一種數(shù)字化控制的逆變電弧噴涂設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種數(shù)字化控制的逆變電弧噴涂設(shè)備，屬于熱噴涂【技術(shù)領(lǐng)域】。該設(shè)備包括噴槍、送絲機(jī)構(gòu)和控制電源；所述的送絲機(jī)構(gòu)包括送絲電機(jī)、光電碼盤和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；所述的控制電源包括逆變電源主電路、逆變電源驅(qū)動(dòng)板和DSP控制器；所述的DSP控制器包括時(shí)間發(fā)生模塊、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊、串行外設(shè)接口數(shù)據(jù)交換模塊；所述的逆變電源主電路包括絕緣柵雙極型晶體管逆變模塊。
【專利說明】一種數(shù)字化控制的逆變電弧噴涂設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種數(shù)字化控制的逆變電弧噴涂設(shè)備，屬于熱噴涂【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]電弧噴涂是熱噴涂【技術(shù)領(lǐng)域】中應(yīng)用最廣泛的一種工藝技術(shù)，近些年其發(fā)展尤為迅速。隨著電弧噴涂技術(shù)應(yīng)用的不斷推廣和深入，市場(chǎng)對(duì)電弧噴涂設(shè)備及其涂層性能都提出了更高的要求，希望電弧噴涂設(shè)備噴涂穩(wěn)定高效，攜帶方便。
[0003]目前國內(nèi)電弧噴涂設(shè)備依然停留在模擬量開環(huán)控制和可控硅電源的水平上，如上海新業(yè)公司的ZPG-400B型電弧噴涂機(jī)，噴涂過程中依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)和電子電器硬件來保證精度，沒有反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)的功能，電流與送絲速度波動(dòng)范圍非常大，使電弧噴涂非常不穩(wěn)定，涂層質(zhì)量的可靠性很差。在國外三家最著名的熱噴涂設(shè)備生產(chǎn)廠家Sulzer Metco,Praxair,GTV中，Praxair的電弧噴涂設(shè)備最先進(jìn)且市場(chǎng)占有率最高，目前其最先進(jìn)的9935型電弧噴涂設(shè)備，電源采用逆變電源，并配備電流、電壓反饋功能，工作過程中電弧非常穩(wěn)定，涂層組織細(xì)密，但由于其控制系統(tǒng)仍采用模擬電路控制方式，存在參數(shù)漂移，擴(kuò)展性不好等缺點(diǎn)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的是為了一種數(shù)字化控制的逆變電弧噴涂設(shè)備，解決現(xiàn)有技術(shù)中電弧噴涂設(shè)備在噴涂過程中依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)和電子電器硬件來保證精度，沒有反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)功能，電流與送絲速度波動(dòng)范圍大，電弧不穩(wěn)定，涂層質(zhì)量可靠性低的問題。
[0005]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0006]本實(shí)用新型的一種數(shù)字化控制的逆變電弧噴涂設(shè)備，該設(shè)備包括噴槍、送絲機(jī)構(gòu)和控制電源；
[0007]所述的送絲機(jī)構(gòu)包括送絲電機(jī)、光電碼盤和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；
[0008]所述的控制電源包括逆變電源主電路、逆變電源驅(qū)動(dòng)板和DSP控制器；(DSP)控制器即數(shù)字信號(hào)處理器控制器；
[0009]所述的DSP控制器包括時(shí)間發(fā)生(EV)模塊、模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字/模擬(D/A)轉(zhuǎn)換模塊、串行外設(shè)接口(SPI)數(shù)據(jù)交換模塊；
[0010]所述的逆變電源主電路包括絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)逆變模塊；
[0011]DSP控制器通過時(shí)間發(fā)生(EV)模塊將脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)輸出給逆變電源驅(qū)動(dòng)板，逆變電源驅(qū)動(dòng)板將絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出給逆變電源主電路，逆變電源主電路將電壓和電流信號(hào)輸出給噴槍；同時(shí)，DSP控制器通過數(shù)字/模擬(D/A)轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送送絲速度給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將控制電流發(fā)送到送絲電機(jī)，送絲電機(jī)根據(jù)控制電流以一定速度送進(jìn)絲材進(jìn)入噴槍；噴槍根據(jù)所接收到的電壓、電流信號(hào)對(duì)送進(jìn)的絲材進(jìn)行熔化噴涂；
[0012]噴涂開始后，噴槍將電壓反饋信號(hào)和電流反饋信號(hào)反饋給DSP控制器的模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換模塊；DSP控制器根據(jù)反饋的電壓信號(hào)和電流信號(hào)對(duì)通過時(shí)間發(fā)生(EV)模塊發(fā)出的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，如果電流、電壓反饋值比輸入規(guī)定值小，就加長脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)的長度，增大絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)導(dǎo)通時(shí)間；如果電流、電壓反饋值比輸入規(guī)定值大，就減小脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)的長度，減小絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)導(dǎo)通時(shí)間；如果電流、電壓反饋值與輸入規(guī)定值相符，就不調(diào)整脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，保持原有信號(hào)不變；
[0013]送絲電機(jī)開始送絲后，送絲長度經(jīng)過光電碼盤轉(zhuǎn)換為送絲速度反饋信號(hào)，光電碼盤將送絲速度反饋信號(hào)發(fā)送給DSP控制器的串行外設(shè)接口( SPI)數(shù)據(jù)交換模塊，DSP控制器根據(jù)所反饋的送絲速度進(jìn)行調(diào)整，如果送絲速度比輸入規(guī)定值小，就加強(qiáng)送絲速度信號(hào)，使送絲電流增大，送絲速度提高；如果送絲速度比輸入規(guī)定值大，就減小送絲速度信號(hào)，使送絲電流減小，送絲速度減慢；如果送絲速度與輸入規(guī)定值相符，就不調(diào)整送絲速度信號(hào)，保持原有信號(hào)不變。
[0014]有益效果
[0015]本實(shí)用新型的噴涂設(shè)備通過控制電路和逆變電源的設(shè)計(jì)，使其具備實(shí)時(shí)計(jì)算和閉環(huán)控制功能，對(duì)設(shè)備噴涂電壓進(jìn)行恒壓控制；通過反饋調(diào)節(jié)控制，使噴涂過程中的電流、電壓、送絲速度穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)的精確數(shù)字調(diào)節(jié)；通過對(duì)不同材料進(jìn)行超音速電弧噴涂工藝試驗(yàn)，分析涂層結(jié)合強(qiáng)度和孔隙率，優(yōu)化工藝參數(shù)，建立電弧噴涂工藝參數(shù)庫。該設(shè)備參數(shù)調(diào)節(jié)準(zhǔn)確，噴涂過程穩(wěn)定，功率系數(shù)高，不但可應(yīng)用于大型模具修復(fù)、航母偏流板現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)和艦船的防腐等軍用領(lǐng)域，還可以進(jìn)行汽車、鋼鐵、水利等行業(yè)的防腐、耐磨涂層噴涂。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本實(shí)用新型的噴涂設(shè)備的組成示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0018]實(shí)施例
[0019]如圖1所示，一種數(shù)字化控制的逆變電弧噴涂設(shè)備，該設(shè)備包括噴槍、送絲機(jī)構(gòu)和控制電源；
[0020]所述的送絲機(jī)構(gòu)包括送絲電機(jī)、光電碼盤和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；
[0021]所述的控制電源包括逆變電源主電路、逆變電源驅(qū)動(dòng)板和DSP控制器；(DSP)控制器即數(shù)字信號(hào)處理器控制器；
[0022]所述的DSP控制器包括時(shí)間發(fā)生(EV)模塊、模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字/模擬(D/A)轉(zhuǎn)換模塊、串行外設(shè)接口(SPI)數(shù)據(jù)交換模塊；
[0023]所述的逆變電源主電路包括絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)逆變模塊；
[0024]工作過程:
[0025]I)連接380V工業(yè)用電，打開逆變電源空氣開關(guān)，為電弧噴涂系統(tǒng)供電；
[0026]2)輸入需要的電壓、電流值；
[0027]3)前端顯示面板的單片機(jī)電路處理輸入的電壓、電流值，通過SPI數(shù)據(jù)交換模塊傳輸?shù)紻SP主芯片；[0028]4) DSP主芯片經(jīng)過EV模塊處理后，把相關(guān)數(shù)值傳輸?shù)絇WM模塊，同時(shí)經(jīng)過SPI數(shù)據(jù)交換模塊傳輸?shù)角岸孙@示面板的單片機(jī)電路。
[0029]5)前端顯示面板的單片機(jī)電路處理接收到的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為具體數(shù)值顯示在前端顯示面板；
[0030]6) PWM模塊處理接收到的信號(hào)，計(jì)算出相應(yīng)的PWM信號(hào)；
[0031]7)按動(dòng)噴槍上的啟動(dòng)按鍵，啟動(dòng)信號(hào)通過GP模塊傳輸?shù)紻SP主芯片；
[0032]8) DSP主芯片接收到啟動(dòng)信號(hào)后，驅(qū)使PWM模塊將計(jì)算好的PWM信號(hào)傳送給逆變電源驅(qū)動(dòng)板，同時(shí)也將送絲電流信號(hào)發(fā)送到送絲電機(jī)使能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器開始送絲；
[0033]9)逆變電源驅(qū)動(dòng)板接收到PWM信號(hào)，開始放大信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變電源主電路中的IGBT模塊連續(xù)接通與關(guān)斷，將經(jīng)過前端三相整流濾波模塊得到的直流電在主變壓器的原邊變?yōu)榫哂幸欢l率的交流方波；
[0034]10)原邊交流方波通過主變壓器模塊，在主變壓器的副邊感應(yīng)得到副邊交流方波，再通過輸出整流模塊，得到平穩(wěn)直流電；
[0035]11)直流電的正負(fù)兩極，連接通過送絲機(jī)構(gòu)送出的兩根絲材；
[0036]12)兩根帶有不同電極的絲材通過接觸，發(fā)生短路，產(chǎn)生電弧，將絲材熔化成熔滴，再經(jīng)過噴槍中的壓縮空氣加速噴涂出去；
[0037]13)噴槍上的電壓、電流數(shù)值由霍爾傳感器通過A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊傳輸?shù)紻SP主芯片，主芯片將數(shù)值發(fā)送到PID計(jì)算模塊；
[0038]14)送絲電機(jī)上的送絲速度通過光電碼盤傳輸?shù)紻SP主芯片，主芯片將數(shù)值發(fā)送到PID計(jì)算模塊；
[0039]15) PID計(jì)算模塊將反饋的數(shù)值通過與輸入值相比較，得到修改后的數(shù)值，發(fā)送到DSP主芯片；
[0040]16)DSP主芯片將修改后數(shù)值發(fā)送到PWM模塊，同時(shí)通過中斷模塊打斷PWM信號(hào)的連續(xù)傳輸；
[0041]17)PWM模塊通過修改后數(shù)值傳送新的PWM信號(hào)給逆變電源驅(qū)動(dòng)板，同時(shí)中斷模塊停止中斷，IGBT模塊以新的PWM信號(hào)開始工作；
[0042]18) DSP主芯片將修改后送絲電流數(shù)值發(fā)送到送絲電機(jī)，以新的送絲速度開始送絲；
[0043]19)重復(fù)9)-12)的步驟，整個(gè)噴涂將以更接近給定電壓、電流值的方式穩(wěn)定的進(jìn)行噴涂。
[0044]采用的技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)施方式是通過逆變電源設(shè)計(jì)和數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使其具備實(shí)時(shí)計(jì)算和閉環(huán)控制功能，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)電弧噴涂參數(shù)的反饋調(diào)節(jié)控制，使噴涂過程中的電流、電壓、送絲速度穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)的精確數(shù)字調(diào)節(jié)，且提高電源的調(diào)節(jié)特性和利用效率，最終實(shí)現(xiàn)噴涂精確和穩(wěn)定的電弧噴涂，提高涂層質(zhì)量的穩(wěn)定性和涂層結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)，針對(duì)不同的材料體系，建立電弧噴涂工藝的參數(shù)庫。
[0045]1.逆變電源設(shè)計(jì)
[0046]設(shè)計(jì)逆變電源主電路，采用全橋式開關(guān)電源思路。由交流輸入，經(jīng)三相整流得到540V直流，再由控制電路控制IGBT管的通斷，得到20KHz的540V交流電，通過變壓器在副邊得到相應(yīng)的交流電，最后經(jīng)過副邊的整流電路和輸出電感，得到穩(wěn)定直流輸出。設(shè)計(jì)逆變電源的控制電路，由控制系統(tǒng)DSP內(nèi)部EV模塊產(chǎn)生PWM，經(jīng)UC3842輸出后由M57962控制驅(qū)動(dòng)放大，控制IGBT管的通斷，對(duì)電源進(jìn)行恒壓數(shù)字控制。
[0047]2.數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
[0048]分析電弧噴涂電流、電壓、送絲速度的關(guān)系，確定最終控制量為電流、電壓；電流通過送絲速度來控制，送絲機(jī)采用永磁直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，送絲速度采用模糊控制，電壓通過逆變電源恒壓控制，采用PID控制算法，以解決電弧噴涂過程中電流、電壓波動(dòng)，送絲不穩(wěn)的問題。微控制器采用DSP作計(jì)算單元，采用霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器、光電碼盤作反饋元件，設(shè)計(jì)電流、電壓、送絲速度等檢測(cè)電路，采集反饋信號(hào)，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；通過實(shí)時(shí)計(jì)算輸出控制量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出；系統(tǒng)通過按鍵輸入、LCD顯示。
[0049]3.噴涂工藝參數(shù)庫建立
[0050]選用cp2.0mm的鎳鉻鈦、純鋁、純鋅、2Crl3絲材，針對(duì)LF6鋁合金基材進(jìn)行工藝試驗(yàn)，空氣壓力 0.55MPa,噴涂距離 200mm、250mm、300mm，電壓 29V、32V、35V、38V，電流 150A、200A、250A、300A、350A正交試驗(yàn)，試驗(yàn)中調(diào)節(jié)噴距、電壓、送絲速度，分析涂層結(jié)合強(qiáng)度和孔隙率。通過試驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)，并將優(yōu)化后的工藝參數(shù)建立參數(shù)庫集成到控制程序中。
[0051]設(shè)備測(cè)試效果:
[0052]
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字化控制的逆變電弧噴涂設(shè)備，其特征在于:該設(shè)備包括噴槍、送絲機(jī)構(gòu)和控制電源； 所述的送絲機(jī)構(gòu)包括送絲電機(jī)、光電碼盤和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器； 所述的控制電源包括逆變電源主電路、逆變電源驅(qū)動(dòng)板和DSP控制器； 所述的DSP控制器包括時(shí)間發(fā)生模塊、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊、串行外設(shè)接口數(shù)據(jù)交換模塊； DSP控制器通過時(shí)間發(fā)生模塊將脈寬調(diào)制信號(hào)輸出給逆變電源驅(qū)動(dòng)板，逆變電源驅(qū)動(dòng)板將絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出給逆變電源主電路，逆變電源主電路將電壓和電流信號(hào)輸出給噴槍；同時(shí)，DSP控制器通過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送送絲速度給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將控制電流發(fā)送到送絲電機(jī)，送絲電機(jī)根據(jù)控制電流送進(jìn)絲材進(jìn)入噴槍；噴槍根據(jù)所接收到的電壓、電流信號(hào)對(duì)送進(jìn)的絲材進(jìn)行熔化噴涂； 噴涂開始后噴槍將電壓反饋信號(hào)和電流反饋信號(hào)反饋給DSP控制器的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊；DSP控制器根據(jù)反饋的電壓信號(hào)和電流信號(hào)對(duì)通過時(shí)間發(fā)生模塊發(fā)出的脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，如果電流、電壓反饋值比輸入規(guī)定值小，就加長脈寬調(diào)制信號(hào)的長度，增大絕緣柵雙極型晶體管導(dǎo)通時(shí)間；如果電流、電壓反饋值比輸入規(guī)定值大，就減小脈寬調(diào)制信號(hào)的長度，減小絕緣柵雙極型晶體管導(dǎo)通時(shí)間；如果電流、電壓反饋值與輸入規(guī)定值相符，就不調(diào)整脈寬調(diào)制信號(hào)，保持原有信號(hào)不變； 送絲電機(jī)開始送絲后，送絲長度經(jīng)過光電碼盤轉(zhuǎn)換為送絲反饋信號(hào)，光電碼盤將送絲速度反饋信號(hào)發(fā)送給DSP控制器的串行外設(shè)接口數(shù)據(jù)交換模塊，DSP控制器根據(jù)所反饋的送絲速度進(jìn)行調(diào)整，如果送絲速度比輸入規(guī)定值小，就加強(qiáng)送絲速度信號(hào)，使送絲電流增大，送絲速度提高；如果送絲速度比輸入規(guī)定值大，就減小送絲速度信號(hào)，使送絲電流減小，送絲速度減慢；如果送絲速度與輸入規(guī)定值相符，就不調(diào)整送絲速度信號(hào)，保持原有信號(hào)不變。
【文檔編號(hào)】B05B5/06GK203380030SQ201320429874
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月18日
【發(fā)明者】戚鵬, 吳朝軍, 倪立勇, 楊杰 申請(qǐng)人:航天材料及工藝研究所, 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院