（机械制造及其自动化专业论文）逆变式等离子弧切割机数字控制技术研究.pdf

摘要 逆变式等离子弧切割机数字控制技术研究 摘要 随着工业生产的飞速发展，越来越多的高性能材料被用于机械制造、建 筑、船舶等工业行业中，其中许多材料具有导热性强、熔点高、易生成高熔 点氧化物和高粘度熔渣等特性，如果采用传统的火焰加工方法进行切割，很 难保证切割质量，增加了二次加工难度和材料的浪费。而逆变式等离子弧切 割因具有弧柱温度高、焰流速度大、切割范围广、通用性强、切割质量好、 生产成本低等特点，在切割领域中占有越来越重要的位置。 然而，目前常用的逆变式等离子弧切割机还存在一些不足或者说不适宜 在我国广泛应用的问题，如：逆变式等离子切割机产生的等离子弧热功率密 度低( 切割电流1 6 0 a ) ，导致切割能力低、割缝质量差、尺寸误差大、切 割效率低、加大后道工序的工作量，而且对中厚板切割时直接影响了切割过 程中等离子弧的稳定性和系统的可靠性；不具备数控通信、弧压反馈等功 能，不能够满足与数控系统进行切割工艺参数信息交互的要求；切割机本身 不具备人机界面，脱离数控系统，不能实现切割工艺参数的储存和设定等功 能，这都制约着等离子弧切割技术的推广。 本文的数字化逆变式等离子弧切割机就是在上述技术背景下提出并展开 研究的，从控制工艺技术上将切割电流提高到2 0 0 a ，扩大了板材无挂渣切 割范围和效率( 低碳钢5 0 r a m ) ：通过对等离子弧导电机理及其切割参数 影响关系的分析，提出了新型的工艺过程控制策略，对厚度小于2 5 m m 的 不锈钢板材实现了切口表面粗糙度小于l m m 的高精度切割。在理论上探索 并掌握了等离子体的热特性、焰流特性和电磁特性，进行了等离子弧切割静 止电弧的数值模拟及对切割性能影响的分析研究。 等离子体电弧是等离子弧切割中的热源，其特性直接影响切割工艺参数 的设定和切割性能。本文首先对大功率等离子弧的特性进行研究，在假设条 件下确定了数值模型，建立了等离子体电弧流场的控制方程，在求解区域内 采用交错网格的布置方式，使用有限体积法将等离子弧流场的控制方程进行 离散化。在交错网格系统中，针对等离子弧的特性，进行了边界条件的设置 与离散方程源项的构造。采用流场计算的s i m p l e 算法求得正确的温度场 和焰流的速度场，并进行了温度分布的数值模拟，模拟结果显示：增大切割 电流值，等离子体电弧的温度和流速显著增大；同时，针对等离子弧电流对 等离子体电弧的电磁力和热效率的作用进行了模拟分析，最终得到了等离子 弧电流对流场特性影响的理论依据。 对于等离子弧切割工艺的关键设备一逆变式等离子弧切割机，本文从数 字控制的特点开始，通过提高切割机在时间上的精确控制和响应特性，实现 等离子切割电弧脉动特性的有效调节，提高其输出电流到2 0 0 a ；并结合切 割过程的逻辑控制、信息交互和参数储存、设定等功能要求，研制了一套数 字化逆变式等离子弧切割机。切割机的控制核心采用数字信号处理器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 和s t c 8 9 c 5 8 r d + 双核结构，充分利用d s p 运算速度快、 精度高、数据处理能力强、i o 口资源丰富和单片机的强控制等优势，实现 了等离子弧切割过程实时、有效的在线控制。 针对等离子弧的非线性伏安特性和多参数强耦合切割工艺过程，结合所 研制的数字化控制器硬件平台，本文提出了一种新型模糊p i d 神经网络控 制策略。通过在全论域范围内带有自调整因子的变间距模糊量化算法实现优 化给定电流闭环控制；引入p i d 神经网络对切割过程中反馈工艺参数和给 定工艺参数进行解耦优化处理，实现了模糊控制和神经网络控制的优势融 合，解决传统按设定值的恒流闭环控制忽略其他切割工艺参数变化对切割质 量影响这一致命问题。 最后，对切割电流为2 0 0 a 数字化逆变式等离子切割机的切割能力、切 割速度和切割质量进行了实验方案设计和对比切割实验，选取典型的材料低 碳钢、不锈钢和铝作为切割对象。切割实验研究不仅验证了大功率等离子弧 切割的优势，还得到了一套能够指导实际应用的2 0 0 a 切割机相关切割数 据，同时，也进行了不同工艺控制下的切割对比实验，进一步验证了本文提 出的工艺过程控制策略在数控等离子弧切割中的可行性及优越性。 关键词等离子弧切割；数值模拟；模糊控制；p i d 神经网络；切割性能 a b s t r a c t r e s e a r c ho nn u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g y o f i n v e r t e dp l a s m aa r c c u t t i n gm a c h i n e a b s t r a c t w i mr a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，m o r eh i 曲- p e r f o r m a n c e m a t e r i a l sa r eu s e di ns u c hi n d u s t r i e s 懿m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g ，c o n s t r u c t i o n ， s h i p b u i l d i n ga n ds oo n i ft h ec o n v e n t i o n a lf l a m ec u t t i n gm e t h o di sa d o p t e dt o c u tt h e s em a t e r i a l s ，s o m eo ft h e mc a n n o ts a t i s f yc u t t i n gq u a l i t yr e q u i r e m e n td u e t ot h e i rs t r o n gt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，h i g l lm e l t i n gp o i n t ，e a s yt of o r mh i g l l m e l t i n g p o i n t o x i d e sa n d h i g h v i s c o s i t ys l a g a n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s f u r t h e r m o r e ，t h ed i f f i c u l t yo fs e c o n d a r yp r o c e s sa n dt h ew a s t eo fm a t e r i a l sw i l l b ei n c r e a s e d w h e r e a s ，i n v e r t e dp l a s m aa r cc u r i n go c c u p i e sm o r ei m p o r t a n t p l a c ei nc u t t i n gf i e l db e c a u s eo fi t sh i g ha r cc o l u m nt e m p e r a t u r e ，h i g hf l a m ef l o w s p e e d ，w i d ea p p l i c a t i o n ，e x c e l l e n tc u t t i n gq u a l i t ya n dl o wc o s te tc e t e r a h o w e v e r ，t h e r ea r es t i l lm a n yd e f e c t si ne x i s t e n ti n v e r t e dp l a s m aa r cc u r i n g m a c h i n e s ，a n dd o m e s t i cw i d ea p p l i c a t i o ni sl i m i t e d t h ed e f e c t sa r es h o w ni nt h e f o l l o w i n g s t h et h e r m a lp o w e rd e n s i t yo fp l a s m aa r cp r o d u c e db yi n v e r t e d p l a s m ac u t t i n gm a c h i n ei sl o w e r i tc a u s e sw e a kc u r i n gc a p a c i t y ，p o o rq u a l i t y , l a r g ed i m e n s i o ne r r o r , l o we f f i c i e n c ya n db u r d e nw o r ki nf i n i s h i n gp r o c e s s ，a n d i ta l s ob r i n g st h ei n f l u e n c et os t a b i l i t yo fp l a s m aa r ca n dr e l i a b i l i t yo fs y s t e m w h e nc u t t i n gm i d d l e - t h i c kp l a t e s m e a n w h i l e ，t h e r ea r en on u m e r i c a lc o n t r o l c o m m u n i c a t i o na n da r cv o l t a g ef e e d b a c kf u n c t i o n s ，a n dm a c h i n ec a n n o tf i n i s h c u t t i n gp a r a m e t e r se x c h a n g e b e t w e e ni ta n dn u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m f u r t h e r m o r e ，t h em a c h i n ed o e sn o th a v eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ea n di ti s s e p a r a t e df r o mn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m t h ec u t t i n gp a r a m e t e r ss t o r a g ea n ds e t f u n c t i o n sc a n n o tb er e a l i z e d a l lt h e s ed e f e c t sw i l lb r i n gd i r e c ti n f l u e n c et ow i d e a p p l i c a t i o no fp l a s m aa r cc u t t i n gm a c h i n e t h en u m e r i c a li n v e r t e dp l a s m aa r cc u r i n gm a c h i n ei nt h i sp a p e ri sp r o p o s e d a n dd e v e l o p e db a s e do na b o v e m e n t i o n e dt e c h n o l o g i c a lb a c k g r o u n d i ti n c r e a s e s t h ec u r r e n tt o2 0 0 a ，t h e r e b yw i d e n i n gs l a g f r e ec u t t i n gr a n g ea n di m p r o v i n g e f f i c i e n c y ( t h et h i c k n e s so f s o f ts t e e li sn om o r et h a n5 0 m m ) a n e w t y p ep r o c e s s 1 1 1 c o n t r o ls t r a t e g yi s p r e s e n t e db a s e do na n a l y s i s o fp l a s m aa r cc o n d u c t i v e m e c h a n i s ma n dc u t t i n gp a r a m e t e r se f f e c t ，a n dw h e ns t a i n l e s ss t e e lp l a t ei sl e s s t h a n2 5 m m ，i ts t i l lc a nr e a l i z e h i g h p r e c i s i o nc u t t i n ga n di n c i s i o ns u r f a c e r o u g h n e s si sl e s st h a nim m i nt h e o r y ，t h i sp a p e rd i s c o v e r sa n dm a s t e r st h e r m a l p r o p e r t y ，f l a m ef l o wc h a r a c t e r i s t i ca n de l e c t r o m a g n e t i s mo fp l a s m aa n di tm a k e s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rs t a t i ca r co fp l a s m aa r cc u t t i n ga n da n a l y z e st h e i n f l u e n c eo nc u t t i n gp e r f o r m a n c e p l a s m aa r ci st h e r m a ls o u r c eo fp l a s m aa r cc u t t i n ga n di t sp r o p e r t yb r i n g s d i r e c ti n f l u e n c et oc u t t i n gp a r a m e t e r ss e ta n dc u t t i n gp e r f o r m a n c e f i r s t ，t h i s p a p e rs t u d i e sh i g h - p o w e rp l a s m a a r cc h a r a c t e r i s t i c s n u m e r i c a lm o d e li s e s t a b l i s h e di na s s u m e dc o n d i t i o n s t h ec o n t r o le q u a t i o no fp l a s m aa r cf l o wf i e l d i sb u i l ta n ds t a g g e r e d m e s hl a y o u tw a yi su s e di ns o l u t i o na r e a m o r e o v e r , f i n i t e v o l u m em e t h o di sa d o p t e dt od i s c r e t ec o n t r o le q u a t i o n i ns t a g g e r e d - m e s hs y s t e m ， b o u n d a r yc o n d i t i o n sa r es e ta n ds o u r c et e r m so fd i s c r e t ee q u a t i o na l ec o n s t r u c t e d t h es i m p l ea l g o r i t h mi su s e dt oo b t a i nc o r r e c tt e m p e r a t u r ef i e l da n df l a m ef l o w s p e e df i e l d a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni sm a d e t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t p l a s m aa r ct e m p e r a t u r ea n df l o ws p e e dh a v e r e m a r k a b l ei n c r e a s ea sc u r r e n ti n c r e a s e s ，a n dt h et h e o r e t i c a lb a s i so fp l a s m a c u r r e n ti n f l u e n c eo nf l o wf i e l da r eo b t a i n e db ya n a l y z i n ge l e c t r o m a g n e t i cf o r c e a n dt h e r m a le f f i c i e n c yo fp l a s m aa r c t h ei n v e r t e dp l a s m ac u t t i n gm a c h i n ei st h ek e ye q u i p m e n ti np l a s m ac u t t i n g p r o c e s s t h i sp a p e rb e g i n sw i t hn u m e r i c a lc o n t r o la n di n c r e a s e so u t p u tc u r r e n tb y i m p r o v i n gp r e c i s ec o n t r o la n dr e s p o n s eo fm a c h i n ei nt h et i m et or e a l i z et h e e f f e c t i v ea d j u s t m e n to fp l a s m ac u t t i n g 羽cf l u c t u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，i n c r e a s i n g t h eo u t p u tc u r r e n tt o2 0 0 a ad i g i t a li n v e r t e dp l a s m aa r cc u t t i n gm a c h i n ei s s t u d i e da n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e r , w h i c hc a ns a t i s f yl o g i c a lc o n t r o l ，i n t e r f a c e f u n c t i o n ，p a r a m e t e r ss t o r a g ea n ds e tf u n c t i o n sa n do t h e rr e q u i r e m e n t s t h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r w i t h d u a l c o r es t r u c t u r eo ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa n d s t c 8 9 c 5 8 r d + i sa d o p t e da sc o n t r o lc o r eo fc u t t i n gm a c h i n e b e c a u s ed s ph a s f a s tc a l c u l a t i o n ，h i g h p r e c i s i o n ，s t r o n gd a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t y , r i c hi o r e s o u r c ea n dm i c r o c o n t r o l l e ru n i th a ss t r o n gc o n t r o la b i l i t y , t h er e a l - t i m ea n d e f f e c t i v eo n l i n ec o n t r o lf o rc u t t i n gp r o c e s sc a l lb er e a l i z e d f u r t h e r m o r e ，an e w - t y p ef u z z y - p i dn e u r a ln e t w o r kc o n t r o ls t r a t e g yi s i v a b s t r a c t i n t r o d u c e di nt h i s p a p e r i tc o m b i n e sd i g i t a l c o n t r o l l e rh a r d w a r e p l a t f o r m d e v e l o p e di nt h i sp a p e ra n di ti sa i m e dt os o l v en o n l i n e a rv o l t a m m e t r i cp r o p e r t y o fp l a s m aa r ca n dm u l t i - p a r a m e t e r ss t r o n g c o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i ci nc u t t i n g p r o c e s s t h ec l o s e l o o pc o n t r o lo fo p t i m i z e dg i v e nc u r r e n ti sr e a l i z e db yv a r i a b l e i n t e r v a lf u z z yq u a n t i f i c a t i o na l g o r i t h mw i t hs e l f - a d j u s t i n gf a c t o ri nf u l ld o m a i n t h ep i dn e u r a l n e t w o r k ( p i d n n ) i s i n t r o d u c e dt om a k e d e c o u p l i n g o p t i m i z a t i o np r o c e s s i n go ff e e d b a c kp a r a m e t e r sa n dg i v e np a r a m e t e r si nc u t t i n g p r o c e s s t h ec o n v e n t i o n a lm e t h o dm a k e sc l o s e - 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