ES2572942T3 - Detección de casos de fallo en un soplete de arco de plasma - Google Patents

Abstract

Un método para determinar un caso de fallo de un consumible para un soplete de plasma, comprendiendo el método: supervisar, al menos, uno de un voltaje de funcionamiento o una corriente de funcionamiento durante un modo de transferencia de arco del soplete de arco de plasma (106); determinar cuándo al menos un parámetro asociado con la corriente de funcionamiento o el voltaje de funcionamiento excede un umbral de tolerancia durante un período de tiempo indicativo del caso de fallo (108, 110); e interrumpir, al menos, uno del voltaje de funcionamiento o la corriente de funcionamiento del soplete de arco de plasma cuando dicho al menos un parámetro excede el umbral de tolerancia durante el período de tiempo (112, 114).

Description

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DESCRIPCION

Deteccion de casos de fallo en un soplete de arco de plasma SOLICITUDES RELACIONADAS

Esta solicitud reivindica el beneficio y la prioridad de la solicitud provisional de EE. UU. n.° 61/365.095, presentada el 16 de julio de 2010.

CAMPO DE LA INVENCION

La presente invencion se refiere, en general, a sopletes de arco de plasma y, mas particularmente, a la identificacion de casos de fallo de consumibles en un soplete de arco de plasma.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

Los sopletes de arco de plasma se usan ampliamente en el calentamiento, corte, ranurado y marcado de materiales. Un soplete de plasma incluye, en general, un electrodo, una boquilla que tiene un orificio de salida central dispuesto dentro de un cuerpo de soplete, unas conexiones electricas, unos pasos para refrigeracion y unos pasos para fluidos de control del arco (por ejemplo, gas de plasma). Opcionalmente, se emplea un anillo de turbulencia para controlar los patrones del flujo de fluido en la camara de plasma formados entre el electrodo y la boquilla. En algunos sopletes, se puede usar un casquillo de retencion para mantener la boquilla y/o el anillo de turbulencia en el soplete de arco de plasma. En funcionamiento, el soplete produce un arco de plasma, que es un chorro estrechado de un gas ionizado con alta temperatura y alta cantidad de movimiento.

Los consumibles de un soplete de arco de plasma son susceptibles a fallos. La vida de los consumibles puede fluctuar de manera aleatoria dependiendo de numerosos factores controlables e incontrolables. La capacidad para detectar el fin de la vida de los consumibles, o de sus fallos, puede proporcionar muchos beneficios, incluyendo la reduccion de la necesidad de que el operario preste atencion, al aumentar las posibilidades de automatizacion, la reduccion del tiempo inactivo de la maquina de corte, al reducir la inspeccion de los consumibles, el aumento de la vida eficaz de los consumibles, al reducir la sustitucion de los consumibles prematuros, el aumento de la productividad, al reducir la posibilidad de fallo de los consumibles semicortados, y la reduccion de danos a otros componentes causados por un fallo de los consumibles.

Un fallo a modo de ejemplo de los consumibles se presenta cuando la punta de un electrodo de un soplete de arco de plasma, incluyendo el emisor del soplete, se funde y sale desprendida como consecuencia de la erosion del hafnio sobre el electrodo. Por consiguiente, el cuerpo de electrodo ya no puede mantener la punta en su sitio. Durante este caso, la carga termica para el soplete y los consumibles aumenta espectacularmente puesto que el arco esta en esta ocasion en contacto directo con el cuerpo de electrodo, la boquilla y, posiblemente, el elemento de blindaje.

Por lo tanto, si el arco no se interrumpe a tiempo, el calor puede danar otros componentes del soplete, tales como el anillo de turbulencia, el elemento de blindaje, el casquillo de retencion y, finalmente, el propio soplete de arco de plasma. Ademas de la ausencia de un emisor en un electrodo, otros fallos de los consumibles incluyen una gran perdida de material consumible o un arco de plasma que se emite fuera de una parte de un electrodo distinta del emisor.

Los fallos de los consumibles se pueden presentar tambien cuando unos consumibles incorrectos se instalan en un soplete de arco de plasma durante el funcionamiento del soplete. Un soplete de arco de plasma a modo de ejemplo se puede hacer funcionar a varios niveles de corriente diferentes, por ejemplo, 65 amperios, 85 amperios o 105 amperios. Cuando el soplete de arco de plasma funciona a 105 amperios, requiere un caudal mayor que durante el funcionamiento a 65 amperios. Debido al flujo de refrigeracion y/o los caudales de blindaje variables que se requieren para hacer funcionar el soplete de arco de plasma a niveles de corriente diferentes, se necesitan consumibles diferentes para el funcionamiento en cada nivel de corriente. Ademas, puede que se necesiten consumibles diferentes cuando se ajustan otros parametros de funcionamiento del soplete, por ejemplo, el amperaje, el tipo de material o la aplicacion.

El documento US-A-5756960 describe un metodo y un aparato para detectar el desgaste no axisimetrico del orificio de la boquilla de un soplete de arco de plasma, al medir el voltaje entre el electrodo y la pieza de trabajo durante una operacion de corte. La amplitud de las oscilaciones con dicho voltaje se compara entonces con un valor umbral correspondiente a la amplitud asociada con una buena boquilla. Si la amplitud es mayor que el valor umbral, entonces, la boquilla tiene erosion no axisimetrica.

El documento US-A1-2004/0182828 describe un proceso y un sistema para muestrear un parametro de soldadura, en particular el voltaje de arco, durante al menos un intervalo de tiempo de la operacion de soldadura a fin de detectar perturbaciones. La curva de medicion muestreada se puede comparar con un valor umbral fijo previamente ajustado.

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El documento US-A-5750957 describe un metodo para detectar y controlar la calidad de la soldadura en una operacion de soldadura por arco, muestreando las senales de corriente y voltaje de soldadura y determinando el estado de calidad de la soldadura basandose en la informacion incorporada en esas senales. El metodo incluye determinaciones basadas en la desviacion estandar de las senales electricas, el espectro de energfa sumado de las senales electricas y/o el valor absoluto medio del tiempo obtenido de las senales electricas.

SUMARIO DE LA INVENCION

Existe una necesidad de desarrollar sistemas y metodos para diagnosticar a tiempo un caso de fallo de los consumibles y llevar a cabo acciones apropiadas para impedir danos a otros componentes del soplete. Dichos enfoques de diagnostico y prevencion son ventajosos puesto que reducen los costes de funcionamiento totales de un soplete de arco de plasma. Estos enfoques son valiosos tambien para hacer concordar los consumibles correctos con las operaciones del soplete deseadas. Un caso (o condicion) de fallo puede hacer referencia a un fallo, un semifallo, un fallo probable o un fallo posible del consumible.

En un aspecto, se preve un metodo para determinar un caso de fallo del consumible para un soplete de plasma. El metodo incluye supervisar, al menos, uno de un voltaje de funcionamiento o una corriente de funcionamiento durante un modo de transferencia de arco del soplete de arco de plasma. El metodo incluye tambien determinar cuando al menos un parametro asociado con la corriente de funcionamiento o el voltaje de funcionamiento excede un umbral de tolerancia durante un penodo de tiempo indicativo del posible caso de fallo. El metodo incluye ademas interrumpir, al menos, uno del voltaje de funcionamiento o la corriente de funcionamiento del soplete de arco de plasma cuando dicho al menos un parametro excede el umbral de tolerancia durante el penodo de tiempo.

En otro aspecto, se preve un metodo para hacer funcionar un soplete de arco de plasma. El metodo incluye determinar una senal de funcionamiento durante un modo de transferencia de arco del soplete de arco de plasma y calcular un nivel de ruido asociado con la senal de funcionamiento. El metodo incluye tambien determinar cuando el nivel de ruido excede un umbral predeterminado durante un penodo de tiempo y proporcionar una senal de fallo cuando el nivel de ruido excede el umbral predeterminado durante el penodo de tiempo.

En otro aspecto, se preve un sistema de soplete de plasma. El sistema de soplete de plasma incluye medios para determinar una senal de funcionamiento durante un modo de transferencia de arco del soplete de arco de plasma y medios para calcular un nivel de ruido asociado con la senal de funcionamiento. El sistema de soplete de plasma incluye tambien medios para determinar cuando el nivel de ruido excede un umbral predeterminado durante un penodo de tiempo. El sistema de soplete de plasma incluye ademas medios para proporcionar una senal de fallo cuando el nivel de ruido excede el umbral predeterminado durante el penodo de tiempo. En algunas realizaciones, el sistema de soplete de plasma incluye ademas una fuente de alimentacion acoplada a los medios para determinar cuando el nivel de ruido excede el umbral predeterminado durante el penodo de tiempo de manera que la fuente de alimentacion se apaga cuando el nivel de ruido excede el umbral predeterminado durante el penodo de tiempo.

Aun en otro aspecto, se preve un componente que incluye un producto legible por ordenador realizado de modo tangible en un soporte de informacion, que se puede hacer funcionar en un controlador numerico por ordenador (CNC) para su uso en un sistema de soplete de plasma. El producto legible por ordenador incluye informacion para realizar una operacion sobre una pieza de trabajo usando un soplete de arco de plasma. La informacion incluye instrucciones tales que, mientras se realiza la operacion, se apaga una corriente de funcionamiento del soplete de arco de plasma si un nivel de ruido asociado con una senal de funcionamiento excede un umbral predeterminado.

Aun en otro aspecto, se preve un metodo para detectar un caso de fallo del consumible de un sistema por arco de plasma. El sistema por arco de plasma tiene un controlador y un soplete de arco de plasma. El metodo incluye que el controlador supervise, al menos, uno de un voltaje de arco o una corriente de funcionamiento del soplete de arco de plasma para el caso de fallo. La supervision del posible caso de fallo incluye, al menos, uno de: supervisar un primer parametro asociado con una corriente de funcionamiento que incluye (a) amplitud de la corriente, (b) regimen de cambio de la corriente, o (c) fluctuacion de la amplitud de la corriente; o supervisar un segundo parametro asociado con un voltaje de funcionamiento que incluye (a) amplitud del voltaje de arco, (b) regimen de cambio del voltaje de arco, o (c) fluctuacion de la amplitud del voltaje de arco. El metodo incluye ademas proporcionar una senal de fallo desde el controlador hasta el sistema por arco de plasma tras la deteccion del posible caso de fallo.

Aun en otro aspecto, se preve un sistema para determinar un caso de fallo del consumible en un soplete de corte por plasma. El sistema incluye un soplete de plasma conectado a un sistema de plasma y genera un arco de plasma. El soplete de plasma incluye componentes consumibles. El sistema incluye tambien un dispositivo programable para controlar y supervisar, al menos, uno de un voltaje de arco o una corriente de funcionamiento del soplete de plasma. El dispositivo programable esta adaptado para detectar el caso de fallo asociado con los componentes consumibles y cambiar una senal de funcionamiento.

En otros ejemplos, cualquiera de los aspectos anteriores puede incluir una o mas de las siguientes caractensticas. El penodo de tiempo puede ser aproximadamente 1,5 milisegundos. El umbral de tolerancia se puede determinar basandose en una corriente de salida del soplete de plasma. En algunas realizaciones, el umbral de tolerancia es un umbral de corriente de aproximadamente 1,0 A si la corriente de salida es menor que aproximadamente 45 A. En

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algunas realizaciones, el umbral de tolerancia es un umbral de corriente de aproximadamente 1,25 A si la corriente de salida esta entre aproximadamente 45 Ay aproximadamente 75 A. En algunas realizaciones, el umbral de tolerancia es un umbral de corriente de aproximadamente 1,5 A si la corriente de salida es mayor que

aproximadamente 75 A. En algunas realizaciones, el umbral de tolerancia es un umbral de voltaje de

aproximadamente 3 V.

La senal de funcionamiento puede ser un voltaje de funcionamiento o una corriente de funcionamiento. El parametro asociado con la corriente de funcionamiento puede ser la amplitud de la corriente, el regimen de cambio de la corriente o la fluctuacion de la amplitud de la corriente. El parametro asociado con el voltaje de funcionamiento puede ser la amplitud del voltaje de arco, el regimen de cambio del voltaje de arco o la fluctuacion de la amplitud del voltaje de arco.

El caso de fallo puede incluir la ausencia de un emisor en un electrodo, una gran perdida de material consumible, un

arco que se emite fuera de una parte del electrodo distinta del emisor, o una combinacion de los mismos. Ademas, el

caso de fallo puede incluir instalar un consumible incorrecto para un tipo de operacion del soplete de plasma. El tipo de operacion puede ser una operacion de corte, una operacion de calentamiento, una operacion de ranurado o una operacion de marcado.

En algunas realizaciones, para detectar el caso de fallo, tanto un primer parametro asociado con la corriente de funcionamiento como un segundo parametro asociado con el voltaje de funcionamiento tienen que exceder sus umbrales respectivos durante el penodo de tiempo predeterminado.

La senal de fallo puede incluir interrumpir una corriente de funcionamiento del soplete de arco de plasma, un sonido audible, una senal visual, una senal electronica, y cambiar, al menos, un parametro de funcionamiento del soplete de arco de plasma, o una combinacion de los mismos.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Las ventajas de la invencion descritas anteriormente, junto con ventajas adicionales, se pueden entender mejor haciendo referencia a la siguiente descripcion tomada en union con los dibujos que se acompanan. Los dibujos no estan necesariamente a escala, poniendose en cambio enfasis, en general, en ilustrar los principios de la invencion.

La figura 1 muestra un proceso a modo de ejemplo para diagnosticar e impedir un fallo de los consumibles en un soplete de arco de plasma.

La figura 2 muestra un controlador numerico por ordenador (CNC) a modo de ejemplo para diagnosticar e impedir un fallo de los consumibles en un soplete de arco de plasma.

Las figuras 3A y 3B muestran formas de onda a modo de ejemplo de la corriente de electrodo y del voltaje de arco de electrodo, respectivamente, de un soplete de arco de plasma.

Las figuras 4A y 4B muestran los niveles de ruido de la corriente de electrodo y el voltaje de arco en las figuras 3A y 3B, respectivamente.

La figura 5 muestra una senal de temporizador y una senal de indicador para diagnosticar e impedir un fallo de los consumibles en un soplete de arco de plasma.

Las figuras 6A-E muestran consumibles a modo de ejemplo cuando se usa y no se usa el sistema de deteccion de fallos de la presente invencion.

La figura 7 muestra un circuito a modo de ejemplo para medir el voltaje entre la boquilla y el electrodo de un soplete de arco de plasma.

La figura 8 muestra formas de onda generadas por un sistema de deteccion a modo de ejemplo de perdidas de presion de la presente invencion.

La figura 9 muestra una relacion a modo de ejemplo entre la profundidad de penetracion del electrodo y el voltaje entre una boquilla y un electrodo (VNE).

La figura 10 muestra una relacion a modo de ejemplo entre el VNE y la presion de entrada de plasma.

La figura 11 muestra las senales generadas durante un funcionamiento a modo de ejemplo del soplete de arco de

plasma.

La figura 12 muestra una interfaz grafica de usuario a modo de ejemplo.

La figura 13 muestra otra interfaz grafica de usuario a modo de ejemplo.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION

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La figura 1 muestra un proceso a modo de ejemplo para diagnosticar e impedir un caso (o condicion) de fallo de los consumibles. El proceso comienza (etapa 102) con la determinacion de si un soplete de arco de plasma esta funcionando en un modo de transferencia de arco (etapa 104). Un soplete esta en un modo de transferencia de arco cuando se usa para cortar, ranurar, marcar o calentar materiales, por ejemplo. Si el soplete de arco de plasma no esta en un modo de transferencia de arco, el proceso finaliza sin actualizar un indicador de fallos u otra indicacion que notifique a un operario sobre un posible fallo de los consumibles para el soplete (etapa 114). En algunas realizaciones, antes del comienzo del proceso, el indicador de fallos se ajusta en un valor por omision para indicar que no se detecta ningun fallo potencial de los consumibles.

Si el soplete de arco de plasma esta funcionando en un modo de transferencia de arco, el proceso avanza a supervisar una o mas senales de funcionamiento del soplete (etapa 106). Las senales de funcionamiento a modo de ejemplo detectadas incluyen una corriente de funcionamiento y/o un voltaje de funcionamiento del soplete de arco de plasma. En algunas realizaciones, dichas una o mas senales de funcionamiento son detectadas sobre una base periodica, tal como cada 0,2 milisegundos. Las senales de funcionamiento pueden ser indicativas de una o mas condiciones de funcionamiento del soplete, incluyendo un caso de fallo, como se ha descrito anteriormente.

Se determinan uno o mas parametros asociados con cada senal de funcionamiento detectada (etapa 108). Si la senal de funcionamiento es una corriente de funcionamiento, un parametro asociado con la senal de funcionamiento puede ser la amplitud de la corriente, el regimen de cambio de la corriente o la fluctuacion de la amplitud de la corriente. Si la senal de funcionamiento es un voltaje de funcionamiento, un parametro asociado con la senal de funcionamiento puede ser la amplitud del voltaje de arco, el regimen de cambio del voltaje de arco o la fluctuacion de la amplitud del voltaje de arco. En algunas realizaciones, el voltaje de funcionamiento es el voltaje de boquilla a electrodo (VNE). En algunas realizaciones, el voltaje de funcionamiento es el voltaje de boquilla a pieza de trabajo (VWE). En algunas realizaciones, el parametro es un nivel de ruido, es decir, la magnitud del ruido de la senal de funcionamiento calculada usando un filtro digital y un procesador de senales digitales (DSP).

Despues de que se determinan dichos uno o mas parametros asociados con cada senal de funcionamiento, el proceso avanza a determinar si cada parametro excede un umbral predeterminado durante un penodo de tiempo predeterminado (etapa 110). Si esto es cierto, el indicador de fallos se ajusta apropiadamente para notificar a un operario sobre un posible fallo de los consumibles (etapa 114). En algunas realizaciones, si un parametro de una senal de funcionamiento excede su umbral correspondiente durante el penodo de tiempo requerido, es suficiente ajustar el indicador de fallos. En algunas realizaciones, multiples parametros de la misma senal de funcionamiento tienen que exceder sus umbrales respectivos durante el penodo de tiempo requerido para activar el indicador de fallos. En algunas realizaciones, uno o mas parametros de senales de funcionamiento diferentes tienen que exceder sus umbrales respectivos durante el penodo de tiempo requerido para activar el indicador de fallos. Por ejemplo, tanto la magnitud del ruido de la corriente de funcionamiento como la magnitud del ruido del voltaje de funcionamiento puede que tengan que exceder sus umbrales respectivos durante un penodo predeterminado de tiempo para activar el indicador de fallos.

En general, el penodo de tiempo de deteccion de fallos es suficientemente largo para asegurar que no se activa un falso positivo por ruido aleatorio en las senales, pero suficientemente corto para impedir danos a otros componentes del soplete durante un caso de fallo de los consumibles. Se ha determinado que un arco de plasma tiene que funcionar, al menos, unos pocos segundos durante un caso de fallo antes de danar a otros componentes del soplete. Por consiguiente, el penodo de tiempo de deteccion de fallos se puede ajustar en menos de 1 segundo. Por ejemplo, el penodo de tiempo de deteccion de fallos puede ser aproximadamente 1,5 milisegundos o aproximadamente 1 milisegundo.

En algunas realizaciones, el umbral de deteccion de fallos se determina empmcamente para asegurar que la frecuencia de exito para captar el fallo de los consumibles es aproximadamente el 95%, o mayor, y existe una alerta de falso nulo para el fallo de los consumibles. En algunas realizaciones, el umbral depende de la corriente de salida del soplete de arco de plasma. Por ejemplo, si la corriente de salida es menor que aproximadamente 45 amperios, el umbral de la corriente de funcionamiento se ajusta en aproximadamente 1,0 amperio. Esto significa que, en el caso en que la corriente de salida de un soplete es menor que aproximadamente 45 amperios, si la magnitud del ruido de la corriente de funcionamiento del soplete es mayor de modo consistente que aproximadamente 1,0 amperio durante un penodo predeterminado de tiempo, se ajusta el indicador de fallos. En otro ejemplo, si la corriente de salida esta entre aproximadamente 45 amperios y aproximadamente 75 amperios, el umbral de la corriente de funcionamiento se ajusta en aproximadamente 1,25 amperios. Aun en otro ejemplo, si la corriente de salida es mayor que aproximadamente 75 amperios, el umbral de la corriente de funcionamiento se ajusta en aproximadamente 1,5 amperios.

En algunas realizaciones, el umbral es un umbral de voltaje de aproximadamente 3 voltios. Por lo tanto, si la magnitud del ruido del voltaje de salida de un soplete excede de modo consistente los 3 voltios durante un penodo predeterminado de tiempo, se ajusta el indicador de fallos.

En algunas realizaciones, el umbral de corriente o voltaje depende de uno o mas parametros de funcionamiento del soplete. Por ejemplo, el umbral de corriente o voltaje puede depender de los parametros asociados con uno o mas filtros utilizados para procesar las senales de corriente o voltaje. Espedficamente, un filtro de paso alto se puede

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usar para filtrar la corriente continua (DC) y las componentes de baja frecuencia de una senal, al tiempo que conserva la componente de alta frecuencia de la senal, es decir, el ruido. Ademas, un filtro de paso bajo se puede usar para determinar la magnitud del ruido, es decir, el nivel de ruido, basandose en la salida del filtro de paso alto y para suavizar la senal de ruido. En tal caso, el umbral de corriente o voltaje se puede hacer que dependa de uno o mas parametros del filtro de paso alto y/o del filtro de paso bajo, tal como el ancho de banda del filtro.

El ajuste del indicador de fallos puede producir automaticamente la ejecucion de una o mas acciones preventivas o precautorias. Por ejemplo, tras ajustar el indicador de fallos, se puede generar una senal para alertar a un operario sobre el caso de fallo. Esta senal puede ser un sonido audible, una senal visual y/o una senal electronica. El sistema de deteccion de fallos puede interrumpir tambien automaticamente la corriente de funcionamiento suministrada al soplete de arco de plasma o modificar otros parametros de funcionamiento para evitar el caso de fallo.

La figura 2 muestra un CNC 200 a modo de ejemplo para diagnosticar e impedir un posible fallo de los consumibles en un soplete de arco de plasma. El sistema 200 se puede implementar usando uno o mas procesadores de senales digitales. El sistema 200 incluye un detector de modos de funcionamiento 202, un monitor de senales de funcionamiento 204, un comparador 208, un indicador de fallos 206 y un generador de senales de salida 216. Basandose en una o mas entradas 210 desde un soplete de arco de plasma, el detector de modos de funcionamiento 202 esta configurado para determinar si el soplete de arco de plasma esta funcionando en un modo de transferencia de arco. El detector de modos de funcionamiento 202 puede generar una senal de salida para indicar el resultado de dicha determinacion. En algunas realizaciones, si no se ajusta el indicador de fallos 206, lo que indica que no se ha detectado ningun posible caso de fallo, el detector de modos de funcionamiento 202 esta adaptado para obtener periodicamente ciertas senales desde el soplete de arco de plasma 210 a fin de determinar si el soplete sigue estando en el modo de transferencia de arco o ha entrado en el modo de transferencia de arco.

El monitor de senales de funcionamiento 204 recibe como entrada la salida del detector de modos de funcionamiento 202 y, si la salida indica que el soplete esta en un modo de transferencia de arco, supervisa una o mas senales de funcionamiento del soplete de plasma 210. Las senales de funcionamiento pueden ser una corriente de funcionamiento y/o un voltaje de funcionamiento del soplete de arco de plasma. En algunas realizaciones, el monitor de senales de funcionamiento 204 determina uno o mas parametros asociados con cada una de las senales de funcionamiento. Por ejemplo, el monitor de senales de funcionamiento 204 puede computarizar la amplitud de la corriente, el regimen de cambio de la corriente o la fluctuacion de la amplitud de la corriente de la senal, si dicha senal es una corriente de funcionamiento. Como otro ejemplo, el monitor de senales de funcionamiento 204 puede computarizar la amplitud del voltaje de arco, el regimen de cambio del voltaje de arco o la fluctuacion de la amplitud del voltaje de arco de la senal, si dicha senal es un voltaje de funcionamiento. En algunas realizaciones, el monitor de senales de funcionamiento 204 esta adaptado para detectar periodicamente dichas una o mas senales de funcionamiento y computarizar los parametros asociados con las senales detectadas.

El comparador 208 compara un parametro de una senal de funcionamiento suministrada por el monitor de senales de funcionamiento 204 con un valor umbral 212 predeterminado. El comparador 208 puede ajustar el indicador de fallos 208 para enviar una senal de un posible fallo si el parametro excede de modo consistente el umbral 212 durante un penodo de tiempo 214 predeterminado. En algunas realizaciones, el comparador 208 ajusta el indicador de fallos 208 solamente si multiples parametros exceden sus umbrales 212 respectivos durante el penodo de tiempo 214 requerido.

En respuesta a que el comparador 208 ajuste el indicador de fallos 206, el generador de senales de salida 216 esta configurado para generar una senal de salida que alerta del posible fallo de los consumibles. En algunas realizaciones, la senal de salida modifica ciertos parametros de funcionamiento del soplete para minimizar los danos potenciales, tales como la interrupcion de la corriente de funcionamiento suministrada al soplete.

Las figuras 3A y 3B muestran las formas de onda de la corriente de electrodo y del voltaje de arco de electrodo, respectivamente, de un soplete de arco de plasma que puede ser supervisado mediante el monitor de senales de funcionamiento 204. Cada forma de onda representa el comportamiento de la senal tanto en un estado de funcionamiento normal como en un estado de fallo de los consumibles. Como se muestra en la figura 3A, se observa un pico significativo en la corriente de electrodo cuando un caso de fallo 304 de los consumibles se presenta en un soplete de arco de plasma en comparacion con la corriente generada durante un funcionamiento normal 302 del soplete. De modo similar, la figura 3B muestra que un pico significativo en el voltaje de arco se observa durante un caso de fallo 308 de los consumibles en comparacion con el voltaje de arco generado durante un funcionamiento normal 306 del soplete. Los picos en las senales durante un caso de fallo de los consumibles permiten que el sistema de deteccion 200 detecte el caso y tome las medidas apropiadas antes de que los danos lleguen a otros componentes del soplete.

Las figuras 4A y 4B muestran los niveles de ruido de la corriente de electrodo y el voltaje de arco determinados a partir de las senales en las figuras 3A y 3B, respectivamente. El monitor de senales de funcionamiento 204 del sistema de deteccion de fallos 200 puede procesar dicha determinacion. Un nivel de ruido representa la magnitud del ruido de una senal, que se puede calcular a partir de la senal original usando un filtro digital y un procesador de senales digitales. Como se muestra en la figura 4A, el umbral de corriente 402 se usa para identificar un fallo potencial de los consumibles al comparar con el nivel de ruido de la corriente de electrodo 404. Como se ha descrito

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anteriormente, el umbral de corriente 402 puede variar dependiendo del ajuste de la corriente de salida de un soplete. Por ejemplo, si el ajuste de la corriente de salida es menor que aproximadamente 45 amperios, el umbral de corriente es aproximadamente 1,0 amperio. Si el ajuste de la corriente de salida esta entre aproximadamente 45 amperios y aproximadamente 75 amperios, el umbral de corriente es aproximadamente 1,25 amperios. Si el ajuste de la corriente de salida esta por encima de aproximadamente 75 amperios, el umbral de corriente es aproximadamente 1,5 amperios. En general, cuanto mayor sea el ajuste de la corriente de salida, mayor sera el umbral de corriente. En el soplete de plasma utilizado para generar la forma de onda 404 de la figura 4A, el ajuste de la corriente de salida es mayor que aproximadamente 75 amperios. Por lo tanto, el umbral de corriente 402 puede ser aproximadamente 1,5 amperios. En algunas realizaciones, el umbral de corriente vana dependiendo de uno o mas parametros de los filtros utilizados para procesar las senales.

De modo similar, el umbral de voltaje 406 en la figura 4B se usa para identificar un fallo potencial de los consumibles al comparar con el nivel de ruido del voltaje de arco 408. En algunas realizaciones, el umbral de voltaje 406 puede ser aproximadamente 3 V para todos los ajustes de la corriente de salida. En algunas realizaciones, el umbral de voltaje vana dependiendo del parametro de los filtros utilizados para procesar las senales.

En ciertas realizaciones, el sistema de deteccion 200 detecta un posible fallo de los consumibles basandose en el nivel de ruido de la corriente de funcionamiento. En el ejemplo mostrado en la figura 4A, la corriente de electrodo 404 excede el umbral 402 en el tiempo 405 despues de 300 milisegundos de funcionamiento en modo de arco. Si las muestras de la corriente de electrodo tomadas despues de ello exceden de modo consistente el umbral 402 durante una duracion espedfica, tal como aproximadamente 1,5 milisegundos, el sistema de deteccion 200 esta adaptado para ajustar el indicador de fallos 206 y activar la interrupcion de la corriente suministrada al soplete de arco de plasma o tomar otra medida preventiva para proteger el soplete.

En ciertas realizaciones, el sistema de deteccion 200 detecta un posible fallo de los consumibles basandose en el nivel de ruido del voltaje de funcionamiento 408. En el ejemplo mostrado en la figura 4B, el voltaje de arco 408 excede en dos veces el umbral 406, en el tiempo 410 y el tiempo 412, que estan entre 250 milisegundos y 300 milisegundos de funcionamiento. Para el primer tiempo 410, si el nivel de ruido del voltaje de arco despues de ello excede de modo consistente el umbral 406 durante una duracion predeterminada, el sistema de deteccion esta adaptado para ajustar el indicador de fallos 206 a fin de activar ciertas acciones preventivas. Por otro lado, si el nivel de ruido del voltaje de arco 408 no excede el umbral 406 durante todo el penodo de tiempo, no se ajusta el indicador de fallos 206 y se vuelve a poner a cero el temporizador para seguir la cantidad de tiempo que el nivel de ruido 408 excede el umbral 406. Una vez que el nivel de ruido del voltaje 408 cruza el umbral 402 para el segundo tiempo 412, el temporizador comienza de nuevo.

En ciertas realizaciones, el sistema de deteccion de fallos detecta un posible fallo de los consumibles basandose en los niveles de ruido del voltaje de funcionamiento 408 y la corriente de funcionamiento 404. Usando los ejemplos mostrados en las figuras 4A y 4B, un temporizador para seguir el momento en el que las senales exceden sus umbrales respectivos comienza en el tiempo 405 cuando el nivel de ruido de la corriente de funcionamiento 404 excede el umbral 402. Este es tambien el momento en el que el nivel de ruido del voltaje 408 excede su umbral 406. Despues de ello, si ambos parametros 404 y 408 exceden de modo consistente sus umbrales respectivos durante una duracion predeterminada, se ajusta el indicador de fallos 206. Por otro lado, si cualquier parametro cae por debajo de su umbral correspondiente, no se ajusta el indicador de fallos 206. La figura 5 muestra una senal de temporizador 504 y una senal de indicador 506 para detectar e impedir un posible fallo catastrofico de los consumibles en un soplete de plasma basandose en el nivel de ruido de la corriente 404 y el nivel de ruido del voltaje 408 mostrados en las figuras 4A y 4B. Como se muestra, la senal de temporizador 502 no es activada hasta el tiempo 504, que es el momento en el que tanto el nivel de corriente 406 como el nivel de voltaje 408 exceden sus umbrales respectivos. La senal de indicador 506 se ajusta 1,5 milisegundos mas tarde para indicar que ambos niveles de ruido exceden sus umbrales respectivos durante la duracion predeterminada de 1,5 milisegundos.

Las figuras 6A-E muestran consumibles a modo de ejemplo cuando se usa y no se usa el sistema de deteccion de fallos de la presente invencion. En general, las partes consumibles a la izquierda de las figuras 6A-E corresponden a operaciones del soplete sin usar el sistema de deteccion y cada parte consumible experimento aproximadamente 10 segundos de un caso de fallo. En contraste a esto, las partes consumibles a la derecha de las figuras 6A-E corresponden a operaciones del soplete con el sistema de deteccion, que esta adaptado para interrumpir la corriente suministrada a los sopletes tras detectar un caso de fallo. Espedficamente, la figura 6A muestra unos casquillos de retencion 620, 622 como consecuencia del soplete funcionando sin y con el sistema de deteccion de fallos, respectivamente. La figura 6B muestra unos elementos de blindaje 624, 626 como consecuencia del soplete funcionando sin y con el sistema de deteccion de fallos, respectivamente. La figura 6C muestra unas boquillas 628, 630 como consecuencia del soplete funcionando sin y con el sistema de deteccion de fallos, respectivamente. La figura 6D muestra unos electrodos 632, 634 como consecuencia del soplete funcionando sin y con el sistema de deteccion de fallos, respectivamente. La figura 6E muestra unos anillos de turbulencia 636, 638 como consecuencia del soplete funcionando sin y con el sistema de deteccion de fallos, respectivamente. Por lo tanto, el sistema de deteccion de fallos es ventajoso al menos puesto que impide danos a otros componentes del soplete en caso de un fallo de los consumibles. Por ejemplo, el sistema de deteccion de fallos puede detectar el momento en el que se usan consumibles incorrectos para un soplete o un proceso de funcionamiento y llevar a cabo acciones apropiadas para proteger las otras partes del soplete.

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Otra ventaja del sistema de deteccion de fallos es que se puede integrar facilmente en un soplete de arco de plasma sin una modificacion compleja del diseno del soplete. Ademas, el uso del sistema de deteccion de fallos no requiere ningun cambio de los procesos de funcionamiento actuales. Esto se debe a que el sistema de deteccion ya usa senales existentes, tales como la senal de la corriente de funcionamiento y la senal del voltaje de funcionamiento, para realizar la deteccion de fallos. Ademas, la capacidad para detectar con precision casos de fallo de los consumibles usando el sistema de deteccion de fallos aumenta la posibilidad de automatizacion de los procesos y reduce la necesidad de que el operario preste atencion.

Un soplete de arco de plasma puede ser tambien susceptible a danos si el soplete pierde presion durante una operacion de corte. Estos danos son posibles en disenos de soplete que dependen de la presion de aire para situar o desplazar los componentes en el interior del soplete (por ejemplo, un soplete “de retroceso" o “de avance"). En estos disenos, el arco de corte se puede seguir transfiriendo a la pieza de trabajo sin la presion y/o el flujo de gas apropiados para restringir y conducir el arco. El arco de corte se puede seguir tambien transfiriendo a la pieza de trabajo sin la presion apropiada para situar los componentes unos con relacion a los otros. Esto puede producir la formacion de arco en el interior del soplete, dando como resultado danos significativos al soplete y/o los consumibles. Ademas, puede producir un deterioro significativo de la calidad del corte. Segun otro aspecto de la invencion, se preve una tecnologfa de deteccion de perdida de presion que puede determinar la presion, o una perdida de presion, en el soplete de arco de plasma sin el uso de sensores de presion o de flujo convencionales.

En un soplete de corte por plasma, existe una fuerte relacion entre la presion del gas dentro del soplete y la energfa requerida para mantener un arco de plasma. A medida que la presion aumenta, la energfa requerida para mantener el arco tambien aumenta. Con una fuente de alimentacion de corriente constante, el aumento de energfa se manifiesta por sf mismo como un aumento del voltaje de arco. La tecnologfa de deteccion de perdida de presion de la presente invencion aprovecha la relacion entre presion y voltaje al usar dos senales para determinar si se presenta una perdida de presion dentro del soplete.

La primera senal, denominada VARC, es una estimacion del voltaje entre el electrodo de un soplete de arco de plasma y la pieza de trabajo o boquilla. Se puede computarizar basandose en el voltaje de circuito abierto (“OCV") y el ciclo de trabajo del inversor (es decir, la fuente de energfa) ayudado por el uso de un filtro digital de paso bajo, que elimina la componente de alta frecuencia de la senal al tiempo que conserva las componentes de DC y de baja frecuencia de la senal.

La segunda senal, denominada VNE, es el voltaje entre la boquilla y el electrodo. La figura 7 muestra un circuito 600 a modo de ejemplo que puede medir la senal VNE y proporcionar una senal de salida aislada que se alimenta a un procesador de senales digitales (DSP) para procesamiento de senales. El circuito 600 incluye un divisor de voltaje 602 acoplado a un filtro de paso bajo 604, un amplificador de aislamiento 606, que puede incluir un Avago HCPL- 7840, y un amplificador diferencial 608. Adicionalmente, un diodo de bloqueo 610 puede estar acoplado entre la boquilla 612 y el electrodo 614. Este diodo 610 bloquea cualquier oscilacion transitoria resonante y produce una senal de bajo ruido en todas las condiciones de funcionamiento (por ejemplo, conductores largos, conductores enrollados del soplete). El filtro de paso bajo 604, que esta en el lado de boquilla a electrodo (lado de entrada) del amplificador de aislamiento 606, funciona filtrando ruido de plasma de alta frecuencia en el lado de entrada.

Para determinar si se presenta una perdida de presion en un soplete de arco de plasma, el sistema de deteccion de perdida de presion puede ejecutar la siguiente secuencia de operaciones. En primer lugar, el sistema determina si la boquilla de soplete esta tocando ffsicamente la pieza de trabajo (modo de contacto) o esta retirada ffsicamente de la pieza de trabajo (modo de estiramiento del arco). Para hacer esto, se comparan los valores de voltaje de VARC y VNE. Si VARC < (VNE + aproximadamente 40 V) o VNE > aproximadamente 100 V, se supone que la boquilla esta tocando la pieza de trabajo y el sistema de plasma esta funcionando en el modo de contacto. De otra manera, se supone que el sistema de plasma esta funcionando en el modo de estiramiento del arco.

Dependiendo del modo de funcionamiento, se determina el nivel inicial de funcionamiento de VARC o VNE. Si el sistema de plasma esta en el modo de contacto, se registra el nivel inicial de funcionamiento de VARC. Si el sistema de plasma esta en el modo de estiramiento del arco, se registra el nivel inicial de funcionamiento de VNE. Esto se puede hacer esperando un primer penodo predeterminado de tiempo y computarizando a continuacion el nivel medio de funcionamiento de VARC o VNE sobre un segundo penodo de tiempo. Estos niveles iniciales computarizados durante el segundo penodo de tiempo se consideran los niveles de funcionamiento normales y se usan para calcular los umbrales correspondientes. En algunas realizaciones, el nivel umbral para VARC o VNE se ajusta multiplicando 0,625 por el nivel inicial de funcionamiento correspondiente. La fraccion 0,625 se puede establecer mediante experimentacion. Si la fraccion se ajusta mas alta, el sistema de deteccion es mas sensible a la perdida de presion, pero tambien mas susceptible a una falsa activacion.

El valor actual de VARC o VNE se supervisa continuamente, con un valor medio computarizado aproximadamente cada 64 ms. El promediado se usa para filtrar cualquier pico o mmimo brusco en el voltaje. Si el valor supervisado de VARC o VNE cae por debajo de su umbral correspondiente, se para el inversor del soplete y el sistema de deteccion 600 realiza un proceso de gestion de fallos. El procedimiento de parada puede implicar extinguir el arco de plasma para impedir que el caso a baja presion dane el soplete. Ademas, el codigo de fallo puede ser indicado en el panel delantero del sistema de plasma.

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En algunas realizaciones, un funcionamiento del soplete con una boquilla sin blindar puede alternar entre el modo de contacto de la boquilla y el modo de estiramiento del arco al tocar la pieza de trabajo con la boquilla y retirarla de dicha pieza. El sistema de deteccion 600 puede representar esto usando, por ejemplo, la senal apropiada, VARC o VNE, dependiendo de la condicion de funcionamiento (contacto de la boquilla o estiramiento del arco).

En algunas realizaciones, la tecnologfa de deteccion de perdida de presion usa filtros de paso bajo analogicos y/o digitales para suavizar las senales VNE y VARC a fin de impedir una falsa activacion debido a ruido y puntas en el canal de muestreo ADC.

La figura 8 muestra formas de onda generadas por un enfoque a modo de ejemplo de deteccion de perdida de presion. El primer trazo 710 muestra una disminucion de presion en un soplete de arco de plasma debido a, por ejemplo, que sea plegado el conductor del soplete. En respuesta a la disminucion de la presion 710 del soplete, disminuye tambien la senal VNE 720. Finalmente, cuando la senal VNE cae por debajo del umbral VNE 740, se interrumpe la corriente 730 de la fuente de alimentacion.

La tecnologfa de deteccion de perdida de presion tiene varias ventajas sobre los sensores de flujo o presion convencionales. La primera ventaja es el coste. Se puede implementar por el coste de la circuitena en la placa de potencia unicamente y no necesita ningun componente adicional. El coste de la circuitena es aproximadamente 6 $. En contraste a esto, los conmutadores de flujo convencionales de bajo coste son aproximadamente de 18 $ a 25 $, sin incluir el coste de los conectores adicionales. Ademas, otros disenos, tales como los que usan un sensor de presion en el soplete, requieren un sensor robusto en un lugar ffsicamente exigente (por ejemplo, el cabezal de soplete), asf como cableado para el sensor. La fiabilidad y el coste del sensor de presion en un lugar ffsicamente exigente es un problema, puesto que el sensor puede fallar debido al entorno extremo. Otra ventaja es que la tecnologfa de deteccion de perdida de presion se puede ajustar dinamicamente a consumibles o parametros del proceso diferentes. Por ejemplo, un conmutador de flujo se puede ajustar, en general, en un punto especificado de activacion de flujo, que puede depender de la presion del gas entrante. Sin embargo, la tecnologfa de deteccion se puede usar a traves de cualquier consumible o proceso, y puede predecir incluso que consumible esta instalado en el soplete basandose en el rastro de la senal de voltaje.

En otro aspecto, se preve un metodo para predecir el final de la vida de los consumibles en un soplete basandose en el voltaje entre la boquilla y el electrodo (VNE) y la presion del plasma. La tecnologfa de prediccion puede indicar cuanta vida, por ejemplo, la cantidad aproximada de tiempo, queda antes de que el consumible tenga que ser cambiado o el numero de cortes que se pueden realizar antes de que el consumible sea cambiado. Se ha observado que el desgaste del electrodo de un soplete es proporcional a la profundidad de penetracion del soplete, y el VNE esta relacionado con la profundidad de penetracion. Por ejemplo, en una situacion ideal, el VNE aumenta proporcionalmente con un aumento de la profundidad de penetracion. Por consiguiente, el VNE se puede usar para determinar el desgaste del electrodo. Sin embargo, el VNE esta influido tambien por la presion en la camara impelente del plasma. Ademas, los elevados ruidos electrico-magneticos, las tolerancias del sistema y las variaciones de funcionamiento pueden reducir significativamente la precision y la consistencia de la relacion VNE- profundidad de penetracion. Se preve un algoritmo que usa el VNE y la presion de la camara impelente (es decir, del gas de plasma) para predecir con precision en tiempo real la vida del electrodo en un proceso de corte por plasma. Espedficamente, la presion del plasma se supervisa y se usa para compensar la medicion del VNE.

Se ha observado que la vida de un electrodo se puede estimar por la profundidad de penetracion, que resulta de la perdida de material debido a la erosion termica. La figura 9 muestra una relacion a modo de ejemplo entre el VNE de un soplete de arco de plasma y la profundidad de penetracion del electrodo en el soplete. Por ejemplo, una profundidad de penetracion de aproximadamente 0,040-0,060 pulgadas representa usualmente el final o casi el final de la vida del electrodo. Dicha profundidad de penetracion puede corresponder aproximadamente a un aumento de 6 a 8 V en el VNE. Por lo tanto, se puede supervisar el VNE y se puede usar un aumento en el VNE para predecir la vida del electrodo.

Ademas, dado que el VNE se ve afectado fuertemente por la presion en la camara impelente del plasma, el VNE se puede compensar por la presion del plasma como un factor de compensacion. Sin embargo, debido a la dificultad para medir directamente la presion de la camara impelente del plasma, se puede medir la presion de entrada al soplete en el lugar inmediatamente antes de que el gas de plasma entre en el cuerpo de soplete. Por ejemplo, la presion de entrada se puede medir en un conjunto de valvulas de cierre. Para computarizar el factor de compensacion, notese que, en una pequena zona de variacion, el VNE y la presion de entrada de plasma tienen una relacion lineal como se muestra en la figura 10. Esta relacion se puede usar para definir el factor de compensacion para el VNE. En el ejemplo mostrado en la figura 10, el factor de compensacion dV/dP es 0,46 voltios/psi. El dV/dP no solamente se considera para compensar las variaciones de presion del suministro de gas en un pequeno intervalo de variacion, puede compensar tambien otras variaciones, tales como la corriente o la distancia de separacion, que afecta directa o indirectamente tanto al VNE como a la presion del plasma.

En una implementacion a modo de ejemplo de un metodo para predecir el final de la vida de un electrodo en un soplete de arco de plasma en tiempo real, se activa primero la adquisicion de datos cuando comienza la ignicion del arco y se transfiere con exito, y se almacenan los datos adquiridos. Se registra tambien el numero de arranques del arco. En los pocos arranques del principio, el VNE y la presion iniciales se calculan y se almacenan como referencia.

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Cada VNE y cada presion se miden despues de que el plasma alcance su regimen permanente. Despues de ello, el VNE se compensa en variacion de presion. El VNE compensado se promedia adicionalmente con un numero de resultados anteriores para reducir las fluctuaciones asociadas con ruidos aleatorios. La diferencia entre el presente VNE compensado y el VNE de referencia inicial (aumento del VNE) se usa para estimar el uso del electrodo segun una relacion emprnca entre el VNE y la vida. Cuando el aumento del VNE alcanza un umbral preestablecido, un aviso de “Final de vida” se genera como una salida.

Como se ha descrito anteriormente, despues de que el arco de plasma de un soplete alcanza su regimen permanente, se pueden muestrear el VNE y la presion del gas. La figura 11 muestra formas de onda a modo de ejemplo del VNE 1002, el VARC 1004, la corriente 1006 y la presion 1008 de entrada al soplete para un corte de 4 segundos obtenido usando un sistema de oxfgeno/aire de 200 amperios. Como se muestra, el tiempo para que la presion 1008 de entrada al soplete y el VNE 1002 alcancen un regimen permanente puede ser aproximadamente2 segundos. Despues de que el arco de plasma alcanza el regimen permanente, el algoritmo puede calcular los valores medios del VNE y la presion del gas sobre un penodo de tiempo dado, por ejemplo, 0,5 segundos. Estos valores medios se consideran como el VNE inicial y la presion inicial del arranque del arco actual. En algunas realizaciones, si un conjunto de nuevos consumibles se instala en el primer Ni numero de arranques de arco, el algoritmo calcula el VNE y la presion promediados y los almacena como el VNE y la presion iniciales.

Los valores actuales de VNE y presion se muestrean continuamente despues de que el plasma alcanza su regimen permanente. Un valor del VNE medido se puede compensar en variacion de presion usando un dV/dP calculado previamente multiplicado por la diferencia entre la presion medida actual y la presion inicial:

Vne, Compensated ^NE, measures (Pmeasured PiniUtOx (dV/dP)

Una media movil se puede usar para suavizar los datos en tiempo real. El VNE compensado que se obtiene para el arranque del arco actual (suponiendo el numero de arranques Ns) se promedia con el numero anterior de Nr arranques:

imagen1

El aumento de VNE viene dado por la diferencia entre el VNE actual sometido a media movil y el VNE inicial:

VNE.Rise ^NE,Rolling ^NE, initial

Cuando el aumento del VNE alcanza o excede un umbral predeterminado, se puede dar una senal de aviso al operario. Esta senal indica que el electrodo se esta acercando al final de su vida y es probable que falle pronto. Ademas, una relacion emprnca entre el aumento del VNE y la vida del electrodo se puede obtener a partir de una gran base de datos de ensayos anteriores. En una realizacion, se promedian perfiles de VNE anteriores para desarrollar un perfil medio a fin de usarlo en tiempo real. El porcentaje de vida restante del electrodo se puede obtener de esta relacion junto con el aumento del vNe.

En un ejemplo, para un proceso de oxfgeno/aire de 200 amperios, los valores de los parametros descritos anteriormente son: Ni=10, Nr = 5, Umbral de VNE = 6 V y dV/dP = 0,46 V/psi.

En algunas realizaciones, para usar la tecnologfa de prediccion del final de la vida de la presente invencion, un usuario puede seleccionar de una interfaz de usuario el proceso y la condicion del electrodo (por ejemplo, nuevo o usado) para lo que se requiere una prediccion. Un indicador de la interfaz de usuario puede informar continuamente sobre la cantidad de electrodo restante. Al final de la vida del electrodo, se puede generar una salida “Final de la vida”. La tecnologfa de prediccion puede informar sobre la condicion en tiempo real del electrodo con alta precision. Por ejemplo, con una confianza del 90%, el algoritmo puede predecir, al menos, el 75% del uso del electrodo con un proceso estandar de funcionamiento.

Una ventaja de la tecnologfa de prediccion es que no esta implicado ningun rediseno complejo cuando se integra la tecnologfa en un sistema existente por arco de plasma. La tecnologfa puede usar senales internas existentes, tales como el VNE del proceso de plasma, para realizar la deteccion del final de la vida de un electrodo. Solamente un sensor adicional se puede anadir al sistema de plasma. Ademas, no hay ningun cambio para el proceso actual de corte por plasma. Ni el sistema ni el proceso se tiene que redisenar. La tecnologfa se puede integrar facilmente en el sistema actualizado mediante una instalacion a posteriori. La tecnologfa se puede autocalibrar usando el propio proceso de corte por plasma cuando se cambian los consumibles.

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El aspecto de la compensacion de presion y de la media movil de la tecnologfa proporciona a dicha tecnologfa la capacidad para reducir los efectos de las variaciones de funcionamiento y mejora la robustez del sistema. La media movil trabaja como un filtro de ruidos eficaz para aumentar la relacion senal-ruido. La compensacion de presion y el filtro digital pueden permitir predicciones de vida altamente precisas para el electrodo.

La tecnologfa puede usar un umbral ngido y una relacion VNE-vida empmca para estimar el uso del electrodo. La capacidad para predecir con precision que se aproxima inevitablemente el final de la vida del electrodo aumenta la posibilidad de automatizacion de los procesos y reduce la necesidad de que el operario preste atencion.

En otro aspecto, se preve un algoritmo que usa una senal del voltaje de boquilla a electrodo (VNE) temporalmente resuelta para indicar apariciones de doble arco durante el proceso de corte por plasma. La tecnologfa puede utilizar una adquisicion de datos en tiempo real, un filtro eficaz y un procesamiento de senales digitales para aumentar la relacion senal-ruido y captar la duracion temporal cuando sucede un doble arco.

En un soplete de corte por plasma, la columna del arco funciona como un conductor electrico entre el electrodo (catodo) y la pieza de trabajo (anodo). La boquilla trabaja como un estrangulador para restringir la columna del arco y aumentar el nivel de energfa cuando el gas de plasma fluye a traves del orificio. Normalmente, la columna del arco permanece coaxial con el orificio de boquilla. Cuando se presenta un doble arco, sin embargo, la columna del arco hace contacto con la boquilla de manera que la trayectoria de la corriente electrica llega a ser electrodo-boquilla- pieza de trabajo en vez de electrodo-pieza de trabajo. Cuando se presenta un doble arco, la rafz del arco, donde el arco se une a la boquilla, tiene alta densidad de energfa dando como resultado una alta temperatura. La temperatura puede aumentar mas alla del punto de fusion del material de la boquilla, haciendo que se funda o se vaporice una pequena cantidad de material de la boquilla. Dicha perdida del material de la boquilla conduce a un cambio de la forma del orificio de boquilla y puede dar como resultado el deterioro de la calidad de corte y el acortamiento de la vida de los consumibles. En el peor de los casos, un doble arco puede destruir completamente los consumibles y arruinar las piezas de corte.

Se preven sistemas y metodos para evaluar el dano a la boquilla causado por la formacion de doble arco al detectar de modo consistente los dobles arcos durante el proceso de corte. Dicha deteccion y supervision en tiempo real pueden proporcionar una posibilidad para la automatizacion del proceso de corte por plasma, mejorar la consistencia de la calidad del corte y reducir la dependencia de que el operario preste atencion de modo ininterrumpido. Al captar de modo rapido y fiable los casos de formacion de doble arco, los mismos se pueden usar para detectar el dano a la boquilla o la vida de la boquilla.

En algunas realizaciones, el voltaje de boquilla a electrodo (VNE) se usa para detectar el desgaste del electrodo dado que representa las caractensticas del plasma de un proceso con plasma. La formacion de doble arco representa una variacion espectacular de una columna de arco, puesto que el arco cambia su forma y la trayectoria de corriente. El VNE reflejara inevitablemente dicha variacion espectacular de la condicion del arco. Sin embargo, la mayona de las condiciones de doble arco suceden de modo incontrolable durante un penodo muy corto de tiempo, por ejemplo, aproximadamente de 1 a 100 milisegundos. Por lo tanto, se requiere un enfoque de adquisicion de datos a velocidad relativamente alta para investigar la aparicion de un doble arco. Para conseguir esto, un sistema de adquisicion de datos se puede hacer funcionar a una frecuencia de muestreo de aproximadamente 2.000 Hz.

En algunas realizaciones, se preve un metodo para aumentar la probabilidad de un doble arco en un soplete de arco de plasma. En primer lugar, se aumenta la corriente de funcionamiento. Entonces, se disminuye el caudal del gas de plasma. El tamano del orificio de boquilla se reduce tambien o la estabilidad del arco se perturba, por ejemplo, aplicando un campo magnetico externo. En algunos ejemplos, se efectuan ensayos en un proceso de oxfgeno/aire tanto en uno de 100 amperios como en uno de 200 amperios. Para el proceso de 100 amperios, las variaciones de corriente y el caudal de gas se pueden usar para inducir un doble arco. Para el proceso de 200 amperios, el tamano del orificio y el flujo de gas se pueden usar para inducir un doble arco.

La figura 12 ilustra una interfaz de usuario 1210 a modo de ejemplo de un programa de adquisicion de datos en tiempo real para deteccion y supervision de dobles arcos. Los datos de la figura 12 se obtienen con un proceso de oxfgeno/aire de 200 amperios. El orificio de la boquilla fue modificado desde aproximadamente 0,082” hasta aproximadamente 0,068” y el flujo del gas de plasma desde aproximadamente 38 litros estandar por minuto (“slm”) hasta aproximadamente 25 slm. Se introdujo tambien una interferencia magnetica. La forma de onda 1202 en el panel de trazado grafico 1204 representa el VNE. El cambio subito de la forma de onda 1202 de VNE desde aproximadamente 0,5 segundos hasta aproximadamente 1,2 segundos indica un doble arco. La interfaz 1210 muestra tambien que la duracion del doble arco es aproximadamente 646 ms, como se determina por el algoritmo descrito en lo que sigue. La forma de onda 1202 representa una forma de onda tfpica de VNE cuando se presenta la formacion de doble arco. Aunque el cambio de configuracion de la forma de onda 1202 causado por el doble arco no es diffcil de identificar visualmente, es muy desafiante captarlo matematicamente para distinguirlo claramente de las fluctuaciones de arco normales.

La figura 13 ilustra un ejemplo de una interfaz grafica de usuario 1302 de software de procesamiento de datos para deteccion de dobles arcos. La forma de onda superior 1304 son los datos sin procesar obtenidos de la adquisicion de datos en tiempo real. La forma de onda intermedia 1306 son los datos despues de un filtrado de media movil. La

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forma de onda inferior 1308 es una derivacion de los datos de media movil. Los datos se obtienen usando consumibles de ox^geno/aire de 100 amperios funcionando a 160 amperios y aproximadamente al 60% del caudal normal de plasma.

Se puede construir un algoritmo para calcular la duracion temporal del doble arco. En este algoritmo, los datos sin procesar, tales como la forma de onda 1304, se someten primero a una media movil sobre un gran numero (Nr) de puntos de datos, lo que puede suavizar las pequenas variaciones causadas por ruidos. La forma de onda 1306 es un resultado a modo de ejemplo de dicho filtrado de media movil. Entonces, la derivacion sobre el otros numero (Nd) de puntos de datos se realiza en los datos sometidos a media movil. La forma de onda 1308 es una derivacion a modo de ejemplo de los datos de media movil 1306.

En

y _

* Rolling,/ i r

A - V -V

^ l “ rolling ,i * rolling ,l^ND

La frecuencia de muestreo se puede ajustar en 2.000 Hz. Tanto Nr como Nd se pueden ajustar en 50. Todos los dobles arcos se pueden detectar con exito basandose en los resultados de la derivacion. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 13, el par de picos 1310, 1312 opuestos en el perfil de derivacion 1308 indican el principio y el fin del caso de doble arco y el tiempo entre estos dos picos es la duracion del doble arco. Es perceptible tambien que la media movil suaviza algunos dobles arcos muy cortos. Los dobles arcos cortos no parecen que causen danos significativos a la boquilla dado que la entrada de calor es relativamente pequena. Esto es parcialmente debido al hecho de que la transmision de calor al elemento de fijacion del arco no es una funcion directa de la variacion de voltaje puesto que el voltaje que cae a traves de la envoltura conductora entre el plasma y la superficie maciza de la boquilla esta determinado por las propiedades del gas de plasma y del material macizo adyacente. Basandose en esta teona, la carga termica a la boquilla durante el doble arco es una funcion del tiempo bajo un conjunto dado de parametros de funcionamiento del plasma. En algunas realizaciones, el algoritmo puede filtrar todos los dobles arcos mas cortos que 10 ms.

El algoritmo de adquisicion y procesamiento de datos en tiempo real puede captar un doble arco inmediatamente despues de que suceda. La capacidad de detectar un doble arco y determinar su duracion proporciona una posibilidad para supervisar los danos a la boquilla y predecir la vida util de la misma, lo que puede conducir a la automatizacion del proceso de corte por plasma.

El algoritmo puede usar la media movil y la derivacion para procesar datos altamente ruidosos. El procesamiento de datos puede aumentar significativamente la relacion senal-ruido y pasar por alto automaticamente los dobles arcos no significativos. La tecnologfa puede usar el voltaje de boquilla a electrodo como senal principal. Ni el sistema ni los parametros del proceso se tienen que modificar a fin de usar el algoritmo.

La senal VNE utilizada en el algoritmo se puede usar tambien en la indicacion de desgaste del electrodo. Los dos sistemas de supervision se pueden combinar en tandem para supervisar las condiciones tanto de la boquilla como del electrodo.

Se puede establecer una referencia de danos a la boquilla, de manera que los danos de la boquilla se pueden valorar para ponerlos en correlacion con la duracion registrada del doble arco. Se puede construir un algoritmo similar a un algoritmo de indicacion del desgaste del electrodo, y la condicion de la boquilla se puede dar a conocer en tiempo real al detectar y supervisar los dobles arcos.

Aunque se han mostrado y descrito diversos aspectos del metodo dado a conocer, a los expertos en la tecnica se les pueden ocurrir modificaciones tras la lectura de la memoria descriptiva. La presente solicitud incluye dichas modificaciones y esta limitada solamente por el alcance de las reivindicaciones.

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   REIVINDICACIONES

   1. Un metodo para determinar un caso de fallo de un consumible para un soplete de plasma, comprendiendo el metodo:

   supervisar, al menos, uno de un voltaje de funcionamiento o una corriente de funcionamiento durante un modo de transferencia de arco del soplete de arco de plasma (106);

   determinar cuando al menos un parametro asociado con la corriente de funcionamiento o el voltaje de funcionamiento excede un umbral de tolerancia durante un penodo de tiempo indicativo del caso de fallo (108, 110); e

   interrumpir, al menos, uno del voltaje de funcionamiento o la corriente de funcionamiento del soplete de arco de plasma cuando dicho al menos un parametro excede el umbral de tolerancia durante el penodo de tiempo (112, 114).
2. 2. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que se aplica uno cualquiera de los siguientes,

   a) el penodo de tiempo comprende aproximadamente 1,5 milisegundos;

   b) dicho al menos un parametro asociado con la corriente de funcionamiento comprende amplitud de la corriente, regimen de cambio de la corriente o fluctuacion de la amplitud de la corriente;

   c) dicho al menos un parametro asociado con el voltaje de funcionamiento comprende amplitud del voltaje de arco, regimen de cambio del voltaje de arco o fluctuacion de la amplitud del voltaje de arco;

   d) el caso de fallo incluye la ausencia de un emisor en un electrodo, una gran perdida de material consumible, un arco que se emite fuera de una parte del electrodo distinta del emisor, o una combinacion de los mismos; y

   e) el caso de fallo incluye instalar un consumible incorrecto para un tipo de operacion del soplete de plasma, en el que opcionalmente el tipo de operacion comprende una operacion de corte, una operacion de calentamiento, una operacion de ranurado o una operacion de marcado.
3. 3. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que la determinacion comprende

   a) determinar cuando tanto un primer parametro asociado con la corriente de funcionamiento como un segundo parametro asociado con el voltaje de funcionamiento exceden sus umbrales respectivos durante el penodo de tiempo y/o

   b) el metodo comprende ademas determinar el umbral de tolerancia basandose en una corriente de salida del soplete de plasma, en el que opcionalmente el umbral de tolerancia comprende un umbral de corriente de aproximadamente 1,0 A si la corriente de salida es menor que aproximadamente 45 A, un umbral de corriente de aproximadamente 1,25 A si la corriente de salida esta entre aproximadamente 45 A y aproximadamente 75 A, o un umbral de corriente de aproximadamente 1,5 A si la corriente de salida es mayor que aproximadamente 75 A.
4. 4. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que el umbral de tolerancia comprende un umbral de voltaje de aproximadamente 3 V.
5. 5. Un metodo para hacer funcionar un soplete de arco de plasma (106), comprendiendo el metodo:

   determinar una senal de funcionamiento durante un modo de transferencia de arco del soplete de arco de plasma (106);

   calcular un nivel de ruido asociado con la senal de funcionamiento;

   determinar cuando el nivel de ruido excede un umbral predeterminado durante un penodo de tiempo (108, 110);

   proporcionar una senal de fallo cuando el nivel de ruido excede el umbral predeterminado durante el penodo de tiempo (112).
6. 6. El metodo segun la reivindicacion 5, en el que el penodo de tiempo comprende aproximadamente 1,5 milisegundos y/o

   en el que la senal de fallo incluye interrumpir una corriente de funcionamiento del soplete de arco de plasma, un sonido audible, una senal visual, una senal electronica, y cambiar, al menos, un parametro de funcionamiento del soplete de arco de plasma, o una combinacion de los mismos.
7. 7. Un sistema de deteccion de fallos (200) que comprende:

   5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   medios para determinar una senal de funcionamiento durante un modo de transferencia de arco del soplete de arco de plasma;

   medios para calcular un nivel de ruido asociado con la senal de funcionamiento;

   medios para determinar cuando el nivel de ruido excede un umbral predeterminado durante un penodo de tiempo; y

   medios para proporcionar una senal de fallo cuando el nivel de ruido excede el umbral predeterminado durante el penodo de tiempo.
8. 8. El sistema de deteccion de fallos segun la reivindicacion 7, en el que se aplica uno cualquiera o mas de los siguientes,

   a) la senal de funcionamiento comprende un voltaje de funcionamiento o una corriente de funcionamiento.

   b) el sistema comprende ademas medios para interrumpir una corriente de funcionamiento del sistema de soplete de plasma cuando el nivel de ruido excede el umbral predeterminado durante el penodo de tiempo.

   c) el sistema comprende ademas una fuente de alimentacion acoplada a los medios para determinar cuando el nivel de ruido excede el umbral predeterminado durante el penodo de tiempo de manera que la fuente de alimentacion se apaga cuando el nivel de ruido excede el umbral predeterminado durante el penodo de tiempo.
9. 9. El sistema de deteccion de fallos segun la reivindicacion 7 u 8, que comprende ademas un componente (208) que comprende:

   un producto legible por ordenador realizado de modo tangible en un soporte de informacion, que se puede hacer funcionar en un CNC, comprendiendo el producto legible por ordenador:

   informacion para realizar una operacion sobre una pieza de trabajo usando un soplete de arco de plasma, incluyendo instrucciones tales que, mientras se realiza la operacion, se apaga una corriente de funcionamiento del soplete de arco de plasma si un nivel de ruido asociado con una senal de funcionamiento excede un umbral predeterminado.
10. 10. El sistema de deteccion de fallos segun la reivindicacion 9, en el que el funcionamiento comprende una operacion de corte, una operacion de calentamiento, una operacion de ranurado o una operacion de marcado y/o en el que la senal de funcionamiento comprende un voltaje de funcionamiento o una corriente de funcionamiento.
11. 11. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que la senal de fallo comprende interrumpir la corriente de funcionamiento del soplete de plasma, el sonido audible, la senal visual, la senal electronica, y cambiar, al menos, un parametro de funcionamiento para proteger el soplete de arco de plasma, o una combinacion de los mismos.
12. 12. El sistema de deteccion de fallos segun la reivindicacion 7 o 9, que comprende ademas:

    una entrada desde un soplete de plasma (210) configurada para generar un arco de plasma, teniendo el soplete de plasma (210) unos componentes consumibles;

    y el componente (208) segun la reivindicacion 9 para controlar y supervisar, al menos, uno de un voltaje de arco o una corriente de funcionamiento del soplete de plasma, en el que dicho componente (208) detecta el caso de fallo asociado con los componentes consumibles y cambia una senal de funcionamiento.