数字组合阀及其改进用于激光切割和焊接有关气体的控制制造技术

本发明专利技术公开了数字组合阀及其改进用于激光切割和焊接有关气体的控制，其特征在于将数字组合阀用于激光切割辅助气体压力和激光焊接保护气体流量的控制；所述数字组合阀由开关阀控制通断的具有离散数字化固定节流流通截面积的多个分支节流通道并联构成，用于对气体压力和流量进行离散数字化控制；可以采取设置连续调节流通截面积的并联分支节流通道的改进措施，用于气体压力和流量局部连续调节，在线校正气体压力和流量，克服了数字组合阀应用存在的气体压力和流量不能连续调节

【技术实现步骤摘要】
数字组合阀及其改进用于激光切割和焊接有关气体的控制


[0001]本专利技术涉及数字组合阀及其改进，应用于激光切割辅助气体压力控制和激光焊接保护气体流量控制的

。

技术介绍

[0002]数字控制阀门，简称数字阀，是指用开关量
0/1
二进制数信号控制调节阀口开度（即流通截面积）输出离散的逼近连续的流体压力和流量的控制阀门，包括增量式数字阀
、
脉冲调制式数字阀和数字组合阀（也称组合式数字阀）
。
增量式数字阀，是步进电机驱动移动阀芯调节阀口开度，来控制输出离散的逼近连续的流体压力和流量，使用丝杆螺母等机械传动机构将旋转运动转换为阀芯直线位移，存在机械磨损，不适于频繁操作；脉冲调制式数字阀，如
PWM
脉宽调制式数字阀，通过调节脉冲时间占空比，控制高速电磁开关阀的开关时间，来控制流体输出的平均流量，只适用于小流量控制，且频繁开关高速电磁开关阀，会影响阀门使用寿命；
[0003]数字组合阀，是由电磁开关阀控制通断的多个分支节流通道并联构成，各个并联分支节流通道的节流流通截面积之比是
20:21:22:23:
…2（
n
‑1）
，
n
为开关阀及其控制的并联分支节流通道数量，开关阀的开关状态控制对应并联分支节流通道的开通和关断状态，数字组合阀的流通截面积是所有处于开通状态的并联分支节流通道节流流通截面积之和，通过控制各个开关阀的开关状态组合形成数字组合阀不同的流通截面积，从而控制输出离散数字化的逼近连续的流体压力和流量值，具有控制简单，响应速度快，重复精度高，抗干扰性能好，可靠性高的优点，不足是不能连续调节流通截面积，且要求离散数字化值越逼近连续值，所需流通截面积分度越细，开关阀数量越多，体积越大，成本越高，主要用于液压机械等对控制精度要求不高的领域；由于气体的可压缩性，气体的控制比液体的控制要复杂，所以，数字组合阀在气体控制领域很少应用，目前应用于高压气体控制的少数特殊领域，如文献（程雅楠，徐志鹏，高压气动压力流量复合控制数字阀压力特性研究，
《
液压与气动
》
，
2016
，第1期：
51
‑
54
）中提到数字阀用于武器装备和航空等特殊领域，控制高压气体压力达到
20MPa （即
200bar
），如中国专利（申请号：
201611030323.0
一种数字阀流量的分段控制算法），提到由电磁阀和不同喉道截面积的文氏管组成数字阀应用于空气动力学风洞实验领域
。
[0004]由于数字组合阀，采用数字控制，具有控制简单，响应速度快，重复精度高等优点，期望将数字组合阀，应用于激光切割辅助气体压力控制以及激光焊接保护气体流量控制
。
[0005]激光切割过程中用辅助气体将激光熔化板材产生的熔融物吹走，形成切割缝隙，通常使用辅助气体有
O2、N2或压缩空气
。
每切割一个封闭轮廓，依次经历穿孔和切割，激光穿孔用较低辅助气体压力（通常不超过
1bar
），激光切割用较高辅助气体压力（
O2不超过
10bar
，
N2不超过
30bar
），且切割小孔和较大封闭轮廓采用不同的辅助气体压力；切割大量封闭轮廓，不断地重复经历着开通辅助气体
、
调节到较低的穿孔辅助气体压力
、
调节到较高的切割辅助气体压力和关断辅助气体的气体压力调节切换控制过程
。
激光切割辅助气体压
力控制的现有技术有：（1）采用手动节流阀（或减压阀）和开关式电磁阀串联连接组成的气体控制单元，手动调节节流阀设定辅助气体压力，数字控制开关式电磁阀的开关状态，从而控制辅助气体的开通和关断状态；穿孔和切割各用一路气体控制单元，两路气体控制单元并联连接，相互切换使用，具有控制简单，响应动作快的优点，不足是手动调节重复精度差，且不能在激光切割程序中设定气体压力，以便满足切割不同大小轮廓采取不同辅助气体压力的控制需求；（2）采用高速开关电磁阀控制先导气体的气体压力自动调节比例阀，能动态实时调节稳定气体压力，控制精度高，满足激光切割气体需要，但是，每切换一次辅助气体压力值，都需要高速电磁开关阀反复开关多次，频繁调节切换辅助气体压力，需要频繁开关高速电磁开关阀，导致使用寿命短；（3）采用电磁比例阀，能动态实时调节稳定气体压力，控制精度高，满足激光切割气体需要，不足是对于较高气体压力
、
通径较大的电磁比例阀，能耗较高
。
[0006]激光焊接过程中用到气体保护焊缝及其周围区域不被氧化，通常采用
CO2、Ar、He、
有时少量
O2的混合气体作为保护气体，需要控制调节保护气体输出流量（不超过
100L/min
，小于
6bar
），通常对用较大的激光功率和速度焊接，需要用较大的保护气体流量；用较小的激光功率和速度焊接，需要较用小的保护气体流量
。
现有激光焊接保护气体流量控制技术有：（1）采用手动节流阀和开关式电磁阀串联连接的气体控制流量单元，手动节流阀调节控制保护气体输出流量，数字控制开关阀的开关状态控制保护气体的开通和关断状态，具有控制简单，响应动作快等优点，不足是手动调节重复精度差，且不能在激光焊接程序中设定保护气体流量，以满足激光焊接中采用不同流量的需求；（2）采用气体质量流量控制器，由电子质量流量计（流量传感器）和电磁比例阀串联组成，用电子质量流量计测量反馈气体输出流量，自动控制连续调节电磁比例阀阀口开度，控制调节保护气体输出流量，具有控制精度高的优点，不足是造价高，较少采用
。
[0007]数字组合阀应用于激光切割辅助气体压力和激光焊接保护气体流量控制，需要面对克服的问题是：（1）数字组合阀不能连续调节流通截面积，气体输出压力和流量是离散数字化的逼近连续值，如要求离散数字化值越逼近连续值，所需流通截面积离散数字化分度越细，所需开关阀数量越多，体积越大，成本越高；（2）数字组合阀采用开环控制，即不进行气体输出压力或流量测量反馈与目标值比较自动调节，受供气压力波动等影响，可能导致气体输出压力和流量与设定目标值存在偏差，需要在线辅助校正气体输出压力和流量值；（3）数字组合阀采用闭环控制，即将气体输出压力或流量测量值反馈与设定目标值比较来通过自动调节数字组合阀流通截面积缩小二者之间的偏差，所经历的自动控制调节过程是设定一个气体压力或流量目标值，打开数字组合阀中一些开关阀，开通对应分支节流通道，产生一个数字组合阀流通截面积值，测量气体输出压力或流量值，反馈与目标值比较，利用自动控制中通用
PID
算法计算增大或缩小数字组合阀流通截面积的调节量，接着关闭一些开关阀，关断对应分支节流通道，同时打开另一些开关阀，开通相应分支节流通道，缩小气体输出压力或流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
数字组合阀及其改进用于激光切割和焊接有关气体的控制，其特征在于，将数字组合阀用于激光切割辅助气体压力和激光焊接保护气体流量的控制；所述数字组合阀由开关阀控制通断的具有离散数字化固定节流流通截面积的多个分支节流通道（简称数字通道）并联构成，用于对气体压力和流量进行离散数字化控制；所述数字组合阀采用开环控制，可以采取设置手动连续调节通道流通截面积的并联分支节流通道（简称手动连续通道）的改进措施，对气体压力和流量进行局部连续调节，在线辅助校正气体压力和流量；所述数字组合阀采用闭环控制，采取设置自动连续调节通道流通截面积的并联分支节流通道（简称自动连续通道）的改进措施，在线实时自动调节校正气体压力和流量；采取改进措施后的数字组合阀简称为改进式数字组合阀，对于并联手动连续通道的，简称为手动改进式数字组合阀，对于并联自动连续通道的，简称为自动改进式数字组合阀，对于并联手动连续通道和自动连续通道的，简称为手动自动改进式数字组合阀；改进式数字组合阀的流通截面积是所有处于开通状态的数字通道和连续通道的节流流通截面积之和，通过控制各个数字通道的开通和关断状态组合，以及调节连续通道节流流通截面积，来改变数字组合阀的流通截面积，从而控制气体输出压力和流量
。2.
根据权利要求1所述的数字组合阀，其特征在于，所述的每个数字通道都由一个开关阀和一个固定节流孔串联构成，节流孔孔径大小决定了该数字通道的节流流通截面积；所述开关阀的开关状态控制该数字通道的开通和关断状态，采用开关量数字控制各个数字通道开关阀开关状态组合，对应各个并联数字通道开通和关断状态组合，形成所述数字组合阀的不同流通截面积；所述的每个数字通道都具有不同的离散数字化固定节流流通截面积，各个数字通道的节流流通截面积之比为
s0:s1:s2:s3:
…
s
i
:
…
s
（
n
‑1）
=20:21:22:23:
…2i
:
…2（
n
‑1）
，2i
是二进制位权数，
i
取
0、1、2、
…
、n
‑1，
n
为数字通道及其控制开关阀的数量，
n
取值大于3，称为
n
通道数字组合阀，其流通截面积
s
d
等于所有处于开通状态的数字通道的节流流通截面积之和，即
S
d
==s0，其中：
s0为数字通道中的最小节流流通截面积；表示第
i
个数字通道控制开关阀的开关状态值，取0或1，取0表示第
i
个数字通道及其开关阀处于关断状态，取1表示第
i
个数字通道及其开关阀处于开通状态；用最小节流流通截面积
s0的整数倍数数字表示数字组合阀流通截面积
S
d
/s0=
，各个数字通道取值不同，通过数字组合形成
0、1、2、3、
…
、
（2n
‑1）共2n
个流通截面积数字，对应形成
0、1s0、2s0、3s0、
…
、
（2n
‑1）
s0的2n
级离散数字化的逼近连续的流通截面积
。3.
根据权利要求1中所述的数字组合阀及其改进用于激光切割和焊接有关气体的控制，其特征在于，所述的手动连续通道，由手动节流阀和开关阀串联构成，开关阀的开关状态对应控制该手动连续通道的开通和关断状态，通过手动连续调节手动节流阀阀口开度，改变所述手动连续通道的节流流通截面积，用于气体输出压力和流量的局部连续调节；在激光切割或激光焊接程序运行过程中，如气体输出压力或流量值偏离设定目标值，通过手动连续调节手动节流阀阀口开度，在线辅助校正气体输出压力或流量值，以便初步达到维持设定目标值
。4.
根据权利要求1中所述的数字组合阀及其改进用于激光切割和焊接有关气体的控制，其特征在于，所述的手动连续通道，由数字组合阀的某个数字通道串联接入手动节流阀构成，包括该数字通道的固定节流孔和手动节流阀阀口两个串联的节流孔，且要求手动节
流阀阀口处于最大开度时阀口节流流通截面积大于该数字通道固定节流孔流通截面积；当手动节流阀阀口处于最大开度时，起节流作用的是该数字通道的固定节流孔，呈现为数字通道特征；当手动节流阀阀口小于该数字通道固定节流孔时，起节流作用的是手动节流阀阀口，该数字通道呈现为手动连续通道特征，把这种兼有手动连续调节的数字通道简称为手动连续数字通道；通过手动连续调节手动节流阀阀口开度，改变所述手动连续数字通道的节流流通截面积，用于气体输出压力和流量的局部连续调节；在激光切割或激光焊接程序运行过程中，如气体输出压力或流量值偏离设定目标值，通过手动连续调节手动节流阀阀口开度，在线辅助校正气体输出压力或流量，以便初步达到维持设定目标值
。5.
根据权利要求1中所述的数字组合阀及其改进用于激光切割和焊接有关气体的控制，其特征在于，所述的自动连续通道，由小通径电磁比例阀或开关阀和小通径电磁比例阀串联构成，通过电气信号驱动电磁比例阀连续调节其阀口开度，改变所述自动连续通道的节流流通截面积，用于气体输出压力和流量的局部连续调节；在激光切割或激光焊接程序运行过程中，如气体输出压力或流量值偏离设定目标值，通过自动控制连续调节电磁比例阀阀口开度，在线实时调节校正气体输出压力或流量值，以便精确地控制达到维持设定目标值
。6.
根据权利要求1所述的数字组合阀及其改进用于激光切割和焊接有关气体的控制，其特征在于，所述的数字组合阀及其改进的控制方法是：（1）对于未设置连续通道的数字组合阀和设置手动连续通道的手动改进式数字组合阀，优先选择采用开环控制，用于激光切割辅助气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：李卓卉，李彦文，
申请(专利权)人：北京智光宇科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：