Устройство для автоматической фокусировки электронного луча Советский патент 1991 года по МПК B23K15/00 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для автоматизации технологических процессов электронно-лучевой сварки и термообработки.

Целью изобретения является повышение точности наведения и поддержании то- ка фокусировки электронного луча.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для автоматической фокусировки.

Устройство содержит последовательно соединенные датчик 1 с фильтром высокой частоты, амплитудный детектор 2, первый триггер 3, имеющий петлю гистерезиса, первый блок 4 коммутации, первый реверсивный счетчик 5, первыр цифроаналоговый преобразователь 6, а также последовательно соединенные компаратор 7, второй т риг- гер 8, второй блок 9 коммутации, второй реверсивный счетчик 10, второй цифроаналоговый преобразователь 11, блок 12 задержки, аналоговый сумматор 13, источник 14 тока, управляемый напряжением, катушку 15 фокусировки и генератор 16 тактовых импульсов. Выход датчика 1 с фильтром высокой частоты подключен к входу амплитудного детектора 2.

Аналоговый сумматор 13, источник 14 тока, управляемый напряжением, и катушка 15 фокусировки соединены последовательно. Между выходом амплитудного детектора 2 и входами сумматора введены две параллельно включенные цепи. Одна цепь состоит из последовательно включенных первого триггера 3, имеющего петлю гистерезиса, первого блока 4 коммутации, первого реверсивного счетчика 5, первого цифрбаналогового преобразователя 6, аналоговый выход которого подсоединен первому входу аналогового сумматора 13, Вторая цепь состоит из последовательно включенных- компаратора 7 напряжения, второго триггера 8, второго блока 9 коммутации, второго реверсивного счетчика 10, второго цюфроаналогового преобразователя 11, аналоговый выход которого подсоединен к второму входу аналогового сумматора 13. Между выходом амплитудного детектора 2 и вторым входом компаратора 7 включен блока 12 задержки. Один из выходов первого блока 4 коммутации подсоединен к входу второго блока 9 коммутации. Выход генератора 16 тактовых импульсов подсоединен к входам блока 12 задержки, первого 4 и второго 9 блоков коммутации,

Устройство работает следующим образом.

Фильтр высокой частоты выделяет переменную составляющую информационного сигнала в диапазоне выше 2 кГц, воспринимающего сигнал сдатчика 1, являющегося коллектором электронов. Датчик имеет форму кольца, располагается на торце электронно-оптической системы и имеет положительный потенциал относительно изделия. Используется потенциал 20 В от обычного стабилизированного источника питания, плюс которого подсоединен к коллектору, а минус через низкоомное сопротивление - на землю. Сигнал из фильтр высокой частоты снимается с сопротивления. Работа устройства одинакова для мощности луча до 9 кВт, именно в этом диапазоне проходило испытание устройства, заключающееся в сварке наклонных и горизонтальных образцов из различных сталей и алюминиевых сплавов.

Отфильтрованная переменная составляющая поступает на вход амплитудного де- гектора 2. Преобразованная амплитудным детектором высокочастотная переменная составляющая в изменяющуюся по амплитуде постоянную составляющую поступает на вход первого триггера 3, имеющего петлю гистерезиса, блок 12 задержки и компаратора 7 напряжения. В качестве первого три(гера 3 используется триггер Шмитта, имеющий петлю гистерезиса, благодаря чему он менее чувствителен к помехам и поэтому не происходит его срабатывания в

достаточном диапазоне изменения информационного сигнала.

В режиме поиска области фокусировки, когда отсутствует команда с первого триггера 3, первый блок коммутации 4, который выполнен на трехвходовом элементе И-НЕ и D-триггере, пропускает тактовые импульсы с тактового генератора 16 на счетный вход реверсивного счетчика 5 и переключа0 ет второй блок 9 коммутации, выполненный на элементах И-НЕ, в состояние ожидания. По мере счета импульсов счетчиком 5 изменяется его состояние - возрастает значение выходного сигнала в цифровом коде, Этот

5 сигнал поступает на вход первого цифроа- налогового преобразователя 6, который на своем аналоговом выходе вырабатывает квантованный, линейно возрастающий по амплитуде сигнал, непрерывно управляю0 щий током катушки фокусировки через ана- лотовый сумматор 13 и источника 14 тока, управляемый напряжением. В этом время ток фокусировки линейно возрастает от минимального значения. Такая реализация

5 сканирования тока фокусировки обеспечивает возможность простой перестройки минимальных и максимальных значений сканирования, поэтому возможно использование его для любых существующих элект0 ронно-опгических систем.

Изменяя ток фокусировки меняют удельную мощность луча в месте его взаимодействия с материалом, При достижении удельной мощности, достаточной для плав5 ления и испарения металла, появляется сигнал, регистрируемый датчиком, в результате первый триггер 3 срабатывает и подает команду в первый блок 4 коммутации, который снимает режим ожидания с

0 второго блока 9 коммутации и запрещает прохождение тактовых импульсов на вход первого счетчика Б. Счетчик 5 перестает счи тывать импульсы, цифроаналоговый преобразователь 6 на своем входе запоминает

5 установившийся цифровой код, н выходе выдает соответствующее ему аналоговое напряжение, которое, в свою очередь, пропорционально току фокусировки. Эта часть устройства незамкнутой цепи сканирования

0 тока катушки магнитной линзы реализует предварительную установку фокальной плоскости луча, находя удельную мощность, при которой существует испарение материала.

5 По сигналу с первого блока 4 коммутации вступает в работу вторая цепь устройства, в функцию которой входит уточнение и поддержание тока фокусировки на экстремальном уровне, что соответствует максимальной глубине проплавления на данном

режиме. Информационный сигнал после амплитудного детектора 2 приходит на вход блока 12 задержки и один из входов компаратора 7 напряжения. Функции блока 12 задержки выполняет аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения с циклом преобразования A t, производит квантование информационного сигнала через промежуток времени A t и задержку его на это же время. Время At выбирается меньше на один-два порядка по сравнению с изменением продетектирован- ной переменной составляющей информационного сигнала и составляет 1010 с. Таким образом, на входах компаратора 7 осущест- вляется сравнение информационного сигнала в моменты времени п At и (n-1) At, где п(N. На выходе компаратора 7 появляется сигнал, показывающий знак приращения сигнала за время A t, который управляет вторым триггером 8. Второй триггер 8 предназначен для управления работой второго блока 9 хс «мутации, который в данный момент по сигналу с первого блока 4 коммутации готов к работе и в зависимости от знака приращения информационного сигнала пропускает тактовые импульсы на прямой или обратный входы второго реверсивного счетчика 10. Цифровую информацию второго реверсивного счетчика 10 второй цифро- аналоговый преобразователь 11 преобразует в аналоговый сигнал, который управляет через аналоговый сумматор 13 и источник 14 тока током катушки 15 фокусировки. Сигналы с первого 6 и второго 11 цифроаналоговых преобразователей относятся как 10 и 1.

Таким образом, система движется к экстремуму информационного сигнала, управляя током фокусировки. Достигнув экстремума, она способна проводить сварку на установившемся токе фокусировки, отрабатывать любые изменения сигнала, меняя ток фокусировки , и производить динамическую фокусировку.

Устройство способно наводить и поддерживать ток фокусировки импульсного процесса обработки, если его работу синхронизировать частотой импульсного воздействия луча на материал. .

Устройство предна начено для использования в установках для электронно-лучевой обработки металлов в качестве источника питания фокусирующей катушки магнитной линзы. Наведение и поддержание тока фокусировки в процессе сварки производится автоматически (без помощи оператора) по сигналу обратной связи от

процесса. В качестве информационного сигнала служит проводимость плазмы над зоной обработки. Датчиком служит кольцевой коллектор, расположенный коаксиально электронному лучу над зоной обработки.

Диапазон изменения тока фокусировки в режимах наведения и поддержания определяется используемой электронно-оптической системой. Работоспособность прибора сохраняется при изменении мощности электронного луча в диапазоне 0,8-9 кВт. Стабильность тока фокусировки в режиме поддержания не хуже 0,05%. Воемя поиска тока фокусировки менее с. Возможно применение устройства в технологии электронно-лучевой сварки и термообработки различных металлов и сплавов. Прибор отличается простотой изготовления и наладки. Используемый информационный сигнал и схема построения прибора позволяют с достаточной точностью и быстротой устанавливать единую степень фокусировки при обработке партии деталей на одном режиме и производить соответствующую корректировку тока фокусировки при смене режима. Существует возможность сглаживания пульсаций в корне шва.

Использование устройства наведения и поддержания тока фокусировки электронного луча увеличивает точность наведения и поддержания тока фокусировки, а следовательно, воспроизводимость и качество сварного соединения, а также повышает быстродействие регулирования за счет получения детерминированного критерия качества, представляющего собой экстремум информационного сигнала и реализации адаптивной системы управления, гарантирующей точность управления при минимальном объеме информации по процессу, а также введения незамкнутой цепи сканирования тока фокусировки, при этом обеспечивает правильный аппаратный алгоритм работы всего устройства и может наводить и поддерживать без помощи оператора ток фокусировки как непрерывного, так и импульсного воздействия электронного луча на обрабатываемую деталь.

Формула изобретения

Устройство для автоматической фокусировки электронного луча, содержащее датчик информационного сигнала, амплитудный детектор, последовательно соединенные аналоговый сумматор, источник тока, фокусирующую катушку, отличающееся тем, что, с целью повышения точности наведения и поддержания тока фокусировки, оно снабжено фильтром высокой частоты, первым и вторым триггерами, первым и вторым блоками коммутации, блоком

задержки, компаратором, тактовым генератором, первым и вторым реверсивными счетчиками, первым и вторым цифроанало- говыми преобразователями, причем фильтр высокой частоты установлен между выходом датчика информационного сигнала и входом амплитудного детектора, выход которого соединен через последовательно соединенные первый триггер, первый блок коммутации, первый реверсивный счетчик, первый цифроаналоговый преобразователь с первым входом аналогового сумматора, а через последовательно соединенные ком0

паратор, второй триггер, второй блок коммутации, второй реверсивный счетчик, второй цифроаналоговый преобразователь - с вторым входом аналогового сумматора, выход тактового генератора соединен с вторыми входами первого и второго блоков коммутации и первым входом блока задержки, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, выход - с вторым входом компаратора, а второй выход первого блока коммутации подключен к третьему входу второго блока коммутации.

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для автоматизации электронно-лучевой сварки и термообработки. Целью изобретения является повышение точности наведения и поддержания тока фокусировки электронного луча. Устройство содержит датчик отраженных электронов, к которому подключен фильтр высокой частоты, выход которого соединен с амплитудным детектором. Между его выходом и сумматором включены две параллельные цепи. Первая состоит из последовательно включенных триггера, имеющего петлю гистерезиса, первого элемента коммутации, счетчика и первого цифроаналоювого преобразователя. Вторая цепь содержит компаратор напряжения, второй триггер, второй элемент коммутации, реверсивный счетчик, второй цифроаналоговый преобразователь, тактовый генератор и блок задержки. Выход сумматора через усилитель связан с катушкой фокусиоовки. Первая цепь выполняет функцию незамкнутого сканирования тока магнитной линзы,вторая - адаптивной поисковой самонастраивающейся системы. Изобретение позволяет повысить воспроизводимость и качество сварного соединения путем стабилизации тока фокусировки. 1 ил (Л С