專利名稱：一種直流脈沖電弧加工系統及電弧加工方法
技術領域：
本發明屬于表面技術領域，主要應用于電弧噴涂加工方面。具體指不同于其他快速交流和直流的脈沖小流量精確控制的電弧噴涂系統及其使用方法。
背景技術：
隨著表面技術領域的發展，電弧噴涂工藝已經被廣泛應用于多種表面改性領域， 各種生產行業對于噴涂工藝也提出了更高的要求。在有些表面工藝中經常需要給不同的金屬母材噴涂上很薄的耐磨或防腐金屬層，有些需要在塑料等非金屬材料上噴涂工藝金屬材料，有些需要在薄板金屬上覆蓋新的功能材料；在傳統的連續噴涂方法中很難實現精確控制噴涂厚度的要求，而且在傳統快速的噴涂過程中因熱輸出過大的問題容易導致母材發生熱塑性變形，甚至使母材熔化從而影響工件的實際功能，這些都需要我們從新的設計角度考察工藝技術方法的實用性。綜上所述，傳統的高能量高速率噴涂技術雖然已經比較成熟， 但是存在兩個基本問題1噴涂過程中由于噴涂粒子的溫度過高，經常造成被加工工件過熱，產生變形，嚴重的甚至會破壞原來材料的性能。2在某些要求很高的超精密噴涂過程中， 涂層厚度過大，無法滿足實際要求。簡單的降低常規噴涂工藝的規范參數無法滿足電弧穩定工作的要求，其原因如下常規電弧噴涂在高速連續大能量噴涂過程中電弧有足夠的能量，在高速噴涂氣體的作用下可以保持電弧空間有足夠的電離度，電弧可以保持穩定。但是當噴涂電流降低時，噴涂氣體的強烈作用會帶走大量的熱量，而電弧無法提供足夠的能量， 電弧空間的電離度降低，則會產生斷弧。此外大流量氣體沖擊力可能使電弧的形狀發生彎曲，弧長變長，電弧的穩定性也會下降。如果在降低電流的同時降低噴涂氣體流量，雖然可以實現電弧穩定，但是由于粒子速度不夠，無法保證粒子和基體表面的結合強度，涂層質量也無法滿足要求。目前低能量高精度的噴涂加工領域還是空白，我們需要一種能量間歇輸出的噴涂系統，能夠協同在噴涂絲熔化的時間段高速送絲供氣，而在低速的時候能夠保持噴涂電弧的穩定性的功能。因此我們設計了新的脈沖電弧加工方法，能夠有效的解決以上問題，并且可以在某些精密噴涂和加工工藝中發揮重要作用。
發明內容
傳統連續電弧噴涂中，如果簡單降低噴涂規范，則會在電弧噴涂過程中的小電流區間由于氣體吹送力對電弧的影響造成電弧不穩定，甚至會有斷弧現象發生；通過對電源能量輸出進行脈沖過程控制，在每個電源輸出周期的峰值時間內實現精確的電壓控制，使電源輸出為一個恒定的大脈沖峰值電壓，保證噴涂絲的熔化，并實現弧長穩定；而在電源輸出的基值時間內實現精確的電流控制，使電源輸出一個穩定的基值電流，保證電弧連續。同時通過DSP數據處理，使送絲速度和壓縮氣體流量實現脈沖輸出，并在實際噴涂過程中使三者脈沖協同工作。根據不同的噴涂絲要求，電源輸出恒定峰值電壓保持在18-45V范圍內的某個值，而基值電流保持在20-100A范圍內的某個值。
本發明采用如下技術方案一種直流脈沖電弧加工系統，包括基本參數控制模塊A，人機參數設定裝置B，主電路C以及DSP控制器D ；DSP控制器D通過一次逆變驅動電路3與所述的主電路C中的逆變電路1相連；用來采集整流電路模塊2的輸出電流的電流信號采樣器件LEMl通過電流采樣及濾波電路6與DSP控制器D相連；用來采集噴涂絲間電壓的電壓信號采樣器件LEM2分別連接噴涂絲一和噴涂絲二，電壓信號采樣器件LEM2的輸出又通過電壓采樣及濾波電路7 接入DSP控制器D ；包括噴涂參數設定模塊8和實時參數顯示模塊9的參數設定與顯示部件B與DSP控制器D相連；與DSP控制器D相連的還包括有基本數據輸出部件A，DSP控制器D的輸出數據輸送給基本數據輸出部件A中的光電隔離器10，光電隔離器10分別連接有噴槍開關11和送絲進氣給定裝置12，噴槍開關11和送絲進氣給定裝置12的輸出再接入送絲調速裝置13，送絲調速裝置13有三路輸出，其中控制送絲速度的兩路分別與噴涂絲一和噴涂絲二相連，另外一路通過氣體流量控制閥4連接氣瓶與噴嘴之間的送氣，DSP控制器D與氣體流量控制閥4相連來控制噴涂過程中的氣體流量。氣體流量控制閥4為一個， 其接在壓縮氣體的主管道上；或者所述的氣體流量控制閥4為兩個，分別接在壓縮氣體的主管道的兩個支管上，整個系統實現對工件進行頻率范圍為5-300HZ的噴涂加工；主電路C 中，在整流器Zl與逆變電路1之間并聯有電容Cl和電容C2 ；所述的逆變電路1由開關器件IGBTl IGBT3構成，主電路C接入380V三相交流電源，一次逆變驅動電路3控制開關器件IGBTl IGBT4的通斷來控制主電路C的輸出，輸出給高頻變壓器T的原邊；所述的整流電路2由并聯的二級管VD1，VD2、濾波電感Ll限流與電阻R串聯組成，整流電路2與噴涂絲之間連接有電流信號采樣器件LEM1，所述的主電路C的輸出電壓范圍為18 45V，輸出電流范圍為20 100A。其特征在于所實現的電源功能為低頻脈沖輸出方式，在脈沖峰值時間段內保持輸出電壓恒定、電流自動調節，進行噴涂操作；脈沖基值時間段內保持輸出電流恒定、電壓自動調節，進行穩弧操作。直流脈沖的送絲方法為送絲過程通過對送絲電機控制使噴涂絲的送出為脈動過程，在噴涂電源輸出電壓峰值脈沖時送絲速度范圍為3 Sm/min，而在電源輸出恒定的基值電流脈沖時送絲速度范圍為0. 5 1. Sm/min，其送絲速度與噴涂電源輸出脈沖一致。其采用脈沖的氣體送進方法通過氣體流量控制閥4的控制，在噴涂電源輸出電壓峰值脈沖時氣體流量控制閥4完全打開，送進氣體流量范圍為1600 2000L/min，而在電源輸出恒定的基值電流脈沖時氣體流量控制閥4未完全開啟，送進氣體流量范圍為300 700L/min，其氣體送進流速與噴涂電源輸出脈沖一致。本發明可以獲得如下有益效果該種脈沖噴涂加工過程的最大的特點就是電弧能量、送絲速度以及壓縮氣體流量都以脈沖方式輸出。在電源的電壓峰值脈沖過程中電壓隨加工要求設定為18-45V范圍內的某個值且在輸出過程中保持恒定，該階段電流隨電弧狀態可以相應調整，電弧能量輸出大，噴涂絲熔化快、送絲速度快，所以進行大流量的氣體送進，起噴涂作用；在電源的電流基值輸出中，電流設定為20-100A范圍內的一個合適的值，且保持恒定，此時電弧電壓隨電弧的實時狀態相應波動，整個電流基值過程中電弧能量輸出小，噴涂絲熔化慢、送絲速度慢所以進行小流量的氣體送進，起穩弧、散熱作用。整個氣體送進的實現過程有兩種方法第一種，在壓縮氣體的主管中安裝一個氣體流量控制閥，直接實時控制氣體流量的大小，實現氣體流量脈沖輸出。第二種，在壓縮氣體主管中分出兩個支管，其中一個氣體流量大，一個小。 在兩個支管中各安裝一個氣體流量控制閥。在噴涂過程中，小氣體流量的支管上的氣閥持續開通，保證小的基值氣體流量輸出。而在電源輸出脈沖峰值階段，開通大氣體流量支管上的氣體流量控制閥，實現氣體流量峰值輸出。該氣閥的開關頻率和電源脈沖輸出頻率相同實現脈沖氣體流量控制，該方法可以使用常規的氣閥。在本發明中我們使用直流雙絲的電弧噴涂方法，只在脈沖峰值到來的時刻熔化噴涂絲而在基值階段保持小電流輸出，這樣我們可以維持電弧的穩定性而且每次噴涂的量小并且精確。由于噴涂的脈沖性，在基值電流區噴涂絲熔化少，甚至并不熔化，這樣有利于噴涂過程的散熱；但是在高壓脈沖峰值時刻電弧能量輸出很高可以熔化粗直徑的噴涂絲。電源輸出是考慮脈沖峰值時為恒壓模式，電壓輸出高能量輸出大，同時控制實現送絲和氣體吹送起脈沖噴涂作用；在脈沖基值時為恒流模式，電流低能量輸出小，起維持電弧穩定的作用。實現低能量輸出控制，使噴涂在頻率下進行噴涂過程。本發明方法的主電路圖如下電路圖1和框架圖2中的C部分，包括一次連接的整流器Z1、濾波電容C1與C2、由四個開關器件IGBT1 IGBT4組成的一次逆變結構1、高頻變壓器T、由二極管VD1 VD2與濾波電感Ll組成的整流濾波2、限流電阻R、噴涂絲一 I、噴涂絲二 II。整個電路接入380v三相交流電由整流器\及濾波電容Cp C2濾波得到基準直流電，經逆變過程后再次轉變為交流電，然后經由高頻變壓器Τ、二極管VDl VD2、濾波電感 L1、限流電阻R組成的全橋逆變電路得到系統直流電。該直流的實際輸出由4個開關器件 IGBT控制。由DSP芯片控制輸出PWM信號，驅動4個IGBT的開關，通過寫入DSP控制芯片的程序實現變壓器原邊的脈沖電壓輸入。經前述電路處理供給噴涂絲直流電進行工作。本發明方法的總系統框架包括相連的主電路C部分、控制部分、輸入輸出界面部分以及氣體流量控制閥4。其中主電路C部分如上所述各部分連接關系；控制部分包括依次相連的DSP芯片控制器件D、一次逆變驅動3、保護電路5、電流信號采樣器件LEMl、電壓信號采樣器件LEM2、電流采樣及濾波6、電壓采樣及濾波7幾個部分；DSP控制芯片D發出的信號直接傳送給一次逆變驅動3對主電路進行控制改變電弧的實際狀態，同時保護電路5能夠實時監測一次逆變驅動3的信號電壓值，對于電壓過高的非正常電壓信號保護電路5立即將信息反饋給DSP控制器件D進行處理，同時DSP控制器件D能夠同時接收來自LEM采樣器件經過濾波處理后的電弧實際電流電壓信號并作出相應計算發出適當控制信號給一次逆變驅動3。輸入輸出界面部分包括都和DSP控制器件D相連的基本數據輸出Α，人機界面B。 其中基本數據輸出A包括光電隔離10將DSP控制器傳來的脈沖控制信號進行信號隔離后發送給噴槍開關11和送絲送氣給定12進行氣體送進，然后和送絲調速13連接，控制伺服電機進行送絲調速；人機界面B包括噴涂參數給定8和實時參數顯示9，通過噴涂參數給定 8可以在此設定操作所需的噴涂涂層厚度和送絲直徑值，通過實時參數顯示9可以顯示經過反饋得到的電弧實際電流和電壓值。本發明的脈沖波形3如上所述在噴涂過程中峰值電壓采用恒定大電壓輸出模式保證噴涂絲的熔化，基值過程采用小電流恒定輸出模式保證噴涂電弧的穩定。本發明能在各種薄質母材包括金屬、非金屬、聚合物等上覆蓋一層特殊材質的金屬層，并且產生的形變小；本發明能在塑料或其他熔點低的工件上進行小能量的噴涂；本發明能在普通工件上進行相當于鍍層厚度的10-30 μ m金屬涂層噴涂。
圖1直流脈沖電弧加工系統主電路2直流脈沖電弧加工系統框架3直流脈沖電弧加工系統脈沖波形中，Z1——整流器，C”C2——濾波電容，IGBT1 IGBT4——開關器件，T——高頻變壓器，R——限流電阻，VD1 VD2——極管，Ll——高頻電感，I、II——噴涂絲，III—— 高壓壓縮氣體，LEMl——電流信號采樣器件，LEM2——電壓信號采樣器件，1——逆變電路， 2——整流電路，3——一次逆變驅動，4——氣體流量控制閥，5——保護電路，6——電流采樣及濾波，7——電壓采樣及濾波，8——噴涂參數給定，9——實時參數顯示，10——光電隔離，11——噴槍開關，12——送絲送氣給定，13一一送絲調速，A——基本數據輸出，B——人機界面，C——主電路，D——DSP控制器
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對于本發明作進一步的說明；采用如上所述的連接關系。如圖1所示進行噴涂作業的時，主電路接入380v三相交流電壓。經整流器Zl，Z1 是由四個單向整流二極管組成；之后由濾波電容Cl、C2進行濾波得到直流電供給全橋逆變電路，它是由四個IGBT開關器件或相關的集成模塊組成；逆變電壓輸出到高頻變壓器T的原邊，復變輸出給整流濾波電路，它由兩個二極管VD1、VD2、高頻電感Li、限流電阻R及作為負載的噴涂絲一和噴涂絲二組成；DSP控制器通過驅動電路，控制IGBTb4中IGBI\、IGBT4 同時開通而IGBT2、IGBT3同時關斷和IGBT1UGBT4同時關斷而IGBT2、IGBT3同時開通使高頻變壓器T原邊輸入交流電，輸出給整流濾波電路最后得到所需直流噴涂電源基本輸出。如圖2所示在脈沖電源的實現方式中，通過DSP芯片控制器件D的控制一次逆變驅動3使逆變電路1的四個IGBT依次導通與關斷如上所述操作，在高頻時得到一個較高的電壓脈沖峰值加在兩根噴涂絲上來熔化噴涂絲，在低頻時得到一個較低的電流值加在兩根噴涂絲上來產生電弧，其中保護電路5能夠向DSP控制器D反饋驅動電路所獲電壓信號避免驅動電壓過高起到保護作用。對電源的脈沖端的恒定方式的控制上采用閉環反饋回路的方式，采樣電弧的電流和電壓如圖2中的電流信號采樣器件LEMl，電壓信號采樣器件LEM2， 電流采樣及濾波6和電壓采樣及濾波7，反饋值經過DSP控制器D處理判斷電弧的實時狀態；如果在噴涂過程中噴涂電壓過低這將影響電弧被拉長，為避免電弧斷弧DSP控制器接收到上述采樣反饋值后立即發送高頻的高占空比的PWM控制信號，使輸出電壓升高電弧逐漸恢復原始穩定狀態；反之如果電壓升高則DSP控制器發送高頻的低占空比的PWM控制信號使輸出電壓降低恢復到原始狀態，DSP控制器反應使輸出的具體PWM占空比值由程序實時計算，也達到了電壓穩定的控制過程。
其中人機界面B包括噴涂參數給定8，實時參數顯示9可以供用戶輸入初始工作參數。基本數據輸出A部分包括光電隔離10，噴槍開關11，送絲送氣給定12，送絲調速13，這幾部分都由DSP控制器D在輸入電壓控制信號的同時輸入相應的控制信號，最終同步控制電路電弧工作中的噴涂絲的送絲和高壓氣體的送氣協調過程。如圖3所示本發明熔化噴涂絲的高壓峰值脈沖、高速送絲的電機控制脈沖以及控制高壓氣體吹送的的質量閥的脈沖是很精確的同步過程。在熔化噴涂絲的脈沖峰值中通過反饋調節使電壓保持一致，此時，控制芯片同時發出送絲和供氣信號，打開送絲調速電機使電機高速送絲，送絲速度范圍為l-5m/min，氣體質量閥接收來自控制芯片的處理信號迅速擴大氣體流量；在噴涂的下半周期是電弧變弱、電壓減小，此時，通過電流采樣及濾波6和電壓采樣及濾波7所取信號反饋給控制電源是電源輸出為恒定的電流基值，這個基值大小足以維持電弧的穩定，此時氣體質量閥門關小，因為氣體作用會使電弧形狀產生一定的變化，但是通過反饋控制，維持電弧電流值恒定是可行的，這樣，便可起到維持電弧的作用，等待下一個噴涂過程到來。
權利要求
1.一種直流脈沖電弧加工系統，包括基本參數控制模塊(A)，人機參數設定裝置(B)， 主電路(C)以及DSP控制器⑶；DSP控制器⑶通過一次逆變驅動電路⑶與所述的主電路(C)中的逆變電路(1)相連；用來采集整流電路模塊O)的輸出電流的電流信號采樣器件(LEM1)通過電流采樣及濾波電路(6)與DSP控制器⑶相連；用來采集噴涂絲間電壓的電壓信號采樣器件(LEM2)分別連接噴涂絲一和噴涂絲二，電壓信號采樣器件(LEM2)的輸出又通過電壓采樣及濾波電路(7)接入DSP控制器(D)；包括噴涂參數設定模塊(8)和實時參數顯示模塊(9)的參數設定與顯示部件⑶與DSP控制器⑶相連；與DSP控制器⑶相連的還包括有基本數據輸出部件(A)，DSP控制器(D)的輸出數據輸送給基本數據輸出部件 (A)中的光電隔離器(10)，光電隔離器(10)分別連接有噴槍開關(11)和送絲進氣給定裝置(12)，噴槍開關(11)和送絲進氣給定裝置(1 的輸出再接入送絲調速裝置(13)，送絲調速裝置(1 有三路輸出，其中控制送絲速度的兩路分別與噴涂絲一和噴涂絲二相連，另外一路通過氣體流量控制閥(4)連接氣瓶與噴嘴之間的送氣，DSP控制器(D)與氣體流量控制閥(4)相連來控制噴涂過程中的氣體流量。氣體流量控制閥(4)為一個，其接在壓縮氣體的主管道上；或者所述的氣體流量控制閥(4)為兩個，分別接在壓縮氣體的主管道的兩個支管上，整個系統實現對工件進行頻率范圍為5-300HZ的噴涂加工；主電路(C)中，在整流器(Z1)與逆變電路⑴之間并聯有電容(C1)和電容(C2)；所述的逆變電路⑴由開關器件(IGBT1 IGBT3)構成，主電路(C)接入380V三相交流電源，一次逆變驅動電路(3)控制開關器件(IGBT1 IGBT4)的通斷來控制主電路(C)的輸出，輸出給高頻變壓器⑴的原邊；所述的整流電路⑵由并聯的二級管(VD”VD2)、濾波電感(L1)限流與電阻(R)串聯組成，整流電路( 與噴涂絲之間連接有電流信號采樣器件(LEM1),所述的主電路(C)的輸出電壓范圍為18 45V，輸出電流范圍為20 100A。其特征在于所實現的電源功能為低頻脈沖輸出方式，在脈沖峰值時間段內保持輸出電壓恒定、電流自動調節，進行噴涂操作；脈沖基值時間段內保持輸出電流恒定、電壓自動調節，進行穩弧操作。
2.權利要求1所述的一種直流脈沖電弧加工系統的加工方法，其特征在于其直流脈沖的送絲方法為送絲過程通過對送絲電機控制使噴涂絲的送出為脈動過程，在噴涂電源輸出電壓峰值脈沖時送絲速度范圍為3 Sm/min，而在電源輸出恒定的基值電流脈沖時送絲速度范圍為0. 5 1. Sm/min，其送絲速度與噴涂電源輸出脈沖一致。
3.根據權利要求2所述的一種直流脈沖電弧加工系統的加工方法，其特征在于其采用脈沖的氣體送進方法通過氣體流量控制閥的控制，在噴涂電源輸出電壓峰值脈沖時氣體流量控制閥(4)完全打開，送進氣體流量范圍為1600 2000L/min，而在電源輸出恒定的基值電流脈沖時氣體流量控制閥(4)未完全開啟，送進氣體流量范圍為300 700L/ min,其氣體送進流速與噴涂電源輸出脈沖一致。
全文摘要
一種直流脈沖電弧加工系統及電弧加工方法，屬于表面技術領域，包括基本參數控制模塊A，人機參數設定裝置B，DSP控制器D以及主電路C；所述的主電路C包括順序接入交變電路的整流器Z1，逆變電路1，高頻變壓器T、整流電路2，整流電路2的輸出接有噴涂絲一和噴涂絲二，整流電路2與噴涂絲之間連接有電流信號采樣器件LEM1。電弧加工過程中整個噴涂過程中送絲脈沖，氣體流量閥4的送氣脈沖，與電源能量輸出頻率一致，同時達到峰值和基值。本發明能在各種薄質母材上覆蓋金屬層，并且產生的形變小；能在塑料或其他熔點低的工件上進行小能量的噴涂。
文檔編號C23C4/12GK102352476SQ201110293828
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月29日 優先權日2011年9月29日
發明者盧振洋, 姚明, 徐旦, 黃鵬飛 申請人:北京工業大學