槍的操作電流或操作電壓的至少一個。在另一個方面,提供了操作等離子體電弧噴槍的方法。該方法包括在等離子體電弧噴槍的轉(zhuǎn)移弧模式過程中確定操作信號以及計算與該操作信號關(guān)聯(lián)的噪聲電平。該方法還包括確定何時該噪聲電平超過預(yù)定閾值達一時間段并且當(dāng)該噪聲電平超過該預(yù)定閾值達該時間段時提供故障信號。在另一個方面,提供了等離子體噴槍系統(tǒng)。該等離子體噴槍系統(tǒng)包括在等離子體電弧噴槍的轉(zhuǎn)移弧模式過程中確定操作信號的裝置以及用于計算與該操作信號關(guān)聯(lián)的噪聲電平的裝置。該等離子體噴槍系統(tǒng)還包括用于確定何時該噪聲電平超過預(yù)定閾值達一時間段的裝置。該等離子體噴槍系統(tǒng)還包括當(dāng)該噪聲電平超過預(yù)定閾值達該時間段時用于提供故障信號的裝置。在一些實施例中,該等離子體噴槍系統(tǒng)還包括耦合至用于確定何時該噪聲電平超過預(yù)定閾值達該時間段的裝置的電源,從而當(dāng)該噪聲電平超過該預(yù)定閾值達該時間段時,該電源被關(guān)閉。在又一個方面,提供了一組件,其包括被有形地實現(xiàn)在信息載體中、在用于等離子體噴槍系統(tǒng)的計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC)上可運行的計算機可讀產(chǎn)品。該計算機可讀產(chǎn)品包括用于使用等離子體電弧噴槍在工件上執(zhí)行操作的信息。該信息包括諸如如果與操作信號關(guān)聯(lián)的噪聲電平超過預(yù)定閾值時在執(zhí)行操作的同時關(guān)閉等離子體電弧噴槍的操作電流之類的指令。在又一個方面,提供了用于檢測等離子體電弧系統(tǒng)的消耗件的故障事件的方法。該等離子體電弧系統(tǒng)具有控制器和等離子體電弧噴槍。該方法包括,由該控制器為故障事件而監(jiān)測該等離子體電弧噴槍的操作電流或操作電壓中的至少一個。可能故障事件的監(jiān)測包括以下的至少一個監(jiān)測與操作電流關(guān)聯(lián)的第一參數(shù),包括(a)電流幅值、(b)電流變化率、或(C)電流幅值波動;或監(jiān)測與操作電壓關(guān)聯(lián)的第二參數(shù),包括(a)電弧電壓幅值、(b)電弧電壓變化率、或(C)電弧電壓幅值波動。該方法還包括一旦檢測到可能故障事件,就從控制器提供故障信號至該等離子體電弧系統(tǒng)。在又一個方面,提供了用于檢測等離子體切割噴槍中的消耗件的故障事件的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括連接至等離子體系統(tǒng)的等離子體噴槍,且生成等離子體電弧。該等離子體噴槍包括消耗件組件。該系統(tǒng)還包括用于控制并監(jiān)測等離子體噴槍的操作電流或電弧電壓中的至少一個的可編程設(shè)備。該可編程設(shè)備適于檢測與消耗件組件關(guān)聯(lián)的故障事件并改變操作信號。在其他示例中,以上方面中的任何方面均可包括以下特征中的一個或多個特征。該時間段可約為I. 5毫秒??苫诘入x子體噴槍的輸出電流確定容限閾值。在一些實施例中,如果輸出電流小于約45A,該容限閾值是約I. OA的電流閾值。在一些實施例中,如果輸出電流在約45A到約75A之間,該容限閾值是約I. 25A的電流閾值。在一些實施例中,如果輸出電流大于約75A,該容限閾值是約I. 5A的電流閾值。在一些實施例中,該容限閾值是約3V的電壓閾值。操作信號可以是操作電壓或操作電流。與操作電流關(guān)聯(lián)的參數(shù)可以是電流幅值、電流變化率、或電流幅值波動。與操作電壓關(guān)聯(lián)的參數(shù)可以是電弧電壓幅值、電弧電壓變化率、或電弧電壓幅值波動。該故障事件可包括電極中發(fā)射器的缺失、消耗件材料的大量損失、除了發(fā)射器之外的電極部件無法發(fā)射電弧、以及其組合。此外,故障事件可包括安裝對于等離子體噴槍的操作類型而言是錯誤的消耗件。操作類型可以是切割操作、加熱操作、刨削操作、或標記操作。在一些實施例中,為了檢測故障事件,與操作電流關(guān)聯(lián)的第一參數(shù)和與操作電壓關(guān)聯(lián)的第二參數(shù)都需要超過它們各自閾值達預(yù)定時間段。故障信號可包括切斷等離子體電弧噴槍的操作電流、可聽音、視覺信號、電子信號、改變等離子體電弧噴槍的至少一個操作參數(shù)、或其組合。


通過參考以下結(jié)合附圖的描述可更好地理解以上描述的本發(fā)明的優(yōu)點連同其他優(yōu)點。附圖不一定是按比例繪制的,相反一般重點在于解說本發(fā)明的原理。圖I示出用于診斷和防止等離子體電弧噴槍中的消耗件故障的示例性過程。圖2示出用于診斷和防止等離子體電弧噴槍中的消耗件故障的示例性計算機數(shù)值控制器(CNC)。圖3A和3B分別示出等離子體電弧噴槍的示例性電極電流和電極電弧電壓波形。圖4A和4B分別示出在圖3A和3B中的電極電流和電弧電壓的噪聲電平。圖5示出用于診斷和防止等離子體電弧噴槍中的消耗件故障的定時器信號和標志信號。圖6A-E示出使用和不使用本發(fā)明的故障檢測系統(tǒng)的示例性消耗件。圖7示出用于測量在等離子體電弧噴槍的噴嘴和電極之間的電壓的示例性電路。圖8示出由本發(fā)明的示例性壓力損失檢測系統(tǒng)生成的波形。圖9示出在電極的點蝕深度與噴嘴電極間電壓(VNE)之間的示例性關(guān)系。圖10示出VNE和等離子體入口壓力之間的示例性關(guān)系。圖11示出在示例性等離子體電弧噴槍操作過程中生成的信號。圖12示出示例性圖形用戶界面。圖13示出另一個示例性圖形用戶界面。
具體實施例方式圖I示出用于診斷和防止消耗件故障事件(或情況)的示例性過程。該過程開始(步驟102)于確定等離子體電弧噴槍是否在弧轉(zhuǎn)移模式中操作(步驟104)。例如,當(dāng)噴槍被用于切割、刨削、標記、或加熱材料時,該噴槍處于弧轉(zhuǎn)移模式中。如果該等離子體電弧噴槍未處于弧轉(zhuǎn)移模式中,該過程結(jié)束,且不更新錯誤標志或提醒操作人員噴槍的可能消耗件故障的另一個指示(步驟114)。在一些實施例中,在過程開始前,錯誤標志被設(shè)置為默認值來表示沒有檢測到潛在的消耗件故障?!绻入x子體電弧噴槍在弧轉(zhuǎn)移模式中操作,該過程繼續(xù)以監(jiān)測噴槍的一個或多個操作信號(步驟106)。所感測的示例性操作信號包括等離子體電弧噴槍的操作電流和/或操作電壓。在一些實施例中,在諸如每O. 2毫秒的周期性基礎(chǔ)上感測該一個或多個操作信號。該操作信號可表示噴槍的一個或多個操作情況,包括上述的故障事件。確定與每一個所感測的操作信號關(guān)聯(lián)的一個或多個參數(shù)(步驟108)。如果該操作信號是操作電流,與該操作信號關(guān)聯(lián)的參數(shù)可以是電流幅值、電流變化率、或電流幅值波動。如果該操作信號是操作電壓,與該操作信號關(guān)聯(lián)的參數(shù)可以是電弧電壓幅值、電弧電壓變化率、或電弧電壓幅值波動。在一些實施例中,操作電壓是噴嘴到電極電壓(VNE)。在一些實施例中,操作電壓是噴嘴到工件電壓(VWE)。在一些實施例中,參數(shù)是噪聲電平,即,使用數(shù)字濾波器和數(shù)字信號處理器(DSP)所計算的操作信號的噪聲幅值。在確定了與每一個操作信號關(guān)聯(lián)的一個或多個參數(shù)后,該過程繼續(xù)到確定每一個參數(shù)是否超過了預(yù)定閾值達預(yù)定時間段(步驟110)。如果此為真,錯誤標志被合適地設(shè)置為提醒操作人員有可能的消耗件故障(步驟114)。在一些實施例中,如果操作信號的一個參數(shù)超過其相應(yīng)閾值達必需的時間段,則足夠設(shè)置錯誤標志。在一些實施例中,需要同一操作信號的多個參數(shù)超過其各自閾值達必需時間段來觸發(fā)故障錯誤。在一些實施例中,需要不同操作信號的一個或多個參數(shù)超過其各自閾值達必需時間段來觸發(fā)故障錯誤。例如,可需要操作電流的噪聲幅值和操作電壓的噪聲幅值都超過其各自閾值達預(yù)定時間段來觸發(fā)故障錯誤。一般而言,錯誤檢測時間段足夠長來確保并非是由信號中的隨機噪聲觸發(fā)了假陽性,但是足夠短來防止在消耗件故障事件過程中對于其他噴槍組件的損壞。已經(jīng)確定,在故障事件過程中,在損壞其他噴槍組件之前,等離子體電弧需要運行至少數(shù)秒鐘。因此,故障檢測時間段可被設(shè)置為小于I秒。例如,故障檢測時間段可為約I. 5毫秒或約I毫秒。在一些實施例中,經(jīng)驗地確定故障檢測閾值來確保捕捉消耗件故障的成功率約為95%或更大且不存在對于消耗件故障的錯誤警告。在一些實施例中,閾值依賴于等離子體電弧噴槍的輸出電流。例如,如果輸出電流小于約45安培,操作電流閾值被設(shè)置為約I. O安培。這意味著,在其中噴槍的輸出電流小于約45安培的情況下,如果噴槍的操作電流的噪聲幅值一直大于I. O安培達預(yù)定時間段,則設(shè)置錯誤標志。在另一個示例中,如果輸出電流在約45安培到約75安培之間,操作電流閾值被設(shè)置為約I. 25安培。在又一個示例中,如果輸出電流大于約75安培,操作電流閾值被設(shè)置為約I. 5安培。在一些實施例中,該閾值是約3V的電壓閾值。因此,如果噴槍的輸出電壓的噪聲幅值一直超過3伏特達預(yù)定時間段,則設(shè)置錯誤標志。在一些實施例中,電流或電壓閾值依賴于噴槍的一個或多個操作參數(shù)。例如,電流或電壓閾值可依賴于與被用于處理電流或電壓信號的一個或多個濾波器關(guān)聯(lián)的參數(shù)。特定地,可使用高通濾波器來過濾信號的直流(DC)和低頻分量,同時保留信號的高頻分量,SP,噪聲。此外,可使用低通濾波器來基于高通濾波器的輸出來確定噪聲幅值(即,噪聲電平)并平滑該噪聲信號。在這樣的情況下,可依賴于高通濾波器和/或低通濾波器的一個或多個參數(shù),諸如過濾器帶寬,來獲得電流或電壓閾值。錯誤標志的設(shè)置可自動地引起一個或多個阻止性或預(yù)防性動作的執(zhí)行。例如,一旦設(shè)置錯誤標志,可生成信號來警告操作人員有故障事件。這個信號可以是可聽音、視頻信號、和/或電子信號。故障檢測系統(tǒng)還可自動地切斷提供至等離子體電弧噴槍的操作電流或改變其他操作參數(shù)來避免故障事件。圖2示出用于診斷和防止等離子體電弧噴槍中的可能消耗件故障的示例性CNC200??墒褂靡粋€或多個數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)該系統(tǒng)200。該系統(tǒng)200包括操作模式檢測器202、操作信號監(jiān)測器204、比較器208、錯誤標志206、和輸出信號生成器216?;趤碜缘入x子體電弧噴槍的一個或多個輸入210,該操作模式檢測器202被配置為確定該等離子體電弧噴槍是否在轉(zhuǎn)移弧模式中操作。操作模式檢測器202可生成輸出信號來指示這樣的確定的結(jié)果。在一些實施例中,如果沒有設(shè)置錯誤標志206(其指示沒有檢測到可能故障事件),操作模式檢測器202適于周期性地詢查來自等離子體電弧噴槍210的特定信號來確定該噴槍是否仍處于轉(zhuǎn)移弧模式中或是否已經(jīng)進入了轉(zhuǎn)移弧模式。操作信號監(jiān)測器204接收來自操作模式檢測器202的輸出作為輸入,且如果該輸出指示該噴槍正處于轉(zhuǎn)移弧模式中,則監(jiān)測等離子體噴槍210的一個或多個操作信號。操作信號可以是等離子體電弧噴槍的操作電流和/或操作電壓。在一些實施例中,操作信號監(jiān)測器204確定與每一個操作信號關(guān)聯(lián)的一個或多個參數(shù)。例如,如果該信號是操作電流,操作信號監(jiān)測器204可計算該信號的電流幅值、電流變化率、或電流幅值波動。作為另一個示例,如果該信號是操作電壓,操作信號監(jiān)測器204可計算該信號的電弧電壓幅值、電弧電壓變化率、或電弧電壓幅值波動。在一些實施例中,操作信號監(jiān)測器204適于周期性地感測該一個或多個操作信號并計算與所感測到的信號關(guān)聯(lián)的參數(shù)。比較器208將操作信號監(jiān)測器204提供的操作信號的參數(shù)與預(yù)定閾值212比較。如果該參數(shù)持續(xù)超過閾值212達預(yù)定時間段214,則該比較器208可將該錯誤標識208設(shè)置為發(fā)出可能錯誤的信號。在一些實施例中,僅在多個參數(shù)超過其各自閾值212達必需時間段214的情況下,比較器208才設(shè)置錯誤標志208。響應(yīng)于比較器208設(shè)置了錯誤標識206 ,輸出信號生成器216被配置為生成輸出信號警告可能的消耗件故障。在一些實施例中,該輸出信號改變了噴槍的特定操作參數(shù)來最小化潛在損壞,諸如切斷提供至噴槍的操作電流。圖3A和3B分別示出可由操作信號監(jiān)測器204監(jiān)測的等離子體電弧噴槍的電極電流和電極電弧電壓的波形。每一個波形代表了在正常操作狀態(tài)和消耗件故障狀態(tài)中的信號的行為。如圖3A中所示,相比在正常噴槍操作302過程中生成的電流,當(dāng)在等離子體電弧噴槍中發(fā)生消耗件故障事件304時,觀察到電極電流的顯著尖峰。類似地,圖3B示出相比在正常噴槍操作306過程中生成的電弧電壓,在消耗件故障事件308過程中,觀察到電弧電壓的顯著尖峰。在消耗件故障過程中信號的尖峰允許檢測系統(tǒng)200在損壞到達其他噴槍組件前檢測到事件并采取合適措施。圖4A和4B分別示出從圖3A和3B中的信號中確定的電極電流和電弧電壓的噪聲電平。通過操作故障檢測系統(tǒng)100的操作信號監(jiān)測器204可處理這樣的確定。噪聲電平代表了信號的噪聲幅值,這可使用數(shù)字濾波器和數(shù)字信號處理器從原始信號中計算出來。如圖4A中所示,通過與電極電流404的噪聲級別相比較,使用電流閾值402來標識潛在消耗件故障。如上所述,電流閾值402可依賴于噴槍的輸出電流設(shè)置而變化。例如,如果輸出電流設(shè)置小于約45安培,電流閾值為約I. O安培。如果輸出電流設(shè)置為約45安培和75安培之間,電流閾值為約I. 25安培。如果輸出電流設(shè)置為大于約75安培,電流閾值為約I. 5安培。一般而言,輸出電流設(shè)置越高,電流閾值越高。對于被用于生成圖4A的波形404的等離子體噴槍,輸出電流設(shè)置大于約75安培。因此,電流閾值402可約為I. 5安培。在一些實施例中,電流閾值取決于被用于處理該信號的濾波器的一個或多個參數(shù)而變化。類似地,通過與電弧電壓408的噪聲電平的比較,圖4B中的電壓閾值406被用于標識潛在消耗件故障。在一些實施例中,對于所有的輸出電流設(shè)置,電壓閾值406可為約3V。在一些實施例中,電壓閾值取決于被用于處理該信號的濾波器的各參數(shù)而變化。在特定實施例中,檢測系統(tǒng)200基于操作電流的噪聲電平來檢測可能的消耗件故障。在圖4A所示的示例中,在弧模式操作的300毫秒后的時間405,電極電流404超過閾值402。如果在此后獲取的電極電流的樣本持續(xù)超過閾值402達特定時間段,諸如約I. 5毫秒,檢測系統(tǒng)200適于設(shè)置錯誤標識206并觸發(fā)提供至等離子體電弧噴槍的電流的關(guān)斷或采取另一個阻止性措施來保護噴槍。在特定實施例中,檢測系統(tǒng)200基于操作電壓408的噪聲電平來檢測可能的消耗件故障。在圖4B所示的示例中,電弧電壓408超過閾值406兩次,在時間410和時間412,在操作的250毫秒和300毫秒之間。對于第一次時間410,如果此后電弧電壓的噪聲電平持續(xù)超過閾值406達預(yù)定時間段,檢測系統(tǒng)適于設(shè)置錯誤標志206來觸發(fā)特定阻止性動作。另一方面,如果電弧電壓408的噪聲電平?jīng)]有超過閾值406達整個時間段,不設(shè)置錯誤標志206且用于跟蹤噪聲電平408超過閾值406的時間量的定時器被重置為零。一旦在第二次時間412電壓噪聲電平408超過閾值402,該定時器再次啟動。在特定實施例中,故障檢測系統(tǒng)基于操作電壓408和操作電流404的噪聲電平來檢測可能的消耗件故障。使用圖4A和4B所示的示例,用于追蹤何時信號超過其各自閾值的定時器在時間405啟動,此時操作電流404的噪聲電平超過閾值402。這也是電壓噪聲電平408超過其閾值406的時間。此后,如果參數(shù)404和408持續(xù)地超過其各自閾值達預(yù)定時間段,設(shè)置錯誤標志206。另一方面,如果哪一個參數(shù)落在其相應(yīng)閾值下,不設(shè)置錯誤標志206。圖5示出基于圖4A和4B中所示的電流噪聲電平404和電壓噪聲電平408,用于檢測并防止等離子體噴槍中的可能的災(zāi)難性的消耗件故障。如圖所示,直到時間504才觸發(fā)定時器信號502,時間504是電流電平406和電壓電平408均超過其各自閾值的時間。I. 5毫秒后設(shè)置錯誤信號506來表示信號電平均超過其各自閾值達I. 5毫秒的預(yù)定時間段。圖6A-E示出使用和不使用根據(jù)本發(fā)明的故障檢測系統(tǒng)的示例性消耗件。一般而言,位于圖6A-E左側(cè)的消耗件部件對應(yīng)于沒有使用檢測系統(tǒng)的噴槍操作,且每一個消耗件部件經(jīng)歷了約10秒的故障事件。反之,位于圖6A-E右側(cè)的消耗件部件對應(yīng)于使用檢測系統(tǒng)的噴槍操作,該檢測系統(tǒng)適于一旦檢測到故障事件就切斷提供至噴槍的電流。特定地,圖6A示出作為分別使用具有和不使用故障檢測系統(tǒng)的噴槍操作結(jié)果的抵蓋620、622。圖6B示出作為分別使用和不使用故障檢測系統(tǒng)的噴槍操作結(jié)果的護罩624、626。圖6C示出作為分別使用和不使用故障檢測系統(tǒng)的噴槍操作結(jié)果的噴嘴628、630。圖6D示出作為分別使用和不使用故障檢測系統(tǒng)的噴槍操作結(jié)果的電極634、632。圖6E示出作為分別使用和不使用故障檢測系統(tǒng)的噴槍操作結(jié)果的渦流環(huán)636、638。因此,該故障檢測系統(tǒng)是有利的,至少因為它防止了消耗件故障事件中對于其他噴槍組件的損壞。例如,故障檢測系統(tǒng)可感測何時錯誤的消耗件被用于噴槍或操作工藝并采取合適的動作來保護其他噴槍部件。故障檢測系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢在于,其可易于結(jié)合在等離子體電弧噴槍中而不需要對于噴槍設(shè)計的復(fù)雜的修改。此外,使用故障檢測系統(tǒng)不要求對于當(dāng)前操作工藝的改變。這是由于檢測系統(tǒng)已經(jīng)使用了現(xiàn)有信號,諸如操作電流信號和操作電壓信號,來執(zhí)行故障檢測。進一步,使用故障檢測系統(tǒng)準確地檢測消耗件故障的能力增加了工藝自動化的機會并減少對于操作人員關(guān)注的需要。如果在切割過程中噴槍丟失壓力,等離子體電弧噴槍也易于受到損壞。在依賴于空氣壓力來在噴槍內(nèi)定位或移動組件的噴槍設(shè)計(如,“后坐力(blow-back)”或“前坐力(blow-forward)”噴槍)中,該損壞是可能的。在這些設(shè)計中,切割電弧可在沒有合適的氣壓和/或氣流以限制并引導(dǎo)電弧的情況下仍被轉(zhuǎn)移至工件。切割電弧還可在沒有合適壓力的情況下仍被轉(zhuǎn)移至工件從而相對彼此定位組件。這可導(dǎo)致噴槍內(nèi)的電弧放電,導(dǎo)致對于噴槍和/或消耗件的極大損壞。此外,這可引起切割質(zhì)量的極大劣化。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面,提供了壓力損失檢測技術(shù),在不使用常規(guī)壓力或流量傳感器的情況下,該技術(shù)可確定等離子體電弧噴槍中的壓力、或壓力損失。在等離子體切割噴槍中,在噴槍內(nèi)氣體壓力與被要求維持等離子體電弧的能量之間存在較強的關(guān)系。隨著壓力增加,被要求維持電弧的能量也增加。使用恒流源的情況下,能量增加自身表明電弧電壓的增加。本發(fā)明的壓力損失檢測技術(shù)利用壓力和電壓之間的關(guān)系,通過使用兩個信號來確定在噴槍內(nèi)是否發(fā)生壓力損失。第一信號,被稱為VARC,是等離子體電弧噴槍的電極和工件或噴嘴之間的壓力的估算。在低通數(shù)字濾波器(移除了信號的高頻分量的同時維持了信號的DC和低頻分量)的幫助下,基于逆變器(即,電源)的開路電壓(“0CV”)和占空比來計算該第一信號。第二信號,被稱為VNE,是噴嘴和電極之間的電壓。圖7示出示例性電路600,其可測量VNE信號并提供被饋入數(shù)字信號處理器(DSP)用于數(shù)字處理的被隔離的輸出信號。該電路600包括耦合至低通濾波器604的分壓器602、可包括Avago HCPL-7840的隔離放大器606、和差分放大器608。此外,鉗位二極管610可稱合在噴嘴612和電極614之間。在所有操作情況下(如,長導(dǎo)線、線圈噴槍導(dǎo)線),這個二極管610鉗制任何鳴振(ringing)瞬變并產(chǎn)生較低的噪聲信號。位于隔離放大器606的噴嘴-電極側(cè)(輸入側(cè))的低通濾波器604通過在輸入側(cè)過濾高頻等離子體噪聲來工作。為了確定在等離子體電弧噴槍中是否發(fā)生壓力損失,壓力損失檢測系統(tǒng)可執(zhí)行如下一系列操作。首先,該系統(tǒng)確定噴槍噴嘴是物理地接觸工件(接觸模式)還是被從工件物理地移除(電弧延展模式)。為做到此舉,比較VARC和VNE的電壓值。如果VARCX (VNE+約40V)或VNE>約100V,則假設(shè)噴嘴接觸工件且等離子體系統(tǒng)正在接觸模式中操作。否則,假設(shè)等離子體系統(tǒng)在電弧延展模式中操作。取決于操作模式,確定VARC或VNE的初始操作電平。如果等離子體系統(tǒng)處于接觸模式中,則記錄VARC的初始操作電平。如果等離子體系統(tǒng)處于電弧延展模式中,則記錄VNE的初始操作電平??赏ㄟ^等待達第一預(yù)定時間段然后計算在第二時間段上VARC或VNE的平均操作電平,來完成此舉。在第二時間段過程中計算的這些初始電平被認為是正常操作電平并被用于計算相應(yīng)閾值。在一些實施例中,通過用O. 625乘以相應(yīng)的初始操作電平來設(shè)置VARC或VNE的閾值電平??赏ㄟ^實驗來建立該因數(shù)O. 625。如果該因數(shù)被設(shè)置得更高,檢測系統(tǒng)對于壓力損失更敏感,但是也更易于受到偽跳閘(false tripping)的影響。持續(xù)監(jiān)測VARC或VNE的電流值,約每64ms計算一平均值。使用這樣的平均化來過濾電壓中的任何形狀尖峰或下降。如果所檢測的VARC或VNE的值落在其相應(yīng)閾值之下,噴槍的逆變器被關(guān)閉且檢測系統(tǒng)600執(zhí)行錯誤處理過程。關(guān)閉程序可涉及熄滅等離子體電弧來防止低壓事件損壞噴槍。此外,可在等離子體系統(tǒng)的前面板上指示錯誤代碼。在一些實施例中,通過將噴嘴接觸工件和從工件移除來使得帶有未被屏蔽的噴嘴的噴槍操作在噴嘴接觸模式和電弧延展模式之間交替。取決于操作情況(噴嘴接觸或電弧延展),例如,通過使用合適的信號,VARC或VNE,檢測系統(tǒng)600可考慮到此。在一些實施例中,壓力損失檢測技術(shù)使用模擬和/或數(shù)字低通濾波器來平滑VNE和VARC信號,從而防止由于ADC采樣通道中的噪聲和尖峰引起的偽跳閘。圖8示出由示例性壓力損失檢測方法生成的波形。第一軌跡710示出由于例如,噴槍導(dǎo)線被卷曲引起的等離子體電弧噴槍中的壓力的減少。響應(yīng)于噴槍壓力710的減少,VNE信號720也減少。最終,當(dāng)VNE信號落在VNE閾值740之下時,電源電流730被切斷。壓力損失檢測技術(shù)相比常規(guī)流量或壓力傳感器具有數(shù)個優(yōu)勢。第一個優(yōu)勢是成本。這可實現(xiàn)是因為僅需要配電板上的電路的成本且不要求任何附加組件。電路成本約為$6。反之,低成本的常規(guī)流量開關(guān)約為$18-$25,還不包括附加連接件的成本。此外,其他設(shè)計,諸如在噴槍中使用壓力傳感器,在物理地要求的位置(如,噴槍頭)中要求有穩(wěn)健的傳感器以及到該傳感器的連線。在物理地要求的位置處的壓力傳感器的可靠性和成本是重要的,因為由于苛刻環(huán)境,傳感器可發(fā)生故障。另一個優(yōu)勢在于,該壓力損失檢測技術(shù)對于不同消耗件或工藝參數(shù)可動態(tài)地調(diào)整。例如,流量開關(guān)一般可被設(shè)置為特定的流量突變點,該流量突變點可取決于進入的氣體壓力。然而,可在任何消耗件或工藝中使用該檢測技術(shù),且甚至可基于電壓信號的極性來預(yù)測安裝在噴槍中的消耗件。在另一個方面,提供了方法來基于噴嘴和電極之間的電壓(VNE)和等離子體壓力來預(yù)測噴槍中消耗件的壽命終結(jié)。該預(yù)測技術(shù)可指示在消耗件需要被更換之前還有多少壽命,例如大約的時間量,或者在消耗件被更換前還可做出多少次切割。已經(jīng)注意到,噴槍的電極磨損與噴槍的點蝕深度成比起,且VNE相關(guān)該點蝕深度。例如,在理想情況下,VNE隨著點蝕深度的增加成比例增加。因此,可使用該VNE來確定電極磨損。然而,VNE還受到等離子體通風(fēng)腔中的壓力的影響。進一步,高電磁噪聲、系統(tǒng)容限、和操作變化可顯著減少VNE-點蝕深度關(guān)系的準確性和一致性。提供了一種算法,使用VNE和通風(fēng)室的壓力(S卩,等離子體氣體)來準確地實時預(yù)測等離子體切割工藝中的電極壽命。特定地,等離子體壓力被監(jiān)測并用于補償VNE測量。已經(jīng)注意到可通過點蝕深度(其源自熱磨損引起的對于材料的損失)來估算電極的壽命。圖9示出等離子體電弧噴槍的VNE和噴槍中電極的點蝕深度之間的示例性關(guān)系。例如,約O. 040-0. 060英寸的點蝕深度通常代表了電極壽命的終結(jié)或近乎終結(jié)。這樣的點蝕深度可對應(yīng)于VNE的約6-8V的上升。因此,可監(jiān)測VNE并使用VNE的上升來預(yù)測電極的壽命。此外,由于VNE受到等離子體通風(fēng)腔中的壓力的極大影響,可用等離子體壓力作為補償因子來補償該VNE。然而,由于直接測量通風(fēng)腔壓力的困難,可在等離子體氣體剛要進入噴槍本體之前在該位置測得噴槍入口壓力。例如,可在閥門外組件中測得入口壓力。為了計算補償因子,注意,在較小的可變區(qū)域內(nèi),VNE和等離子體入口壓力具有如圖10中所示的線性關(guān)系??墒褂眠@個關(guān)系來定義VNE的補償因子。在圖10所示的示例中,補償因子dV/dP是O. 46Volts (伏特)/psi。該不僅被認為在較小可變范圍內(nèi)補償了氣體供應(yīng)壓力變化,還補償了其他變化,諸如電流或間隙距離(standoff distance),其直接或間接地影響VNE和等離子體壓力。在用于實時預(yù)測等離子體電弧噴槍中電極的壽命終結(jié)的方法的示例性實現(xiàn)中,當(dāng)電弧被點燃且成功地轉(zhuǎn)移時首先觸發(fā)數(shù)據(jù)采集且所采集的數(shù)據(jù)被存儲。還記錄電弧啟動的次數(shù)。在最初的數(shù)次啟動中,計算初始VNE和壓力并存儲為基線。在等離子體達到其穩(wěn)定狀態(tài)后測得每一個VNE和壓力。此后,為壓力變化補償VNE。經(jīng)補償?shù)腣NE被與之前的數(shù)次結(jié)果平均來減少與隨機噪聲關(guān)聯(lián)的波動。當(dāng)前被補償?shù)腣NE和初始基線VNE之間的差異(VNE上升)被用于根據(jù)經(jīng)驗VNE-壽命關(guān)系來估算電極使用情況。當(dāng)VNE上升達到預(yù)設(shè)閾值時,生成“壽命終結(jié)”警告作為輸出。 如上所述,在噴槍的等離子體電弧達到其穩(wěn)定狀態(tài)后,可采樣VNE和氣體壓力。圖11示出使用200-安培氧氣/空氣系統(tǒng)獲得的4-秒片段的VNE1002、VARC1004,電流1006和噴槍入口壓力1008的示例性波形。如圖所示,噴槍入口壓力1008和VNE1002達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間可約為2秒。在等離子體達到穩(wěn)定狀態(tài)后,該算法可計算在給定時間段(例如,O. 5秒)上的VNE和氣體壓力的平均值。這些平均值被認為是當(dāng)前電弧啟動的初始VNE和初始壓力。在一些實施例中,如果在最先Ni個電弧啟動時安裝一組新的消耗件,該算法計算平均的VNE和壓力并將它們存儲為初始VNE和壓力。在等離子體達到其穩(wěn)定狀態(tài)后,繼續(xù)采樣VNE和壓力的當(dāng)前值。使用預(yù)先計算的dV/dP乘以當(dāng)前測得的壓力和初始壓力之間的差異,可對于壓力變化補償測得的VNE值Vne,補償=Vne,測量 + (P 測得-P 初始)X (dV/dP)可使用滾動(rolling)平均值來平滑該實時數(shù)據(jù)。對于當(dāng)前電弧啟動(假設(shè)是第Ns次啟動)獲得的經(jīng)補償?shù)腣NE同之前的Nk次的啟動求平均
權(quán)利要求
1.一種確定等離子體噴槍的消耗件的故障事件的方法,所述方法包括 在所述等離子體電弧噴槍的轉(zhuǎn)移弧模式過程中,監(jiān)測操作電流或操作電壓中的至少一個; 確定與所述操作電流或所述操作電壓關(guān)聯(lián)的至少一個參數(shù)何時超過容限閾值達表示所述故障事件的時間段;和 當(dāng)所述至少一個參數(shù)超過所述容限閾值達所述時間段時,切斷所述等離子體電弧噴槍的所述操作電流或所述操作電壓的至少一個。
2.如權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,所述時間段包括約I.5毫秒。
3.如權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,與所述操作電流關(guān)聯(lián)的所述至少一個參數(shù)包括電流幅值、電流變化率、或電流幅值波動。
4.如權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,與所述操作電壓關(guān)聯(lián)的所述至少一個參數(shù)包括電弧電壓幅值、電弧電壓變化率、或電弧電壓幅值波動。
5.如權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,所述故障事件包括電極中發(fā)射器的缺失、消耗件材料的大量損失、除所述發(fā)射器外的所述電極的部件無法發(fā)射電弧、以及其組合。
6.如權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,所述故障事件包括對于所述等離子體噴槍的操作類型而言安裝錯誤的消耗件。
7.如權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于,所述操作類型包括切割操作、加熱操作、刨削操作、或標記操作。
8.如權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,所述確定包括確定與所述操作電流關(guān)聯(lián)的第一參數(shù)和與所述操作電壓關(guān)聯(lián)的第二參數(shù)何時超過其各自閾值達所述時間段。
9.如權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,還包括基于所述等離子體噴槍的輸出電流確定所述容限閾值。
10.如權(quán)利要求9所述的方法,其特征在于,所述容限閾值包括,如果所述輸出電流小于約45A時為約I. OA的電流閾值、如果所述輸出電流在約45A和約75A范圍內(nèi)時為約I. 25A的電流閾值、或如果所述輸出電流大于約75A時為約I. 5A的電流閾值。
11.如權(quán)利要求I所述的方法,其特征在于,所述容限閾值包括約3V的電壓閾值。
12.—種操作等離子體電弧噴槍的方法,所述方法包括 確定在所述等離子體電弧噴槍的轉(zhuǎn)移弧模式過程中的操作信號; 計算與所述操作信號關(guān)聯(lián)的噪聲電平; 確定所述噪聲電平何時超過預(yù)定閾值達一時間段;當(dāng)所述噪聲電平超過所述預(yù)定閾值達所述時間段時提供故障信號。
13.如權(quán)利要求12所述的方法,其特征在于,所述時間段包括約I.5毫秒。
14.如權(quán)利要求12所述的方法,其特征在于,所述故障信號包括切斷所述等離子體電弧噴槍的操作電流、可聽音、視覺信號、電子信號、改變所述等離子體電弧噴槍的至少一個操作參數(shù)、或其組合。
15.一種等離子體噴槍系統(tǒng),包括 用于確定在所述等離子體電弧噴槍的轉(zhuǎn)移弧模式過程中的操作信號的裝置; 用于計算與所述操作信號關(guān)聯(lián)的噪聲電平的裝置; 用于確定所述噪聲電平何時超過預(yù)定閾值達一時間段的裝置;和用于當(dāng)所述噪聲電平超過所述預(yù)定閾值達所述時間段時提供故障信號的裝置。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng),其特征在于,所述操作信號包括操作電壓或操作電流。
17.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng),其特征在于,還包括當(dāng)所述噪聲電平超過所述預(yù)定閾值達所述時間段時用于切斷所述等離子體噴槍系統(tǒng)的操作電流的裝置。
18.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng),其特征在于,還包括耦合至用于確定所述噪聲電平何時超過所述預(yù)定閾值達所述時間段的裝置的電源,從而當(dāng)所述噪聲電平超過所述預(yù)定閾值達所述時間段時,所述電源被關(guān)閉。
19.一種組件,包括 有形地實現(xiàn)在信息載體中、在用于等離子體噴槍系統(tǒng)中的CNC上可運行的計算機可讀產(chǎn)品,所述計算機可讀產(chǎn)品包括 用于使用等離子體電弧噴槍在工件上執(zhí)行操作的信息,該信息包括指令,其使得在執(zhí)行所述操作的同時,如果與操作信號關(guān)聯(lián)的噪聲電平超過預(yù)定閾值時,則切斷所述等離子體電弧噴槍的操作電流。
20.如權(quán)利要求19所述的組件,其特征在于,所述操作包括切割操作、加熱操作、刨削操作、或標記操作。
21.如權(quán)利要求19所述的組件,其特征在于,所述操作信號包括操作電壓或操作電流。
22.—種用于檢測等離子體電弧系統(tǒng)的消耗件的故障事件的方法,所述等離子體電弧系統(tǒng)具有控制器和等離子體電弧噴槍,所述方法包括 由所述控制器為所述故障事件來監(jiān)測所述等離子體電弧噴槍的操作電流或電弧電壓的至少一個,對于所述故障事件的監(jiān)測包括以下至少一個 監(jiān)測與操作電流關(guān)聯(lián)的第一參數(shù),包括(a)電流幅值、(b)電流變化率、或(c)電流幅值波動;或 監(jiān)測與操作電壓關(guān)聯(lián)的第二參數(shù),包括(a)電弧電壓幅值、(b)電弧電壓變化率、或(C)電弧電壓幅值波動;和 一旦檢測到所述故障事件,就從所述控制器提供故障信號至所述等離子體電弧系統(tǒng)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法,其特征在于,所述故障信號包括切斷所述等離子體噴槍的所述操作電流、可聽音、視覺信號、電子信號、改變至少一個操作參數(shù)來保護所述等離子體電弧噴槍、或其組合。
24.一種確定等離子體切割噴槍中的消耗件的故障事件的系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括 連接至等離子體系統(tǒng)且產(chǎn)生等離子體電弧的等離子體噴槍,所述等離子體噴槍具有消耗件組件; 所述等離子體系統(tǒng)內(nèi)的可編程設(shè)備,用于控制并監(jiān)測所述等離子體噴槍的操作電流或電弧電壓中的至少一個,其中所述可編程設(shè)備檢測與所述消耗件組件關(guān)聯(lián)的故障事件并改變操作信號。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種確定等離子體噴槍的消耗件的故障事件的方法。該方法包括在等離子體電弧噴槍的轉(zhuǎn)移弧模式過程中,監(jiān)測操作電流或操作電壓中的至少一個。該方法還包括確定何時與操作電流或操作電壓關(guān)聯(lián)的至少一個參數(shù)超過容限閾值達表示故障事件的時間段。該方法還包括當(dāng)至少一個參數(shù)超過容限閾值達該時間段時,切斷等離子體電弧噴槍的操作電流或操作電壓的至少一個。
文檔編號H05H1/34GK102986305SQ201180034873
公開日2013年3月20日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
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