CN102660739B - 一种根据压力控制电火花沉积能量的装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种根据压力控制电火花沉积能量的装置及控制方法，包括脉冲电源柜和称重传感器，称重传感器输出端连接高能脉冲电源柜，脉冲电源柜由A/D采样电路、数字信号处理器、控制面板电路、驱动电路、大功率开关电源、能量控制电路以及电子开关斩波电路组成；控制面板电路设置设定压力值和压力调节档值，数字信号处理器将实时压力值与设定压力值进行比较，得到压力变化值；当压力变化值超出压力调节档值的调节范围时，关断电子开关斩波电路停止放电；当压力变化值在压力调节档值的调节范围内时，导通电子开关斩波电路进行放电，并由数字信号处理器控制MOSFET管导通和关断控制沉积能量；能对沉积能量进行自动控制，提高沉积质量。

Description

一种根据压力控制电火花沉积能量的装置及控制方法

技术领域

本发明涉及金属表面工程及电火花表面沉积技术，尤其涉及一种根据压力控制电火花沉积能量的电火花表面沉积装置。

背景技术

电火花表面沉积是利用储能电源在电极与工件接触瞬间释放能量，将电极材料熔融甚至气化，涂覆至工件表面，从而在工件表面形成一层耐磨性好、硬度高、耐腐蚀的沉积层。该工艺具有操作简单、能量利用率高、电极材料选择范围广、基材热响应区域小以及残余应力低等特点，被广泛应用于精密零件的修复等领域。

目前电火花表面沉积基本上采用手持焊枪操作，手持焊枪表面沉积装置的优点是控制灵活、操作方便，缺点是：旋转电极与工件之间的压力难以控制，导致沉积层厚度不均匀。手持焊枪力量控制不准确，以及电极材料不断损耗，都会引起旋转电极与工件之间的压力变化。在放电能量一定的情况下，旋转电极与工件之间的压力越大，挤压程度也变得越大，从沉积点挤压出的合金化材料就越多，从而导致单个沉积点的沉积层面积变大；反之，压力减小，挤压程度也随之变小，单个沉积点的沉积层面积也就变小。以上两种情况在手持焊枪操作过程中交替出现，导致沉积层不连续、厚度不均匀等情况。

发明内容

本发明的目的是保留手动操作的优点、解决手动压力难以控制所引起的沉积层不连续、沉积层厚度不均匀等问题而提供一种根据压力控制电火花沉积能量的装置，本发明同时提供基于该装置的控制方法。

为了实现上述目的，本发明根据压力控制电火花沉积能量的装置采用的技术方案如下：包括脉冲电源柜和称重传感器，称重传感器输出端连接高能脉冲电源柜，称重传感器实时测量工件与焊枪上的旋转电极之间的压力信号，脉冲电源柜由A/D采样电路、数字信号处理器、控制面板电路、驱动电路、大功率开关电源、能量控制电路以及电子开关斩波电路组成；称重传感器输出端连接A/D采样电路，A/D采样电路输出端连接数字信号处理器的一个输入端，数字信号处理器的另一输入端连接控制面板电路，数字信号处理器的一个输出端与液晶显示屏相连接、另一个输出端连接驱动电路，控制面板电路的输出依次连接大功率开关电源、能量控制电路及电子开关斩波电路，驱动电路的不同输出端分别连接能量控制电路及电子开关斩波电路，电子开关斩波电路的输出连接焊枪的电源，焊枪设有液晶显示屏；所述大功率开关电源的正端连接限流电阻，限流电阻输出端并联电解电容C1和C2，电解电容C2的正极性端并联若干个无极性油浸电容，每个无极性油浸电容均串接一个MOSFET管，若干个MOSFET管的栅极均连接驱动电路，电子开关斩波电路是IGBT斩波电路，驱动电路包括MOSFET管驱动电路和IGBT驱动电路。

根据压力控制电火花沉积能量的装置的控制方法采用的技术方案是包括如下步骤：1）控制面板电路设置设定压力值F2和压力调节档值；称重传感器采集实时压力值F1，数字信号处理器将实时压力值F1与设定压力值F2进行比较，得到压力变化值△F=F1-F2；2）当压力变化值△F超出压力调节档值的调节范围时，关断电子开关斩波电路停止放电；当压力变化值△F在压力调节档值的调节范围内时，导通电子开关斩波电路进行放电，并由数字信号处理器控制MOSFET管导通和关断控制沉积能量；当△F>0时，减少无极性油浸电容放电个数；当△F<0时，增加无极性油浸电容放电个数。

本发明解决了因操作者不能准确控制旋转电极与工件之间的接触压力而引起的沉积层不连续、厚度不均匀问题，可以有效提高工件的表面沉积质量。在电火花沉积手动操作时，通过观察液晶显示屏上的压力值，操作者对压力进行调节，在压力调节过程中本装置对沉积能量进行自动控制，从而使沉积层连续性变好，沉积层厚度更加均匀，从而提高沉积质量。

 以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明的结构连接示意图；

图2为图1中高能脉冲电源主电路示意图；

图中：1.液晶显示屏；2.焊枪；3.旋转电极；4.工件；5.托盘；6.底座；7.称重传感器；8.A/D采样电路；9.数字信号处理器；10.控制面板电路；11.驱动电路；12.能量控制电路；13.大功率开关电源；14.电子开关斩波电路。

具体实施方式

本发明包括高能脉冲电源柜和称重传感器7，称重传感器7对工件4与焊枪2上的旋转电极3之间的压力信号进行实时测量，称重传感器7输出端连接高能脉冲电源柜。称重传感器7安装在托盘5与底座6之间，托盘5安装在底座6上面，工件4放置在托盘5上。

高能脉冲电源柜由A/D采样电路8、数字信号处理器（DSP）9、控制面板电路10、驱动电路11、大功率开关电源13、能量控制电路12以及电子开关斩波电路14组成。A/D采样电路8的输出端连接数字信号处理器9的一个输入端。在焊枪2上面安装液晶显示屏1，数字信号处理器9的一个输出端通过串行总线与液晶显示屏1相连接，数字信号处理器9的另一个输出端连接驱动电路11，数字信号处理器9的另一个输入端连接控制面板电路10，控制面板电路10的输出依次连接大功率开关电源13、能量控制电路12以及电子开关斩波电路14，驱动电路11的不同输出端分别连接能量控制电路12以及电子开关斩波电路14，电子开关斩波电路14的输出连接焊枪2的电源，电子开关斩波电路14将直流电转换成频率和占空比可调的单向脉冲电，满足电火花沉积工艺需求，控制焊枪2的电源工作，在旋转电极3与工件4接触瞬间释放能量。

称重传感器7输出端连接A/D采样电路8，其中A/D采样电路8由OPA2277运算放大器，TIL300精密线性光耦、RC滤波电路以及稳压二极管组成，将称重传感器7采集到的压力值微弱的电信号隔离放大后送往数字信号处理器9的A/D口。数字信号处理器9与液晶显示屏1进行串行总线通讯，将压力值送往液晶显示屏1显示。液晶显示屏1上面显示三个参数，即设置的压力值、实时采集的压力值以及两者的差值。操作者可根据液晶显示屏1上的压力值对旋转电极3与工件4之间的压力进行调节，使实时采集的压力值与设置的压力值尽可能一致，从而提高沉积层质量。

控制面板电路10安装在高能脉冲电源柜上，控制面板电路10主要功能是参数设置与参数显示，参数设置分别为电压设置、频率设置、占空比设置、压力设置以及压力调节档值设置。电压设置是针对大功率开关电源13输出的电压进行预置。频率、占空比、压力以及压力调节档值设置是通过数字信号处理器9的A/D口读取滑动变阻器的分压值并在内部处理后来获得，滑动变阻器一端安装旋钮，通过旋钮改变参数的设置。压力设置值范围是0-5N，压力调节档值可根据操作者的熟练程度以及加工零件的精密程度来设置。电压设置范围是40-100V，频率设置范围是10Hz-10KHz，占空比设置范围是1%-100%。

数字信号处理器9选用TI公司的32位处理器TMS320F2812，内部集成了EVA，EVB两个事件处理模块，可方便的产生12路PWM波形。芯片上集成了多个I/O口，可方便的控制MOSFET管和IGBT管的导通和关断。内部自带16通道的12位A/D转换器，可配置成两个独立的8通道，也可级连成一个16通道模块，采样模式可选择同时采样与顺序采样。可方便的对电压、电流、压力信号进行采集。

驱动电路11包括MOSFET管驱动电路和IGBT驱动电路，驱动电路11的驱动信号由数字信号处理器9提供，MOSFET管是利用高速光耦和三极管将数字信号处理器9输出的开关信号隔离放大后驱动，IGBT是利用IGBT专用驱动器EXB841将数字信号处理器9输出的PWM波形隔离放大后驱动MOSFET管或IGBT。

图2为高能脉冲电源主电路示意图，大功率开关电源13的正端连接限流电阻R1，限流电阻R1输出端并联电解电容C1和C2，电解电容C2的输入端即正极性端，电解电容C2的正极性端并联若干个无极性油浸电容，每个无极性油浸电容均串接一个MOSFET管，若干个MOSFET管的栅极均连接驱动电路。本发明采用20个无极性油浸电容C3～C22，20个无极性油浸电容C3～C22均选用0.47uf油浸电容，容量小，耐压值630V，耐压高。20个无极性油浸电容C3～C22分别对应地串接MOSFET管Q1～Q20，MOSFET管的型号均为IRFP90N20D。每个MOSFET管Q1～Q20的栅极均连接驱动电路11。电子开关斩波电路14是IGBT(T1)斩波电路，本发明选用IGBT型号为CM300HA-12H，将直流电转换成占空比、频率可调的单向直流脉冲，以供电火花表面沉积工艺的需求，IGBT斩波电路由驱动电路11驱动。大功率开关电源13采用高频逆变技术，动态响应速度快，输出电压精度高，满足电火花沉积工艺的需求功率。能量控制电路12包括若干个MOSFET管连接在电路中，根据旋转电极3与工件4之间的压力变化来控制MOSFET管的导通或关闭，从而控制脉冲输出能量。

根据压力变化来调节无极性油浸电容C3～C22并联个数以达到对沉积能量进行控制的具体工作过程如下：

通过控制面板电路10设置沉积频率、电压、占空比、设定压力值F2以及压力调节档值。旋转电极3工作，称重传感器7采集旋转电极3与工件4之间的接触压力信号，将实时采集的压力值F1输入数字信号处理器9，数字信号处理器9内部处理，将实时压力值F1与设定压力值F2进行比较，得到压力变化值△F=F1-F2。

数字信号处理器9控制MOSFET管Q11~ Q20关断，MOSFET管Q1~ Q10导通，即将无极性油浸电容C3 ~ C12连接到电路中，由于沉积过程中旋转电极3与工件4之间的接触压力在不断变化，操作者通过观察液晶屏1显示压力值对旋转电极3与工件4之间的压力进行调节，在调节过程中，数字信号处理器9通过控制驱动电路11控制MOSFET管Q1～Q20的通断个数即控制电容放电个数从而对放电能量进行控制。当压力变化值△F超出调节范围时，关断电子开关斩波电路14，停止放电；当压力变化值△F在调节范围内时，电子开关斩波电路14导通，继续进行放电，并控制沉积能量。

压力变化划分成多个调节档值，根据调节档值对放电能量进行控制。每个压力调节档值可以调节，可根据操作者的熟练程度以及加工零件的精密程度来设置，以达到沉积层厚度均匀。当压力变化值超出压力调节档值的调节范围时，数字信号处理器9控制电子开关管MOSFET关断，停止放电；当压力变化值恢复到压力调节档值的调节范围时，数字信号处理器9控制电子开关管MOSFET导通，继续进行放电，并控制沉积能量。

以下以0.1N为一压力调节档值、最大调节范围为正负1N为例说明本发明控制沉积能量的方法：

当实时压力值F1大于设定压力值F2，压力变化值△F=F1-F2，即△F>0时，关断相应数量的MOSFET管以减少电容放电个数，即减小放电能量。数字信号处理器9控制MOSFET管Q1 ~ Q10按压力变化进行导通和关断，控制过程如表1所示：

△F/N	MOSFET管
		0 ~ 0.1	Q1断开
0.1 ~ 0.2	Q1，Q2断开
		0.2 ~ 0.3	Q1 ~ Q3断开
0.3 ~ 0.4	Q1 ~ Q4断开
		0.4 ~ 0.5	Q1 ~ Q5断开
0.5 ~ 0.6	Q1 ~ Q6断开
		0.6 ~ 0.7	Q1 ~ Q7断开
0.7 ~ 0.8	Q1 ~ Q8断开
		0.8 ~ 0.9	Q1 ~ Q9断开
0.9 ~ 1.0	Q1 ~ Q10断开

当实时压力值F1小于设定压力值F2时，即压力变化值△F<0时，导通相应数量的MOSFET管则增加电容放电个数，即增加放电能量。数字信号处理器9控制MOSFET管Q1 ~ Q10导通，MOSFET管Q11 ~ Q20按压力变化控制其导通和关断，控制过程如表2所示：

△F/N	MOSFET管
		-0.1 ~ 0	Q11导通
-0.2 ~ -0.1	Q11，Q12导通
		-0.3 ~ -0.2	Q11 ~ Q13导通
-0.4 ~ -0.3	Q11 ~ Q14导通
		-0.5 ~ -0.4	Q11 ~ Q15导通
-0.6 ~ -0.5	Q11 ~ Q16导通
		-0.7 ~ -0.6	Q11 ~ Q17导通
-0.8 ~ -0.7	Q11 ~ Q18导通
		-0.9 ~ -0.8	Q11 ~ Q19导通
-1 ~ -0.9	Q11 ~ Q20导通

Claims (2)

1.一种根据压力控制电火花沉积能量的装置，包括脉冲电源柜和称重传感器，称重传感器输出端连接高能脉冲电源柜，称重传感器实时测量工件与焊枪上的旋转电极之间的压力信号，其特征是：脉冲电源柜由A/D采样电路、数字信号处理器、控制面板电路、驱动电路、大功率开关电源、能量控制电路以及电子开关斩波电路组成；称重传感器输出端连接A/D采样电路，A/D采样电路输出端连接数字信号处理器的一个输入端，数字信号处理器的另一输入端连接控制面板电路，数字信号处理器的一个输出端与液晶显示屏相连接、另一个输出端连接驱动电路，控制面板电路的输出依次连接大功率开关电源、能量控制电路及电子开关斩波电路，驱动电路的不同输出端分别连接能量控制电路及电子开关斩波电路，电子开关斩波电路的输出连接焊枪的电源，焊枪设有液晶显示屏；所述大功率开关电源的正端连接限流电阻，限流电阻输出端并联电解电容C1和C2，电解电容C2的正极性端并联若干个无极性油浸电容，每个无极性油浸电容均串接一个MOSFET管，若干个MOSFET管的栅极均连接驱动电路，电子开关斩波电路是IGBT斩波电路，驱动电路包括MOSFET管驱动电路和IGBT驱动电路；

通过控制面板设置沉积频率、电压、占空比、设定压力值F2以及压力调节档值；旋转电极工作，称重传感器采集旋转电极与工件之间的接触压力信号，将实时采集的压力值F1输入数字信号处理器，数字信号处理器内部处理，将实时压力值F1与设定压力值F2进行比较，得到压力变化值△F=F1-F2；

数字信号处理器控制相应数量的MOSFET管关断，相应数量的MOSFET管导通，即将相应数量的无极性油浸电容连接到电路中，由于沉积过程中旋转电极与工件之间的接触压力在不断变化，操作者通过观察液晶屏显示压力值对旋转电极与工件之间的压力进行调节，在调节过程中，数字信号处理器通过控制驱动电路控制MOSFET管的通断个数即控制电容放电个数从而对放电能量进行控制；当压力变化值△F超出调节范围时，关断电子开关斩波电路，停止放电；当压力变化值△F在调节范围内时，电子开关斩波电路导通，继续进行放电，并控制沉积能量。

2.一种如权利要求1所述根据压力控制电火花沉积能量的装置的控制方法，其特征是包括如下步骤：

1）控制面板电路设置设定压力值F2和压力调节档值；称重传感器采集实时压力值F1，数字信号处理器将实时压力值F1与设定压力值F2进行比较，得到压力变化值△F=F1-F2；

2）当压力变化值△F超出压力调节档值的调节范围时，关断电子开关斩波电路停止放电；当压力变化值△F在压力调节档值的调节范围内时，导通电子开关斩波电路进行放电，并由数字信号处理器控制MOSFET管导通和关断控制沉积能量；当△F>0时，关断相应数量的MOSFET管以减少无极性油浸电容放电个数；当△F<0时，导通相应数量的MOSFET管以增加无极性油浸电容放电个数。

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