CN1014590B

CN1014590B - 带电粒子束装置的控制方式

Info

Publication number: CN1014590B
Application number: CN85107255A
Authority: CN
Inventors: 村上英信; 安永政司
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1985-09-28
Filing date: 1985-09-28
Publication date: 1991-11-06
Also published as: CN85107255A

Abstract

当电弧发生时，输入到反馈控制系统的带电粒子束加速电压的反馈信号被固定在与电弧发生前相应信号的预先确定值上，经过一个给定的时间间隔之后，解除被固定了反馈信号，继续反馈控制。

Description

本发明是一项关于备有使放电引起的负载短路在短时间内能自动恢复的高电压、高输出功率电源装置的带电粒子束装置的控制方式的发明。

图5，是作为以前这类装置一例的电子束焊接机的构成原理图。图中，（1）是变换器的可控制电源，（2）是可控电源（1）的输出侧的升压变压器;（3）是由可控电源输出的交流电流的整流电路;（4）是平滑用扼流圈;（5）是滤波电容器;（6）是焊接机的阴极;（7）是焊接机的阳极;（8）是由阴极（6）发射的电子束;（9）是控制电子束（8）电流值的维纳尔电极;（10）是电子束照射的被加工物;（11）是供给维纳尔电极（9）电压的可控偏压电源;（12）是供给高电位的可控偏压电源（11）电功率的绝缘变压器;（13）是电子束加速电压（V_A）的取样电阻;（14）是电子束加速电压（V_A）的恒压控制电路;（15）是电源电流（Ik）的取样电阻;（16）是电源电流（Ik）的恒流控制电路;（17）是将恒流控制电路的输出功率传输到高电位的可控偏压电源（11）的光纤;（18）是维纳尔电极（9）或阴极（6）与阳极（7）间产生的负载短路（以下，称为起弧）。

图6示出了恒压控制电路（14）或恒流控制电路（16）的构成图。其中，（19）是由电子束加速电压（V_A）的取样电阻（13）或电源电流（Ik）的取样电阻（15）输出的反馈信号;（20）是除去包含在反馈信号中的噪声的低通滤波器;（21）是给定信号;（22）是反馈信号（19）与给定信号（21）的比较器;（23）是控制信号。

图7和图8，表示出了在起弧时各部分的电压和电流波形。（V_A）是电子束加速电压，（I_O）是可控电源（1）的电源输出电流（实际的I_O是高频的波形，而图7和图8中表示出了峰值的包络线），（I_K）是电源电流，（I_C）是电子束电流，（t）是时间，（24）是发生电弧的时间，（25）是第二次发生电弧的时间，（26）是电源切断时间。

图9示出由电弧发生引起的焊蚕缺陷，（27）是焊蚕的表面形状，（28）是焊接线，（29）是焊蚕的纵断面形状。

下面，根据图5-9，说明一下工作情况。如图5所示，由可控电源（1）供给的电功率，通过升压变压器（2）升压，整流电路（3）整流，平滑扼流圈（4）及滤波电容器（5）平滑，供电给阴极（6）与阳极（7）之间以产生电子束（8），照射在被加工物（10）上。电子束（8）的电流值由加在维纳尔电极（9）与阴极（6）间的可控偏压电源（11）的偏压控制。偏压通过绝缘变压器（12）、可控偏压电源（11）供给，由于同电子束加速电压（V_A）重叠着，所以，例如通过光纤（17）控制。电子束加速电压（V_A）及电子束电流（I_C）（除电弧发生时候以外，与电源电流（Ik）相等），分别通过电子束加速电压（V_A）的取样电阻（13）、电源电流（Ik）的取样电阻（15）测出，电子束加速电压（V_A）通过恒压控制电路（14），电源电流（Ik）通过恒流控制电路（16）分别进行控制。恒压及恒流的控制，如图6所示，通过比较器（22）检出反馈信号（19）与给定信号（21）的差，利用比较器（22）的输出作为控制信号（23）进行控制对于电子束加速电压（V_A）的情况，例如通过整流器的流通率，对于电源电流（Ik）的情况，通过光纤（17），使可控偏压电源（11）的偏压发生变化，可达到反馈信号（19）与给定信号（21）相等。这时，如果进行焊接，从被加工物（10）的熔融部分产生的金属蒸汽流入阴极（6）或维纳尔电极（9）与阳极（7）之间，经常引起两电极间短路产生电弧。在这样的真空中，电弧（18）脉冲式地发生，约100微秒结束。电弧（18）发生前后各部分的电压、电流波形示于图7。由于电弧（18）发生期（由于时间极短，图中没有表示出来）一结束，滤波电容器（5）没有电荷，所以电子束加速电压（V_A）一度变为零伏。可是，由于在进行恒压控制，可控制电源（1）的电源输出电流（I_O）急剧增大，电子束加速电压（V_A）和电源输出电流（I_O），在由平滑扼流圈（4）与电容器（5）决定的时间常数（数毫秒）内，都产生了很大的变化。并且，在产生电弧时，由于高峰值的电弧（18）电流重叠在为控制电子束电流（I_C）而检出的电源电流（Ik）上，实际上，即使没有电子束电流（Ic），恒流控制电路（16）在不产生电子束电流（Ic）的方向上也起作用。因此，由于与电子束加速电压（V_A）的变化相互干扰，电源电流（Ik）和电子束电流（Ic）在产生电弧（18）后都发生了很大变化。

这样，一旦电弧（18）发生，由于各电压电流的控制过程明显变得不稳定产生了高于通常的电压和电流，所以如图8所示，第二个、第三个电弧（18）发生，可控制电源（1）的输出电流（I_O）显著增大，可控电源（1）的切断电路起作用，焊接停止。图9示出了电弧（18）发生时的焊蚕形状。电弧（18）一发生，即使在电源没停止的情况下，由于电子束加速电压（V_A）和电子束电流（Ic）变化很大，焊蚕的幅度或熔进深度也产生了很大的变动。特别是，如果由于电弧（18）电源突然切断，在焊接中不供给填充由于电子束而形成的细孔的熔融金属，就会生成很深的焊接火口。这种焊接火口的修补极为麻烦。并且，为改善电弧控制系统的不稳定性，考虑了降低对于反馈信号（19）的低通滤波器（20）的频率，充分推迟控制系统的响应，来推迟电源切断的方法。但这样明显损害了正常时候电子束加速电压（V_A）和电子束电流（Ic）的可控性。

并且，还常采用利用磁场使电子束（8）的路径产生弯曲，来减少金属蒸汽向阴极（6）与阳极（7）间的流入量的方法，尽管能够降低电弧发生的几率，但不能做到完全没有电弧发生。

本发明是为了消除上述的以前技术上的缺点而完成的一项发明。它的目的是，提供即使是产生电弧，电子束加速电压和电子束电流增大，电源也不切断，在电子束工件中也不产生缺陷的这种控制的装置。

关系到本发明的电子束装置的控制方式，其特征是：电弧发生时，一旦将输入到电子束加速电压的反馈系统的反馈信号固定在依据产生电弧前反馈信号所定的值上，经过一个给定的时间间隔之后，解除固定，继续反馈控制。并且，根据本发明的另外一项发明，关系到本发明的电子束装置的控制方式的特征是：在电弧发生时，不仅电子束加速电压，电源电流也输入到反馈控制系统中，反馈信号一旦被固定在根据产生电弧前的反馈信号所定的值上，经过一个给定的时间间隔之后，解除固定，继续进行反馈控制。

根据本发明的又一项另外发明的特征是：反馈控制系统依照上述，又进一步采用了在电弧发生后，一旦停止加速电压施加，在解除反馈信号固定，继续进行反馈控制之前，就又开始加速电压施加的控制方式。

在本发明中，由于一检出电弧的发生，就立即将电子束加速电压和电源电流的反馈信号取样保持。在电子束加速电压和电源电流恢复的数十毫秒时间内，进行开环控制，其后又重新继续进行高速反馈控制。所以，由电弧造成的电子束加速电压和电流的变动限制在最小限度，不切断可控制电源，因此抑制了电子束对工件造成的缺陷。

并且，在本发明的其它发明中，电弧一发生，立即转至开环控制时，为防止由于变换器工作频率非常高而再引起电弧，在比进行开环控制时间更短的时间内停止施加加速电压，因此，能进一步抑制电子束电压的波动。

以下，根据附图说明一下本发明的一个实施例。图1是恒压及恒流控制电路的构成，（19a）是来自电源电流（Ik）的反馈信号a，（19b）是来自加速电压（V_A）的反馈信号b，（20a）是电源电流的反馈信号a的低通滤波器，（20b）是电子束加速电压（V）的反馈信号b的低通滤波器，（30）是从电子束加速电压（V_A）的反馈信号b（19b）检出电弧（18）发生的电路，（31）是在电弧（18）发生的同时，由检出电弧（18）发生的电路（30）输出的触发脉冲，（32）是靠触发脉冲（31）工作的单稳态多谐振荡器，（33）是单稳态多谐振荡器（32）的脉冲宽度给定器，（34a）是电源电流（Ik）的反馈信号 a（19a）的取样保持电路a，（34b）是电子束加速电压（V_A）的反馈信号b（19b）的取样保持电路b，（V_H）是由单稳态多谐振荡器（32）输出的，使取样保持电路a（34a），取样保持电路b（34b）处于保持状态的保持信号。（V_A0）是取样保持电路b（34b）的输出信号，（Ik₀）是取样保持电路a（34a）的输出信号。（21a）是给定信号a，（21b）是给定信号b，（22a）是取样保持电路a（34a）的输出信号与给定信号a（21a）的比较器，（22b）是取样保持电路b（34b）的输出信号与给定信号b（21b）的比较器，（23a）是电源电流（Ik）的控制信号，（23b）是电子束加速电压（V_A）的控制信号。

并且，图2示出了电弧（18）发生时各部分的电压、电流波形。

再者，在本发明的一实施例中，图1只示出了相当于图5的恒压控制电路（14）及恒流控制电路（16）。除图5的（14），（16）以外的部分，当然也使用了同样的符号。

下面根据图1-图4说明一下工作情况。

电弧（18）一发生，电子束加速电压（V_A）和电源电流（Ik）发生急剧变化。从而，例如，用比较器和微分电路构成检出电弧（18）发生的电路（30），将电子束加速电压（V_A）的反馈信号b（19b）输入，马上就产生探知电弧（18）发生的触发脉冲（31）。借助这个触发脉冲（31），单稳态多谐振荡器（32）产生取样保持电路a、b，即（34a）、（34b）的保持信号（V_H），电源电流（Ik）及电子束加速电压（V_A）的反馈信号a、b，即（19a），（19b）被保持。由于电弧（18）检出电路（30）使用电弧（18）发生这一非常大的反馈信号（19b）的变化，其工作不受小噪声的影响，因此没必要通过低通滤波器（20b）。从而，保持信号（V_H）十分迅速输入到取样保持电路a、b、即（34a）、（34b），因此，取样保持电路a、b、即（34a）、（34b）能够保持电弧（18）发生时的值（由于有低通滤波器（20a）、（20b），实际上是电弧（18）发生之前的值）的电源电流（Ik）及电子束加速电压（V_A）的反馈信号a、b，即（19a），（19b）。总之，因为电弧（18）发生，通过电弧（18）发生之前正常值的反馈信号a、b，即（19a）、（19b）进行控制，电弧（18）发生后的电子束加速电压（V_A）及电源电流（Ik）的急剧变化忽略不计，所以使得控制系统的工作非常稳定。向电子束加速电压（V_A）稳定状态的恢复时间是由平滑扼流圈（4）及滤波电容器（5）决定的时间常数决定的，为数毫秒。因而调整脉冲宽度给定器（33），把保持时间给定在20毫秒程度比较好。换句话说，本发明的控制电路，电弧（18）一发生，根据电弧（18）发生之前的数据从正常的反馈控制转至开环控制，电子束加速电压（V_A）及电源电流（Ik）大约恢复到正常值后，再一次开始反馈控制。开环控制一般偏差大，但由于是基于电弧（18）发生前的反馈控制数据的开环控制，并且，由于开环控制时间在数十毫秒内，时间短，所以精度非常高，对大部分以反馈控制都是适当的。

图2示出了各个电压、电流的波形，由于电弧（18）一发生，取样保持电路a、b，即（34a）、（34b）工作，输入到控制电路的电子束加速电压（V_AO）、电源电流信号（Ik_O）几乎没有变化，实际的电子束加速电压（V_A）、电源电流（Ik）都平滑地恢复。仅仅在刚重新进行反馈控制时，由于修正开环控制中产生的误差，才产生了轻微的起伏。因而，可控电源（1）的输出电流（I_O）也几乎没有变化，可控电源（1）不切断。

并且，电子束加速电压（V_A）及电子束电流（Ic）中断约10毫秒，6千瓦级与100千瓦级的典型焊接速度分别为1米/分钟，0.3米/分钟，电子束加速电压（V_A）及电子束电流（Ic）中断期间的焊接移动长度分别为170微米，50微米，确认其痕迹仅仅在焊蚕表面，不至于造成焊接缺陷。

在以上的说明中，不仅使用了电子束加速电压（V_A）的反馈信号b（19b）的取样保持电路b（34b），还使用了电源（Ik）的反馈信号a（19a）的取样保持电路a（34a）构成了控制系统，但即使只用电子束加速电压（V_A）的反馈信号b（19b）的取样保持电路b（34b）构成控制系统，也大致上能达到本发明的目的。

并且，反馈信号a、b，即（19a）、（19b）的值没必要一定与电弧（18）发生之前的值相等，保持信号（V_H）推迟，即使采用比电弧（18）发生之前的值作某种程度降低的值，也能得到大致上相同的效果。

再者，上述实施例中，可控电源（1），例如变换器的电源，即使电弧（18）发生，也使之连续工作。如图3所示，即使是使之瞬间停电的构成也可以。这种构成，对于在变换器工作频率非常高，电子束加速电压（V_A）恢复很快（例如100微秒-1毫秒的程度）时可能再发生电弧（18）的情况有效。在图3中，把探知电弧（18）发生的触发脉冲（31）输入到另外单稳态多谐振荡器（32c）时，瞬时切断变换器供电的脉冲（V_S）立即发生。这个时间以数毫秒为适当，它由脉冲宽度给定器（33c）给定。因为控制电子束加速电压（V_A）的恒压控制用的比例.积分.微分（PID）电路（35）及脉宽调制（PWM）电路（36）的输出，在门电路（37）由变换器瞬时停止用脉冲（V_S）瞬时切断，所以，如图4所示出的波形，能在适当的时间停止电子束加速电压（V_A）的供给。

并且，在上述实施例中，利用了由低通滤波器（20）造成的反馈信号（19）的时间延迟来取样保持了电弧（18）发生前反馈信号（19）的数据，但也可以利用数字式波形存储装置的前置触发器功能，也就是把反馈信号（19）不断反复写入存储器（RAM），触发脉冲（31）输入时，能读出电弧（18）发生之前数据的功能。

再者，上述实施例中，作为本发明的例子说明了电子束焊接机的控制方式。即使在使用高电压的其他电子束装置，如离子注入装置等的控制方式中，也能得到同样的效果，能把负载短路时对工件的不良影响限制在最低限度。

本发明的上述电子束装置的控制方式中，一检测出电弧发生，一旦将电子束加速电压和电源电流的反馈信号取样保持在根据电弧发生前反馈信号所定的值上，在电子束加速电压和电源电流恢复的数十毫秒时间内，进行开环控制，然后，通过再一次继续进行高速反馈控制，即使电弧发生，因为有使系统工作稳定的结构，所以，可控电源可在非常短的时间内自动恢复，取得在电子束的工件中不产生缺陷的效果。

图1表示本发明一实施例的电子束加速电压及电源电流的控制电路构成图。图2是负载短路发生时，本发明图1中实施例的各部分的电压电流波形。图3是本发明其他实施例的电子束加速电压及电源电流的控制电路构成图。图4是负载短路发生时，本发明图3实施例的各部分的电压、电流波形图。图5表示以前电子束焊接机构成的原理图。图6是以前的电子束加速电压及电源电流控制电路的构成图。图7及图8是负载短路时，以前机器各部分电压、电流波形图。图9示出了由于负载短路发生，引起以前机器的焊蚕缺陷状态。

再者，各图中，相同符号表示相同或相当的部分。

Claims

1、一种将带电粒子束加速电压，反馈控制给为带电粒子束发生器供电的可控电源的带电粒子束装置的控制方式，其特征是：在放电引起负载短路时，一旦将反馈控制系统的反馈信号固定在上述负载短路前的上述反馈信号所定的值上，经过一个给定的时间间隔之后，解除上述固定，继续上述的反馈控制。

2、根据权利要求1所述的带电粒子束装置的控制方式，其进一步的特征是，在上述负载短路时，一旦停止施加带电粒子束加速电压，在继续上述反馈控制之前，重新施加上述带电粒子束加速电压。

3、一种将带电粒子加速电压，反馈控制给为带电粒子束发生器供电的可控电源，同时利用流经上述可控电源供电电路的电源电流，反馈控制上述带电粒子束发生器的可控偏压电源的带电粒子束装置的控制式，其特征是：在放电引起负载短路时，将上述可控电源的反馈控制系统与上述可控偏压电源的反馈控制系统的各自控制系统的反馈信号，一旦固定在上述负载短路前的上述反馈信号所定的值上，经过一个给定的时间间隔之后，解除上述固定，继续上述反馈控制。

4、根据权利要求3所述的带电粒子束装置的控制方式，其进一步的特征是：在上述负载短路时，一旦停止施加带电粒子束加速电压，在继续上述反馈控制前，重新施加上述带电粒子束加速电压。