CN103627886B - 用于消除残余应力的电流脉冲控制系统 - Google Patents

Abstract

用于消除残余应力的电流脉冲控制系统，包括控制器、充电模块、放电模块和放电电极，充电模块包括多个并联的充电单元，每个充电单元分别包括各自的接触器和充电电容模块，每个充电单元中接触器与充电电容模块串联；放电模块包括多个放电开关和电感，每个充电单元连接一个放电开关，电感与放电电极串联；放电电极一端与电感连接，另一端连接于充电电容模块的并联端；控制器控制各个接触器顺序导通，接触器导通时放电开关关闭，充电单元进入充电状态；控制器控制各个放电开关顺序导通，放电开关导通时接触器断开，放电模块发出电流脉冲。本发明具有电流脉冲产生频率较高且调节范围较大的优点。

Description

用于消除残余应力的电流脉冲控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于消除残余应力的电流脉冲控制系统。

技术背景

机械零件在加工制造的过程中，不可避免地会产生残余应力，严重影响工件的机械性能，例如材料的强度、抗腐蚀性、尺寸精度和使用寿命等，不合理的应力状态，往往会降低材料的性能。

中国专利申请200710012265.3号，披露了一种消除钢中残余应力的方法，该方法中产生脉冲电流的装置由脉冲发生器和示波器组成，脉冲电流发生器包括电流探测线圈，电容器组，放电开关以及控制电路、触发电路和充电电路等，控制电路用于控制充电电路和触发电路的启闭。工作时，控制电路发出指令给充电电路，为电容器组充电完成后，控制电路再发出指令给触发电路使放电开关闭合，由电容器组放电产生脉冲电流，对样品进行处理，电流探测线圈外接示波器，脉冲电流的波形和基本参数由TDS3012型示波器测定。这种脉冲电流发生器的缺点在于：1）必须在充电完成后才能产生脉冲电流，两个脉冲电流间隔时间长，脉冲产生的频率低且不可调。2）只能产生振荡衰减波形这一种脉冲电流波形，难以适应不同截面积的工件和材料。3）无法控制单个脉冲的作用时间。

发明内容

为了克服现有的脉冲发生器存在的脉冲产生的频率低且不可调的缺点，本发明提供了一种电流脉冲产生频率较高且调节范围较大的用于消除残余应力的电流脉冲控制系统。

用于消除残余应力的电流脉冲控制系统，包括控制器、有电源输入的充电模块、用于对工件释放电流脉冲的放电模块和放电电极，其特征在于：充电模块包括多个并联的充电单元，每个充电单元分别包括各自的接触器和充电电容模块，每个充电单元中接触器与充电电容模块串联；

放电模块包括多个放电开关和电感，每个充电单元连接一个放电开关，每个放电开关包括各自的第一接线端子和第二接线端子，第一接线端子与对应充电单元的接触器连接，所有放电开关的第二接线端子均与电感连接，电感与放电电极串联；

放电电极一端与电感连接，另一端连接于充电电容模块的并联端；

控制器控制各个接触器顺序导通，接触器导通时放电开关关闭，充电单元进入充电状态；控制器控制各个放电开关顺序导通，放电开关导通时接触器断开，放电模块发出电流脉冲。

进一步，放电开关为大功率双向可控硅开关，允许电流双向流通。

进一步，所述的电流脉冲控制系统具有波形控制单元，波形控制单元与电感和放电电极形成的串联电路并联，波形控制单元包括串联连接的第一电阻，滤波二极管和波形控制开关，波形控制开关闭合时，放电模块输出直流衰减脉冲；波形控制开关断开时，放电模块输出振荡交流脉冲。

进一步，所述的电流脉冲控制系统具有辅助电容，辅助电容与充电模块并联。

进一步，每个充电电容模块并联有各自的卸荷单元，每个卸荷单元包括卸荷电阻和卸荷开关，卸荷电阻和卸荷开关串联。

进一步，卸荷开关的数量为多个，卸荷电阻的数量为一个，卸荷电阻一端与卸荷开关连接，另一端与充电电容模块的并联端连接，每个卸荷开关连接一个充电电容模块。

进一步，所述的电流脉冲控制系统具有电源调整模块，电源调整模块包括调压升压电路和整流滤波电路，整流滤波电路的输出作为充电模块的输入电源；调压升压电路与整流滤波电路之间通过变压器线圈耦合；整流滤波电路与充电模块之间控制开关，控制开关与整流滤波电路串联。

进一步，充电电容模块包括至少两个电容支路，至少一个电容支路具有选择开关，切换选择开关的通断状态，改变充电电容模块的电容值。

本发明的技术构思是：根据典型RLC放电电路中电流表达式的分析，利用调压升压电路调节充电电压，控制电流密度的幅值。通过调节充电电容模块的电容值大小控制单个电流脉冲作用的时间。通过控制器控制多路充电单元的充电时间、充电顺序、放电模块的放电时间以及放电顺序，控制通过工件的电流脉冲周期，以及电流脉冲的个数；通过与工件并联的波形控制电路控制电流脉冲的形状。

分析电容放电的RLC回路，根据基尔霍夫定律和电路元器件特性，二阶常微分方程描述：

，

式中，L是回路的电感，C是回路电容，R是回路的电阻，t是时间，i是电流值。初始条件为：

。

放电回路满足，为欠阻尼情况，产生震荡衰减放电过程，方程的解为，式中，，。

根据电流表达式，为电流的幅值项，通过调节高压电容的充电电压，实现对电流幅值的控制。表示电流幅值的衰减速度，为了在放电回路中产生较大的电流密度，使更多的能量进入所处理工件的内部，以增加作用效果，不通过改变电阻R或L来控制单个脉冲的作用时间。因此，通过调节衰减周期来控制单个脉冲的作用时间，根据所述的，调节电容C来控制单个脉冲电流的作用时间。

采用控制器控制多路充电电容模块充电、放电开关的动作时序，从而控制脉冲周期和个数。当波形控制电路断开时，放电模块产生交流振荡电流脉冲，当波形控制电路接通时，放电模块产生直流衰减电流脉冲。

本发明的有益效果在于：

1、可以在较大范围内调节消除残余应力的电流脉冲的幅值、单个脉冲的作用时间、脉冲发生的周期、脉冲产生的个数。

2、方便的控制处理工件的电流脉冲的波形，可以产生振荡脉冲和直流衰减脉冲。

3、该控制系统的操作简单，大部分操作为自动化或半自动化，便于使用，有利于电流脉冲消除残余应力工艺的推广。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

图2为脉冲电流周期控制时序图。

图3为本发明产生的不同脉冲波形图。

图4为多个电容并联形成的充电电容模块。

图5为多个电容串联形成的充电电容模块。

图6为电容串联并联混合形成的充电电容模块。

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明：

如图1所示，用于消除残余应力的电流脉冲控制系统，包括控制器，有电源输入的充电模块，用于对工件释放电流脉冲的放电模块和放电电极，充电模块包括多个并联的充电单元，每个充电单元分别包括各自的接触器KM1~KM6和充电电容模块CHM1~CHM6，每个充电单元中接触器与充电电容模块串联；

放电模块包括多个放电开关BCR1~BCR6和电感L，每个充电单元连接一个放电开关，每个放电开关包括各自的第一接线端子和第二接线端子，第一接线端子与对应充电单元的接触器连接，所有放电开关的第二接线端子均与电感L连接，电感L与放电电极串联；

放电电极一端与电感L连接，另一端连接于充电电容模块的并联端；

控制器控制各个接触器KM1~KM6顺序导通，接触器导通时放电开关关闭，充电单元进入充电状态；控制器控制各个放电开关BCR1~BCR6顺序导通，放电开关导通时接触器断开，放电模块发出电脉冲。本发明利用控制器通过控制导通的接触器的个数来控制需要产生的电流脉冲个数，可以连续产生若干电流脉冲处理工件，满足不同的处理工艺。接触器按顺序导通，接触器导通的时间间隔相同，如图2所示。

放电开关为大功率双向可控硅开关，大功率双向可控硅开关的通断状态转换迅速，能够提高脉冲的发生频率。

为了使本发明能够方便的输出两种不同形式的电流脉冲，所述的电流脉冲控制系统设置波形控制单元。波形控制单元与电感L和放电电极的形成的串联电路并联，波形控制单元包括串联连接的第一电阻R1，滤波二极管D1和波形控制开关，波形控制开关闭合放电模块输出直流衰减脉冲；波形控制开关断开，放电模块输出振荡交流脉冲。不同的电流脉冲形式适用于不同材料和不同形状的工件，如图3所示。

为了缩小高压电容的充电时间，使电流脉冲产生的周期在一个较大范围内调节，所述的电流脉冲控制系统增设辅助电容C1，辅助电容C1与充电模块并联。

为了保证所有充电电容模块的能量完全释放，每个充电电容模块并联各自的卸荷单元。每个卸荷单元包括卸荷电阻R2和卸荷开关，卸荷电阻R2和卸荷开关串联。

卸荷开关的数量为多个，卸荷电阻R2的数量为一个，卸荷电阻R2一端与卸荷开关连接，另一端与充电电容模块CHM1~CHM6的并联端连接，每个卸荷开关连接一个充电电容模块。

所述的电流脉冲控制系统具有电源调整模块，电源调整模块包括调压升压电路和整流滤波电路，整流滤波电路的输出作为充电模块的电源输入；调压升压电路与整流滤波电路之间通过变压器线圈耦合；整流滤波电路与充电模块之间控制开关，控制开关与整流滤波电路串联。调压升压电路包括可控硅调节器SCR1~SCR4和升压变压器T。整流滤波电路是由晶闸管SCR1~SCR4组成的全桥式整流滤波电路。

为了使充电电容模块的电容值可调，从而达到调节单个脉冲作用时间的目的，限定：充电电容模块包括至少两个电容支路，至少一个电容支路具有选择开关K，切换选择开关K的通断状态充电电容模块的电容值改变。

充电电容模块的形式可以是如图4所示，充电电容模块由多个电容支路并联形成，每个并联支路由电容C和选择开关K串联形成。

充电电容模块的形式还可以是如图5所示，充电电容模块由N个电容C串联形成，N＞1，N-1个电容C分别与选择开关K并联。当然，与选择开关K并联的电容数量也可以小于N-1，只要大于1即可，并不局限于本实施例的举例。

充电电容模块的形式还可以是如图6所示，充电电容包括至少两个并联支路，至少一个并联支路由N个电容C串联形成，N＞1，N-1个电容C分别与第一选择开关KI并联；至少一个并联支路由电容C和第二选择开关KII串联形成。电容的个数可以根据实际情况选择，并不限于本实施例的举例。

本发明的工作过程如下：调压升压电路的输入端连接220V交流电源。调压升压电路包括可控硅调压器和升压变压器T。经过可控硅调节器输出的电压为0~220V，可控硅调节器能连续调节电压。然后经过所述的升压变压器T，使电压值的调节范围变为0~2120V。

变压器T输出的电流进入所述的由的整流滤波电路形成直流电。

经过整流后的直流电对接触器KM1~KM6闭合的充电单元的充电电容模块CHM1~CHM6进行充电。多路充电单元的充电时间和充电顺序由控制器控制，控制器为DSP控制器。

充电电容模块CHM1~CHM6充电完成后，在放电开关BCR1~BCR6的控制下，对工件M放电处理，放电模块的放电开关BCR1~BCR6的闭合周期和放电顺序由控制器控制，同时实现自动化控制。如果有n路充电放电电路，每一路充电时间为T1，放电时间为T2，则产生的电流脉冲频率的调节范围为0~。

调节充电电容模块的电容值，可以控制单个脉冲的衰减周期，从而控制单个脉冲的作用时间。

当放电开关BCR1~BCR6接通时，充电电容模块CHM1~CHM6放电，在放电模块中产生高能的电流脉冲，处理工件M，降低内部的残余应力。

当由第一电阻R1、滤波二极管D1和波形控制开关组成的波形控制电路接入电流脉冲控制系统时，即波形控制开关接通，通过工件M的电流脉冲为直流衰减脉冲。当波形控制开关断开时，通过工件M的电流脉冲为振荡交流脉冲。

控制器控制接触器KM1~KM6导通，接触器KM1~KM6导通的充电单元的充电电容模块CHM1~CHM6进入充电状态。充电完成后，接触器KM1~KM6关闭，与该充电单元对应的放电开关BCR1~BCR6闭合，放电电极对待处理工件M放电。控制器控制接触器KM1~KM6顺序导通，接触器KM1~KM6导通的间隔时间相同。改变接触器KM1~KM6的导通个数和导通间隔时间可以调整电流脉冲产生的频率。

当工件M处理完成后，接通卸荷开关，通过卸荷电阻R2将充电电容模块CHM1~CHM6剩余的能量释放，确保操作安全。

本发明的有益效果在于：

1、可以在较大范围内调节消除残余应力的电流脉冲的幅值、单个脉冲的作用时间、脉冲发生的周期、脉冲产生的个数。

2、方便的控制处理工件M的电流脉冲的波形，可以产生振荡脉冲和直流衰减脉冲。

3、该控制系统的操作简单，大部分操作为自动化或半自动化，便于使用，有利于电流脉冲消除残余应力工艺的推广。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.用于消除残余应力的电流脉冲控制系统，包括控制器、有电源输入的充电模块、用于对工件释放电流脉冲的放电模块和放电电极，其特征在于：充电模块包括多个并联的充电单元，每个充电单元分别包括各自的接触器和充电电容模块，每个充电单元中接触器与充电电容模块串联；

放电模块包括多个放电开关和电感，每个充电单元连接一个放电开关，每个放电开关包括各自的第一接线端子和第二接线端子，第一接线端子与对应充电单元的接触器连接，所有放电开关的第二接线端子均与电感连接，电感与放电电极串联；

放电电极一端与电感连接，另一端连接于充电电容模块的并联端；

控制器控制各个接触器顺序导通，接触器导通时放电开关关闭，充电单元进入充电状态；控制器控制各个放电开关顺序导通，放电开关导通时接触器断开，放电模块发出电流脉冲。

2.如权利要求1所述的用于消除残余应力的电流脉冲控制系统，其特征在于：放电开关为大功率双向可控硅开关。

3.如权利要求1或2所述的用于消除残余应力的电流脉冲控制系统，其特征在于：所述的电流脉冲控制系统具有波形控制单元，波形控制单元与电感和放电电极形成的串联电路并联，波形控制单元包括串联连接的第一电阻，滤波二极管和波形控制开关，波形控制开关闭合时，放电模块输出直流衰减脉冲；波形控制开关断开时，放电模块输出振荡交流脉冲。

4.如权利要求3所述的用于消除残余应力的电流脉冲控制系统，其特征在于：所述的电流脉冲控制系统具有辅助电容，辅助电容与充电模块并联。

5.如权利要求4所述的用于消除残余应力的电流脉冲控制系统，其特征在于：每个充电电容模块并联有各自的卸荷单元，每个卸荷单元包括卸荷电阻和卸荷开关，卸荷电阻和卸荷开关串联。

6.如权利要求5所述的用于消除残余应力的电流脉冲控制系统，其特征在于：卸荷开关的数量为多个，卸荷电阻的数量为一个，卸荷电阻一端与卸荷开关连接，另一端与充电电容模块的并联端连接，每个卸荷开关连接一个充电电容模块。

7.如权利要求6所述的用于消除残余应力的电流脉冲控制系统，其特征在于：所述的电流脉冲控制系统具有电源调整模块，电源调整模块包括调压升压电路和整流滤波电路，整流滤波电路的输出作为充电模块的输入电源；调压升压电路与整流滤波电路之间通过变压器线圈耦合；整流滤波电路与充电模块之间控制开关，控制开关与整流滤波电路串联。

8.如权利要求7所述的用于消除残余应力的电流脉冲控制系统，其特征在于：充电电容模块包括至少两个电容支路，至少一个电容支路具有选择开关，切换选择开关的通断状态，改变充电电容模块的电容值。