CN112756743B - 电火花沉积堆焊接触力转位移的自动控制装置及控制方法 - Google Patents

电火花沉积堆焊接触力转位移的自动控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电火花沉积堆焊接触力转位移的自动控制装置及控制方法，其中自动控制装置主要由进给机构、浮动弹性机构、夹枪机构、焊枪及电控***等组成，将电极和工件之间的接触力转化为浮动滑台的位移，采用非接触位移传感器进行检测，实现了拉压力测量到位移测量的转变，既提高机械***的强度，又能实现微小接触力的测量；根据浮动滑台的位移确定电极与工件之间的接触力，并利用控制器和进给机构控制电极沿其轴线进行运动，实现接触力的闭环控制，浮动弹性机构的弹簧阻尼可减小电极与工件之间的振动，显著提高了沉积过程中电极与工件之间接触力自动控制的稳定性和可靠性。

Description

电火花沉积堆焊接触力转位移的自动控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及电火花沉积堆焊技术领域，具体涉及一种电火花沉积堆焊接触力转位移的自动控制装置及控制方法。
背景技术
电火花加工是一种去除材料的加工方法，电火花沉积堆焊是在电火花加工基础上发展起来的表面强化技术，可在工件材料表面上沉积和堆焊特种材料，能提高工件的硬度、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、疲劳强度和使用寿命等，还可对精密机械零部件表面的划痕、点蚀、超差等表面缺陷进行修复。
与电火花去除加工技术不同，电火花沉积堆焊技术需要电极与工件不断接触进行放电和沉积堆焊。电火花自动沉积的过程就是电极沿一定轨迹在工件表面运动，同时保证电极与工件在接触状态下不断放电沉积，逐层完成沉积层的过程。电极与工件的接触状态直接影响其放电机理和质量转移机理，从而影响其沉积层的质量和生产效率。
在电火花沉积堆焊过程中，电极与工件之间需要不断接触，当电极与工件之间的接触力不同时，电极与工件之间的接触面积也不同，接触面积的大小直接影响沉积过程中的电流密度，从而影响放电和质量转移过程，所以接触力对电极与工件接触状态的影响较大。
电火花沉积堆焊技术有很多优点，但是其主要应用在修复领域，仍未应用在批量生产中，究其原因就是电火花沉积堆焊的自动化技术尚未完善，只能人工操作完成；而人工操作不仅劳动强度大，且对接触力的控制存在较大的随机性，不具备可靠性和稳定性，不能确保沉积层的质量和生产效率；所以实现电火花沉积堆焊的自动化不仅需要控制电极与工件之间的相对运动轨迹，电极与工件之间的接触力控制也是关键。
为了获得高质量的涂层，电极与工件之间的接触力不能太大，一般在0.5N-2N左右；由于电极与工件接触表面的不平整、电极与工件之间会出现短路粘接等原因，电极与工件的相对运动时会产生较大的振动，其冲击力有时远大于其接触力，而这种微小力传感器的尺寸和刚性都比较小，常常会导致用于接触力控制的力传感器过载而失效。由于实现接触力自动控制所需机械机构的滑动部件的摩擦力都会大于电极与工件之间的接触力，造成接触力的控制精度受到影响，无法满足控制要求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的目的在于提供一种电火花沉积堆焊接触力转位移的自动控制装置及控制方法，用于解决电火花沉积堆焊过程中电极与工件之间微小接触力的精确控制和电极振动的问题，能够精确控制电极与工件之间的接触力且具有减振功能。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种电火花沉积堆焊接触力转位移的自动控制装置，包括机械***和电控***，所述机械***包括进给机构、浮动弹性机构、夹枪机构和焊枪；其中，进给机构主要由进给丝杠、进给滑台、进给底座组成；浮动弹性机构主要由上底座、光轴、直线轴承、下底座、弹簧、浮动滑台组成，上底座和下底座相互平行，两者之间通过光轴连接，浮动滑台设在上底座和下底座之间，通过直线轴承穿设在光轴上且能够沿光轴上下移动，弹簧将浮动滑台和上底座连接在一起，上底座的下表面上安装有非接触位移传感器，用于测量浮动滑台的上下位移；
所述机械***还包括调节板A、调节板B和调节板C，夹枪机构通过调节板C安装在浮动弹性机构的浮动滑台侧面，浮动弹性机构通过调节板B安装在进给机构的滑台侧面，进给机构通过调节板A安装在电火花沉积堆焊装置的相应部位，焊枪固定在夹枪机构上，焊枪上安装电极；进给机构和焊枪的轴线及安装平面垂直于水平面；当焊枪与工件之间的夹角改变时，通过转动调节板A、调节板B和调节板C进行调整，使进给机构的轴线与焊枪的轴线一直保持平行，浮动弹性机构的轴线一直保持垂直；
所述电控***包括控制器、A/D模块、位移传感器、步进电机及驱动器，位移传感器通过A/D模块连接控制器，控制器内存储有标定的接触力-位移表格数据，控制器内设有PID控制软件，控制器输出接口连接步进电机的驱动器，步进电机连接进给机构。
进一步地，焊枪与水平放置的工件之间的夹角可以进行特定角度的调整，所述特定角度包括：0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。
进一步地，在所述机械***中，忽略光轴对浮动滑台的摩擦阻力，电极与工件的接触力和浮动滑台位移之间的关系为：FNi＝k(z0-zi)，其中，z0表示t0时刻即电极工件未接触时浮动滑台的位移，zi表示ti时刻浮动滑台的位移，FNi表示ti时刻工件对电极的支撑力，即电极与工件之间的接触力，k为弹簧的弹性系数。
进一步地，在标定接触力-位移关系时，通过在工件下方设置称重传感器直接测量工件对电极的支撑力，即电极与工件之间的接触力，通过位移传感器测量获得浮动滑台的位移，由此获得接触力-位移对应数据并存储在控制器中。
使用上述的电火花沉积堆焊接触力转位移的自动控制装置的控制方法，将标定好的接触力所对应的浮动滑台位移表格数据存储在电控***的控制器中，同时设置电火花沉积过程所需自动保持的接触力；在电火花沉积过程中，控制器连续周期性的检测位移传感器的输入，并根据接触力-位移对应数据将位移数据转化为接触力，然后与设定的接触力值进行比较，其差值通过控制器内部的PID控制软件产生输出信号，由驱动器控制步进电机的转动，通过进给机构带动焊枪和电极沿其轴线移动，此时与工件接触的电极推动浮动滑台产生相应的移动，使得电极与工件之间的接触力产生相应的变化，从而实现接触力的自动闭环控制。
有益效果：
1、本发明在电火花沉积堆焊的进给机构和焊枪之间设置了浮动弹性机构，巧妙地将电极与工件之间的接触力转化为浮动滑台的位移，采用非接触位移传感器检测浮动滑台的位移，实现了拉压力测量到位移测量的转变，通过标定后可根据浮动滑台的位移确定电极与工件之间的接触力，并利用控制器和进给机构控制电极沿其轴线进行运动，实现了接触力的闭环控制。
2、本发明没有采用力传感器而是采用非接触位移传感器来测量接触力，既提高机械***的强度，又能实现微小接触力的测量，显著提高了电极与工件之间接触力自动控制装置的可靠性。
3、本发明的浮动弹性机构采用滚珠直线轴承和光轴配合，具有较小的摩擦系数；浮动弹性机构的光轴一直处于垂直状态，浮动滑台与光轴之间的正压力也很小，使浮动滑台与光轴之间的摩擦力达到很小，从而确保电极与工件之间微小接触力的自动控制，接触力的控制精度可达到0.5N。
4、本发明的浮动弹性机构具有减振功能，其弹簧阻尼可减小电极与工件之间的振动，提高沉积过程的稳定性。
5、本发明可有级调节电极与工件之间的夹角。调整夹角时，浮动弹性机构的光轴始终处于垂直状态，进给机构的轴线始终与焊枪和电极的轴线平行。当电极损耗时，控制器和进给机构带动焊枪沿焊枪的轴线向前移动，不仅可保持接触力稳定，还使电极与工件的接触位置保持不变，确保了自动沉积过程中电极运动位置的控制精度。
附图说明
图1是本发明的整体原理图；
图2是焊枪与工件未接触时浮动弹性机构受力图；
图3是本发明接触力--位移标定时浮动弹性机构受力图；
图4是本发明接触力闭环控制原理图；
图5是本发明具体实施例机械部分原理图；
图6是本发明具体实施例在焊枪垂直工件时的主视图。
附图标记：1、进给机构，2、调节板A，3、调节板B，4、弹簧，5、上底座，6、位移传感器，7、夹枪机构，8、调节板C，9、浮动滑台，10、下底座，11、焊枪，12、电机，13、工件，14、光轴、15、直线轴承，16、电控***，17、步进电机，18、称重传感器，19、立柱，20、底座，21、X轴滑台，22、Y轴滑台，23、Z轴滑台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，一种电火花沉积堆焊接触力转位移的自动控制装置，主要由机械***和电控***16组成，其中，机械***包括进给机构1、浮动弹性机构、夹枪机构7和焊枪11；所述进给机构1主要由进给丝杠、进给滑台、进给底座组成，进给丝杠设置在进给底座上，通过进给丝杠的转动驱动进给滑台移动；浮动弹性机构主要由上底座5、光轴14、直线轴承15、下底座10、弹簧4、浮动滑台9组成，上底座5和下底座10相互平行，两者之间通过左、右两个光轴14连接(本发明中的光轴指表面光滑的轴)，浮动滑台9设在上底座5和下底座10之间，通过直线轴承15穿设在光轴14上且能够沿光轴14上下移动，弹簧4将浮动滑台9和上底座5连接在一起，上底座5的下表面上安装有非接触位移传感器6，用于测量浮动滑台9的上下位移。
所述机械***还包括调节板A2、调节板B3和调节板C8，调节板A2、调节板B3、调节板C8均垂直设置，其中，夹枪机构7通过调节板C8安装在浮动弹性机构的浮动滑台9侧面，通过转动调节板C8可调节夹枪机构7的角度；浮动弹性机构通过调节板B3安装在进给机构1的进给滑台侧面，转动调节板B3可调节浮动弹性机构的角度，进给机构1通过调节板A2安装在电火花沉积堆焊装置的相应部位，转动调节板A2可调节进给机构1的角度；焊枪11固定在夹枪机构7上，焊枪11上安装电极12，焊枪11与水平放置的工件13之间的夹角可以进行特定角度的调整，所述特定角度包括：0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。
进给机构1和焊枪11的轴线及安装平面均垂直于水平面，当焊枪11与工件13之间的夹角改变时，通过转动调节板A2、调节板B3和调节板C8进行调整，使进给机构1的轴线与焊枪11的轴线一直保持平行，且浮动弹性机构的光轴14一直保持垂直。
电控***16主要由控制器、A/D模块、位移传感器6、步进电机17及其驱动器组成，位移传感器6通过A/D模块连接控制器，控制器内存储有标定的接触力-位移表格数据，控制器内设有PID控制软件，控制器输出接口连接步进电机17的驱动器，步进电机17连接进给机构1，驱动进给丝杠带动进给滑台进行移动，控制器还与上位机通信连接。
图2是本发明中电极12与工件13未接触时浮动弹性机构的受力图，在t0时刻，焊枪11上的电极12与工件13未接触，在重力作用下，焊枪11和浮动滑台9会向下移动，当弹簧4的弹力、浮动滑台9与两个光轴14之间的摩擦力、焊枪11和浮动滑台9等的重力达到平衡时，其受力平衡公式为：
G＝Fp0+FfL0+FfR0＝kΔx0+FfL0+FfR0 (1)
式(1)中：G是焊枪和浮动滑台等浮动部件的重力，Fp0是t0时刻弹簧对浮动滑台的拉力，FfL0是t0时刻左侧光轴对浮动滑台的摩擦阻力，FfR0是t0时刻右侧光轴对浮动滑台的摩擦阻力，k为弹簧的弹性系数，Δx0是t0时刻弹簧的伸长量。
此时弹簧受拉时的长度为x0，而位移传感器检测到浮动滑台的位移为z0。
图3是本发明接触力--位移标定时浮动部件受力图；在ti时刻，焊枪11上的电极12与工件13接触，电极12与工件13的接触力就是工件13对电极12向上的支撑力，此时达到受力平衡的公式为：
G＝FNi+Fpi+FfLi+FfRi＝FNi+kΔxi+FfLi+FfRi (2)
式(2)中：FNi是ti时刻工件对电极的支撑力，Fpi是ti时刻弹簧对浮动滑台的拉力，FfLi是ti时刻左侧光轴对浮动滑台的摩擦阻力，FfRi是ti时刻右侧光轴对浮动滑台的摩擦阻力，Δxi是ti时刻弹簧的伸长量。
此时弹簧受拉时的长度为xi，而位移传感器检测到浮动滑台的位移为zi。
将式(1)减去式(2)可得：
FNi＝k(Δx0-Δxi)+(FfL0+FfR0)-(FfLi+FfRi) (3)
＝k(x0-xi)+(FfL0+FfR0)-(FfLi+FfRi)
＝k(z0-zi)+(FfL0+FfR0)-(FfLi+FfRi)
本发明的浮动弹性机构浮动滑台9与光轴14之间采用滚珠直线轴承，其与光轴14之间的摩擦系数较小，约为0.002-0.003；考虑到装配问题，两个光轴14对浮动滑台9的摩擦系数约为0.01；由于浮动弹性机构的光轴14是垂直布置，直线轴承15与光轴14之间的正压力也很小(小于10N)，所以，两个光轴14对浮动滑台9的摩擦阻力不大于0.1N，可以忽略不计，则式(3)可简化为：
FNi＝k(z0-zi) (4)
即工件13对电极12的支撑力FNi取决于浮动滑台9的位移zi，工件13与电极12之间的接触力与浮动滑台9的位移一一对应。
如图3，标定时，在电极12与工件13接触位置的工件13下方安装称重传感器18，直接测量工件13对电极12的支撑力，即电极12与工件13之间的接触力，同时位移传感器6测量浮动滑台9的位移，可获得接触力与浮动滑台9位移之间的对应关系，如下表1所示。
表1不同接触力所对应的浮动滑台9位移
Figure BDA0002940731680000071
图4是本发明接触力闭环控制原理图，使用本发明的自动控制装置对电火花沉积堆焊过程中的接触力进行自动控制方法为：将标定好的接触力所对应的浮动滑台位移表格数据存储在控制器中，同时设置电火花沉积过程所需自动保持的接触力。在电火花沉积过程中，控制器连续周期性的检测位移传感器的输入，根据接触力-位移对应表格数据将位移转化为接触力，然后与设定的接触力值进行比较，其差值通过PID控制软件产生输出信号，由驱动器控制步进电机的转动，通过进给机构带动焊枪和电极沿其轴线移动，此时，与电极接触的工件通过电极推动弹性滑台产生相应的移动，导致电极与工件之间的接触力产生相应的变化，由此实现接触力的自动闭环控制。
例如：控制器通过非接触位移传感器实时获得浮动滑台位移，通过接触力-位移对应关系即可获得电极与工件之间的接触力。在进行电火花沉积堆焊过程中，随着电极的损耗或工件表面出现下降等原因造成浮动滑台下移，使得接触力减小而小于设定值时，控制器产生输出信号通过驱动器和步进电机带动进给机构的进给滑台及安装在上面的浮动弹性机构和焊枪沿进给机构和焊枪的轴线向前移动，这会导致浮动滑台上移而减小浮动滑台的位移，即增大电极与工件的接触力以达到设定的接触力值，实现了接触力的自动闭环控制。
图5是本发明具体实施例的机械部分原理图，其中，图5(b)为图5(a)的右视图，该实施例包括三维数控装置和电火花沉积堆焊接触力转位移的自动控制装置，其中，三维数控装置主要由X轴滑台21、Y轴滑台22、Z轴滑台23、立柱19、底座20和数控***等组成，工件13安装在X轴滑台21和Y轴滑台22组成的XY轴十字滑台上，本发明的电火花沉积堆焊接触力转位移的自动控制装置通过调节板A2安装在三维数控装置的Z轴滑台23上；在电火花沉积堆焊电源上设定好沉积的电参数，三维数控装置负责控制电火花自动沉积堆焊过程中电火花放电的启动和停止、电极12相对工件13表面的运动轨迹，本发明的自动控制装置负责控制自动沉积过程中电极12与工件13之间的接触力。
其中，位移传感器6选择欧姆龙Z4W-V25型激光位移传感器，测量精度可达10μm，通过传感器支架将非接触位移传感器安装在浮动弹性机构的上底座5上，可对弹性滑台的位移实现非接触测量；选择精度达0.001g的电子秤测量电极12与工件13之间的支撑力，对接触力与浮动滑台9位移之间的对应关系进行标定，获得不同接触力所对应的浮动滑台9位移表格数据。
进给机构1选择上银KK50型丝杠滑台模组，步进电机17选择雷赛42CM08型步进电机，其驱动器选择雷赛DM422S型驱动器；控制器选择国产LK-32MT型PLC，该PLC具有10路AD输入，可连接位移传感器6的输出，获取浮动滑台9的位移数据；该PLC具有4路高速输出，可输出脉冲信号连接到步进电机17驱动器的输入，从而控制进给机构1步进电机17的转动。
在三维数控***的控制下，Z轴滑台23控制焊枪11下移，使电极12与工件13表面接触，开启电火花放电脉冲，XY轴十字滑台控制工件13相对电极12作平面直线或曲线运动，逐点逐线逐层沉淀堆焊形成沉积层，从而实现电火花自动沉积堆焊。在电火花自动沉积过程中，当电极12出现消耗或工件13表面不平整导致接触力发生变化时，本发明装置可控制电极12自动进给，同时自动控制电极12与工件13之间的接触力一直保持为设定值，具体控制过程参见图4，图6为焊枪11垂直工件13时的主视图，即焊枪11与水平放置的工件13之间的夹角为90°。
本发明的自动控制装置是一个可独立工作的***，实际使用时，除了安装在三维数控装置上外，还可以安装在其他机械装置(如机器人)上。
本发明采用浮动弹性机构，电极与工件之间的接触力的变化与浮动滑台的位移变化一一对应，通过测量浮动滑台的位移来间接测量接触力，通过进给机构控制浮动弹性机构运动来调整电极与工件之间的接触力，从而实现接触力的闭环控制，实现电极与工件之间微小接触力(0.5N-2N)的精确控制，同时浮动弹性机构能够对电极的振动起到阻尼减振作用，进给机构对电极消耗后接触力的变化进行补偿，保证接触力稳定和沉积位置不变，从而保证电火花自动沉积的质量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种电火花沉积堆焊接触力转位移的自动控制装置，包括机械***和电控***，其特征在于，所述机械***包括进给机构、浮动弹性机构、夹枪机构和焊枪；其中，进给机构主要由进给丝杠、进给滑台、进给底座组成；浮动弹性机构主要由上底座、光轴、直线轴承、下底座、弹簧、浮动滑台组成，上底座和下底座相互平行，两者之间通过光轴连接，浮动滑台设在上底座和下底座之间，所述浮动滑台通过直线轴承穿设在光轴上且能够沿光轴上下移动，弹簧将浮动滑台和上底座连接在一起，上底座的下表面上安装有非接触位移传感器，用于测量浮动滑台的上下位移；
所述机械***还包括调节板A、调节板B和调节板C，夹枪机构通过调节板C安装在浮动弹性机构的浮动滑台侧面，浮动弹性机构通过调节板B安装在进给机构的进给滑台侧面，进给机构通过调节板A安装在电火花沉积堆焊装置的相应部位，焊枪固定在夹枪机构上，焊枪上安装电极；当焊枪与工件之间的夹角改变时，通过转动调节板A、调节板B和调节板C进行调整，使进给机构的轴线与焊枪的轴线一直保持平行，浮动弹性机构的轴线一直保持垂直；
在所述机械***中，忽略光轴对浮动滑台的摩擦阻力，电极与工件的接触力和浮动滑台位移之间的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中， z0表示t0时刻即电极工件未接触时浮动滑台的位移，zi表示ti时刻浮动滑台的位移，F Ni表示ti时刻工件对电极的支撑力，即电极与工件之间的接触力，k为弹簧的弹性系数；
在标定接触力-位移关系时，通过在工件下方设置称重传感器直接测量工件对电极的支撑力，即电极与工件之间的接触力，通过位移传感器测量获得浮动滑台的位移，由此获得接触力-位移对应数据并存储在控制器中；
所述电控***包括控制器、A/D模块、位移传感器、步进电机及驱动器，位移传感器通过A/D模块连接控制器，控制器内存储有标定的接触力-位移表格数据，控制器内设有PID控制软件，控制器输出接口连接步进电机的驱动器，步进电机连接进给机构。
2.如权利要求1所述的一种电火花沉积堆焊接触力转位移的自动控制装置，其特征在于，焊枪与水平放置的工件之间的夹角可以进行特定角度的调整，所述特定角度包括：0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。
3.如权利要求1所述的一种电火花沉积堆焊接触力转位移的自动控制装置的控制方法，其特征在于：将标定好的接触力所对应的浮动滑台位移表格数据存储在电控***的控制器中，同时设置电火花沉积过程所需自动保持的接触力；在电火花沉积过程中，控制器连续周期性的检测位移传感器的输入，并根据接触力-位移对应数据将位移数据转化为接触力，然后与设定的接触力值进行比较，其差值通过控制器内部的PID控制软件产生输出信号，由驱动器控制步进电机的转动，通过进给机构带动焊枪和电极沿其轴线移动，此时与工件接触的电极推动浮动滑台产生相应的移动，使得电极与工件之间的接触力产生相应的变化，从而实现接触力的自动闭环控制。
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