等离子自动高低调节器是切割机中必不可少的配套设备，广泛应用于大型装备制造、造船和切割等领域，其主要功能是保证切割割炬与被切割工件保持最佳切割距离，消除由被切割工件的不平度变化引起的加工精度误差。切割机在工作过程中不能准确获取切割割炬与钢板的距离，这就必然影响钢板的切割质量。切割的弧电流强光会给操作人员造成视觉疲劳。因此，给出了一种基于传感器的设计方案，保证切割过程中割缝宽度均匀，切割精度提高。
2 系统设计
该设计方案利用传感器效应原理产生随磁场变化而产生变化的电压，把变化的电压送到自动高低调节器，控制割炬的上升与下降，形成一个闭环的自动高低调节系统，如图1所示。该闭环自动控制系统由霍尔传感器、自检器、高频滤波器、运算放大器、比较器、断弧提升器、模拟开关手动自动转换器、光电耦合器、三态门互锁器、电机驱动器以及机械丝杆传递定位系统组成。从而能在切割过程中实时控制割炬与钢板的距离，有效保证钢板的切割质量。
2．1 传感器
将一块导体板置于磁场，使磁场的磁感应强度B的方向与板垂直，当导体板中流经一定电流时，垂直于磁场和电流方向的导体板的横向两侧会产生一定的电势差，这一现象称为霍尔效应。霍尔传感器是根据该原理制成的。它共有4个接线端，分别为接地、+5 V，-5 V和电压输出，水电缆通过中间空心圆。
等离子发生器起弧后，传感器采集割炬与钢板之间的电流，水电缆中的电流穿过传感器，在其周围产生恒定磁场。向传感器预先施加一恒压，产生一恒定电流，传感器则输出霍尔电压。如果切割电流有微小变化，则产生变化的磁场，而输出的霍尔电压也是变化的，这样就把切割中的变化电流转化为变化电压，输出的霍尔电压包含有干扰信号，其高频信号的范围较宽，这就需对信号电压进行高频滤波，从而获取有用信号，再将其信号送至等离子自动高低调节器。以运算放大器C1的引脚1的输出电压作为自检电压，并通过调节VR1改变其输出电压，也可以模拟霍尔传感器输出电压。
2．2 高频滤波电路
高频滤波电路由C1，L1，R1组成。由于高频信号经LM324运算放大器后，还有部分杂散的高频信号没有滤除，电容C1用于滤除高频信号，而电感L1阻碍高频信号，只允许被检波的低频解调信号通过，这样在负载R1上就建立了微弱的电压信号。
2．3 差分运算放大器
运算差分放大器采用LM324。R1上的电压输入B1的引脚3，引脚3缓冲输出，用于隔离信号源，提高负载驱动能力。D2和D3二极管具有箝位作用，正向导通，信号电压被耦合至R2，R2上的电压随R1变化，具有电压跟随器的作用，R2的电压输入至后续B2的12引脚，14引脚和8引脚分别输出电压V14和V8。采用双端输入、单端输出放大信号，将B3的8引脚和B2的14引脚的输出信号输入至差分放大器B4的5引脚和6引脚，由B4的7引脚输出放大后的信号。
2．4 比较器
控制系统中的比较器将差分运算放大器B4输出的电压施加至LM339比较器的E3和E4的5引脚和6引脚，而4引脚和7引脚被二极管D5箝位于0．3 V。当差分运算放大器输出的电压落在5引脚和6引脚中，即输出电压比E3的4引脚电压低，而高于E4的7引脚，比较放大器的E3的2引脚和E4的1引脚无电压输出。这时割炬与钢板的距离保持静止，发光二极管D19和D20不亮。当电压高于E3的4引脚电压，比较器E3的2引脚输出高电平，D19点亮；当电压低于E4的7引脚，比较器1引脚输出高电平，D20点亮，从而指示割炬的升高或降低。调节VR3电位器中点电压，改变E4的4引脚和7引脚电压，使其始终箝位于0．3 V，实际上就是改变割炬离钢板的实际距离。由图2看出，当割炬离钢板时，霍尔传感器和B4都输出低电压，甚至低于E2的8引脚电压。使E2的14引脚输出低电平，从而控制M1模拟开关的12引脚和6引脚，M1变为开路状态。比较器信号无法通过，割炬保持静止。
2．5 断弧提升器
起弧后，霍尔传感器产生的电压通过D1送至E1的11引脚，由于E1的10引脚的发光二极管被箝位于2 V，所以当霍尔传感器起弧后输出电压低于2 V时就为断弧，处于断弧状态时E1的11引脚电压比10引脚电压低，13引脚输出低电平，该下降的低电平通过微分电路C2和R17产生下降的负向微分信号来触发NE555单稳态2引脚。NE555在电源打开瞬间产生一个控制模拟开关的输出电压，选通模拟开关，这样M1的脉冲能够顺利通过引脚，使割矩产生提升动作，从而为自动定位作好准备。即使在数控机切割爬坡过程中，突然断弧。割炬也会顺速提升，割炬避免与钢板碰撞，从而保护割炬。
2．6 模拟开关手动自动转换器
模拟开关是由两片CD4066集成电路组成，用于控制手动和自动调节割矩高低。自动状态下，K3处于自动档位，控制M2的6引脚和12引脚来选通M2，使上升信号和下降信号顺利通过M2模拟开关，发光二极管D21可指示自动和手动状态，D21点亮时表示自动状态，反之为手动状态。也可通过手动调节SBl和SB2，以实现割矩高低调节。
2．7 定位起弧电路
自动定位时，K3处于自动状态，按下SB3按钮，触发单稳态556器件C1的6引脚，其5引脚输出的高电平通过D28加到M1的5引脚，选通模拟开关M1的3引脚和4引脚，这时F1器件的9引脚输出振荡方波加到M1的3引脚。由于K3处于自动状态，M2的6引脚和12引脚处于高电平，振荡方波通过M2传输给光电耦合驱动电机电路，从而驱动直流电机正转。通过丝杠带动割炬向下运动，割炬碰到钢板，钢板顶起割炬，直到割炬触头碰到微动开关L1。L1微动开关闭合，触发单稳态延时电路G2的8引脚，9引脚输出阶跃上升信号，可迅速输入到G1的2引脚复位端，使5引脚停止输出高电平，以终止割炬继续下降。该信号同时通过D29加到模拟开关M1的13引脚，以选通M1的1引脚和2引脚，这时G2的9引脚输m的振荡方波加到M1的1引脚，由于K3处于自动状态，M2的11引脚和10引脚处于选通状态，振荡方波通过M2的11引脚和10引脚，传输到光电耦合驱动电机电路，从而驱动直流电机反转，G2的9引脚延时单稳时间或割炬上升定位时间，或直流电动机反转提升割炬时间。定位后，G2触发单稳态电路H器件555的2引脚，H通过R31和C13时间常数的积分延时，3引脚输出一个脉冲方波，通过D29和光耦，使继电器上电，常开触点闭合，启动起弧开关，传送至等离子发生器，使得强大的电流击穿钢板，起弧成功。霍尔传感器采样起弧信号，输出电压，传送至B1的3引脚，使B1的1引脚输出变化的电压，从而实现调节。
2．8 可变占空比产生器
手动和自动振荡器组成可变占空比发生器，其原理是由F1与R40、R41、VR5、D32、D33、C16组成无稳态多谐振荡器。D32、D33分别是充电和放电回路的导通管。
调节VR5不会影响振荡周期T，但可改变占空系数，即改变脉冲宽度，也就是改变电机的旋转速度和割炬的上升速度和下降速度。
2．9 光电耦合与电机驱动电路
比较电路的高低调节信号通过光耦VLC1和VLC3传送至功率驱动电路，使得电机驱动电路与模拟开关电路光电隔离，这样可减少模拟开关电路的干扰。光电耦合与电机驱动电路如图4。
相关商机: