專利名稱：一種交流電弧噴涂設備的制作方法
一種交流電弧噴涂設備技術領域
本發(fā)明屬于電弧噴涂技術領域，具體指不同于傳統(tǒng)直流電弧噴涂系統(tǒng)的交流電弧噴涂設備。技術背景
隨著噴涂技術的發(fā)展，追求高效化、個性化是前沿發(fā)展方向。在工程實際應用領域中，各種高精尖的表面工程如噴涂防腐等表面處理工藝上已經(jīng)廣泛使用電弧噴涂的辦法。 此類方法可以比較方便高效地使金屬作為一種噴涂料均勻致密地覆蓋于工件表面，達到防腐、耐磨等其他效果。而傳統(tǒng)的噴涂工藝主要用于各種非金屬材料的噴涂作業(yè)，這種方法完全不同于以往的傳統(tǒng)噴涂工藝，具有廣闊的應用前景。這種工藝手段在各種高級機械零件的加工生產(chǎn)、建筑安全工業(yè)、各種大型可靠性工程處理等行業(yè)的需求量非常大。但是現(xiàn)階段國內(nèi)市場上存在的主要雙絲噴涂設備都是使用直流噴涂方法。因為這些傳統(tǒng)直流噴涂設備往往只具備一套送絲系統(tǒng)只能噴涂一種材料而且送絲速度和噴涂絲直徑都是固定的；兩根噴涂絲分別處于固定的正極和負極端，由電弧物理特性我們知道處于電弧負極的噴涂絲熔化速度比處在正極的噴涂絲熔化速度更快所以噴涂料的混合比例不可調(diào)，說明兩極噴涂絲獲得的能量不一樣。這樣的噴涂缺陷將導致噴涂料顆粒的粒徑大小不一致同時分布也不夠均勻。此外這種噴涂方法比較單一對于很多不同的產(chǎn)品需求往往要設計專用的噴涂系統(tǒng)導致設備的生產(chǎn)遠達不到人們的個性化使用要求。因此我們將電弧噴涂的發(fā)展方向轉(zhuǎn)向交流電弧噴涂領域，但因國內(nèi)相應配套噴涂交流電源控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制送絲系統(tǒng)技術不夠成熟而沒有得到廣泛的應用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種將交流電弧噴涂方法并利用控制電路維持其穩(wěn)定性的方法。使用高頻脈沖電源控制電弧極性在噴涂絲之間快速轉(zhuǎn)換，在這種情況下內(nèi)兩根噴涂絲分別處于電弧正極或負極的概率可以由軟件進行人為控制。這樣產(chǎn)生噴涂粒子的半徑范圍比較均勻，在工件表面的分布較為致密。但是這時候我們還需要根據(jù)要求控制噴涂絲處在負極時間來使噴涂絲的正負極占有概率不是50%，而是一個我們要求的合理值。如進行銅、鋁復合噴涂時我們要求銅基噴涂絲負極占有率為60%而鋁為40%。
本發(fā)明的技術方案是提供了一種交流電弧噴涂設備，包括主電路部分、控制電路部分、高頻穩(wěn)弧部分、送絲傳動部分以及氣路和噴槍，噴槍上裝有兩根噴涂絲，其中兩根噴涂絲之間的電弧極性呈周期性變化，通過對噴涂絲1和2處于正負極的時間比例進行控制， 實現(xiàn)電弧能量在兩噴涂絲之間的調(diào)節(jié)和分配。
上述交流電弧噴涂設備中，送絲傳動部分由兩套獨立的送絲機構(gòu)組成，兩套送絲機構(gòu)所使用的噴涂絲采用相同或者不同的材料；所用噴涂絲的直徑相同或者不同。
在上述交流電弧噴涂設備中，主電路部分包括開關器件IGBT1 IGBT4模塊，同時開通IGBT1和IGBT4并關斷IGBT2和IGBT3使變壓器電流流向為從A到B，同時開通IGBT2和IGBT3并關斷IGBT1和IGBT4使變壓器電流流向為從B到A ；通過軟件程序調(diào)節(jié)開關器件 IGBT1 IGBT4模塊的開通和關斷時間使輸出電流在電弧極性換向，電流變?nèi)鯙榱阒吧叩?00 400A以維持電弧過零前的高溫。
在上述交流電弧噴涂設備中，高頻穩(wěn)弧部分包括開關器件IGBT7 IGBTltl模塊；當 IGBT5開通時，電流從C經(jīng)VDp L1、開關器件IGBT5向隊形成電流回路，此時開關器件控制 IGBT7和IGBTltl導通；當IGBT6開通時，電流從變壓器中部經(jīng)隊、IGBT6、L2、VD4、D形成電流回路，此時開關器件IGBT8和IGBT9導通；產(chǎn)生的穩(wěn)弧電壓施加到電弧兩端并持續(xù)一段時間， 在電流過零時負載兩端承受來自高壓穩(wěn)弧電路的高壓；通過軟件程序開通和關斷開關器件 IGBT7 IGBTltl使高壓穩(wěn)弧電路輸出高壓脈沖，保證電弧過零后可以再次順利引燃。
在上述交流電弧噴涂設備中，主電路部分包括高壓整流器&、濾波電容C1與C2、一次逆變開關器件IGBT1 IGBT4、變壓器T、二極管VD1 VD4、高頻電感L1與L2、二次逆變開關器件IGBT5 IGBT6、固定負載R1 ；由工作在高頻段的開關器件IGBT接受DSP的控制后， 產(chǎn)生20KHz的交流電壓；然后再經(jīng)過變壓器T降壓和VD1-VD4整流后輸出得到直流；IGBT5* IGBT6的切換實現(xiàn)二次逆變過程；整個主電路部分輸入380v交流電壓經(jīng)前述電路處理后， 噴涂絲1和噴涂絲2獲得15 50v高頻交流電進行工作。
本發(fā)明具有的有益效果
本發(fā)明所提供的交流噴涂設備通過比較精確的電弧能量分配，使不同材料的噴涂絲在熔化量和熔化速度上有一個較好的匹配。因為有性能較好的伺服電機，所以能夠達到較高的噴涂送絲效率要求。通過使用幾種不同材料的噴涂絲進行混合噴涂使噴涂顆?；旌细鶆?、更高效、更低成本和更具有個性化。
以下結(jié)合


和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

圖1交流電弧噴涂系統(tǒng)主電路圖
圖2交流電弧噴涂設備總體系統(tǒng)方框圖
圖3電壓脈沖波形圖
圖4電流脈沖波形圖
圖5能量比例控制電壓、電流脈沖波形圖
圖中，Zl——整流器，Cl、C2——濾波電容，IGBTl 10——開關器件，T——變壓器，Rl——固定負載，R2——限流電阻，VDl 4——二極管，Ll 2——高頻電感Ll與L2
Pl 2——整流器，1、2——送絲機構(gòu)，Tl——變壓器，LEMl、LEM2——電流采樣器件，⑶、⑷——一次、二次逆變驅(qū)動電路，(5)——保護電路，(6)——電流采樣及濾波， (7)——電壓采樣及濾波，(8)——高壓穩(wěn)弧驅(qū)動電路，(9)——噴涂參數(shù)給定，(10)——噴涂參數(shù)顯示，(11)——光電隔離，(12)——噴槍開關，(13)——送絲給定，(14)——氣閥， (15)——送絲機調(diào)速電路，A——基本數(shù)據(jù)輸出，B一一送絲速度分配協(xié)調(diào)器，C——人機界面，D——DSP控制系統(tǒng)具體實施方式
在使用交流供電進行電弧噴涂作業(yè)時，將送絲系統(tǒng)輸入的兩根不同材料噴涂絲分別作為電弧正極與負極。然而電弧會在較小的基值電流下過零，所以控制電路中增加高電壓、大電流驅(qū)動電路進行穩(wěn)弧操作。
其中整個系統(tǒng)的控制電路部分包括噴涂絲能量控制部分、送絲調(diào)速控制部分和人機界面部分；其中的噴涂絲能量控制部分包括DSP控制單元(D)、一次逆變驅(qū)動電路(3)、二次逆變驅(qū)動電路G)、以及噴涂材料和能量參數(shù)給定部分(C)；當交流極性在兩根噴涂絲上不斷交換時，DSP控制單元(D)軟件實現(xiàn)對主電路的兩根不同材料噴涂絲的電壓極性控制以及對相應的極性占據(jù)時間長短進行控制；送絲調(diào)速控制部分由DSP控制單元(D)、基本速度給定輸出部分(A)、送絲速度分配協(xié)調(diào)器(B)之間的速度控制數(shù)據(jù)傳遞組成第一條基本閉環(huán)控制回路，由DSP控制單元(D)、電壓采樣及濾波(7)、LEM2、送絲速度分配協(xié)調(diào)器(B)、 之間的速度控制數(shù)據(jù)傳遞組成第二條閉環(huán)控制回路；人機界面部分包括由客戶根據(jù)噴涂需要在參數(shù)設置(C)上的噴涂絲參數(shù)給定(9)和噴涂參數(shù)顯示(10)進行速度和噴氣的數(shù)據(jù)給定，這些數(shù)據(jù)將被相關的DSP控制系統(tǒng)(D)進行接收處理后輸出基本速度值；這里面也包括相關的噴槍開關(12)、送絲給定(1 和送氣氣閥(14)的數(shù)據(jù)；
高頻穩(wěn)弧部分包括整流電路、濾波電容、高頻開關器件IGBT7-IGBTici，和限流電阻 R20 IGBT5開通時，電流從C經(jīng)VD^ L1、開關器件IGBT5向R1形成電流回路，此時開關器件 IGBT7和IGBTltl導通；IGBT6開通時，電流從變壓器中部經(jīng)RpIGBTpLpVDpD形成電流回路， 此時開關器件IGBT8和IGBT9導通；產(chǎn)生的穩(wěn)弧電壓施加到電弧兩端并持續(xù)一段時間，在電流過零時負載兩端承受來自高壓穩(wěn)弧電路的高壓；
送絲傳動部分可以由一個送絲電機帶動兩套送絲輪，從而使兩根噴涂絲的送進速度保持相同，也可以由兩套獨立的送絲傳動機構(gòu)組成，兩套送絲系統(tǒng)送出的噴涂絲速度不同。在噴涂過程中送絲系統(tǒng)受主控部分的實時監(jiān)測，所述兩個驅(qū)動電動機直接接收來自DSP 控制系統(tǒng)(D)的輸出數(shù)據(jù)，以適應電弧的實時狀態(tài)。
如圖1所示電路通過IGBI\、IGBT2、IGBT3、IGBT4構(gòu)成全橋電路一次逆變的到MOv 變壓器輸出，然后經(jīng)濾波及IGBT5 IGBT6 二次逆變輸出高頻交流電壓值噴涂系統(tǒng)的正、負極噴涂材料。開關管IGBT7和IGBTltl或IGBT8和IGBT9同時瞬間導通，高壓穩(wěn)弧脈沖加在噴涂絲之間；實現(xiàn)變極性的雙向穩(wěn)弧作用。如圖5中的電壓脈沖波形，其中基值電壓比較低而尖端脈沖電壓則高達300 400V可以形成一個非常高的間隙電場利用高壓電弧的場發(fā)射維持電路的導通，這就是高壓穩(wěn)弧的方法。
為了進一步控制頻繁的噴涂絲極性交換過零過程中的電弧穩(wěn)定性，控制電路還要保證電源輸入為0時也就是電路電流降低直到電路相當于開路時要給出一個能夠維持幾十μ s到幾ms時間段的大電流脈沖。此時電流尖峰脈沖時刻，電流可能達到300 400A。 因為這個高電流可以使電弧在輸入電流降低到一定值時電弧溫度仍不致驟降。
電弧噴涂的質(zhì)量由不同噴涂絲的熔化速度的一致性和均勻性來保證。在普通的直流電弧噴涂工藝中因為不同極性電弧材料獲得的能量不同那么熔化后的噴涂顆粒半徑不一樣，這樣的不均勻勢必造成噴涂質(zhì)量下降。本發(fā)明將直流改為交流后兩根熔化極噴涂絲可被嚴格控制獲得的能量基本是相等的或是按客戶需求進行可調(diào)的。了解到不同的具體需求后本設備的送絲實施過程是1)由前所實現(xiàn)不同材料的噴涂絲能量配比之后則他們的熔化速度必不一樣，然后由軟件將DSPic30系列控制芯片內(nèi)的能量數(shù)據(jù)傳進行計算后輸送給(A)部分進行兩根噴涂絲的基本給定，如銅、鋁絲配合電流在權利2中范圍內(nèi)速度范圍在1 3m/min ；2)數(shù)據(jù)經(jīng)過速度分配協(xié)調(diào)器(B)進行比較精確的細微調(diào)整，這次調(diào)整的依據(jù)就是通過電壓采樣及濾波電路(C)和LEM2電流采集電路采集的噴涂實時電弧參數(shù)，通過這個參數(shù)一部分送給控制單片機分析電弧的實時狀態(tài)給出合理的送絲基本速度，另一部分對于已經(jīng)處理的速度進行微調(diào)實際上這個過程包括兩個環(huán)路控制；幻經(jīng)過處理的出的比較準確度送絲速度分別輸入送絲機構(gòu)1和送絲機構(gòu)2的伺服系統(tǒng)輸出合理送絲轉(zhuǎn)速。
本發(fā)明的交流電弧過零方法，是在每個連續(xù)的電流正極、零值、負極的工作周期中有兩種驅(qū)動方式輔助電路，進行電極交換過程中電弧順利過零的方法。
為了保證施加高壓穩(wěn)弧時間準確性和及時性，采用中斷與定時器聯(lián)合控制方式。 當程序運行過程中判斷到噴涂絲正負極性轉(zhuǎn)換時刻到來時，DSP發(fā)出驅(qū)動信號同時啟動定時中斷以保證在設定的時間到來時產(chǎn)生定時器中斷以關掉高壓信號。由圖5可以看出在每次極性驅(qū)動由低到高的時刻，均產(chǎn)生一個短時間的高壓穩(wěn)弧驅(qū)動以保證電弧過零點的順利引燃，避免斷弧現(xiàn)象發(fā)生。
權利要求
1.一種交流電弧噴涂設備，包括主電路部分、控制電路部分、高頻穩(wěn)弧部分、送絲傳動部分以及氣路和噴槍，特征在于兩根噴涂絲之間的電弧極性呈周期性變化，通過對噴涂絲 1和2處于正負極的時間比例進行控制，實現(xiàn)電弧能量在兩噴涂絲之間的調(diào)節(jié)和分配。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種交流電弧噴涂設備，其特征在于所述的送絲傳動部分由兩套獨立的送絲機構(gòu)組成，兩套送絲機構(gòu)所使用的噴涂絲采用相同或者不同的材料；所用噴涂絲的直徑相同或者不同。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種交流電弧噴涂設備，其特征在于所述的主電路部分包括開關器件IGBT1 IGBT4模塊，同時開通IGBT1和IGBT4并關斷IGBT2和IGBT3使變壓器電流流向為從A到B，同時開通IGBT2和IGBT3并關斷IGBT1和IGBT4使變壓器電流流向為從B到A ；通過軟件程序調(diào)節(jié)開關器件IGBT1 IGBT4模塊的開通和關斷時間使輸出電流在電弧極性換向，電流變?nèi)鯙榱阒吧叩?00 400A以維持電弧過零前的高溫。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種交流電弧噴涂設備，其特征在于所述的高頻穩(wěn)弧部分包括開關器件IGBT7 IGBTltl模塊；當IGBT5開通時，電流從C經(jīng)VD1、L1、開關器件IGBT5 向R1形成電流回路，此時開關器件控制IGBT7和IGBTltl導通；當IGBT6開通時，電流從變壓器中部經(jīng)禮、IGBT6, L2, VD4, D形成電流回路，此時開關器件IGBT8和IGBT9導通；產(chǎn)生的穩(wěn)弧電壓施加到電弧兩端并持續(xù)一段時間，在電流過零時負載兩端承受來自高壓穩(wěn)弧電路的高壓；通過軟件程序開通和關斷開關器件IGBT7 IGBTltl使高壓穩(wěn)弧電路輸出高壓脈沖，保證電弧過零后可以再次順利引燃。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的一種交流電弧噴涂設備，其特征在于所述的主電路部分包括高壓整流器&、濾波電容C1與C2、一次逆變開關器件IGBT1 IGBT4、變壓器T、二極管VD1 VD4、高頻電感L1與L2、二次逆變開關器件IGBT5 IGBT6、固定負載R1 ；由工作在高頻段的開關器件IGBT接受DSP的控制后，產(chǎn)生20KHz的交流電壓；然后再經(jīng)過變壓器T降壓和VD1-VD4整流后輸出得到直流；IGBT5和IGBT6的切換實現(xiàn)二次逆變過程；整個主電路部分輸入380v交流電壓經(jīng)前述電路處理后，噴涂絲1和噴涂絲2獲得 15 50v高頻交流電進行工作。
全文摘要
一種交流電弧噴涂設備屬于電弧噴涂技術領域，具體涉及一種不同于傳統(tǒng)直流電弧噴涂系統(tǒng)的交流電弧噴涂系統(tǒng)及其相關設備。該設備包括噴涂絲能量控制、DSP控制系統(tǒng)、兩套送絲機構(gòu)等創(chuàng)新點。通過比較精確的電弧能量分配，使不同材料的噴涂絲在熔化量和熔化速度上有一個較好的匹配。因為有獨立的雙閉環(huán)控制的伺服送絲機構(gòu)可以滿足各種不同速度的噴涂絲熔化速度。除了能解決傳統(tǒng)的在各種工件表面噴涂高熔點金屬物質(zhì)的技術難題還能夠?qū)崿F(xiàn)更高水平的噴涂要求1、幾種不同材料的噴涂絲混合噴涂2、噴涂顆?；旌细鶆?、更高的噴涂效率4、更高的噴涂效率。
文檔編號C23C4/12GK102534456SQ201110136089
公開日2012年7月4日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權日2011年5月25日
發(fā)明者盧振洋, 姚明, 徐旦, 黃鵬飛 申請人:北京工業(yè)大學, 無錫洲翔成套焊接設備有限公司