专利名称：一种直流脉冲电弧加工系统及电弧加工方法
技术领域：
本发明属于表面技术领域，主要应用于电弧喷涂加工方面。具体指不同于其他快速交流和直流的脉冲小流量精确控制的电弧喷涂系统及其使用方法。
背景技术：
随着表面技术领域的发展，电弧喷涂工艺已经被广泛应用于多种表面改性领域， 各种生产行业对于喷涂工艺也提出了更高的要求。在有些表面工艺中经常需要给不同的金属母材喷涂上很薄的耐磨或防腐金属层，有些需要在塑料等非金属材料上喷涂工艺金属材料，有些需要在薄板金属上覆盖新的功能材料；在传统的连续喷涂方法中很难实现精确控制喷涂厚度的要求，而且在传统快速的喷涂过程中因热输出过大的问题容易导致母材发生热塑性变形，甚至使母材熔化从而影响工件的实际功能，这些都需要我们从新的设计角度考察工艺技术方法的实用性。综上所述，传统的高能量高速率喷涂技术虽然已经比较成熟， 但是存在两个基本问题1喷涂过程中由于喷涂粒子的温度过高，经常造成被加工工件过热，产生变形，严重的甚至会破坏原来材料的性能。2在某些要求很高的超精密喷涂过程中， 涂层厚度过大，无法满足实际要求。简单的降低常规喷涂工艺的规范参数无法满足电弧稳定工作的要求，其原因如下常规电弧喷涂在高速连续大能量喷涂过程中电弧有足够的能量，在高速喷涂气体的作用下可以保持电弧空间有足够的电离度，电弧可以保持稳定。但是当喷涂电流降低时，喷涂气体的强烈作用会带走大量的热量，而电弧无法提供足够的能量， 电弧空间的电离度降低，则会产生断弧。此外大流量气体冲击力可能使电弧的形状发生弯曲，弧长变长，电弧的稳定性也会下降。如果在降低电流的同时降低喷涂气体流量，虽然可以实现电弧稳定，但是由于粒子速度不够，无法保证粒子和基体表面的结合强度，涂层质量也无法满足要求。目前低能量高精度的喷涂加工领域还是空白，我们需要一种能量间歇输出的喷涂系统，能够协同在喷涂丝熔化的时间段高速送丝供气，而在低速的时候能够保持喷涂电弧的稳定性的功能。因此我们设计了新的脉冲电弧加工方法，能够有效的解决以上问题，并且可以在某些精密喷涂和加工工艺中发挥重要作用。
发明内容
传统连续电弧喷涂中，如果简单降低喷涂规范，则会在电弧喷涂过程中的小电流区间由于气体吹送力对电弧的影响造成电弧不稳定，甚至会有断弧现象发生；通过对电源能量输出进行脉冲过程控制，在每个电源输出周期的峰值时间内实现精确的电压控制，使电源输出为一个恒定的大脉冲峰值电压，保证喷涂丝的熔化，并实现弧长稳定；而在电源输出的基值时间内实现精确的电流控制，使电源输出一个稳定的基值电流，保证电弧连续。同时通过DSP数据处理，使送丝速度和压缩气体流量实现脉冲输出，并在实际喷涂过程中使三者脉冲协同工作。根据不同的喷涂丝要求，电源输出恒定峰值电压保持在18-45V范围内的某个值，而基值电流保持在20-100A范围内的某个值。
本发明采用如下技术方案一种直流脉冲电弧加工系统，包括基本参数控制模块A，人机参数设定装置B，主电路C以及DSP控制器D ；DSP控制器D通过一次逆变驱动电路3与所述的主电路C中的逆变电路1相连；用来采集整流电路模块2的输出电流的电流信号采样器件LEMl通过电流采样及滤波电路6与DSP控制器D相连；用来采集喷涂丝间电压的电压信号采样器件LEM2分别连接喷涂丝一和喷涂丝二，电压信号采样器件LEM2的输出又通过电压采样及滤波电路7 接入DSP控制器D ；包括喷涂参数设定模块8和实时参数显示模块9的参数设定与显示部件B与DSP控制器D相连；与DSP控制器D相连的还包括有基本数据输出部件A，DSP控制器D的输出数据输送给基本数据输出部件A中的光电隔离器10，光电隔离器10分别连接有喷枪开关11和送丝进气给定装置12，喷枪开关11和送丝进气给定装置12的输出再接入送丝调速装置13，送丝调速装置13有三路输出，其中控制送丝速度的两路分别与喷涂丝一和喷涂丝二相连，另外一路通过气体流量控制阀4连接气瓶与喷嘴之间的送气，DSP控制器D与气体流量控制阀4相连来控制喷涂过程中的气体流量。气体流量控制阀4为一个， 其接在压缩气体的主管道上；或者所述的气体流量控制阀4为两个，分别接在压缩气体的主管道的两个支管上，整个系统实现对工件进行频率范围为5-300HZ的喷涂加工；主电路C 中，在整流器Zl与逆变电路1之间并联有电容Cl和电容C2 ；所述的逆变电路1由开关器件IGBTl IGBT3构成，主电路C接入380V三相交流电源，一次逆变驱动电路3控制开关器件IGBTl IGBT4的通断来控制主电路C的输出，输出给高频变压器T的原边；所述的整流电路2由并联的二级管VD1，VD2、滤波电感Ll限流与电阻R串联组成，整流电路2与喷涂丝之间连接有电流信号采样器件LEM1，所述的主电路C的输出电压范围为18 45V，输出电流范围为20 100A。其特征在于所实现的电源功能为低频脉冲输出方式，在脉冲峰值时间段内保持输出电压恒定、电流自动调节，进行喷涂操作；脉冲基值时间段内保持输出电流恒定、电压自动调节，进行稳弧操作。直流脉冲的送丝方法为送丝过程通过对送丝电机控制使喷涂丝的送出为脉动过程，在喷涂电源输出电压峰值脉冲时送丝速度范围为3 Sm/min，而在电源输出恒定的基值电流脉冲时送丝速度范围为0. 5 1. Sm/min，其送丝速度与喷涂电源输出脉冲一致。其采用脉冲的气体送进方法通过气体流量控制阀4的控制，在喷涂电源输出电压峰值脉冲时气体流量控制阀4完全打开，送进气体流量范围为1600 2000L/min，而在电源输出恒定的基值电流脉冲时气体流量控制阀4未完全开启，送进气体流量范围为300 700L/min，其气体送进流速与喷涂电源输出脉冲一致。本发明可以获得如下有益效果该种脉冲喷涂加工过程的最大的特点就是电弧能量、送丝速度以及压缩气体流量都以脉冲方式输出。在电源的电压峰值脉冲过程中电压随加工要求设定为18-45V范围内的某个值且在输出过程中保持恒定，该阶段电流随电弧状态可以相应调整，电弧能量输出大，喷涂丝熔化快、送丝速度快，所以进行大流量的气体送进，起喷涂作用；在电源的电流基值输出中，电流设定为20-100A范围内的一个合适的值，且保持恒定，此时电弧电压随电弧的实时状态相应波动，整个电流基值过程中电弧能量输出小，喷涂丝熔化慢、送丝速度慢所以进行小流量的气体送进，起稳弧、散热作用。整个气体送进的实现过程有两种方法第一种，在压缩气体的主管中安装一个气体流量控制阀，直接实时控制气体流量的大小，实现气体流量脉冲输出。第二种，在压缩气体主管中分出两个支管，其中一个气体流量大，一个小。 在两个支管中各安装一个气体流量控制阀。在喷涂过程中，小气体流量的支管上的气阀持续开通，保证小的基值气体流量输出。而在电源输出脉冲峰值阶段，开通大气体流量支管上的气体流量控制阀，实现气体流量峰值输出。该气阀的开关频率和电源脉冲输出频率相同实现脉冲气体流量控制，该方法可以使用常规的气阀。在本发明中我们使用直流双丝的电弧喷涂方法，只在脉冲峰值到来的时刻熔化喷涂丝而在基值阶段保持小电流输出，这样我们可以维持电弧的稳定性而且每次喷涂的量小并且精确。由于喷涂的脉冲性，在基值电流区喷涂丝熔化少，甚至并不熔化，这样有利于喷涂过程的散热；但是在高压脉冲峰值时刻电弧能量输出很高可以熔化粗直径的喷涂丝。电源输出是考虑脉冲峰值时为恒压模式，电压输出高能量输出大，同时控制实现送丝和气体吹送起脉冲喷涂作用；在脉冲基值时为恒流模式，电流低能量输出小，起维持电弧稳定的作用。实现低能量输出控制，使喷涂在频率下进行喷涂过程。本发明方法的主电路图如下电路图1和框架图2中的C部分，包括一次连接的整流器Z1、滤波电容C1与C2、由四个开关器件IGBT1 IGBT4组成的一次逆变结构1、高频变压器T、由二极管VD1 VD2与滤波电感Ll组成的整流滤波2、限流电阻R、喷涂丝一 I、喷涂丝二 II。整个电路接入380v三相交流电由整流器\及滤波电容Cp C2滤波得到基准直流电，经逆变过程后再次转变为交流电，然后经由高频变压器Τ、二极管VDl VD2、滤波电感 L1、限流电阻R组成的全桥逆变电路得到系统直流电。该直流的实际输出由4个开关器件 IGBT控制。由DSP芯片控制输出PWM信号，驱动4个IGBT的开关，通过写入DSP控制芯片的程序实现变压器原边的脉冲电压输入。经前述电路处理供给喷涂丝直流电进行工作。本发明方法的总系统框架包括相连的主电路C部分、控制部分、输入输出界面部分以及气体流量控制阀4。其中主电路C部分如上所述各部分连接关系；控制部分包括依次相连的DSP芯片控制器件D、一次逆变驱动3、保护电路5、电流信号采样器件LEMl、电压信号采样器件LEM2、电流采样及滤波6、电压采样及滤波7几个部分；DSP控制芯片D发出的信号直接传送给一次逆变驱动3对主电路进行控制改变电弧的实际状态，同时保护电路5能够实时监测一次逆变驱动3的信号电压值，对于电压过高的非正常电压信号保护电路5立即将信息反馈给DSP控制器件D进行处理，同时DSP控制器件D能够同时接收来自LEM采样器件经过滤波处理后的电弧实际电流电压信号并作出相应计算发出适当控制信号给一次逆变驱动3。输入输出界面部分包括都和DSP控制器件D相连的基本数据输出Α，人机界面B。 其中基本数据输出A包括光电隔离10将DSP控制器传来的脉冲控制信号进行信号隔离后发送给喷枪开关11和送丝送气给定12进行气体送进，然后和送丝调速13连接，控制伺服电机进行送丝调速；人机界面B包括喷涂参数给定8和实时参数显示9，通过喷涂参数给定 8可以在此设定操作所需的喷涂涂层厚度和送丝直径值，通过实时参数显示9可以显示经过反馈得到的电弧实际电流和电压值。本发明的脉冲波形3如上所述在喷涂过程中峰值电压采用恒定大电压输出模式保证喷涂丝的熔化，基值过程采用小电流恒定输出模式保证喷涂电弧的稳定。本发明能在各种薄质母材包括金属、非金属、聚合物等上覆盖一层特殊材质的金属层，并且产生的形变小；本发明能在塑料或其他熔点低的工件上进行小能量的喷涂；本发明能在普通工件上进行相当于镀层厚度的10-30 μ m金属涂层喷涂。
图1直流脉冲电弧加工系统主电路2直流脉冲电弧加工系统框架3直流脉冲电弧加工系统脉冲波形中，Z1——整流器，C”C2——滤波电容，IGBT1 IGBT4——开关器件，T——高频变压器，R——限流电阻，VD1 VD2——极管，Ll——高频电感，I、II——喷涂丝，III—— 高压压缩气体，LEMl——电流信号采样器件，LEM2——电压信号采样器件，1——逆变电路， 2——整流电路，3——一次逆变驱动，4——气体流量控制阀，5——保护电路，6——电流采样及滤波，7——电压采样及滤波，8——喷涂参数给定，9——实时参数显示，10——光电隔离，11——喷枪开关，12——送丝送气给定，13一一送丝调速，A——基本数据输出，B——人机界面，C——主电路，D——DSP控制器
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对于本发明作进一步的说明；采用如上所述的连接关系。如图1所示进行喷涂作业的时，主电路接入380v三相交流电压。经整流器Zl，Z1 是由四个单向整流二极管组成；之后由滤波电容Cl、C2进行滤波得到直流电供给全桥逆变电路，它是由四个IGBT开关器件或相关的集成模块组成；逆变电压输出到高频变压器T的原边，复变输出给整流滤波电路，它由两个二极管VD1、VD2、高频电感Li、限流电阻R及作为负载的喷涂丝一和喷涂丝二组成；DSP控制器通过驱动电路，控制IGBTb4中IGBI\、IGBT4 同时开通而IGBT2、IGBT3同时关断和IGBT1UGBT4同时关断而IGBT2、IGBT3同时开通使高频变压器T原边输入交流电，输出给整流滤波电路最后得到所需直流喷涂电源基本输出。如图2所示在脉冲电源的实现方式中，通过DSP芯片控制器件D的控制一次逆变驱动3使逆变电路1的四个IGBT依次导通与关断如上所述操作，在高频时得到一个较高的电压脉冲峰值加在两根喷涂丝上来熔化喷涂丝，在低频时得到一个较低的电流值加在两根喷涂丝上来产生电弧，其中保护电路5能够向DSP控制器D反馈驱动电路所获电压信号避免驱动电压过高起到保护作用。对电源的脉冲端的恒定方式的控制上采用闭环反馈回路的方式，采样电弧的电流和电压如图2中的电流信号采样器件LEMl，电压信号采样器件LEM2， 电流采样及滤波6和电压采样及滤波7，反馈值经过DSP控制器D处理判断电弧的实时状态；如果在喷涂过程中喷涂电压过低这将影响电弧被拉长，为避免电弧断弧DSP控制器接收到上述采样反馈值后立即发送高频的高占空比的PWM控制信号，使输出电压升高电弧逐渐恢复原始稳定状态；反之如果电压升高则DSP控制器发送高频的低占空比的PWM控制信号使输出电压降低恢复到原始状态，DSP控制器反应使输出的具体PWM占空比值由程序实时计算，也达到了电压稳定的控制过程。
其中人机界面B包括喷涂参数给定8，实时参数显示9可以供用户输入初始工作参数。基本数据输出A部分包括光电隔离10，喷枪开关11，送丝送气给定12，送丝调速13，这几部分都由DSP控制器D在输入电压控制信号的同时输入相应的控制信号，最终同步控制电路电弧工作中的喷涂丝的送丝和高压气体的送气协调过程。如图3所示本发明熔化喷涂丝的高压峰值脉冲、高速送丝的电机控制脉冲以及控制高压气体吹送的的质量阀的脉冲是很精确的同步过程。在熔化喷涂丝的脉冲峰值中通过反馈调节使电压保持一致，此时，控制芯片同时发出送丝和供气信号，打开送丝调速电机使电机高速送丝，送丝速度范围为l-5m/min，气体质量阀接收来自控制芯片的处理信号迅速扩大气体流量；在喷涂的下半周期是电弧变弱、电压减小，此时，通过电流采样及滤波6和电压采样及滤波7所取信号反馈给控制电源是电源输出为恒定的电流基值，这个基值大小足以维持电弧的稳定，此时气体质量阀门关小，因为气体作用会使电弧形状产生一定的变化，但是通过反馈控制，维持电弧电流值恒定是可行的，这样，便可起到维持电弧的作用，等待下一个喷涂过程到来。
权利要求
1.一种直流脉冲电弧加工系统，包括基本参数控制模块(A)，人机参数设定装置(B)， 主电路(C)以及DSP控制器⑶；DSP控制器⑶通过一次逆变驱动电路⑶与所述的主电路(C)中的逆变电路(1)相连；用来采集整流电路模块O)的输出电流的电流信号采样器件(LEM1)通过电流采样及滤波电路(6)与DSP控制器⑶相连；用来采集喷涂丝间电压的电压信号采样器件(LEM2)分别连接喷涂丝一和喷涂丝二，电压信号采样器件(LEM2)的输出又通过电压采样及滤波电路(7)接入DSP控制器(D)；包括喷涂参数设定模块(8)和实时参数显示模块(9)的参数设定与显示部件⑶与DSP控制器⑶相连；与DSP控制器⑶相连的还包括有基本数据输出部件(A)，DSP控制器(D)的输出数据输送给基本数据输出部件 (A)中的光电隔离器(10)，光电隔离器(10)分别连接有喷枪开关(11)和送丝进气给定装置(12)，喷枪开关(11)和送丝进气给定装置(1 的输出再接入送丝调速装置(13)，送丝调速装置(1 有三路输出，其中控制送丝速度的两路分别与喷涂丝一和喷涂丝二相连，另外一路通过气体流量控制阀(4)连接气瓶与喷嘴之间的送气，DSP控制器(D)与气体流量控制阀(4)相连来控制喷涂过程中的气体流量。气体流量控制阀(4)为一个，其接在压缩气体的主管道上；或者所述的气体流量控制阀(4)为两个，分别接在压缩气体的主管道的两个支管上，整个系统实现对工件进行频率范围为5-300HZ的喷涂加工；主电路(C)中，在整流器(Z1)与逆变电路⑴之间并联有电容(C1)和电容(C2)；所述的逆变电路⑴由开关器件(IGBT1 IGBT3)构成，主电路(C)接入380V三相交流电源，一次逆变驱动电路(3)控制开关器件(IGBT1 IGBT4)的通断来控制主电路(C)的输出，输出给高频变压器⑴的原边；所述的整流电路⑵由并联的二级管(VD”VD2)、滤波电感(L1)限流与电阻(R)串联组成，整流电路( 与喷涂丝之间连接有电流信号采样器件(LEM1),所述的主电路(C)的输出电压范围为18 45V，输出电流范围为20 100A。其特征在于所实现的电源功能为低频脉冲输出方式，在脉冲峰值时间段内保持输出电压恒定、电流自动调节，进行喷涂操作；脉冲基值时间段内保持输出电流恒定、电压自动调节，进行稳弧操作。
2.权利要求1所述的一种直流脉冲电弧加工系统的加工方法，其特征在于其直流脉冲的送丝方法为送丝过程通过对送丝电机控制使喷涂丝的送出为脉动过程，在喷涂电源输出电压峰值脉冲时送丝速度范围为3 Sm/min，而在电源输出恒定的基值电流脉冲时送丝速度范围为0. 5 1. Sm/min，其送丝速度与喷涂电源输出脉冲一致。
3.根据权利要求2所述的一种直流脉冲电弧加工系统的加工方法，其特征在于其采用脉冲的气体送进方法通过气体流量控制阀的控制，在喷涂电源输出电压峰值脉冲时气体流量控制阀(4)完全打开，送进气体流量范围为1600 2000L/min，而在电源输出恒定的基值电流脉冲时气体流量控制阀(4)未完全开启，送进气体流量范围为300 700L/ min,其气体送进流速与喷涂电源输出脉冲一致。
全文摘要
一种直流脉冲电弧加工系统及电弧加工方法，属于表面技术领域，包括基本参数控制模块A，人机参数设定装置B，DSP控制器D以及主电路C；所述的主电路C包括顺序接入交变电路的整流器Z1，逆变电路1，高频变压器T、整流电路2，整流电路2的输出接有喷涂丝一和喷涂丝二，整流电路2与喷涂丝之间连接有电流信号采样器件LEM1。电弧加工过程中整个喷涂过程中送丝脉冲，气体流量阀4的送气脉冲，与电源能量输出频率一致，同时达到峰值和基值。本发明能在各种薄质母材上覆盖金属层，并且产生的形变小；能在塑料或其他熔点低的工件上进行小能量的喷涂。
文档编号C23C4/12GK102352476SQ201110293828
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者卢振洋, 姚明, 徐旦, 黄鹏飞 申请人:北京工业大学