中厚板机器人数字化等离子切割系统及工艺研究

发布时间：2017-09-19 09:02

  本文关键词：中厚板机器人数字化等离子切割系统及工艺研究

  更多相关文章： 中厚板 机器人 等离子切割 数字化控制 切割工艺

【摘要】：近年来,中厚板钢材在钢铁工业应用中的比例逐年增加;其中,2015年应用于桥梁、船舶、航空等领域的中厚钢板产量已高达1.3亿吨,迫切需要优质、高效和低成本的中厚板热切割系统。在中厚板热切割领域,等离子切割由于最高的技术与经济性而具有广泛应用前景。现阶段,大功率等离子切割电源启动稳定性差、控制精度低、数字化程度低、集成度低等缺点,成为限制其在中厚板领域推广应用主要原因。因此,开展中厚板机器人数字化等离子切割系统及工艺性能研究具有重要的理论与工程意义。在广东省工业高新技术领域科技计划项目(项目编号:2013B010402007)以及广东省数控一代机械产品创新应用示范工程专项资金项目(项目编号:2013B011302006)的资助下,本文针对中厚板等离子切割存在的问题,结合机器人技术和数字化控制技术,设计开发了集稳定性、工艺性、系统性于一体的机器人数字化等离子切割系统。论文首先阐述并分析了等离子切割设备与工艺的研究现状以及发展趋势;结合中厚板等离子切割工艺要求,完成机器人等离子切割系统的整体设计。其中,切割系统设计主要包括数字化切割电源设计、水电气控制箱设计、机器人控制设计。数字化等离子切割电源主电路设计主要包括三相EMI滤波器设计、功率主电路设计、高频起弧模块设计。切割系统硬件电路设计主要以STM32F405RGT6为核心搭建外围控制电路,包括MCU最小系统设计、控制电路设计、故障诊断电路设计、通信与隔离电路设计。切割系统软件设计主要以FreeRTOS实时内核为编程环境,基于MDK-ARM平台开发设计了控制系统主程序、电流软启动程序、数字化均流程序、系统故障中断保护程序、通信系统程序。最后,在模拟负载和实际切割状态下,以搭建的机器人数字化等离子切割系统为实验平台,进行输出波形、电流软启动、均流与效率、模拟拉弧实验等测试;通过改变PID、气体压力、切割电流、切割速度、喷嘴直径等参数进行了大量的中厚板低碳钢切割工艺实验,利用实验仪器采集波形及割缝质量数据,并对不同参数的实验结果进行对比分析。结果表明,本文设计的中厚板机器人数字化等离子切割系统,具有启动稳定性好、控制精度高、数字化程度高等优点;结合机器人控制实现良好的工艺性能,切面平整度、坡角及挂渣量达到了类激光切割水准,进一步验证了本设计的可行性和正确性。
【关键词】：中厚板 机器人 等离子切割 数字化控制 切割工艺
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242;TG483
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-30
• 1.1 课题研究背景及意义12-13
• 1.2 常用热切割技术及经济性对比13-16
• 1.2.1 火焰切割基本原理及其现状概述14-15
• 1.2.2 激光切割基本原理及其现状概述15-16
• 1.3 等离子切割原理及对电源的性能要求16-19
• 1.3.1 等离子切割原理概述16-17
• 1.3.2 中厚板等离子切割对电源性能的要求17-19
• 1.4 等离子切割的研究现状及发展趋势19-24
• 1.4.1 国内外等离子切割电源研究现状19-23
• 1.4.2 国内外等离子切割工艺研究现状23-24
• 1.4.3 等离子切割发展趋势24
• 1.5 等离子切割工艺的研究内容24-28
• 1.5.1 等离子切割工艺影响因素24-27
• 1.5.2 等离子电弧特性27-28
• 1.5.3 等离子切割电源影响28
• 1.6 课题研究的主要内容28-30
• 第二章 机器人等离子切割系统总体设计30-47
• 2.1 等离子切割电源总体方案30-31
• 2.1.1 等离子切割电源性能指标30
• 2.1.2 等离子切割电源总体设计30-31
• 2.2 三相EMI滤波器设计分析31-35
• 2.2.1 基本结构32
• 2.2.2 工作原理及建模分析32-34
• 2.2.3 参数设计34-35
• 2.3 功率主电路设计35-44
• 2.3.1 拓扑结构选择35-37
• 2.3.2 工作原理分析37-38
• 2.3.3 输入整流器件选型38-39
• 2.3.4 功率管IGBT选型39
• 2.3.5 RC缓冲吸收电路设计39-41
• 2.3.6 主变压器设计41-43
• 2.3.7 输出整流器件选型43-44
• 2.4 水电气控制箱设计44
• 2.5 高频起弧模块设计44-46
• 2.4.1 引弧电路原理分析45
• 2.4.2 引弧控制电路设计45-46
• 2.6 本章小结46-47
• 第三章 数字化切割系统硬件设计47-64
• 3.1 控制系统的总体设计47-48
• 3.2 MCU最小控制系统设计48-49
• 3.3 控制电路设计49-57
• 3.3.1 PWM信号产生电路设计50-51
• 3.3.2 IGBT驱动电路设计51-52
• 3.3.3 电流电压采样电路设计52-57
• 3.4 故障诊断保护电路设计57-60
• 3.4.1 过流保护电路设计57-58
• 3.4.2 欠压过压保护电路设计58-59
• 3.4.3 缺相保护电路设计59
• 3.4.4 过热保护电路设计59-60
• 3.5 隔离电路设计60-63
• 3.5.1 线性光耦隔离电路设计60-61
• 3.5.2 通信隔离电路设计61-63
• 3.6 本章小结63-64
• 第四章 数字化切割系统软件设计64-83
• 4.1 基于MDK-ARM软件开发环境64-65
• 4.2 控制系统主程序设计65-68
• 4.2.1 程序模块化设计65-66
• 4.2.2 控制主程序设计66-68
• 4.3 电流软启动程序设计68-73
• 4.3.1 PID控制策略69-72
• 4.3.2 电流软启动方案设计72-73
• 4.4 数字化均流程序设计73-79
• 4.4.1 模拟均流方法74-77
• 4.4.2 数字均流方法77-78
• 4.4.3 基于DSC的数字化均流方案设计78-79
• 4.5 故障中断保护程序设计79-80
• 4.6 通信系统软件设计80-82
• 4.7 本章小结82-83
• 第五章 试验及数据分析83-109
• 5.1 试验平台介绍83-85
• 5.2 等离子切割电源整机波形测试85-87
• 5.2.1 驱动波形测试85-86
• 5.2.2 变压器波形测试86-87
• 5.2.3 输出波形测试87
• 5.3 等离子切割电源性能测试87-92
• 5.3.1 软件型电流软启动测试88
• 5.3.2 输出外特性测试88-90
• 5.3.3 动态响应特性测试90
• 5.3.4 数字化均流与效率测试90-91
• 5.3.5 拉弧实验测试91-92
• 5.4 等离子切割工艺试验92-108
• 5.4.1 PID对起弧性能与切割质量的影响93-95
• 5.4.2 气体压力对切割质量的影响95-100
• 5.4.3 切割电流对切割质量的影响100-104
• 5.4.4 切割速度对切割质量的影响104-107
• 5.4.5 喷嘴直径对切割质量的影响107-108
• 5.5 本章小结108-109
• 结论109-111
• 参考文献111-118
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果118-119
• 致谢119-120
• 答辩委员会对论文的评定意见120

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 殷浩澍;;等离子切割烟尘污染的解决方案[J];金属加工(热加工);2008年04期

2 ;纠正关于等离子切割的错误观念[J];航空制造技术;2010年01期

3 张敏;;维克多新一代自动等离子切割系统精彩亮相北京·埃森焊接展[J];金属加工(热加工);2013年14期

4 ;中心可调式等离子切割枪及等离子切割在我厂的应用[J];焊接;1972年02期

5 ;我厂氮气等离子切割的改进[J];化工炼油机械通讯;1974年02期

6 ;氮气等离子切割的改进[J];化工与通用机械;1974年Z1期

7 ;氮+氢等离子切割[J];焊接;1975年05期

8 ;等离子切割的劳保技措[J];劳动保护;1978年06期

9 ;水压缩弧等离子切割枪的研制与工艺试验[J];焊接;1978年03期

10 唐谊光,汪清学,熊先赞;消除等离子切割氮氧化物的尝试[J];劳动保护;1979年07期

中国重要会议论文全文数据库 前5条

1 王永飞;;等离子切割技术概况及应用[A];第十六次全国焊接学术会议论文摘要集[C];2011年

2 薛武;楠元一臣;陈庆官;杨迎强;;等离子切割声音监测系统的开发[A];第二届长三角地区传感技术学术交流会论文集[C];2006年

3 张文武;程良伦;;基于神经网络的等离子切割过程参数智能决策的研究[A];中国自动化学会中南六省（区）2010年第28届年会·论文集[C];2010年

4 王麟;杨永才;;基于DSP的等离子切割电源的研究[A];2007'中国仪器仪表与测控技术交流大会论文集（二）[C];2007年

5 何良宗;刘宝其;朱国荣;段善旭;李勋;;基于电磁兼容的逆变式直流弧焊及等离子切割电源控制板的多层PCB板设计[A];2008中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会论文摘要集[C];2008年

中国重要报纸全文数据库 前2条

1 记者 白茂槐　通讯员 王玉平 刘俊英;包钢西创电气职工发明全自动等离子切割设备[N];中国冶金报;2011年

2 才永欣　苑征;新型自动等离子切割系统研制成功[N];石油管道报;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 李孟;中厚板机器人数字化等离子切割系统及工艺研究[D];华南理工大学;2016年

2 沈会;等离子切割电源的气路系统研究与设计[D];上海交通大学;2013年

3 伍健;等离子切割高性能电源系统的研究[D];南京航空航天大学;2010年

4 雷冬雪;单相逆变空气等离子切割电源的研究[D];吉林大学;2008年

5 唐忠华;单相逆变空气等离子切割电源的研究[D];吉林大学;2007年

6 宗俭;等离子弧压调高控制器研究[D];哈尔滨工程大学;2006年

7 朱敏伟;等离子切割CAD/CNC一体化系统研究开发[D];南京航空航天大学;2008年

8 方小鑫;50kW级全数字逆变式等离子切割电源的研究[D];华南理工大学;2015年

9 姜蓓;机器人等离子切割离线编程技术[D];上海交通大学;2008年

10 徐华荣;等离子（水介质）切焊机控制面板与喷枪结构设计[D];合肥工业大学;2012年

，

本文编号：880706