專利名稱：一種電容充放電脈沖數(shù)字控制型電火花沉積堆焊電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電火花沉積堆焊技術(shù)，屬于再生制造領(lǐng)域中的精密修復(fù)和表面強(qiáng)化技術(shù)，特別是一種電容充放電脈沖數(shù)字控制型電火花沉積堆焊電源。
背景技術(shù)：
電火花沉積堆焊技術(shù)的工作原理是當(dāng)電極與工件接觸時，電路處于短路狀態(tài)下， 電源輸出放電脈沖，在電極和工件接觸點的小區(qū)域范圍內(nèi)產(chǎn)生極大的電流密度而使接觸點處的電極和工件材料瞬間熔化及氣化，引發(fā)火花放電，電極熔化的材料部分過渡到工件表面，若電極繼續(xù)接近工件，伴隨機(jī)械力擠壓工件，使電極熔融材料牢固的粘結(jié)在工件材料表面，使合金層致密性得到提高。由于電火花沉積堆焊的放電過程在瞬間完成，工件不會產(chǎn)生熱擴(kuò)散和熱變形，具有熱輸入量小、工件基體不發(fā)熱等優(yōu)點，所以廣泛應(yīng)用在模具、電機(jī)主軸等設(shè)備的缺陷和小面積破損的精密修復(fù)中，還可應(yīng)用到零件的表面強(qiáng)化和改性處理中。 對于磨損零件等修復(fù)后再利用屬于再生制造，節(jié)約了大量設(shè)備維護(hù)成本。電火花沉積堆焊的缺點是工作效率低，加工一個零件往往需要很長時間，影響其加工效率的主要因素是電源輸出的脈沖電壓、頻率等參數(shù)和其它工藝參數(shù)等。傳統(tǒng)的電火花沉積堆焊電源只對電容的放電進(jìn)行控制，沒有對其充電過程進(jìn)行控制，使充電電路與放電電路沒有完全隔離，在使用過程中當(dāng)電極與工件短路時，充電電路直接通過電極與工件的接觸點放電，可控硅無法關(guān)斷，電容就無法再次充電進(jìn)行火花放電，從而使放電頻率降低，直接影響了電火花沉積堆焊的工作效率；而且只能通過改變變壓器次級輸出端子的連接來對電容的充電電壓進(jìn)行有級調(diào)整，無法對放電能量進(jìn)行精確的控制，無法滿足各類工藝條件的要求。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種對電容的充電過程和放電過程都能進(jìn)行數(shù)字控制的電火花沉積堆焊電源，用以解決現(xiàn)有電源調(diào)整充電電壓較困難，無法對放電能量進(jìn)行精確控制的問題。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案是一種電容充放電脈沖數(shù)字控制型電火花沉積堆焊電源，包括微處理器和用于調(diào)節(jié)輸入交流電壓的交流調(diào)壓電路，交流調(diào)壓電路的輸出端連接整流濾波電路的輸入端，整流濾波電路的輸出端連接固定放電電容組，固定放電電容組的正電源端連接有一個用于放電控制的可控硅的陽極，所述可控硅還設(shè)有用于連接運動電極的陰極和用于連接所述微處理器對應(yīng)輸出端口的門極，門極與微處理器的對應(yīng)輸出端口之間設(shè)有放電脈沖驅(qū)動電路，其特征在于，在所述整流濾波電路的輸出端上還設(shè)有用于充電控制的M0SFET，該MOSFET與所述固定放電電容組串聯(lián)后并聯(lián)在所述整流濾波電路的輸出端上，該MOSFET的柵極通過充電電壓控制驅(qū)動電路連接所述微處理器的對應(yīng)輸出端口 ；所述固定放電電容組兩端還并聯(lián)有電阻串聯(lián)型電壓檢測電路，電壓檢測電路的采樣端通過隔離調(diào)理電路連接所述微控制器的模擬量輸入端。[0006]外部輸入交流電源經(jīng)過調(diào)壓電路、整流濾波電路轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)過MOSFET管控制對放電電容進(jìn)行充電，充電電壓值可通過電壓檢測電路傳送到微處理器，再由其輸出控制脈沖來驅(qū)動MOSFET管的通斷，從而控制充電電壓的大??；放電電容通過可控硅的控制， 經(jīng)過運動電極與工件的接觸進(jìn)行放電，從而產(chǎn)生電火花，將電極上的材料熔焊到工件上，實現(xiàn)電火花的沉積堆焊功能。由微控制器輸出的MOSFET管和可控硅的驅(qū)動脈沖信號分別控制MOSFET管和可控硅交替導(dǎo)通和關(guān)斷，使電容的充電過程和放電過程完全獨立，且不會同時導(dǎo)通，確保了即使電極與工件短路的情況下仍能可靠進(jìn)行電容的充放電和產(chǎn)生火花放電，從而保證了電火花放電的頻率和效率；而且電容的電壓也可無級調(diào)節(jié)，確保了放電的能量也可無級調(diào)節(jié)，從而能適應(yīng)各種工藝條件的要求。電容充電過程和放電過程交替進(jìn)行，即使電極和工件短路時， 仍能保證電容進(jìn)行充放電和產(chǎn)生電火花，從而提高了電源的沉積堆焊效率。進(jìn)一步的，所述固定放電電容組兩端還并聯(lián)有至少一組可調(diào)放電電容組支路，該可調(diào)放電電容組支路由控制開關(guān)和可調(diào)放電電容組串聯(lián)構(gòu)成。所述充電電壓控制驅(qū)動電路包括MOSFET驅(qū)動電路與高速光耦隔離電路。所述放電脈沖驅(qū)動電路包括可控硅驅(qū)動電路與高速光耦隔離電路。所述固定放電電容組、可調(diào)放電電容組均由至少三個放電電容并聯(lián)而成。所述控制開關(guān)為固態(tài)繼電器觸頭。所述微控制器還輸入連接開關(guān)量輸入電路、輸出連接液晶顯示電路、輸出連接開關(guān)量輸出電路、通訊連接RS232接口電路、電源電路和復(fù)位電路。

圖1是本實用新型實施例的系統(tǒng)示意圖；圖2是本實用新型實施例的主電路圖；圖3是本實用新型實施例的工作波形圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的堆焊電源進(jìn)行進(jìn)一步的說明。該電源的系統(tǒng)示意圖如圖1、圖2所示。該電源包括微處理器和用于調(diào)節(jié)輸入交流電壓的交流調(diào)壓電路；交流調(diào)壓電路的輸出端連接整流濾波電路的輸入端，整流濾波電路的輸出端之間串設(shè)有MOSFET管與固定放電電容組，所述固定放電電容組兩端并聯(lián)兩組可調(diào)放電電容組支路，該可調(diào)放電電容支路由控制開關(guān)和可調(diào)放電電容組串聯(lián)構(gòu)成，所述固定放電電容組的一端還連接有可控硅；所述MOSFET管、控制開關(guān)與可控硅的控制端均通過對應(yīng)的驅(qū)動電路連接到所述微控制器的相應(yīng)端口。交流調(diào)壓電路采用變壓器Tl，輸入的220V的交流電壓經(jīng)過變壓器Tl后調(diào)整為 IlOV的交流電，經(jīng)過整流濾波電路中的整理橋Dl對電解電容CEl進(jìn)行充電，CEl的參數(shù)是 10000uF/450V，主要作用是儲能和濾波。其中電阻Rl是在電源剛上電時防止充電電流過大而加入的，當(dāng)CEl充滿電后，由控制電路控制繼電器KAl工作，其觸點使Rl短路，即正常工作時Rl是被短路的。R3是一個阻值較大電阻，當(dāng)電源斷電后，電容CEl上的電荷可通過R3 釋放掉。[0020]CEl上的直流電可經(jīng)過充電電路中的MOSFET管、電阻R2、電感Ll對放電電容Cl、 C2、C3等進(jìn)行充電。MOSFET管采用IXFK73N30，由微控制器給出指令，經(jīng)過高速光耦(采用 HCNW4502)的隔離和驅(qū)動電路(采用芯片MIC4422)的驅(qū)動來控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。放電電容由三組電容并聯(lián)組成，第一組是Cl C3并聯(lián)(即所述固定放電電容組)，第二組是 C4 C7并聯(lián)(可調(diào)放電電容組)，第三組是C8 C14并聯(lián)(可調(diào)放電電容組)，每個電容的參數(shù)是20uF/630V。第二組和第三組分別由固態(tài)繼電器KSl和KS2控制是否接入到放電電路中，從而可以對放電電容的容量進(jìn)行有級的調(diào)整，即可分為60 uF、140 uF、200 uF、280 uF 四檔。電容在充放電時產(chǎn)生的反向電動勢可通過快速二極管D2、D3進(jìn)行消除。當(dāng)MOSFET 管導(dǎo)通時，放電電容開始充電，當(dāng)MOSFET管關(guān)斷時或放電電容電壓達(dá)到最大充電電壓時充電過程結(jié)束。 電阻R4和電位器R5串聯(lián)后并聯(lián)在放電電容的兩端，由電位器的中間輸出端可檢測放電電容的電壓值，經(jīng)隔離調(diào)理電路后將電壓信號傳送到微控制器的模擬量輸入端。微控制器可將檢測到的實際的充電電壓與設(shè)定的充電電壓進(jìn)行比較，當(dāng)兩者相等時就控制驅(qū)動脈沖關(guān)斷MOSFET管，從而實現(xiàn)充電電壓IOV 155V的無級調(diào)整。放電電容上的電能經(jīng)過可控硅(采用KK100型快速可控硅)的控制，通過運動電極與工件接觸時進(jìn)行電火花放電。微控制器輸出的脈沖經(jīng)高速光耦(采用HCNW4502)的隔離和SCR驅(qū)動電路(采用三極管2N3906)的驅(qū)動來控制可控硅導(dǎo)通，當(dāng)放電電容上的電能放完后電壓為零，可控硅自動關(guān)斷。運動電極可用電動工具帶動電極進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，也可采用電磁擺動機(jī)構(gòu)進(jìn)行橫向擺動運動，還可手工操作電極進(jìn)行運動。微控制器采用芯片是ADUC812，它還包括輸入連接8路開關(guān)量輸入電路、輸出連接液晶顯示電路、通訊連接RS232接口電路、電源電路和復(fù)位電路等。啟動、停止、參數(shù)選擇、 增加、減小、確定等按鍵可通過阻容濾波后經(jīng)光耦隔離后輸入到CPU，電源的工作參數(shù)和狀態(tài)等可通過128X64點陣的圖形液晶進(jìn)行顯示。CPU輸出的8個開關(guān)量輸出經(jīng)光耦隔離后通過三極管進(jìn)行驅(qū)動，可控制繼電器KA1、固態(tài)繼電器KSl和KS2、運動電極的工作。RS232 接口電路主要用于ADUC812芯片的編程和與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。電容電壓輸入的0 5V的電壓信號經(jīng)過隔離模塊輸入到ADUC812的模擬量輸入端。ADUC812的AD轉(zhuǎn)換器具有12位轉(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)到200kSPS，保證了電壓控制的精度和速度。由CPU輸出的MOSFET 管的驅(qū)動脈沖經(jīng)過高速光耦驅(qū)動控制MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。由微控制器輸出的可控硅的驅(qū)動脈沖經(jīng)高速光耦和三極管來驅(qū)動來控制可控硅導(dǎo)通。工作原理以電源的MOSFET管的控制脈沖波形(圖3. a)、可控硅的控制脈沖波形(圖3. b)、電容的充放電電壓波形(圖3. C)、電火花放電脈沖波形(圖3. d)為例來詳細(xì)說明本實用新型電火花沉積堆焊電源的工作原理。MOSFET管的控制脈沖波形和可控硅的控制脈沖波形的頻率相同(此頻率可由用戶進(jìn)行設(shè)定)，其周期T=tl+t2+t3+t4，其中tl是控制MOSFET管的正脈沖時間，也就是其導(dǎo)通對電容進(jìn)行充電的時間；t2是控制可控硅的正脈沖時間，也就是其導(dǎo)通進(jìn)行火花放電的時間；t3是MOSFET管的控制脈沖的下降沿到可控硅的控制脈沖的上升沿的時間，也就是 MOSFET管關(guān)斷到可控硅導(dǎo)通的間隔時間，它可保證MOSFET管和可控硅不會同時導(dǎo)通；t4是可控硅的控制脈沖的下降沿到MOSFET管的控制脈沖的上升沿的時間，也就是可控硅關(guān)斷到MOSFET管導(dǎo)通的間隔時間，它可保證MOSFET管和可控硅不會同時導(dǎo)通；由于電火花放電時間為3 5us，所以t2為固定的5us。t4也固定為5us。tl和t3是隨設(shè)定的頻率和充電電壓而變化的，在某一頻率下，當(dāng)設(shè)定充電電壓最大時，tl達(dá)到最大值，t3達(dá)到最小值5us， 當(dāng)設(shè)定充電電壓最小時，tl達(dá)到最小值，t3達(dá)到最大值。電源產(chǎn)生電火花的頻率的調(diào)節(jié)范圍是10 1000Hz，電容充電電壓的調(diào)節(jié)范圍是IOV 155V。在微處理器的控制下，在tl時間范圍內(nèi)，MOSFET管導(dǎo)通，開始對電容進(jìn)行充電，充電電壓檢測電路將電壓值傳輸?shù)轿⑻幚砥?，?dāng)其電壓達(dá)到設(shè)定電壓時，MOSFET管的控制脈沖變?yōu)榈碗娖?，從而關(guān)斷MOSFET管，停止對電容進(jìn)行充電。經(jīng)過t3時間間隔后，可控硅在 t2時間內(nèi)導(dǎo)通，當(dāng)電極與工件接觸時，電容上的電能迅速通過接觸點釋放，產(chǎn)生電火花，當(dāng)電容電能釋放完后，可控硅自動關(guān)斷，其波形如圖3. d。經(jīng)過t4時間間隔后，MOSFET管重新導(dǎo)通，開始進(jìn)行下一個充放電過程，如此周而復(fù)始的循環(huán)就會不斷產(chǎn)生電火花，實現(xiàn)沉積堆焊功能。在此控制方式下，MOSFET管和可控硅交替導(dǎo)通，且不會同時導(dǎo)通，保證了電容的充電過程和放電過程完全獨立，確保了即使電極與工件短路的情況下可控硅仍能可靠關(guān)斷， 從而保證電火花放電的頻率和效率；而且電容的電壓也可無級調(diào)節(jié)，確保了放電的能量也可無級調(diào)節(jié)，從而能適應(yīng)各種工藝條件的要求。
權(quán)利要求1.一種電容充放電脈沖數(shù)字控制型電火花沉積堆焊電源，包括微處理器和用于調(diào)節(jié)輸入交流電壓的交流調(diào)壓電路，交流調(diào)壓電路的輸出端連接整流濾波電路的輸入端，整流濾波電路的輸出端連接固定放電電容組，固定放電電容組的正電源端連接有一個用于放電控制的可控硅的陽極，所述可控硅還設(shè)有用于連接運動電極的陰極和用于連接所述微處理器對應(yīng)輸出端口的門極，門極與微處理器的對應(yīng)輸出端口之間設(shè)有放電脈沖驅(qū)動電路，其特征在于，在所述整流濾波電路的輸出端上還設(shè)有用于充電控制的MOSFET，該MOSFET與所述固定放電電容組串聯(lián)后并聯(lián)在所述整流濾波電路的輸出端上，該MOSFET的柵極通過充電電壓控制驅(qū)動電路連接所述微處理器的對應(yīng)輸出端口 ；所述固定放電電容組兩端還并聯(lián)有電阻串聯(lián)型電壓檢測電路，電壓檢測電路的采樣端通過隔離調(diào)理電路連接所述微控制器的模擬量輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電容充放電脈沖數(shù)字控制型電火花沉積堆焊電源，其特征在于，所述固定放電電容組兩端還并聯(lián)有至少一組可調(diào)放電電容組支路，該可調(diào)放電電容組支路由控制開關(guān)和可調(diào)放電電容組串聯(lián)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電容充放電脈沖數(shù)字控制型電火花沉積堆焊電源，其特征在于，所述充電電壓控制驅(qū)動電路包括MOSFET驅(qū)動電路與高速光耦隔離電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電容充放電脈沖數(shù)字控制型電火花沉積堆焊電源，其特征在于，所述放電脈沖驅(qū)動電路包括可控硅驅(qū)動電路與高速光耦隔離電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電容充放電脈沖數(shù)字控制型電火花沉積堆焊電源，其特征在于，所述固定放電電容組、可調(diào)放電電容組均由至少三個放電電容并聯(lián)而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電容充放電脈沖數(shù)字控制型電火花沉積堆焊電源，其特征在于，所述控制開關(guān)為固態(tài)繼電器觸頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電容充放電脈沖數(shù)字控制型電火花沉積堆焊電源，其特征在于，所述微控制器還輸入連接開關(guān)量輸入電路、輸出連接液晶顯示電路、輸出連接開關(guān)量輸出電路、通訊連接RS232接口電路、電源電路和復(fù)位電路。
專利摘要本實用新型涉及一種電容充放電脈沖數(shù)字控制型電火花沉積堆焊電源，屬于再生制造領(lǐng)域中的精密修復(fù)和表面強(qiáng)化技術(shù)；該電源包括微處理器、交流調(diào)壓電路、整流濾波電路、充電及其驅(qū)動電路、充電電壓檢測電路、放電及其驅(qū)動電路等。本裝置可對放電電容的電壓進(jìn)行無級調(diào)整，可實現(xiàn)放電能量的無級調(diào)整，放電頻率也可進(jìn)行無級調(diào)整，可滿足不同工藝條件的需要；電容充電脈沖和放電脈沖在微處理器的控制下，充電過程和放電過程交替進(jìn)行，即使電極和工件短路時，仍能保證電容進(jìn)行充放電和產(chǎn)生電火花，從而提高了電源的沉積堆焊效率。
文檔編號B23K13/08GK201970011SQ201120115610
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者李向陽, 李濟(jì)順, 薛玉君, 賈現(xiàn)召, 郭豫鵬, 韓紅彪 申請人:河南科技大學(xué)