焊縫磁偏轉尋跡及磁掃描電子束焊接系統的製作方法

2023-10-24 03:13:27

專利名稱：焊縫磁偏轉尋跡及磁掃描電子束焊接系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電子束焊接技術領域，具體為焊縫磁偏轉尋跡及磁掃描電子束焊接系統。
背景技術：
電子束焊接是利用空間定向的高速運動電子束，撞擊工件表面後，將動能轉化成熱能，使被焊金屬熔化，冷卻結晶後形成焊縫。與常規焊接方法相比，電子束焊接在焊接界屬於「富貴」焊接。電子束焊具有加熱功率密度高、焊縫深寬比大、焊接速度快、熱影響區小、焊接變形小、焊縫純度高、焊接工藝參數調節範圍廣、適應性強和可焊材料多等優點。電子束焊接機是一種技術密集型的產品，它是一種綜合了真空物理、電子技術、電子光學、高電壓技術、計算機和控制技術等多種技術的高科技產品。儘管設備價格昂貴，但因其優越的焊接性能，在國防工業、宇航工業、儀器儀表工業、汽車製造業等諸多領域中倍受歡迎。電子束焊接在特大厚焊件和微小型元件的精密焊接方面更顯出其他焊接方法無可比擬的優越性。
目前的電子束焊接過程中，電子束的斑點不動，由電機帶動工件運動走出焊縫軌跡。對於複雜的軌跡，配置計算機數位化控制系統(簡稱為CNC系統)。CNC系統控制精度很高，原理上能夠滿足焊接要求，特別是對大焊件。但是對於小型精密焊件，如果焊縫的軌跡中有曲率半徑很小(甚至有直角或銳角拐彎)的曲線時，CNC系統的局限性就充分地表現出來。因為機械運動受慣性影響，工件改變運動速度或運動方向的響應時間較長，要精確復現小曲率半徑的曲線，不得不降低工件運動速度。這種狀況對於小型精密焊件的焊接是非常不利的。因為小型精密焊件一般要求焊接速度較高，而且要求同一焊縫的各項焊接參數嚴格保持一致，以保證獲得相同的焊接質量。因CNC系統難以控制工作檯高速拐彎，目前解決的方法是採用調整電子束束流來配合工件運動速度的方法，即工件運動速度高時，焊接的電子束流大，拐彎處降低工件運動速度的同時降低電子束束流，以期維持輸入焊縫上各點的電子束線能量密度一致。從實踐的情況看，這種方法還是很難保證焊縫各點的焊接質量一致，在焊縫轉彎處焊接參數(工件速度和電子束流功率)發生變化的地方出現焊接缺陷概率較大。

實用新型內容本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，提出一種焊縫磁偏轉尋跡及磁掃描電子束焊接系統，在電子束焊接機上以計算機或可編程控制器為控制核心，設計數位化控制的磁偏轉尋找焊縫軌跡及磁掃描焊接系統。
本實用新型設計的焊縫磁偏轉尋跡及磁掃描電子束焊接系統包括電子束焊機，電子束焊機的主要組成為電子束髮生裝置、聚焦線圈、X軸偏轉掃描線圈和Y軸偏轉掃描線圈，分別與X軸偏轉掃描線圈和Y軸偏轉掃描線圈相連接的X軸偏轉掃描電源和Y軸偏轉掃描電源。
本系統還配置有攝像裝置、顯示器、控制核心單元、電子束手動偏轉調節裝置和人機界面單元，攝像裝置位於工件上方，攝像裝置與顯示器相連接。
控制核心單元為計算機或可編程控制器，其內有與中央處理器連接的存儲模塊、計算模塊、輸入模塊、和數模轉換電壓輸出模塊。計算模塊存儲有根據圖形方程和圖形特徵點的磁偏轉勵磁電流值計算焊縫軌跡各點磁偏轉勵磁電流值的程序。控制核心單元的輸入端外接電子束手動偏轉調節裝置。控制核心單元的輸入端內連輸入模塊，輸入模塊接入中央處理器，中央處理器經數模轉換電壓輸出模塊接控制核心單元的X軸和Y軸輸出端，控制核心單元的X軸和Y軸輸出端分別接入X軸和Y軸偏轉掃描電源。
電子束手動偏轉調節裝置可為手搖脈衝發生器，手搖脈衝發生器發送的兩路脈衝信號分別作為電子束X軸和Y軸的偏轉指令輸入控制核心單元。控制核心單元的輸入模塊為脈衝計數輸入模塊。
或者，電子束手動偏轉調節裝置為手動電位器，手動電位器送出的兩路電壓信號分別作為電子束X軸和Y軸的偏轉指令輸入控制核心單元。控制核心單元的輸入模塊為模數轉換電壓輸入模塊。
在焊縫特徵點磁偏轉尋跡時控制核心單元將電子束手動偏轉調節裝置的偏轉指令，送入數模轉換電壓輸出模塊轉換成偏轉控制電壓信號，從控制核心單元的X軸和Y軸輸出端輸出。手動調節電子束手動偏轉調節裝置向控制核心單元送入不同的X軸和Y軸電子束偏轉指令，控制核心單元將X軸和Y軸偏轉控制電壓信號分別送入X軸偏轉掃描電源和Y軸偏轉掃描電源，X軸偏轉掃描電源和Y軸偏轉掃描電源將偏轉控制電壓信號放大後分別送入X軸偏轉掃描線圈和Y軸偏轉掃描線圈，使電子束偏移到焊縫特徵點上。
控制核心單元的中央處理器連接人機界面單元，人機界面單元包括焊縫特徵點磁偏轉尋跡、焊縫軌跡計算及磁掃描電子束焊接操作步驟選擇按鈕，焊接參數的設定按鍵，焊縫尋跡時焊縫基本曲線圖形的選擇按鍵，焊縫軌跡計算時各曲線段間關係類型選擇按鍵及焊縫軌跡掃描焊接過程模擬顯示窗口。
本實用新型設計的焊縫磁偏轉尋跡及磁掃描電子束焊接系統，主要操作步驟如下，工件固定於電子束焊機的工件臺上，在人機界面單元切換操作步驟。
I、工件焊縫圖形分解和特徵點數確定 工件焊縫的設計圖形是二維曲線，以線段和圓弧為基本圖形，各種二維曲線焊縫在工藝上均可用一條或多條線段和/或一條或多條圓弧組合逼近。基本圖形關聯類型有兩線段斜交、兩線段平行、兩線段垂直、兩線段與一圓弧相切、一線段與一圓弧相交、一線段與一圓弧相切、兩圓弧相交、兩圓弧相切。根據工件焊縫圖形將其分解為一段或多段相關聯的基本圖形。
由幾何學可以確定決定基本圖形的特徵點數，即兩點決定一直線、三點決定一個圓。
焊縫軌跡中某基本圖形段的特徵點數由該基本圖形段的類型和與其關聯的基本圖形段的類型及關聯類型確定，一線段的特徵點數小於或等於2，一圓弧的特徵點數小於或等於3；非封閉的焊縫軌跡，將焊縫圖形的起點和終點選為特徵點。
II、特徵點的磁偏轉尋跡 在人機界面單元上選用小擋的電子束流擋，使得落在工件上的電子束斑對工件無損傷。
調節電子束手動偏轉調節裝置使控制核心單元將大小不同的X軸和Y軸偏轉控制電壓信號送入X軸偏轉掃描電源和Y軸偏轉掃描電源，X軸偏轉掃描電源和Y軸偏轉掃描電源將X軸和Y軸電壓信號放大後得到X軸偏轉掃描線圈和Y軸偏轉掃描線圈相應的偏轉勵磁電流，分別送入X軸偏轉掃描線圈和Y軸偏轉掃描線圈。X軸偏轉掃描線圈和Y軸偏轉掃描線圈在不同的偏轉勵磁電流作用下產生X軸和Y軸上的不同強度的磁場，X軸和Y軸上的磁場作用於電子束使之產生偏轉角度，電子束斑在工件表面移動。
操作人員從顯示器中觀察攝像裝置傳送的工件表面電子束斑移動狀況，當電子束斑位於焊縫軌跡特徵點上時，在人機界面單元上進行確認，控制核心單元的中央處理器將此時控制核心單元輸出的X軸和Y軸偏轉控制電壓信號存儲於存儲模塊。
重複上述操作，順序得到工件焊縫圖形上各特徵點上使電子束磁偏轉所需的X軸和Y軸偏轉掃描線圈的磁偏轉勵磁電流對應的控制核心單元輸出的X軸和Y軸偏轉控制電壓信號並儲存。
封閉焊縫軌跡的起點和終點同為一點，可選用任意一個特徵點，為了統一計算，選用第一特徵點為起點和終點。非封閉的焊縫軌跡，將焊縫圖形的第一特徵點選為起點，最後一個特徵點作選為終點。
III、焊縫軌跡的計算 以按步驟I確定的各段基本圖形上的特徵點對應電子束磁偏轉所需的偏轉掃描線圈勵磁電流值對應的控制核心單元輸出的X軸和Y軸偏轉控制電壓信號為坐標，控制核心單元的計算模塊逐段計算各段基本圖形的坐標方程。
在一線段上步驟I確定的兩個特徵點的坐標為(x1，y1)和(x2，y2)，則該線段的方程為

在一圓弧上確定三個特徵點的坐標(x1，y1)、(x2，y2)和(x3，y3)，則該弧段的方程為(x-x0)2+(y-y0)2＝r2，其中(x0，y0)為圓心坐標，r為圓弧半徑，由(x1-x0)2+(y1-y0)2＝r2、(x2-x0)2+(y2-y0)2＝r2和(x3-x0)2+(y3-y0)2＝r2方程組求解，獲得圓心(x0，y0)和半徑r。
按步驟I確定的各段焊縫基本圖形之間的關聯類型，計算各相鄰的基本圖形的關聯點坐標，設關聯點的坐標為(xm，ym)，兩段相關聯的基本圖形方程為y＝f1(x)和y＝f2(x)，xm，ym滿足ym＝f1(xm)和ym＝f2(xm)，解該方程組就得到關聯點的坐標值xm和ym。
在人機界面單元上設定磁掃描時的步長Δl後按等長細分有限元方法由起點開始依次計算焊縫軌跡上N個有限元點上使電子束磁偏轉所需的X軸和Y軸偏轉掃描線圈的磁偏轉勵磁電流值對應的控制核心單元輸出的X軸和Y軸偏轉控制電壓信號並有序儲存於存儲模塊。計算方法如下 設起點坐標為(xt，yt)，且落在圖形方程為y＝f(x)的某圖形段內，則下一點的坐標為(xt+Δx，yt+Δy)，解方程yt+Δy＝f(xt+Δx)和Δx2+Δy2＝Δl2，求得Δx和Δy；判斷點(xt+Δx，yt+Δy)是否超越該圖形段與下一圖形段的關聯點，若未超越則按圖形方程為y＝f(x)以點(xt+Δx，yt+Δy)為新起點計算再下一點(xt+Δx+Δx1，yt+Δy+Δy1)的坐標；若已超越，那麼點(xt+Δx，yt+Δy)落在下一方程為y＝g(x)新的圖形段上，解方程yt+Δy＝g(xt+Δx)和Δx2+Δy2＝Δl2，求出Δx和Δy，再以(xt+Δx，yt+Δy)為新起點按圖形方程為y＝g(x)計算再下一點(xt+Δx+Δx1，yt+Δy+Δy1)的坐標。重複上述計算過程直至求出終點坐標，並記錄總點數N。
IV、磁掃描焊接 根據工藝要求在人機界面單元上選取正常焊接電子束流和掃描速度，焊接開始後控制核心單元的中央處理器以設定的掃描速度依次從存儲模塊調出儲存的焊縫軌跡上N個點的X軸和Y軸偏轉掃描線圈的磁偏轉勵磁電流值對應的控制核心單元輸出的X軸和Y軸偏轉控制電壓信號，經模數轉換電壓輸出模塊送到X軸和Y軸偏轉掃描電源，經其放大得到不同的X軸和Y軸偏轉電流送入X軸和Y軸偏轉掃描線圈，控制電子束的磁偏轉角度，使電子束斑沿焊縫軌跡連續移動進行磁掃描焊接。
本實用新型的焊縫磁偏轉尋跡磁掃描電子束焊接系統的優點為1、有規律地控制磁場的強度及方向，改變電子束的偏轉角度，因磁場響應時間為毫秒級，電子束可高速向任一方向移動，幾乎不受曲率半徑的限制，保證各點焊接質量一致；2、利用計算機或可編程控制器等進行編程控制，實現任意焊縫軌跡的焊接，有效地實現小曲率半徑焊縫工件電子束高速等速焊接，焊接質量穩定；3、無需配備昂貴的CNC系統控制的工作檯及其傳動系統，抽真空設備的配置也可以相應減小，設備造價低；4、本系統無需對原有的電子束焊接機做太多改動，需要配置的設施不多，易於推廣應用。

圖1為焊縫磁偏轉尋跡及磁掃描電子束焊接系統實施例1結構示意圖； 圖2為圖1中控制核心單元結構方框圖。
圖中標號如下； 1-電子束髮生裝置，2-聚焦線圈，3-偏轉掃描線圈，4-偏轉掃描電源，5-攝像裝置，6-電子束，7-工件，8-顯示器，9-電子束手動偏轉調節裝置，10-人機界面單元，11-控制核心單元。
具體實施方式
焊縫磁偏轉尋跡及磁掃描電子束焊接系統實施例1 本焊縫磁偏轉尋跡及磁掃描電子束焊接系統實施例1結構如圖1所示，包括電子束焊機，電子束焊機的主要組成為電子束髮生裝置1、聚焦線圈2、偏轉掃描線圈3，與偏轉掃描線圈3相連接的偏轉掃描電源4，本系統還配置有攝像裝置5、顯示器8、電子束手動偏轉調節裝置9、控制核心單元11和人機界面單元10。本例中的偏轉掃描線圈3包括兩個結構相同的X軸和Y軸偏轉掃描線圈，偏轉掃描電源4包括兩個結構相同的X軸和Y軸偏轉掃描電源4，分別與X軸和Y軸偏轉掃描線圈3相連接。
攝像裝置5位於工件7上方，攝像裝置5與顯示器8相連接。
本例的電子束手動偏轉調節裝置9為手搖脈衝發生器。
本例的控制核心單元11如圖2所示，為可編程控制器，其內有與中央處理器連接的存儲模塊、計算模塊、數模轉換電壓輸出模塊和輸入模塊。計算模塊存儲有根據圖形方程和圖形特徵點的磁偏轉勵磁電流值計算焊縫軌跡各點磁偏轉勵磁電流值的程序。控制核心單元11的結構方框圖如圖2所示，控制核心單元11的輸入端連接輸入模塊，本例的輸入模塊為脈衝計數輸入模塊，作為電子束手動偏轉調節裝置9的手搖脈衝發生器的兩路脈衝信號接控制核心單元11的輸入端。脈衝計數輸入模塊接入中央處理器，經數模轉換電壓輸出模塊接控制核心單元11的X軸和Y軸輸出端，控制核心單元11的X軸和Y軸輸出端分別接入X軸和Y軸偏轉掃描電源4。
控制核心單元11的中央處理器連接人機界面單元10，人機界面單元10包括焊縫特徵點磁偏轉尋跡、焊縫軌跡計算及磁掃描電子束焊接操作步驟選擇按鈕，焊接參數的設定按鍵，焊縫尋跡時焊縫基本曲線圖形的選擇按鈕，焊縫軌跡計算時各曲線段間關係類型選擇按鈕及焊縫軌跡掃描焊接過程模擬顯示窗口。
在焊縫磁偏轉尋跡時，手動調節作為電子束手動偏轉調節裝置9的手搖脈衝發生器發送兩路脈衝信號分別作為電子束X軸和Y軸的偏轉指令輸入控制核心單元11的脈衝計數輸入模塊；控制核心單元11的中央處理器將手搖脈衝發生器送來的偏轉指令，送入數模轉換電壓輸出模塊，得到X軸和Y軸的偏轉控制電壓信號，從控制核心單元11的X軸和Y軸輸出端輸出，分別送入X軸偏轉掃描電源和Y軸偏轉掃描電源4，X軸偏轉掃描電源和Y軸偏轉掃描電源4將偏轉控制電壓信號放大後分別送入X軸偏轉掃描線圈和Y軸偏轉掃描線圈3，使電子束6偏移到焊縫特徵點上。
焊縫磁偏轉尋跡及磁掃描電子束焊接系統實施例2 本例的結構與實施例1基本相同，如圖1所示，但其電子束手動偏轉調節裝置9為手動電位器，手動電位器送出的兩路電壓信號分別作為電子束X軸和Y軸的偏轉指令輸入控制核心單元11的輸入模塊。本例的控制核心單元11結構框圖如圖2所示，與實施例1基本相同，但其輸入單元為模數轉換電壓輸入模塊。
上述實施例，僅為對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本實用新型並非限定於此。凡在本實用新型的公開的範圍之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.焊縫磁偏轉尋跡及磁掃描電子束焊接系統，包括電子束焊機，電子束焊機的主要組成為電子束髮生裝置(1)、聚焦線圈(2)、X軸偏轉掃描線圈和Y軸偏轉掃描線圈(3)，分別與X軸偏轉掃描線圈和Y軸偏轉掃描線圈(3)相連接的X軸偏轉掃描電源和Y軸偏轉掃描電源(4)；其特徵在於
本系統還配置有攝像裝置(5)、顯示器(8)、控制核心單元(11)、電子束手動偏轉調節裝置(9)和人機界面單元(10)，攝像裝置(5)位於工件(7)上方，攝像裝置(5)與顯示器(8)相連接；
控制核心單元(11)為計算機或可編程控制器，其內有與中央處理器連接的存儲模塊、計算模塊、輸入模塊和數模轉換電壓輸出模塊，計算模塊存儲有根據圖形方程和圖形特徵點的磁偏轉勵磁電流值計算焊縫軌跡各點磁偏轉勵磁電流值的程序；控制核心單元(11)的輸入端連接電子束手動偏轉調節裝置(6)；控制核心單元(11)的輸入端經輸入模塊連接入中央處理器，中央處理器經數模轉換電壓輸出模塊接控制核心單元(11)的X軸和Y軸輸出端，控制核心單元(11)的X軸和Y軸輸出端分別接入X軸和Y軸偏轉掃描電源(4)。
2.根據權利要求1所述的焊縫磁偏轉尋跡及磁掃描電子束焊接系統，其特徵在於
所述電子束手動偏轉調節裝置(9)為手搖脈衝發生器，控制核心單元(11)的輸入模塊為脈衝計數輸入模塊。
3.根據權利要求1所述的焊縫磁偏轉尋跡及磁掃描電子束焊接系統，其特徵在於
所述電子束手動偏轉調節裝置(9)為手動電位器，控制核心單元(11)的輸入模塊為模數轉換電壓輸入模塊。
專利摘要本實用新型為焊縫磁偏轉尋跡及磁掃描電子束焊接系統，本系統的電子束焊機還配置有與顯示器相連接的攝像裝置，接有電子束手動偏轉調節裝置的控制核心單元。控制核心單元的電壓輸出端接入偏轉掃描電源。本焊接系統使用的主要步驟為I將焊縫圖形分解為基本圖形線段和圓弧的組合併確定特徵點數；II特徵點的磁偏轉尋跡，手動調節使電子束偏轉，當電子束斑移到焊縫特徵點上時存儲控制核心單元輸出的電壓信號；III焊縫軌跡的計算，以各特徵點的控制核心單元輸出的電壓信號為坐標，計算各基本圖形方程和關聯點坐標，計算焊縫軌跡上各有限元點所需電壓信號並有序儲存；IV控制核心單元依次輸出各點的電壓信號使電子束斑沿焊縫軌跡移動進行磁掃描焊接。
文檔編號B23K15/00GK201471078SQ200920141198
公開日2010年5月19日 申請日期2009年8月7日 優先權日2009年8月7日
發明者韋壽祺, 莫力林, 黃小東, 費翔, 陸思恆, 莫遠林, 羅達琪, 郭華豔, 馬曉東, 李文敏 申請人:桂林獅達機電技術工程有限公司