CN201471078U - 焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统，本系统的电子束焊机还配置有与显示器相连接的摄像装置，接有电子束手动偏转调节装置的控制核心单元。控制核心单元的电压输出端接入偏转扫描电源。本焊接系统使用的主要步骤为：I将焊缝图形分解为基本图形线段和圆弧的组合并确定特征点数；II特征点的磁偏转寻迹，手动调节使电子束偏转，当电子束斑移到焊缝特征点上时存储控制核心单元输出的电压信号；III焊缝轨迹的计算，以各特征点的控制核心单元输出的电压信号为坐标，计算各基本图形方程和关联点坐标，计算焊缝轨迹上各有限元点所需电压信号并有序储存；IV控制核心单元依次输出各点的电压信号使电子束斑沿焊缝轨迹移动进行磁扫描焊接。

Description

焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统

(一)技术领域

本实用新型涉及电子束焊接技术领域，具体为焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统。

(二)背景技术

电子束焊接是利用空间定向的高速运动电子束，撞击工件表面后，将动能转化成热能，使被焊金属熔化，冷却结晶后形成焊缝。与常规焊接方法相比，电子束焊接在焊接界属于“富贵”焊接。电子束焊具有加热功率密度高、焊缝深宽比大、焊接速度快、热影响区小、焊接变形小、焊缝纯度高、焊接工艺参数调节范围广、适应性强和可焊材料多等优点。电子束焊接机是一种技术密集型的产品，它是一种综合了真空物理、电子技术、电子光学、高电压技术、计算机和控制技术等多种技术的高科技产品。尽管设备价格昂贵，但因其优越的焊接性能，在国防工业、宇航工业、仪器仪表工业、汽车制造业等诸多领域中倍受欢迎。电子束焊接在特大厚焊件和微小型元件的精密焊接方面更显出其他焊接方法无可比拟的优越性。

目前的电子束焊接过程中，电子束的斑点不动，由电机带动工件运动走出焊缝轨迹。对于复杂的轨迹，配置计算机数字化控制系统(简称为CNC系统)。CNC系统控制精度很高，原理上能够满足焊接要求，特别是对大焊件。但是对于小型精密焊件，如果焊缝的轨迹中有曲率半径很小(甚至有直角或锐角拐弯)的曲线时，CNC系统的局限性就充分地表现出来。因为机械运动受惯性影响，工件改变运动速度或运动方向的响应时间较长，要精确复现小曲率半径的曲线，不得不降低工件运动速度。这种状况对于小型精密焊件的焊接是非常不利的。因为小型精密焊件一般要求焊接速度较高，而且要求同一焊缝的各项焊接参数严格保持一致，以保证获得相同的焊接质量。因CNC系统难以控制工作台高速拐弯，目前解决的方法是采用调整电子束束流来配合工件运动速度的方法，即工件运动速度高时，焊接的电子束流大，拐弯处降低工件运动速度的同时降低电子束束流，以期维持输入焊缝上各点的电子束线能量密度一致。从实践的情况看，这种方法还是很难保证焊缝各点的焊接质量一致，在焊缝转弯处焊接参数(工件速度和电子束流功率)发生变化的地方出现焊接缺陷概率较大。

(三)实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统，在电子束焊接机上以计算机或可编程控制器为控制核心，设计数字化控制的磁偏转寻找焊缝轨迹及磁扫描焊接系统。

本实用新型设计的焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统包括电子束焊机，电子束焊机的主要组成为电子束发生装置、聚焦线圈、X轴偏转扫描线圈和Y轴偏转扫描线圈，分别与X轴偏转扫描线圈和Y轴偏转扫描线圈相连接的X轴偏转扫描电源和Y轴偏转扫描电源。

本系统还配置有摄像装置、显示器、控制核心单元、电子束手动偏转调节装置和人机界面单元，摄像装置位于工件上方，摄像装置与显示器相连接。

控制核心单元为计算机或可编程控制器，其内有与中央处理器连接的存储模块、计算模块、输入模块、和数模转换电压输出模块。计算模块存储有根据图形方程和图形特征点的磁偏转励磁电流值计算焊缝轨迹各点磁偏转励磁电流值的程序。控制核心单元的输入端外接电子束手动偏转调节装置。控制核心单元的输入端内连输入模块，输入模块接入中央处理器，中央处理器经数模转换电压输出模块接控制核心单元的X轴和Y轴输出端，控制核心单元的X轴和Y轴输出端分别接入X轴和Y轴偏转扫描电源。

电子束手动偏转调节装置可为手摇脉冲发生器，手摇脉冲发生器发送的两路脉冲信号分别作为电子束X轴和Y轴的偏转指令输入控制核心单元。控制核心单元的输入模块为脉冲计数输入模块。

或者，电子束手动偏转调节装置为手动电位器，手动电位器送出的两路电压信号分别作为电子束X轴和Y轴的偏转指令输入控制核心单元。控制核心单元的输入模块为模数转换电压输入模块。

在焊缝特征点磁偏转寻迹时控制核心单元将电子束手动偏转调节装置的偏转指令，送入数模转换电压输出模块转换成偏转控制电压信号，从控制核心单元的X轴和Y轴输出端输出。手动调节电子束手动偏转调节装置向控制核心单元送入不同的X轴和Y轴电子束偏转指令，控制核心单元将X轴和Y轴偏转控制电压信号分别送入X轴偏转扫描电源和Y轴偏转扫描电源，X轴偏转扫描电源和Y轴偏转扫描电源将偏转控制电压信号放大后分别送入X轴偏转扫描线圈和Y轴偏转扫描线圈，使电子束偏移到焊缝特征点上。

控制核心单元的中央处理器连接人机界面单元，人机界面单元包括焊缝特征点磁偏转寻迹、焊缝轨迹计算及磁扫描电子束焊接操作步骤选择按钮，焊接参数的设定按键，焊缝寻迹时焊缝基本曲线图形的选择按键，焊缝轨迹计算时各曲线段间关系类型选择按键及焊缝轨迹扫描焊接过程模拟显示窗口。

本实用新型设计的焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统，主要操作步骤如下，工件固定于电子束焊机的工件台上，在人机界面单元切换操作步骤。

I、工件焊缝图形分解和特征点数确定

工件焊缝的设计图形是二维曲线，以线段和圆弧为基本图形，各种二维曲线焊缝在工艺上均可用一条或多条线段和/或一条或多条圆弧组合逼近。基本图形关联类型有两线段斜交、两线段平行、两线段垂直、两线段与一圆弧相切、一线段与一圆弧相交、一线段与一圆弧相切、两圆弧相交、两圆弧相切。根据工件焊缝图形将其分解为一段或多段相关联的基本图形。

由几何学可以确定决定基本图形的特征点数，即两点决定一直线、三点决定一个圆。

焊缝轨迹中某基本图形段的特征点数由该基本图形段的类型和与其关联的基本图形段的类型及关联类型确定，一线段的特征点数小于或等于2，一圆弧的特征点数小于或等于3；非封闭的焊缝轨迹，将焊缝图形的起点和终点选为特征点。

II、特征点的磁偏转寻迹

在人机界面单元上选用小挡的电子束流挡，使得落在工件上的电子束斑对工件无损伤。

调节电子束手动偏转调节装置使控制核心单元将大小不同的X轴和Y轴偏转控制电压信号送入X轴偏转扫描电源和Y轴偏转扫描电源，X轴偏转扫描电源和Y轴偏转扫描电源将X轴和Y轴电压信号放大后得到X轴偏转扫描线圈和Y轴偏转扫描线圈相应的偏转励磁电流，分别送入X轴偏转扫描线圈和Y轴偏转扫描线圈。X轴偏转扫描线圈和Y轴偏转扫描线圈在不同的偏转励磁电流作用下产生X轴和Y轴上的不同强度的磁场，X轴和Y轴上的磁场作用于电子束使之产生偏转角度，电子束斑在工件表面移动。

操作人员从显示器中观察摄像装置传送的工件表面电子束斑移动状况，当电子束斑位于焊缝轨迹特征点上时，在人机界面单元上进行确认，控制核心单元的中央处理器将此时控制核心单元输出的X轴和Y轴偏转控制电压信号存储于存储模块。

重复上述操作，顺序得到工件焊缝图形上各特征点上使电子束磁偏转所需的X轴和Y轴偏转扫描线圈的磁偏转励磁电流对应的控制核心单元输出的X轴和Y轴偏转控制电压信号并储存。

封闭焊缝轨迹的起点和终点同为一点，可选用任意一个特征点，为了统一计算，选用第一特征点为起点和终点。非封闭的焊缝轨迹，将焊缝图形的第一特征点选为起点，最后一个特征点作选为终点。

III、焊缝轨迹的计算

以按步骤I确定的各段基本图形上的特征点对应电子束磁偏转所需的偏转扫描线圈励磁电流值对应的控制核心单元输出的X轴和Y轴偏转控制电压信号为坐标，控制核心单元的计算模块逐段计算各段基本图形的坐标方程。

在一线段上步骤I确定的两个特征点的坐标为(x₁，y₁)和(x₂，y₂)，则该线段的方程为：

在一圆弧上确定三个特征点的坐标(x₁，y₁)、(x₂，y₂)和(x₃，y₃)，则该弧段的方程为：(x-x₀)²+(y-y₀)²＝r²，其中(x₀，y₀)为圆心坐标，r为圆弧半径，由(x₁-x₀)²+(y₁-y₀)²＝r²、(x₂-x₀)²+(y₂-y₀)²＝r²和(x₃-x₀)²+(y₃-y₀)²＝r²方程组求解，获得圆心(x₀，y₀)和半径r。

按步骤I确定的各段焊缝基本图形之间的关联类型，计算各相邻的基本图形的关联点坐标，设关联点的坐标为(x_m，y_m)，两段相关联的基本图形方程为y＝f₁(x)和y＝f₂(x)，x_m，y_m满足y_m＝f₁(x_m)和y_m＝f₂(x_m)，解该方程组就得到关联点的坐标值x_m和y_m。

在人机界面单元上设定磁扫描时的步长Δl后按等长细分有限元方法由起点开始依次计算焊缝轨迹上N个有限元点上使电子束磁偏转所需的X轴和Y轴偏转扫描线圈的磁偏转励磁电流值对应的控制核心单元输出的X轴和Y轴偏转控制电压信号并有序储存于存储模块。计算方法如下：

设起点坐标为(x_t，y_t)，且落在图形方程为y＝f(x)的某图形段内，则下一点的坐标为(x_t+Δx，y_t+Δy)，解方程y_t+Δy＝f(x_t+Δx)和Δx²+Δy²＝Δl²，求得Δx和Δy；判断点(x_t+Δx，y_t+Δy)是否超越该图形段与下一图形段的关联点，若未超越则按图形方程为y＝f(x)以点(x_t+Δx，y_t+Δy)为新起点计算再下一点(x_t+Δx+Δx₁，y_t+Δy+Δy₁)的坐标；若已超越，那么点(x_t+Δx，y_t+Δy)落在下一方程为y＝g(x)新的图形段上，解方程y_t+Δy＝g(x_t+Δx)和Δx²+Δy²＝Δl²，求出Δx和Δy，再以(x_t+Δx，y_t+Δy)为新起点按图形方程为y＝g(x)计算再下一点(x_t+Δx+Δx₁，y_t+Δy+Δy₁)的坐标。重复上述计算过程直至求出终点坐标，并记录总点数N。

IV、磁扫描焊接

根据工艺要求在人机界面单元上选取正常焊接电子束流和扫描速度，焊接开始后控制核心单元的中央处理器以设定的扫描速度依次从存储模块调出储存的焊缝轨迹上N个点的X轴和Y轴偏转扫描线圈的磁偏转励磁电流值对应的控制核心单元输出的X轴和Y轴偏转控制电压信号，经模数转换电压输出模块送到X轴和Y轴偏转扫描电源，经其放大得到不同的X轴和Y轴偏转电流送入X轴和Y轴偏转扫描线圈，控制电子束的磁偏转角度，使电子束斑沿焊缝轨迹连续移动进行磁扫描焊接。

本实用新型的焊缝磁偏转寻迹磁扫描电子束焊接系统的优点为：1、有规律地控制磁场的强度及方向，改变电子束的偏转角度，因磁场响应时间为毫秒级，电子束可高速向任一方向移动，几乎不受曲率半径的限制，保证各点焊接质量一致；2、利用计算机或可编程控制器等进行编程控制，实现任意焊缝轨迹的焊接，有效地实现小曲率半径焊缝工件电子束高速等速焊接，焊接质量稳定；3、无需配备昂贵的CNC系统控制的工作台及其传动系统，抽真空设备的配置也可以相应减小，设备造价低；4、本系统无需对原有的电子束焊接机做太多改动，需要配置的设施不多，易于推广应用。

(四)附图说明

图1为焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统实施例1结构示意图；

图2为图1中控制核心单元结构方框图。

图中标号如下；

1-电子束发生装置，2-聚焦线圈，3-偏转扫描线圈，4-偏转扫描电源，5-摄像装置，6-电子束，7-工件，8-显示器，9-电子束手动偏转调节装置，10-人机界面单元，11-控制核心单元。

(五)具体实施方式

焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统实施例1

本焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统实施例1结构如图1所示，包括电子束焊机，电子束焊机的主要组成为电子束发生装置1、聚焦线圈2、偏转扫描线圈3，与偏转扫描线圈3相连接的偏转扫描电源4，本系统还配置有摄像装置5、显示器8、电子束手动偏转调节装置9、控制核心单元11和人机界面单元10。本例中的偏转扫描线圈3包括两个结构相同的X轴和Y轴偏转扫描线圈，偏转扫描电源4包括两个结构相同的X轴和Y轴偏转扫描电源4，分别与X轴和Y轴偏转扫描线圈3相连接。

摄像装置5位于工件7上方，摄像装置5与显示器8相连接。

本例的电子束手动偏转调节装置9为手摇脉冲发生器。

本例的控制核心单元11如图2所示，为可编程控制器，其内有与中央处理器连接的存储模块、计算模块、数模转换电压输出模块和输入模块。计算模块存储有根据图形方程和图形特征点的磁偏转励磁电流值计算焊缝轨迹各点磁偏转励磁电流值的程序。控制核心单元11的结构方框图如图2所示，控制核心单元11的输入端连接输入模块，本例的输入模块为脉冲计数输入模块，作为电子束手动偏转调节装置9的手摇脉冲发生器的两路脉冲信号接控制核心单元11的输入端。脉冲计数输入模块接入中央处理器，经数模转换电压输出模块接控制核心单元11的X轴和Y轴输出端，控制核心单元11的X轴和Y轴输出端分别接入X轴和Y轴偏转扫描电源4。

控制核心单元11的中央处理器连接人机界面单元10，人机界面单元10包括焊缝特征点磁偏转寻迹、焊缝轨迹计算及磁扫描电子束焊接操作步骤选择按钮，焊接参数的设定按键，焊缝寻迹时焊缝基本曲线图形的选择按钮，焊缝轨迹计算时各曲线段间关系类型选择按钮及焊缝轨迹扫描焊接过程模拟显示窗口。

在焊缝磁偏转寻迹时，手动调节作为电子束手动偏转调节装置9的手摇脉冲发生器发送两路脉冲信号分别作为电子束X轴和Y轴的偏转指令输入控制核心单元11的脉冲计数输入模块；控制核心单元11的中央处理器将手摇脉冲发生器送来的偏转指令，送入数模转换电压输出模块，得到X轴和Y轴的偏转控制电压信号，从控制核心单元11的X轴和Y轴输出端输出，分别送入X轴偏转扫描电源和Y轴偏转扫描电源4，X轴偏转扫描电源和Y轴偏转扫描电源4将偏转控制电压信号放大后分别送入X轴偏转扫描线圈和Y轴偏转扫描线圈3，使电子束6偏移到焊缝特征点上。

焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统实施例2

本例的结构与实施例1基本相同，如图1所示，但其电子束手动偏转调节装置9为手动电位器，手动电位器送出的两路电压信号分别作为电子束X轴和Y轴的偏转指令输入控制核心单元11的输入模块。本例的控制核心单元11结构框图如图2所示，与实施例1基本相同，但其输入单元为模数转换电压输入模块。

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统，包括电子束焊机，电子束焊机的主要组成为电子束发生装置(1)、聚焦线圈(2)、X轴偏转扫描线圈和Y轴偏转扫描线圈(3)，分别与X轴偏转扫描线圈和Y轴偏转扫描线圈(3)相连接的X轴偏转扫描电源和Y轴偏转扫描电源(4)；其特征在于：

本系统还配置有摄像装置(5)、显示器(8)、控制核心单元(11)、电子束手动偏转调节装置(9)和人机界面单元(10)，摄像装置(5)位于工件(7)上方，摄像装置(5)与显示器(8)相连接；

控制核心单元(11)为计算机或可编程控制器，其内有与中央处理器连接的存储模块、计算模块、输入模块和数模转换电压输出模块，计算模块存储有根据图形方程和图形特征点的磁偏转励磁电流值计算焊缝轨迹各点磁偏转励磁电流值的程序；控制核心单元(11)的输入端连接电子束手动偏转调节装置(6)；控制核心单元(11)的输入端经输入模块连接入中央处理器，中央处理器经数模转换电压输出模块接控制核心单元(11)的X轴和Y轴输出端，控制核心单元(11)的X轴和Y轴输出端分别接入X轴和Y轴偏转扫描电源(4)。

2.根据权利要求1所述的焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统，其特征在于：

所述电子束手动偏转调节装置(9)为手摇脉冲发生器，控制核心单元(11)的输入模块为脉冲计数输入模块。

3.根据权利要求1所述的焊缝磁偏转寻迹及磁扫描电子束焊接系统，其特征在于：

所述电子束手动偏转调节装置(9)为手动电位器，控制核心单元(11)的输入模块为模数转换电压输入模块。

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