CN108705494B - 一种自控式闸阀专机加工工装 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自控式闸阀专机加工工装，包括工作台，工作台上设有滑槽，滑槽内设有移动定位板，滑槽两侧设有气缸，气缸的活塞杆通过磁性悬浮器与移动定位板连接;滑槽槽底设有伸缩活塞，所述的气缸与控制系统连接；本发明可调节不同规格产品的结构长度，从也达到一副工装适用多种结构长度效果，大大节省成本和劳动效率，提高公司利益，在平台靠近产品中头部位安装一个伸缩活塞，固定产品中头位置不上下偏移，这个活塞也是采取控制系统控制伸缩长度，从而达到调节不同的高度满足多规格的产品；激光熔覆中激光功率为800W，离焦量为10mm，过渡层选择6.45g/min，扫描速度为360mm/min，扫描速度为360mm/min，搭接率为30%，可以获得理想的多道熔覆层。

Description

一种自控式闸阀专机加工工装

技术领域

本发明涉及一种自控式闸阀专机加工工装。

背景技术

目前闸阀放在专机加工已经很普通了，但是目前都是一个规格一个工装，不同的产品需要制作不同长度和高度的工装，这样效率很低，成本也高。中国专利“锻钢闸阀闸板导槽加工设备及方法”（申请号：CN201310070249.5）中权利要求5涉及一种夹具，该夹具只能加工闸阀的一面，而且无法兼容型号大小不同的闸阀，并且定位也是人工定位，增加了误差。

激光熔覆对零件进行表面处理，可以显著提高零件的硬度、强度和使用寿命。但是低厚度的熔覆层抗挤压能力较小，随着机械工作载荷的增大，涂层受强力挤压有时会发生局部垮塌，之后会出现表面磨损严重、表层脱落等现象，导致零件使用寿命无法满足设计要求和使用要求。仅靠低厚度的熔覆层也已不能满足要求，熔覆层需达到高厚度(≥2mm)、高硬度(≥60 HRC)。而熔覆层厚度和硬度的提高会极大地增加出现裂纹的机率，裂纹也一直是困扰激光熔覆技术发展的最大障碍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自控式闸阀专机加工工装，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自控式闸阀专机加工工装，包括工作台，工作台上设有滑槽，滑槽内设有移动定位板，滑槽两侧设有气缸，气缸的活塞杆通过磁性悬浮器与移动定位板连接;滑槽槽底设有伸缩活塞，所述的气缸与控制系统连接。

作为本发明的进一步改进，所述的移动定位板的工作面设有一层耐磨层。

作为本发明的进一步改进，所述的控制系统硬件包括主控制芯片、A/D采样、 位移传感器、PWM调制功率放大电路、开关阀以和气缸元件。

作为本发明的进一步改进，所述的控制系统的软件包括主程序、数据采集程序、模糊自适应PID算法程序和定时器PWM程序；

所述的主程序是对从定位器采样的信号进行编码，对其进行处理来控制气缸的定位， 包括对单片机和串口、A/D转换器、定时器的初始化设置，定位器对气缸的位 置进行实时的采样，单片机接受采样值对其进行A/D转换；

所述的数据采集程序A/D转换器采用10位逐次逼近的A/D转换方式，由电容藕合放大器 构成；

所述的模糊自适应PID算法程序是根据实时采集得到气缸位置的实际输出量，然后通 过和期望值得比较计算得到当前的偏差信号和偏差变化信号，由于计算机的位长因素和在实际应用的因素限制，先对其进行限幅处理，在经过量化处理就得到E和EC，根据当前的E 和EC，查模糊控制表就会得到模糊整定的系数的修正值4P, 4I, 4D，再调用增量式PID算法 就有控制量的输出变化值4u，把该变化值转化变成PWM的占空比输出值来控制执行单元；

所述的定时器PWM程序采用调节脉冲宽度的PWM调制信号，该方法是利用单片机具有的 PWM端口，不改变方波周期的前提下改变波形的占空比，从而控制开关阀开和闭的时间，从 而比例地控制气体流量大小。

作为本发明的进一步改进，一种自控式闸阀专机加工工装的制作方法如下：

S1，在工作台上表面车一个凹槽，凹槽两边车两道滑槽，滑槽内设有滚珠；

S2，取两块大小相同的金属板，分别在金属板的一面设置耐磨层，另一面中心位置安装 磁性悬浮器，在金属板的任意一边车出两个凸块，即做成移动定位板，凸块与滑槽相适配；

S3，在凹槽两边固定两个气缸、气缸的活塞工作端与磁性悬浮器连接；

S4、在凹槽底面固定一个伸缩活塞，伸缩活塞与凹槽底面垂直。

作为本发明的进一步改进，所述的步骤S1中耐磨层采用激光熔覆，激光熔覆涂层在基层采用韧性及湿润性较好的自熔性钻基合金粉末St6，粒度为61-150um，熔点为1100℃，其粉末成分为

C 0.79%、B 0.62%、Si1.85%、Cr26.3%、Fe3.75%、W 5.23%、余量Co；

为实现基层与耐磨层元素合理过渡，过渡层采用自熔性钻基合金粉末St12B粒度为44- 150um，熔点为1100℃，其粉末成分为

C 1.58%、B 0.10%、Si 1.1%、Cr 30.35%、Co 55.5%、W6.0%、Ni 3.0%、Fe2.1%、Mo2.0%；

为提高耐磨层硬度及耐磨性能，在合金粉末St12B, Co47钻基粉末， KF-Ni60A合金粉 末中添加KF-12C烧结型Co/WC复合合金粉末，其粒度为44-104um，熔点为1372.8℃，在Co47 钻基粉末中添加B4C粉末，其粒度为1-10um，熔点为2450℃；

熔覆方法如下：

A1，对基体材料的处理：首先对金属板表面进行精铣，使其表而粗糙度达到Ra=1.6um， 然后将金属板在200℃的环境下预热2h；

A2，对合金粉末的处理：使用高速震动球磨机对合个粉末进行高速球磨20min，使粉末 颗粒混合均匀；将球磨后的合金粉末置于真空干燥箱中80℃干燥12h；

A3，熔覆：采用同步送粉的方法，熔覆时送粉头与激光光束呈 600，合金粉末随Ar气经 送粉头的喷嘴喷射金属板表面，同时激光照射使粉末与金属板表面薄层快速熔凝。

作为本发明的进一步改进，所述步骤A3中的激光功率为800W，离焦量为10mm，4.75g/min作为底层熔覆参数，过渡层选择6.45g/min，扫描速度为360mm/min，搭接率为30%。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可调节不同规格产品的结构长度，从也达到一副工装适用多种结构长度效果，大大节省成本和劳动效率，提高公司利益，在平台靠近产品中头部位安装一个伸缩活塞，固定产品中头位置不上下偏移，这个活塞也是采取控制系统控制伸缩长度，从而达到调节不同的高度满足多规格的产品；激光熔覆中激光功率为800W，离焦量为10mm，过渡层选择6.45g/min，扫描速度为360mm/min，扫描速度为360mm/min，搭接率为30%，可以获得理想的多道熔覆层。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明气缸的控制系统硬件组成图；

图3为本发明气缸的控制系统软件组成图；

图4为本发明气缸的控制系统主程序流程图；

图5为本发明气缸的控制系统数据采集程序流程图；

图6为本发明气缸的控制系统模糊自适应PID算法程序图；

图7为发明气缸的控制系统定时器PWM程序流程图。

图中：1-工作台，2-滑槽，3-移动定位板，4-磁性悬浮器，5-气缸，6-伸缩活塞，7-控制系统。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1，一种自控式闸阀专机加工工装，包括工作台1，工作台1上设有滑槽2，滑槽2 内设有移动定位板3，滑槽2两侧设有气缸5，气缸5的活塞杆通过磁性悬浮器4与移动定位板 3连接;滑槽2槽底设有伸缩活塞6，气缸5与控制系统7连接，移动定位板3的工作面设有一层 耐磨层；气缸5在工作台1可以用控制系统控制上下左右坐标调节中心位置，这样对于不同 规格的产品都可以调整到法兰面的中心，在工作台1上做两边对称的滑槽2，移动定位板3放 在滑槽2内，气缸5和移动定位板3通过磁性进行连接活动，来调节不同规格产品的结构长 度，从也达到一副工装适用多种结构长度效果，大大节省成本和劳动效率，提高公司利益， 在平台靠近产品中头部位安装一个伸缩活塞6，固定产品中头位置不上下偏移，从而达到调 节不同的高度满足多规格的产品。

实施例2：

请参阅图2，所述的控制系统7硬件包括主控制芯片、A/D采样、位移传感器、PWM调制功率放大电路、开关阀以和气缸元件；

主控制芯片，其内部A/D采样以及PWM输出；位移传感器主要是把座椅位置信号转换成电信号，反馈到单片机；PWM调制功率放大电路，放大单片机输出的PWM信号，以达到开关阀的启动电压。

实施例3：

图3所示，控制系统7的软件包括主程序、数据采集程序、模糊自适应PID算法程序和定 时器PWM程序；

图4所示，主程序是对从定位器采样的信号进行编码，对其进行处理来控制气缸的定 位，包括对单片机和串口、A/D转换器、定时器的初始化设置，定位器对气缸的 位置进行实时的采样，单片机接受采样值对其进行A/D转换；

图5所示，所述的数据采集程序A/D转换器采用10位逐次逼近的A/D转换方式，由电容藕 合放大器构成；

图6所示，所述的模糊自适应PID算法程序是根据实时采集得到气缸位置的实际输出 量，然后通过和期望值得比较计算得到当前的偏差信号和偏差变化信号，由于计算机的位长因素和在实际应用的因素限制，先对其进行限幅处理，在经过量化处理就得到E和EC，根据当前的E和EC，查模糊控制表就会得到模糊整定的系数的修正值4P, 4I, 4D，再调用增量式PID算法就有控制量的输出变化值4u，把该变化值转化变成PWM的占空比输出值来控制执行单元；

图7所示，所述的定时器PWM程序采用调节脉冲宽度的PWM调制信号，该方法是利用单片 机具有的PWM端口，不改变方波周期的前提下改变波形的占空比，从而控制开关阀开和闭的 时间，从而比例地控制气体流量大小；使用的单片机内有的定时器TRD可以复用，其可同时 作为PWM输出端口，该定时器有6个输出端口可以满足本系统的需要。其相关的寄存器有:定 时器RD/PWM模式寄存器、定时器RD功能控制寄存器、定时器RD的控制寄存器和定时计数寄 存器。在程序开始对上述寄存器初始化后，等待系统采样的定时中断。只要改变TRDGRji(j= A, B, C, D, i=0-1)寄存器的设定值就可以很方便的改变调制波的频率。当计数器TRDi开 始启动，进行加1操作。当计数器的值和计数比较器的值相等的时候，停止加1计数，并产生 重装载信号，PWM输出端口的电平就会翻转直到该周期结束。在本系统中采用的PWM的频率 是一样的，只是改变占空比大小，该值是定时采样中断后，经过模糊自适应PID算法给出的。 该值装载到输出匹配寄存器中，这样来改变PWM占空比来控制信号高低电平的时间从而控 制开关阀的开关时间。

实施例4：

一种自控式闸阀专机加工工装的制作方法如下：

S1，在工作台1上表面车一个凹槽，凹槽两边车两道滑槽2，滑槽2内设有滚珠；

S2，取两块大小相同的金属板，分别在金属板的一面设置耐磨层，另一面中心位置安装 磁性悬浮器4，在金属板的任意一边车出两个凸块，即做成移动定位板3，凸块与滑槽2相适 配；

S3，在凹槽两边固定两个气缸5、气缸5的活塞工作端与磁性悬浮器4连接；

S4、在凹槽底面固定一个伸缩活塞6，伸缩活塞6与凹槽底面垂直。

实施例5：

耐磨层采用激光熔覆方法：

A1，对基体材料的处理：首先对金属板表面进行精铣，使其表而粗糙度达到Ra=1.6um， 然后将金属板在200℃的环境下预热2h；

A2，对合金粉末的处理：使用高速震动球磨机对合个粉末进行高速球磨20min，使粉末 颗粒混合均匀；将球磨后的合金粉末置于真空干燥箱中80℃干燥12h；

A3，熔覆：采用同步送粉的方法，熔覆时送粉头与激光光束呈 600，合金粉末随Ar气经 送粉头的喷嘴喷射金属板表面，同时激光照射使粉末与金属板表面薄层快速熔凝。

激光熔覆涂层在基层采用韧性及湿润性较好的自熔性钻基合金粉末St6，粒度为61-150um，熔点为1100℃，其粉末成分为

C 0.79%、B 0.62%、Si1.85%、Cr26.3%、Fe3.75%、W 5.23%、余量Co；

为实现基层与耐磨层元素合理过渡，过渡层采用自熔性钻基合金粉末St12B粒度为44- 150um，熔点为1100℃，其粉末成分为

C 1.58%、B 0.10%、Si 1.1%、Cr 30.35%、Co 55.5%、W6.0%、Ni 3.0%、Fe2.1%、Mo2.0%；

为提高耐磨层硬度及耐磨性能，在合金粉末St12B, Co47钻基粉末， KF-Ni60A合金粉 末中添加KF-12C烧结型Co/WC复合合金粉末，其粒度为44-104um，熔点为1372.8℃，在Co47 钻基粉末中添加B4C粉末，其粒度为1-10um，熔点为2450℃。

激光功率合理范围的设计：

为了保证熔覆层质量，其厚度不能太大，通常情况下熔覆层的极限厚度必须满足：hj＜ 2r/3；其中，r为激光光斑半径，hj为熔覆层极限厚；

由于离焦量为10mm处的光斑直径为3mm，从上式知hj< 1mm时，熔覆效果比较理想。激光 熔覆层质量与激光输入能量的大小密切相关，而激光输入能量是用激兴能量密度夹衡量 的，其计算公式为:E=P/DV；其中，E为激光能量密度(即单位面积上的熔覆层的激光辐射能 量)，P为激光功率，D为光斑直径，V为扫描速度；

当光斑直径一定时，成形主要取决于激光功率与扫描速度的大小，所以增大激光功率 或降低扫描速度时，激光能量密度会相应地增大，导致熔宽和熔高显著增加，使实际成形轨 迹与理想搭接模型的差距增大，导致熔覆层质量变差。因此熔覆时，在离焦量:10mm，扫描速 度:360mm/min时，想要获得比较理想的熔覆涂层激光功率不宜超过1200W。

激光功率参数设计：

激光功率密度在600W-700W时，熔覆层的熔深较浅，表面较光滑;在800W时，熔覆层形貌 较好，表面很平滑，熔覆层表而没有未熔颗粒的粘

接;900W-1000W时，表面光滑度较差，且形貌对称性变差。激光照射时由于激光模式(本 发明采用的激光器为高斯模式)的作用对熔池形貌产生影啊;600W-700W时，由于激光功率 较小，激光模式作用不明显，造成熔覆层的熔深较浅;在800W时，激光功率达到闽值突破溶 液阻挡，产生凹坑状熔池;激光能量的增加不仅能造成材料的快速熔化，同时对熔池内对流 传质提供能量，对流传质可以使元素的扩散实现均匀混合，激光直接照射粉末和基体的能 量促使其快速达到熔点，同时熔池中熔液又阻碍着能量的继续泪入，从而降低对流传质作 用;900W-1000W时，对流传质加强，并对凹坑状熔池内熔液进行搅拌，由于熔液受搅拌激烈 运动，使熔池的一侧热循环加强，造成熔池两侧受热凝固后形貌对称性变差。

送粉速度合理范围设计：

时间t内送粉量M为:M=∫0tvSpadt; 其中，v为粉末的运动速度，s为送粉管的横截面积， p为密度，a为粉末的浓度；

由上式可知，当送粉量及送粉时间一定时，粉末的运动速度V与粉末的浓度a成反比。改 变载气流量相当于改变粉末的运动速度，载气流量增大使粉末运动速度增大，则粉末的浓 度a减小，所以在激光能量一定的条件下，一定范围内粉末的浓度a越少则被熔化的越充分， 表面平整度会增加，所以适当地增大载气流量可以提高熔覆层表面平整度;当载气流量一 定时，增大送粉量，则粉末的浓度a增大，粉末越多则被熔化的越不充分。因为在激光能量一 定时，所能承载的粉末量是确定的，过多则不能完全熔化，孰附在熔覆层表面周围，导致表 面质量变差;过少则熔覆层熔高过低，甚至出现激光重熔现象，不利于零件的成形。因此本 次试验确定送粉速度范围为:3-7 g/min。

送粉参数设计：

送粉率在3.15g/min-3.95g/min时，熔覆层形貌较差，热影响区较大，其原因是，送粉率 较小，粉末阻挡、散射激光作用较小，致使相同功率下单位面积的线能量较大，造成熔池内 对流传质较激烈，出现了大量基体元素熔入熔茬层的现象，熔覆层中基体成分含量较多，降 低熔覆层物理化学性能;且过多能量通过热传递的作用，使熔池周围l材料受热，出现金相 转变，因而出现如热影响区很大的现象，较大的热影响区使基体本身的性能下降。送粉率在 5.6g/min-6.4g/min时，送粉量较大，熔覆层容易出现未熔粉末且熔覆层表面质量变差，在 熔覆韧性较差的合金粉末时容易产生裂纹。粉率在4.75g/min以后则熔覆层总体形貌良好， 且熔高明显增加。

扫描速度对熔覆层的影响：

当扫描速度较小时，送粉速率不变，相对送粉率(即P/V, P为送粉速率，V为扫描速度) 较高，基体表面能量密度增加，这就意味着单位时间内基体和合金粉末获得的能量较多，致 使熔宽、熔高和熔深变大。随着扫描速度的增加，激光对基体和合余粉末的作用时问变短， 基体和合金粉末的熔化量减少，熔宽、熔高随之变小，熔覆层表面的平整度提高，同时激光 功率密度减小，表面熔化量小，熔池的而积变小，熔覆层的熔深减小;扫描速度过高时，熔覆 层不连续或呈断珠状且熔深很浅，这是扫描速度过大时，合金粉末和基体来不及成分熔化， 激光就己经移出熔池。扫描速度为360 mm/min时，获得的熔覆层形貌较为理想。

搭接率在10%-20%时，熔覆层表面平整度较差，且熔覆层的厚度较低;在40%时，基体与熔覆层的波浪结合区，高度不一且形状连续性较差，说明熔役层与基体的结合强度不一致;50%时，两道间的覆盖量较大，使熔覆结束时厚度远远的大于开始时熔覆层厚度，会造成无法进行下一层的梯度熔覆。

选择4.75g/min作为底层熔覆参数，以降低软质韧性层厚度;而在过渡层选择6.45g/min，以提高熔覆层总体厚度。选用扫描速度360mm/min，以获得良好的熔覆层。梯度熔覆时，采用30%的搭接率作为搭接参数来增加梯度涂层宽度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种自控式闸阀专机加工工装，包括工作台（1），工作台（1）上设有滑槽（2），滑槽（2）内设有移动定位板（3），滑槽（2）两侧设有气缸（5），气缸（5）的活塞杆通过磁性悬浮器（4）与移动定位板（3）连接;滑槽（2）槽底设有伸缩活塞（6），所述的气缸（5）与控制系统（7）连接；移动定位板（3）的工作面设有一层耐磨层；控制系统（7）硬件包括主控制芯片、A/D采样、位移传感器、PWM调制功率放大电路、开关阀和气缸元件；所述的控制系统（7）的软件包括主程序、数据采集程序、模糊自适应PID算法程序和定时器PWM程序；

所述的主程序是对从定位器采样的信号进行编码，对其进行处理来控制气缸的定位，包括对单片机和串口、A/D转换器、定时器的初始化设置，定位器对气缸的位置进行实时的采样，单片机接受采样值对其进行A/D转换；

所述的数据采集程序A/D转换器采用10位逐次逼近的A/D转换方式，由电容藕合放大器构成；

所述的模糊自适应PID算法程序是根据实时采集得到气缸位置的实际输出量，然后通过和期望值得比较计算得到当前的偏差信号和偏差变化信号，由于计算机的位长因素和在实际应用的因素限制，先对其进行限幅处理，再经过量化处理就得到E和EC，根据当前的E和EC，查模糊控制表就会得到模糊整定的系数的修正值4P,4I,4D，再调用增量式PID算法就得到控制量的输出变化值4u，把该变化值转化变成PWM的占空比输出值来控制执行单元；

所述的定时器PWM程序采用调节脉冲宽度的PWM调制信号，是利用单片机具有的PWM端口，不改变方波周期的前提下改变波形的占空比，从而控制开关阀开和闭的时间，从而比例地控制气体流量大小；

自控式闸阀专机加工工装的制作方法如下：

S1，在工作台（1）上表面车一个凹槽，凹槽两边车两道滑槽（2），滑槽（2）内设有滚珠；

S2，取两块大小相同的金属板，分别在金属板的一面设置耐磨层，另一面中心位置安装磁性悬浮器（4），在金属板的任意一边车出两个凸块，即做成移动定位板（3），凸块与滑槽（2）相适配；

S3，在凹槽两边固定两个气缸（5）、气缸（5）的活塞工作端与磁性悬浮器（4）连接；

S4、在凹槽底面固定一个伸缩活塞（6），伸缩活塞（6）与凹槽底面垂直；

其特征是：所述的S2中耐磨层采用激光熔覆，激光熔覆涂层在基层采用自熔性钻基合金粉末St6，粒度为61-150um，熔点为1100℃；

为实现基层与耐磨层元素合理过渡，过渡层采用自熔性钻基合金粉末St12B粒度为44-150um，熔点为1100℃，

熔覆方法如下：

A1，对基体材料的处理：首先对金属板表面进行精铣，使其表面粗糙度达到Ra=1.6um，然后将金属板在200℃的环境下预热2h；

A2，对合金粉末的处理：使用高速震动球磨机对各个粉末进行高速球磨20min，使粉末颗粒混合均匀；将球磨后的合金粉末置于真空干燥箱中80℃干燥12h；

A3，熔覆：采用同步送粉的方法，熔覆时送粉头与激光光束呈 60⁰，合金粉末随氩气经送粉头的喷嘴喷射金属板表面，同时激光照射使粉末与金属板表面薄层快速熔凝。

2.根据权利要求1所述的一种自控式闸阀专机加工工装，其特征是：所述A3中的激光功率为800W，离焦量为10mm，4.75g/min作为底层熔覆参数，过渡层选择6.45g/min，扫描速度为360mm/min，搭接率为30%。

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