CN1619021A - 大容量钛合金脉冲微弧阳极氧化动态控制电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大容量钛合金脉冲微弧阳极氧化动态控制电源，其结构由硬件和控制程序两部分组成，硬件以单板机为核心，通过变压器变比，多路输出再经控制电路有单板机主回路、主流控制电路、反馈电路、控制脉冲电路、保护电路实现对工艺要求的初始工作电压、最终工作电压、自动升压速度、工艺过程电流范围、额定恒定流值、脉冲持续时间、脉冲跟踪频率、占空比、负向脉冲、末端电压、电流下降速度及电解槽工作温度等12个参数范围和动态的控制，优点：以单板机为核心，控制灵活，精度高，电路稳定可靠，对于大容量钛合金脉冲微弧阳极氧化动态检测过程中实现了多参数，宽范围动态协调，自动匹配控制，解决了钛合金氧化膜增厚难的问题。

Description

大容量钛合金脉冲微弧阳极氧化动态控制电源

技术领域

本发明涉及一种大容量动态控制电源，特别适合在钛合金脉冲微弧阳极氧化生产工艺过程动态控制使用。

背景技术

钛合金脉冲微弧阳极氧化工艺是目前一种较复杂的电化学表面处理工艺，对处理工艺的设备电源要求非常高，目前对钛合金处理所采用的设备是采用内置程序控制板的开关电源，使交流变直流时，电源的纹波率要求在1％以下，确保生产的产品质量稳定，氧化膜厚度、颜色均匀一致，这种电源的要求，目前的开关电源很难达到，对于钛合金阳极氧化科学准确的完成工艺过程中所涉及的参数有初始工作电压、最终工作电压、额定最高电压、升压速度、工艺过程的电压范围、额定恒流值、脉冲持续时间、脉冲跟踪频率、占空比、负向脉冲值、末段电压电流下降速度及电解槽工作温度等多参数全自动动态控制，目前查阅了所有相关资料，均未查到有关钛合金脉冲微弧阳极氧化生产工艺过程的供电电源。

发明内容

为解决钛合金脉冲微弧阳极氧化生产过程中动态电源工艺参数的控制，本发明的目的提供一种大容量钛合金脉冲微弧阳极氧化动态控制电源，利用单板机和控制程序以实现钛合金脉冲微弧阳极氧化生产过程中对多个电源参数的宽范围动态协调、自动匹配控制，使设备重量轻、体积小，以满足技术要求的动态控制电源。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明大容量钛合金脉冲微弧阳极氧化动态控制电源包括有硬件和控制程序两部分组成。

硬件由交流电路和相应的控制电路组成，交流主电路为交流输入电路，控制电路包括单板机电路、反馈电路、控制脉冲电路、保护电路及显示电路，其连接是：交流电路由动力电源供电，三相交流电源经熔断器、交流接触器连接到三相主变压器降压，副边为两组方向相反的三相桥式闸流整流，其中交流输入电路，交流电源经移相变压器、三相TC2降压后，连接到控制电路作脉冲同步电压；经电源变压器，单相TC1降压后，两组送到控制电路经整流稳压作控制电源，另一组连接到显示屏电源；电压反馈、电流反馈控制电路与变压器T的次级输出，经降压后连接到稳压电路(500，600)和电压保护电路(FL)相接，控制脉冲电路是通过显示屏设定正或负脉冲的稳压和稳流工作状态，对脉冲频率、脉冲占空比、给定值与反馈信号限压、限流给定值进行计算，生成随之变化而相位变化的高频脉冲列，经单板机接至可控硅驱动部件和高频脉冲变压器，控制正或负可控硅元件导通，为六对12路脉冲电路，从而产生与设定工作状态相应的电压电流，(如图1所示)。

保护电路有过电压保护、过电流保护，当电压、电流超过设定值，保护电路动作，封锁脉冲，结果直流输出降为零，过热保护和缺相保护都是如此进行。

控制电路结构是单板机输出经接口电路输入到可控硅驱动电路输入端，具体输入到驱动电路JK004的控制输入端，输入的信号为频率和导通角的大小，经过两极三极管驱动，通过变压器直接控制可控硅的控制极输入端，为六对可控硅输出的正反向驱动电路12路(如图3～7、9所示)，其中过压保护电路为保护电路控制端(502)，标准电压输入端VBZ以及电压输入端500和600经电压比较器输出，最后由IC14C输出，直接输入到可控硅驱动电路控制端，IC1～IC6的14角，同时另一路标准电压输出连接到IC1～IC6的12角(如图8所示)；

过流保护与过压保护相同(如图10所示)，电压控制端与标准电流输出端经比较器输出到IC1～IC6的14角，频率由部件输出到驱动控制部件的3角(如图10所示)。

本发明大容量动态控制电源在钛合金脉冲微弧阳极氧化动态生产控制过程中，所有参数的设定和调试都是通过计算机控制程序实现的，下面结合程序流程图加以说明。

计算机控制程序包括下列步骤：

1、初始化，该程序能自动检测设备的各种功能，显示各种参数的安全数组，并进行相关提示；

2、输入参数，钛合金的低温脉冲微弧阳极氧化，由于不同成膜阶段的特点使整个成膜过程分为三个不同的控制阶段，三个阶段的所有参数都在此一次输入完成；

3、生产过程的三个阶段：依次为T1段、T2段、T3段。

其中：T1段

由于钛合金是活泼金属形成的合金，阳极成膜技术要求高，因此最初(T1段)的微弧阳极氧化膜是在大电流下快速生成的，厚度为0.5～1.0μm；

T1段设定下列参数：

时间控制1：钛的微弧阳极氧化第一阶段一般只有0.5～1.5min；

限定电压范围1：在0.5～1.5min系统强制将工作电压从零急剧增加到80～100伏；

电流范围1：在这一阶段阳极电流密度应尽可能的要大，最大会达到10～15A/dm²，根据不同零件种类和装挂零件的总面积，系统自动推算出相应的总的电流范围；

限流保护1：在整个微弧阳极氧化过程中，第一阶段的电流最大，若计算不当或由于某些原因导致电流峰值达到或即将达到设备允许的最大电流时，软件系统将自动进行限流调整，将电流值调整到允许的电流范围的下限；

脉冲持续时间1：脉冲电源的特点是当交流电转变为直流电时，电源是间歇式供电，本程序输出的波形为方型波，在阳极氧化的第一阶段脉冲持续时间t1为0.8～0.9秒，间断时间为0.01～0.2秒，跟踪频率为0.25～2.95HZ。

跟踪频率1：阳极化第一阶段，跟踪频率为1.25～2.95HZ；

报警系统1、报警系统2、报警系统3：在不同的时间段内根据不同的不安全要素都有报警系统，当设备、参数、电路或槽液温度出现异常时，程序将自动报警并断电；

温度控制系统1、温度控制系统2、温度控制系统3：钛合金微弧阳极氧化过程是一个放热过程，随着反应的进行，槽液的温度会不断的增加，为了使生成的阳极氧化膜具有一定的硬度以提高其耐磨性，整个阳极氧化过程要在较低(-10～+10℃)的恒温下进行，因此系统要不断的进行降温。温度传感器一头与槽液中的温度计相连，另一端则受程序控制，当温度升高偏离设定值时，温度计通过传感器，传递到控制程序中，触发程序发出命令，启动制冷系统开始工作。

T2段：

钛合金的微弧阳极氧化主要是在第二时间段，在这一时间段内，大多数的工艺参数与阳极氧化第一阶段的参数不同，由于钛合金在高电压下生成的阳极氧化膜是绝缘膜，当膜厚度达到0.5μm以上时，在500V测得氧化膜的电阻值达到10⁵Ω，是绝缘层，若要氧化膜增厚，必须通过升高电压，将先前生成的阳极氧化膜击穿、导通才能使氧化膜增厚，通过不断的升高电压、不断的击穿来维持通过零件的电流密度。

T2段设定下列参数：

时间控制2：微弧阳极氧化第二阶段时间的长短，取决于零件设计图纸对厚度的要求，一般情况下，氧化膜厚度在2-25μm，这一时段的时间35-120min；

脉冲持续时间2：本程序输出的波形为方型波。除正向波在阳极氧化的第二阶段脉冲持续时间t2为0.2-0.6秒；负向波的持续时间为0.1-0.2秒；

跟踪频率2：阳极化第二阶段，系统将阳极化脉冲跟踪频率控制在为0.8-1.2HZ；

正向恒定电流+：在这一阶段脉冲正向阳极电流密度恒定，通过不断生高负载的电压来维持阳极的电流密度在1.5-2A/dm²，根椐装挂零件的总面积，准确计算出总的电流；

负向恒定电流-：本阶段脉冲负向阳极电流密度也恒定，在0.1-0.3A/dm²根椐装挂零件的总面积，准确计算出总的电流；

自动升压保恒流：为了保持工件的导电性，系统将不断的生高阳极氧化的电压，以维持整个(第二阶段)过程的恒流；

限压保护：在第二阶段的微弧阳极氧化过程中，为了保证电流的恒定，电压在不断的升高。当某些原因导致电压峰值达到或即将达到设备允许的最大电压时，软件系统将自动进行限压调整，将电压值调整到允许的范围内。

T3段：

钛合金的微弧阳极氧化的第三时间段，在这一时间段的工艺参数与前两个时间段的参数也不同，由于钛合金阳极氧化膜是多孔的，当氧化膜厚度达到图纸规定时，不能立即断电停止，而要进行封孔处理—T3段。

T3段设定下列参数：

时间控制3：微弧阳极氧化第三阶段—封孔处理的时间，取决与零件设计图纸对厚度的要求.通常该过程控制在4～8分钟；

脉冲持续时间3：本程序输出的波形为方型波，正向波在阳极氧化的第三阶段，脉冲持续时间t3为0.2～0.6秒；与第一时段相似，没有负向波；

恒压降流：在本时段里系统将停止升压，在较高的恒定电压下，4～8分钟系统强制将电流电正向恒定电流+降至零；

降压归零：电流归零后，系统将电压由100～300伏自动降至零；

断电\提示：脉冲微弧阳极氧化结束时(整个程序即将执行完毕)系统会发出特殊的声音，提示阳极氧化结束，可以从电解槽中取出零件。

本发明的优点：电路设计合理，以单板机为核心，控制灵活，精度高，电路稳定可靠，对于大容量钛合金脉冲微弧阳极氧化动态检测过程中实现了多参数，宽范围动态协调，自动匹配控制，解决了钛合金氧化膜增厚难的问题，具有很大的经济效益。

附图说明

图1为本发明外电路动力电连接图；

图2为本发明内电路相位、相序、正压、负压显示控制电原理图；

图3～7、9为本发明12路正、反向触发可控硅控制电原理图；

图8为本发明过压保护电原理图；

图10为本发明过流保护电原理图；

图11为本发明控制程序流程图；

图12为本发明单板机控制电原理图。

具体实施方式

本发明详细结构及工作原理结合附图加以详细说明。

本发明硬件部分由内、外电路两部分组成，其中机器内部电源：-15V、-5V电源：经TC1变压器次级001、002经B2正流C9滤波送稳压7915滤波后输出-15V。又经7905稳压块C11滤波输出-5V。

+24V、+15V、+5V电源：经TC1变压器次数003、004，又经B1正流C6滤波7824稳压块C7滤波输出+24V。+24V经7815稳压块C8滤波输出+15V，+15V经7805稳压块输出+5V。

显示屏直流电源：经TC1变压器次级005、006、007后由D7、D8全波正流、C12滤波，又经IC10稳压块由P1调节可以输出显示屏所需电压。

相序检测与保护

对于任何一个设备一定保证相序符合要求，若相序不对或缺相一定要切断供电电路，而且对50周供电频率要求：47HZ＜f＜53HZ。

相序检测电路接在012、013、014经正流D1、D2、D3后由电阻R1-R6分压，分别驱动三极管T1、T2、T3，又经施密特触发电路IC1A、IC1B、IC1C将其正形，IC2(4027)是正沿触发的双JK触发器，相序由IC2和IC1D来检测。当012相电压上升至146V时IC1A/3由低变高时，结果使IC2经C1清“0”，012相在146V以上，013相电压也上升146V，IC1B/4输出也变高，它一方面使IC2B的J变高，另一方面为IC2A/3(CLK)提供触发脉冲，使IC2：A/1变高，IC1C/10变高，使IC2B/11获得触发脉冲，IC2B/15输出高电平，这种变化是周期性变化，说明相序是对的，IC1D/11输出为低电平，触发IC3使RL1继电器吸合，RL1继电器触点接入直流供电电路输入端，(如图2所示)。

如果相序不对，可以把B、C相对调，如缺相可以检查主回路。

保护电路：

过压保护：过压保护从输出电压分压获得，(502、600)，将取得分压转换为-15V-+15V电压作为标准，将输出电压按分压后比例转换成电压Vout1，如果Vout1＞Vout3，Vout3为保护电压，则IC7A/1输出低电压，经IC14A、IC14C后，IC14C/10输出低电平，封锁IC1-IC6/14，IC1-IC6为触发可控硅芯片，可控硅无触发脉冲停止工作。使直流电压输出为“0”。

过滤保护：过滤保护从主回路电阻FL取样，将其电流值转换为电压Vout4，电压范围为-15V-+15V，保护电流定义为Ib，也把它转换为-15V-+15V范围内，电压Vout5，然后Vout4、Vout5通过比较器IC15A(LM324)进行比较，如果Vout4＞Vout5时，IC15A/1输出低电平，送至IC14/2，最后使IC14C/10变低电平封锁IC1-IC6触发脉冲，使直流输出为“0”。

可控硅超温保护：将温度继电器附在可控硅散热片上，由于某种原因超温时，温度继电器触关闭合，K1继电器通导，断开主回路。

设定值：对输出电压、电流，输出波形、占空比、幅值脉冲频率等进行设定。

首先把设定值转换为-15V-+15V电压，然后送至触发可控硅芯片对应脚上。

如电压设定，设定值Vbz，将Vbz转换为-15V-+15V电压，Vout2需反复进行比例调试，送至IC1-IC6/12。

频率的设定，设定值为f，将f通过f/v转换，输出f对应的Vout6(-15V-+15V)送IC1-IC6/3。当然此值经过反复调试得到。

同步脉冲：同步脉冲单个可控硅只用一个，三相电压结过TC2变压器输出011、010送至IC1-IC6/8、7。

对其中KJ004器件的说明。

以IC1为例，该集成电路由同步检测电路、锯齿形成电路、偏移电压、移相电压及锯齿波电压综合比较，放大电路和功放电路组成，锯齿波斜率取决于外接电阻R16、RW2流出的充电电流和积分电容C3数值，。对于不同的移相控制电压Vy，只要改变权电阻R12、R13的比例，调节相应的偏移电压Vp，同时调锯齿波斜率电位器RW2可以使不同的移相控制电压获得正个移相范围，触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角愈大。R11、C4形成微分电路，改变R11、C4可以获得不同脉宽输出。

可控硅触发：按主电路有六支正向、六支反向可控硅。本发明以V1、V7为例，KJ04/1、KJ04/15输出相位差为180°脉冲，用KJ04/1驱动T1、DT1经驱动变压器在RL2继电器吸合时触发正向可控硅V1，同样用KJ04/15驱动T2、DT2，经驱动变压器RL5吸合，触发反向可控硅V7。

V1与V7受继电器RL2、RL5控制，RL2、RL5取决于是正压输出还是负压输出。

K1、K2、K3、K4、K5、K6为正向可控硅阳极；

G1、G2、G3、G4、G5、G6为正向可控硅控制极；

K7、K8、K9、K10、K11、K12为反向可控硅阳极；

G7、G8、G9、G10、G11、G12为反向可控硅控制极。

正向可控硅、反向可控硅控制：

Vout2经过高压电路IC11进行比较

Vout2＞0，IC11/7为高电平T6导通，继电器RL2、RL3、RL4吸合，触点1-2、3-4接通，可控硅V1、V2、V3、V4、V5、V6的控制极G1、G2、G3、G4、G5、G6分别与脉冲变压器接通，正向可控硅可以工作，反向可控硅的G7、G8、G9、G10、G11、G12与脉冲变压器断开。

Vout2＜0，IC11/1为高电平T7导通，继电器RL4、RL5、RL6吸合，触点1-2、3-4接通，可控硅V7、V8、V9、V10、V11、V12的控制极G7、G8、G9、G10、G11、G12与脉冲变压器接通，反向可控硅可以工作，正向可控硅的G1、G2、G3、G4、G5、G6与脉冲变压器断开。

Claims (7)

1、一种大容量钛合金脉冲微弧阳极氧化动态控制电源，该控制电源由硬件和控制程序两部分组成，其特征在于硬件由交流电路和相应的控制电路组成，交流主电路为交流输入电路，控制电路包括单板机电路、反馈电路、控制脉冲电路、保护电路及显示电路，其连接是：交流电路由动力电源供电，三相交流电源经熔断器、交流接触器连接到三相主变压器降压，副边为两组方向相反的三相桥式闸流整流，其中交流输入电路，交流电源经移相变压器、三相TC2降压后，连接到控制电路作脉冲同步电压；经电源变压器，单相TC1降压后，两组送到控制电路经整流稳压作控制电源，另一组连接到显示屏电源；电压反馈、电流反馈控制电路与变压器T的次级输出，经降压后连接到稳压电路(500，600)和电压保护电路(FL)相接。

2、按权利要求1所述的大容量钛合金脉冲微弧阳极氧化动态控制电源，其特征在于控制脉冲电路是通过显示屏设定正或负脉冲的稳压和稳流工作状态，对脉冲频率、脉冲占空比、给定值与反馈信号限压、限流给定值进行计算，生成随之变化而相位变化的高频脉冲列，经单板机接至可控硅驱动部件和高频脉冲变压器，控制正或负可控硅元件导通，为六对12路脉冲电路，从而产生与设定工作状态相应的电压电流。

3、按权利要求1所述的大容量钛合金脉冲微弧阳极氧化动态控制电源，其特征在于控制电路结构是单板机输出经接口电路输入到可控硅驱动电路输入端，具体输入到驱动电路JK004的控制输入端，输入的信号为频率和导通角的大小，经过两极三极管驱动，通过变压器直接控制可控硅的控制极输入端，为六对可控硅输出的正反向驱动电路12路，其中过压保护电路为保护电路控制端(502)，标准电压输入端VBZ以及电压输入端500和600经电压比较器输出，最后由IC14C输出，直接输入到可控硅驱动电路控制端，IC1～IC6的14角，同时另一路标准电压输出连接到IC1～IC6的12角；过流保护与过压保护相同，电压控制端与标准电流输出端经比较器输出到IC1～IC6的14角，频率由部件输出到驱动控制部件的3角。

4、一种大容量钛合金脉冲微弧阳极氧化动态控制程序，其特征在于控制程序包括下列步骤：

1)、初始化，该程序能自动检测设备的各种功能，显示各种参数的安全数组，并进行相关提示；

2)、输入参数，钛合金的低温脉冲微弧阳极氧化，由于不同成膜阶段的特点使整个成膜过程分为三个不同的控制阶段，三个阶段的所有参数都在此一次输入完成；

3)、生产过程的三个阶段：依次为T1段、T2段、T3段。

5、按权利要求4所述的控制程序，其特征在于其中T1段，由于钛合金是活泼金属形成的合金，阳极成膜技术要求高，因此最初(T1段)的微弧阳极氧化膜是在大电流下快速生成的，厚度为0.5～1.0μm；

设定下列参数：

时间控制1：钛的微弧阳极氧化第一阶段一般只有0.5～1.5min；

限定电压范围1：在0.5～1.5min系统强制将工作电压从零急剧增加到80～100伏；

电流范围1：在这一阶段阳极电流密度应尽可能的要大，最大会达到10～15A/dm²，根据不同零件种类和装挂零件的总面积，系统自动推算出相应的总的电流范围；

限流保护1：在整个微弧阳极氧化过程中，第一阶段的电流最大，若计算不当或由于某些原因导致电流峰值达到或即将达到设备允许的最大电流时，软件系统将自动进行限流调整，将电流值调整到允许的电流范围的下限；

脉冲持续时间1：脉冲电源的特点是当交流电转变为直流电时，电源是间歇式供电，本程序输出的波形为方型波，在阳极氧化的第一阶段脉冲持续时间t1为0.8～0.9秒，间断时间为0.01～0.2秒，跟踪频率为0.25～2.95HZ；

跟踪频率1：阳极化第一阶段，跟踪频率为1.25～2.95HZ；

报警系统1、报警系统2、报警系统3：在不同的时间段内根据不同的不安全要素都有报警系统，当设备、参数、电路或槽液温度出现异常时，程序将自动报警并断电；

温度控制系统1、温度控制系统2、温度控制系统3：钛合金微弧阳极氧化过程是一个放热过程，随着反应的进行，槽液的温度会不断的增加，为了使生成的阳极氧化膜具有一定的硬度以提高其耐磨性，整个阳极氧化过程要在较低(-10～+10℃)的恒温下进行，因此系统要不断的进行降温，温度传感器一头与槽液中的温度计相连，另一端则受程序控制，当温度升高偏离设定值时，温度计通过传感器，传递到控制程序中，触发程序发出命令，启动制冷系统开始工作。

6、按权利要求4所述的控制程序，其特征在于T2段，钛合金的微弧阳极氧化主要是在第二时间段，在这一时间段内，大多数的工艺参数与阳极氧化第一阶段的参数不同，由于钛合金在高电压下生成的阳极氧化膜是绝缘膜，当膜厚度达到0.5μm以上时，在500V测得氧化膜的电阻值达到10⁵Ω，是绝缘层，若要氧化膜增厚，必须通过升高电压，将先前生成的阳极氧化膜击穿、导通才能使氧化膜增厚，通过不断的升高电压、不断的击穿来维持通过零件的电流密度。

设定下列参数：

时间控制2：微弧阳极氧化第二阶段时间的长短，取决于零件设计图纸对厚度的要求，一般情况下，氧化膜厚度在2-25μm，这一时段的时间35-120min；

脉冲持续时间2：本程序输出的波形为方型波，除正向波在阳极氧化的第二阶段脉冲持续时间t2为0.2-0.6秒；负向波的持续时间为0.1-0.2秒；

跟踪频率2：阳极化第二阶段，系统将阳极化脉冲跟踪频率控制在为0.8-1.2HZ；

正向恒定电流+：在这一阶段脉冲正向阳极电流密度恒定，通过不断生高负载的电压来维持阳极的电流密度在1.5-2A/dm²，根椐装挂零件的总面积，准确计算出总的电流；

负向恒定电流-：本阶段脉冲负向阳极电流密度也恒定，在0.1-0.3A/dm²根椐装挂零件的总面积，准确计算出总的电流；

自动升压保恒流：为了保持工件的导电性，系统将不断的生高阳极氧化的电压，以维持整个(第二阶段)过程的恒流；

限压保护：在第二阶段的微弧阳极氧化过程中，为了保证电流的恒定，电压在不断的升高，当某些原因导致电压峰值达到或即将达到设备允许的最大电压时，软件系统将自动进行限压调整，将电压值调整到允许的范围内。

7、按权利要求4所述的控制程序，其特征在于T3段，钛合金的微弧阳极氧化的第三时间段，在这一时间段的工艺参数与前两个时间段的参数也不同，由于钛合金阳极氧化膜是多孔的，当氧化膜厚度达到图纸规定时，不能立即断电停止，而要进行封孔处理—T3段；

设定下列参数：

时间控制3：微弧阳极氧化第三阶段—封孔处理的时间，取决与零件设计图纸对厚度的要求.通常该过程控制在4～8分钟；

脉冲持续时间3：本程序输出的波形为方型波，正向波在阳极氧化的第三阶段，脉冲持续时间t3为0.2～0.6秒；与第一时段相似，没有负向波；

恒压降流：在本时段里系统将停止升压，在较高的恒定电压下，4～8分钟系统强制将电流电正向恒定电流+降至零；

降压归零：电流归零后，系统将电压由100～300伏自动降至零；

断电\提示：脉冲微弧阳极氧化结束时(整个程序即将执行完毕)系统会发出特殊的声音，提示阳极氧化结束，可以从电解槽中取出零件。

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