專利名稱：一種根據(jù)壓力控制電火花沉積能量的裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬表面工程及電火花表面沉積技術(shù)，尤其涉及一種根據(jù)壓力控制電火花沉積能量的電火花表面沉積裝置。
背景技術(shù)：
電火花表面沉積是利用儲能電源在電極與工件接觸瞬間釋放能量，將電極材料熔融甚至氣化，涂覆至工件表面，從而在工件表面形成一層耐磨性好、硬度高、耐腐蝕的沉積層。該工藝具有操作簡單、能量利用率高、電極材料選擇范圍廣、基材熱響應區(qū)域小以及殘余應力低等特點，被廣泛應用于精密零件的修復等領(lǐng)域。目前電火花表面沉積基本上采用手持焊槍操作，手持焊槍表面沉積裝置的優(yōu)點是控制靈活、操作方便，缺點是旋轉(zhuǎn)電極與工件之間的壓力難以控制，導致沉積層厚度不均勻。手持焊槍力量控制不準確，以及電極材料不斷損耗，都會引起旋轉(zhuǎn)電極與工件之間的壓力變化。在放電能量一定的情況下，旋轉(zhuǎn)電極與工件之間的壓力越大，擠壓程度也變得越大，從沉積點擠壓出的合金化材料就越多，從而導致單個沉積點的沉積層面積變大；反之，壓力減小，擠壓程度也隨之變小，單個沉積點的沉積層面積也就變小。以上兩種情況在手持焊槍操作過程中交替出現(xiàn)，導致沉積層不連續(xù)、厚度不均勻等情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是保留手動操作的優(yōu)點、解決手動壓力難以控制所引起的沉積層不連續(xù)、沉積層厚度不均勻等問題而提供一種根據(jù)壓力控制電火花沉積能量的裝置，本發(fā)明同時提供基于該裝置的控制方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明根據(jù)壓力控制電火花沉積能量的裝置采用的技術(shù)方案如下包括脈沖電源柜和稱重傳感器，稱重傳感器輸出端連接高能脈沖電源柜，稱重傳感器實時測量工件與焊槍上的旋轉(zhuǎn)電極之間的壓力信號，脈沖電源柜由A/D采樣電路、數(shù)字信號處理器、控制面板電路、驅(qū)動電路、大功率開關(guān)電源、能量控制電路以及電子開關(guān)斬波電路組成；稱重傳感器輸出端連接A/D采樣電路，A/D采樣電路輸出端連接數(shù)字信號處理器的一個輸入端，數(shù)字信號處理器的另一輸入端連接控制面板電路，數(shù)字信號處理器的一個輸出端與液晶顯示屏相連接、另一個輸出端連接驅(qū)動電路，控制面板電路的輸出依次連接大功率開關(guān)電源、能量控制電路及電子開關(guān)斬波電路，驅(qū)動電路的不同輸出端分別連接能量控制電路及電子開關(guān)斬波電路，電子開關(guān)斬波電路的輸出連接焊槍的電源，焊槍設有液晶顯示屏；所述大功率開關(guān)電源的正端連接限流電阻，限流電阻輸出端并聯(lián)電解電容Cl和C2，電解電容C2的正極性端并聯(lián)若干個無極性油浸電容，每個無極性油浸電容均串接一個MOSFET管，若干個MOSFET管的柵極均連接驅(qū)動電路，電子開關(guān)斬波電路是IGBT斬波電路，驅(qū)動電路包括MOSFET管驅(qū)動電路和IGBT驅(qū)動電路。
根據(jù)壓力控制電火花沉積能量的裝置的控制方法采用的技術(shù)方案是包括如下步驟1)控制面板電路設置設定壓力值F2和壓力調(diào)節(jié)檔值；稱重傳感器采集實時壓力值Fl，數(shù)字信號處理器將實時壓力值Fl與設定壓力值F2進行比較，得到壓力變化值Λ F=F1-F2 ；2)當壓力變化值Λ F超出壓力調(diào)節(jié)檔值的調(diào)節(jié)范圍時，關(guān)斷電子開關(guān)斬波電路停止放電；當壓力變化值Λ F在壓力調(diào)節(jié)檔值的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)時，導通電子開關(guān)斬波電路進行放電，并由數(shù)字信號處理器控制MOSFET管導通和關(guān)斷控制沉積能量；iAF>0時，減少無極性油浸電容放電個數(shù)；當八F〈0時，增加無極性油浸電容放電個數(shù)。本發(fā)明解決了因操作者不能準確控制旋轉(zhuǎn)電極與工件之間的接觸壓力而引起的沉積層不連續(xù)、厚度不均勻問題，可以有效提高工件的表面沉積質(zhì)量。在電火花沉積手動操作時，通過觀察液晶顯示屏上的壓力值，操作者對壓力進行調(diào)節(jié)，在壓力調(diào)節(jié)過程中本裝置對沉積能量進行自動控制，從而使沉積層連續(xù)性變好，沉積層厚度更加均勻，從而提高沉積
質(zhì)量。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)連接示意 圖2為圖I中聞能脈沖電源主電路意 圖中1.液晶顯示屏；2.焊槍；3.旋轉(zhuǎn)電極；4.工件；5.托盤；6.底座；7.稱重傳感器；8. A/D采樣電路；9.數(shù)字信號處理器；10.控制面板電路；11.驅(qū)動電路；12.能量控制電路；13.大功率開關(guān)電源；14.電子開關(guān)斬波電路。
具體實施例方式本發(fā)明包括高能脈沖電源柜和稱重傳感器7，稱重傳感器7對工件4與焊槍2上的旋轉(zhuǎn)電極3之間的壓力信號進行實時測量，稱重傳感器7輸出端連接高能脈沖電源柜。稱重傳感器7安裝在托盤5與底座6之間，托盤5安裝在底座6上面，工件4放置在托盤5上。高能脈沖電源柜由A/D采樣電路8、數(shù)字信號處理器(DSP)9、控制面板電路10、驅(qū)動電路11、大功率開關(guān)電源13、能量控制電路12以及電子開關(guān)斬波電路14組成。A/D采樣電路8的輸出端連接數(shù)字信號處理器9的一個輸入端。在焊槍2上面安裝液晶顯示屏1，數(shù)字信號處理器9的一個輸出端通過串行總線與液晶顯示屏I相連接，數(shù)字信號處理器9的另一個輸出端連接驅(qū)動電路11，數(shù)字信號處理器9的另一個輸入端連接控制面板電路10，控制面板電路10的輸出依次連接大功率開關(guān)電源13、能量控制電路12以及電子開關(guān)斬波電路14，驅(qū)動電路11的不同輸出端分別連接能量控制電路12以及電子開關(guān)斬波電路14，電子開關(guān)斬波電路14的輸出連接焊槍2的電源，電子開關(guān)斬波電路14將直流電轉(zhuǎn)換成頻率和占空比可調(diào)的單向脈沖電，滿足電火花沉積工藝需求，控制焊槍2的電源工作，在旋轉(zhuǎn)電極3與工件4接觸瞬間釋放能量。稱重傳感器7輸出端連接A/D采樣電路8，其中A/D采樣電路8由0PA2277運算放大器，TIL300精密線性光耦、RC濾波電路以及穩(wěn)壓二極管組成，將稱重傳感器7采集到的壓力值微弱的電信號隔離放大后送往數(shù)字信號處理器9的A/D 口。數(shù)字信號處理器9與液晶顯示屏I進行串行總線通訊，將壓力值送往液晶顯示屏I顯示。液晶顯示屏I上面顯示三個參數(shù)，即設置的壓力值、實時采集的壓力值以及兩者的差值。操作者可根據(jù)液晶顯示屏I上的壓力值對旋轉(zhuǎn)電極3與工件4之間的壓力進行調(diào)節(jié)，使實時采集的壓力值與設置的壓力值盡可能一致，從而提高沉積層質(zhì)量。控制面板電路10安裝在高能脈沖電源柜上，控制面板電路10主要功能是參數(shù)設置與參數(shù)顯示，參數(shù)設置分別為電壓設置、頻率設置、占空比設置、壓力設置以及壓力調(diào)節(jié)檔值設置。電壓設置是針對大功率開關(guān)電源13輸出的電壓進行預置。頻率、占空比、壓力以及壓力調(diào)節(jié)檔值設置是通過數(shù)字信號處理器9的A/D 口讀取滑動變阻器的分壓值并在內(nèi)部處理后來獲得，滑動變阻器一端安裝旋鈕，通過旋鈕改變參數(shù)的設置。壓力設置值范圍是0-5N，壓力調(diào)節(jié)檔值可根據(jù)操作者的熟練程度以及加工零件的精密程度來設置。電壓設置范圍是40-100V，頻率設置范圍是ΙΟΗζ-ΙΟΚΗζ，占空比設置范圍是1%_100%。數(shù)字信號處理器9選用TI公司的32位處理器TMS320F2812，內(nèi)部集成了 EVA，EVB兩個事件處理模塊，可方便的產(chǎn)生12路PWM波形。芯片上集成了多個I/O 口，可方便的控制MOSFET管和IGBT管的導通和關(guān)斷。內(nèi)部自帶16通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器，可配置成兩個獨立的8通道，也可級連成一個16通道模塊，采樣模式可選擇同時采樣與順序采樣?？煞奖愕膶﹄妷?、電流、壓力信號進行采集。
驅(qū)動電路11包括MOSFET管驅(qū)動電路和IGBT驅(qū)動電路，驅(qū)動電路11的驅(qū)動信號由數(shù)字信號處理器9提供，MOSFET管是利用高速光耦和三極管將數(shù)字信號處理器9輸出的開關(guān)信號隔離放大后驅(qū)動，IGBT是利用IGBT專用驅(qū)動器EXB841將數(shù)字信號處理器9輸出的PWM波形隔離放大后驅(qū)動MOSFET管或IGBT。圖2為高能脈沖電源主電路示意圖，大功率開關(guān)電源13的正端連接限流電阻R1，限流電阻Rl輸出端并聯(lián)電解電容Cl和C2，電解電容C2的輸入端即正極性端，電解電容C2的正極性端并聯(lián)若干個無極性油浸電容，每個無極性油浸電容均串接一個MOSFET管，若干個MOSFET管的柵極均連接驅(qū)動電路。本發(fā)明采用20個無極性油浸電容C3 C22，20個無極性油浸電容C3 C22均選用O. 47uf油浸電容，容量小，耐壓值630V，耐壓高。20個無極性油浸電容C3 C22分別對應地串接MOSFET管Ql Q20，MOSFET管的型號均為IRFP90N20D。每個MOSFET管Ql Q20的柵極均連接驅(qū)動電路11。電子開關(guān)斬波電路14是IGBT (Tl)斬波電路，本發(fā)明選用IGBT型號為CM300HA-12H，將直流電轉(zhuǎn)換成占空比、頻率可調(diào)的單向直流脈沖，以供電火花表面沉積工藝的需求，IGBT斬波電路由驅(qū)動電路11驅(qū)動。大功率開關(guān)電源13采用高頻逆變技術(shù)，動態(tài)響應速度快，輸出電壓精度高，滿足電火花沉積工藝的需求功率。能量控制電路12包括若干個MOSFET管連接在電路中，根據(jù)旋轉(zhuǎn)電極3與工件4之間的壓力變化來控制MOSFET管的導通或關(guān)閉，從而控制脈沖輸出能量。根據(jù)壓力變化來調(diào)節(jié)無極性油浸電容C3 C22并聯(lián)個數(shù)以達到對沉積能量進行控制的具體工作過程如下
通過控制面板電路10設置沉積頻率、電壓、占空比、設定壓力值F2以及壓力調(diào)節(jié)檔值。旋轉(zhuǎn)電極3工作，稱重傳感器7采集旋轉(zhuǎn)電極3與工件4之間的接觸壓力信號，將實時采集的壓力值Fl輸入數(shù)字信號處理器9，數(shù)字信號處理器9內(nèi)部處理，將實時壓力值Fl與設定壓力值F2進行比較，得到壓力變化值Λ F=F1-F2。數(shù)字信號處理器9控制MOSFET管Ql I Q20關(guān)斷，MOSFET管Ql QlO導通，即將無極性油浸電容C3 C12連接到電路中，由于沉積過程中旋轉(zhuǎn)電極3與工件4之間的接觸壓力在不斷變化，操作者通過觀察液晶屏I顯示壓力值對旋轉(zhuǎn)電極3與工件4之間的壓力進行調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過程中，數(shù)字信號處理器9通過控制驅(qū)動電路11控制MOSFET管Ql Q20的通斷個數(shù)即控制電容放電個數(shù)從而對放電能量進行控制。當壓力變化值ΛF超出調(diào)節(jié)范圍時，關(guān)斷電子開關(guān)斬波電路14，停止放電；當壓力變化值Λ F在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)時，電子開關(guān)斬波電路14導通，繼續(xù)進行放電，并控制沉積能量。壓力變化劃分成多個調(diào)節(jié)檔值，根據(jù)調(diào)節(jié)檔值對放電能量進行控制。每個壓力調(diào)節(jié)檔值可以調(diào)節(jié)，可根據(jù)操作者的熟練程度以及加工零件的精密程度來設置，以達到沉積層厚度均勻。當壓力變化值超出壓力調(diào)節(jié)檔值的調(diào)節(jié)范圍時，數(shù)字信號處理器9控制電子開關(guān)管MOSFET關(guān)斷，停止放電；當壓力變化值恢復到壓力調(diào)節(jié)檔值的調(diào)節(jié)范圍時，數(shù)字信號處理器9控制電子開關(guān)管MOSFET導通，繼續(xù)進行放電，并控制沉積能量。以下以O. IN為一壓力調(diào)節(jié)檔值、最大調(diào)節(jié)范圍為正負IN為例說明本發(fā)明控制沉積能量的方法
當實時壓力值Fl大于設定壓力值F2，壓力變化值Λ F=F1-F2,即Λ F>0時，關(guān)斷相應數(shù)
量的MOSFET管以減少電容放電個數(shù)，即減小放電能量。數(shù)字信號處理器9控制MOSFET管
Ql QlO按壓力變化進行導通和關(guān)斷，控制過程如表I所示
權(quán)利要求
1.ー種根據(jù)壓カ控制電火花沉積能量的裝置，包括脈沖電源柜和稱重傳感器，稱重傳感器輸出端連接高能脈沖電源柜，稱重傳感器實時測量エ件與焊槍上的旋轉(zhuǎn)電極之間的壓力信號，其特征是脈沖電源柜由A/D采樣電路、數(shù)字信號處理器、控制面板電路、驅(qū)動電路、大功率開關(guān)電源、能量控制電路以及電子開關(guān)斬波電路組成；稱重傳感器輸出端連接A/D采樣電路，A/D采樣電路輸出端連接數(shù)字信號處理器的一個輸入端，數(shù)字信號處理器的另ー輸入端連接控制面板電路，數(shù)字信號處理器的ー個輸出端與液晶顯示屏相連接、另ー個輸出端連接驅(qū)動電路，控制面板電路的輸出依次連接大功率開關(guān)電源、能量控制電路及電子開關(guān)斬波電路，驅(qū)動電路的不同輸出端分別連接能量控制電路及電子開關(guān)斬波電路，電子開關(guān)斬波電路的輸出連接焊槍的電源，焊槍設有液晶顯示屏；所述大功率開關(guān)電源的正端連接限流電阻，限流電阻輸出端并聯(lián)電解電容Cl和C2，電解電容C2的正極性端并聯(lián)若干個無極性油浸電容，每個無極性油浸電容均串接ー個MOSFET管，若干個MOSFET管的柵極均連接驅(qū)動電路，電子開關(guān)斬波電路是IGBT斬波電路，驅(qū)動電路包括MOSFET管驅(qū)動電路和IGBT驅(qū)動電路。
2.ー種根據(jù)壓カ控制電火花沉積能量的裝置的控制方法，其特征是包括如下步驟 1)控制面板電路設置設定壓カ值F2和壓カ調(diào)節(jié)檔值；稱重傳感器采集實時壓カ值F1，數(shù)字信號處理器將實時壓カ值Fl與設定壓カ值F2進行比較，得到壓カ變化值Λ F=F1-F2 ； 2)當壓カ變化值ΛF超出壓カ調(diào)節(jié)檔值的調(diào)節(jié)范圍時，關(guān)斷電子開關(guān)斬波電路停止放電；當壓カ變化值Λ F在壓カ調(diào)節(jié)檔值的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)時，導通電子開關(guān)斬波電路進行放電，并由數(shù)字信號處理器控制MOSFET管導通和關(guān)斷控制沉積能量；當八F>0時，關(guān)斷相應數(shù)量的MOSFET管以減少無極性油浸電容放電個數(shù)；當八F〈0吋，導通相應數(shù)量的MOSFET管以增加無極性油浸電容放電個數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種根據(jù)壓力控制電火花沉積能量的裝置及控制方法，包括脈沖電源柜和稱重傳感器，稱重傳感器輸出端連接高能脈沖電源柜，脈沖電源柜由A/D采樣電路、數(shù)字信號處理器、控制面板電路、驅(qū)動電路、大功率開關(guān)電源、能量控制電路以及電子開關(guān)斬波電路組成；控制面板電路設置設定壓力值和壓力調(diào)節(jié)檔值，數(shù)字信號處理器將實時壓力值與設定壓力值進行比較，得到壓力變化值；當壓力變化值超出壓力調(diào)節(jié)檔值的調(diào)節(jié)范圍時，關(guān)斷電子開關(guān)斬波電路停止放電；當壓力變化值在壓力調(diào)節(jié)檔值的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)時，導通電子開關(guān)斬波電路進行放電，并由數(shù)字信號處理器控制MOSFET管導通和關(guān)斷控制沉積能量；能對沉積能量進行自動控制，提高沉積質(zhì)量。
文檔編號C23C26/02GK102660739SQ201210138690
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
發(fā)明者史先傳, 廖威, 涂建平, 潘太軍 申請人:常州大學