專利名稱：電子束加熱溫度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電子束加熱溫度控制方法，特別是一種電子束加熱溫度上升速度及溫度閥值控制方法，用于材料加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
采用電子束作為熱源對材料進(jìn)行加工時(shí)，加熱溫度的精度控制具有重要意義，由于電子束能量密度高、在真空室中進(jìn)行掃描加熱時(shí)工件溫度變化快，工件升溫速度及瞬時(shí)溫度對束流值很敏感，因此為了提高溫度控制精度，需采用適當(dāng)?shù)目刂浦笜?biāo)來對束流進(jìn)行控制。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利名稱電子束掃描加熱溫度閉環(huán)控制方法，專利申請?zhí)?3116992.9，該專利以加熱溫度為控制指標(biāo)，根據(jù)工件溫度的檢測、束流的調(diào)節(jié)來維持工件溫度的恒定。根據(jù)該專利所提供的方法，在電子束加熱過程中將測得的溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，在實(shí)測溫度值上升到設(shè)定值以前，不改變束流值大??；當(dāng)實(shí)測溫度值上升到設(shè)定值時(shí)啟動溫度閉環(huán)控制，根據(jù)實(shí)測溫度值與設(shè)定值的比較結(jié)果，對電子束流進(jìn)行調(diào)節(jié)如果實(shí)測值大于設(shè)定值，則減小電子束流值，如果實(shí)測值小于設(shè)定值，則增大電子束流值；如果實(shí)測值與設(shè)定值相等，則保持電子束流值不變，以維持工件上檢測點(diǎn)溫度恒定。這種方法的不足在于一方面，由于電子束能量密度高，工件升溫速度及瞬時(shí)溫度對束流值很敏感，該方法要求束流值要選取地比較適當(dāng)，如果束流值選取的較大，則工件升溫速度很快，從而易造成結(jié)構(gòu)件中溫度梯度過大而使其變形、性能下降，同時(shí)由于熱慣性的原因，會使工件的溫度超出設(shè)定值較大的數(shù)值，因此使溫度控制精度降低；而如果采用的束流值較小，升溫速度就會很慢，使生產(chǎn)率降低。另一方面的不足是，對熱敏感性材料及熱敏感器件的電子束加熱，生產(chǎn)實(shí)踐有時(shí)要求其加熱過程是在某一適當(dāng)?shù)纳郎厮俣认拢郎氐皆O(shè)定值時(shí)立即切斷束流，即通過某一溫度閥值的設(shè)置，當(dāng)檢測到工件溫度已達(dá)到該閥值時(shí)，立即切斷束流。這樣的控制方法該專利也沒有提供。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對背景技術(shù)的不足和缺陷，為提高控溫精度，提供一種電子束加熱溫度上升速度及閥值控制方法，可在整個(gè)電子束加熱過程中對升溫速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使工件實(shí)際升溫速度處于所設(shè)置范圍之內(nèi)，并可在不同溫度區(qū)間采用不同升溫速度；所提出的溫度閥值控制法，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)工件溫度達(dá)到設(shè)定閥值時(shí)，立即切斷束流的功能；這兩種方法可以分別使用，也可以聯(lián)合使用。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明以溫度上升速度為控制指標(biāo)，在電子束加熱過程中測得工件的升溫速度，并與設(shè)定溫度上升速度范圍進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)電子束流值，使工件實(shí)際升溫速度處于所設(shè)置范圍之內(nèi)，即溫度上升速度控制法；或者通過溫度閥值的設(shè)置，在電子束加熱過程中對工件溫度進(jìn)行檢測，并將工件溫度測量值與所設(shè)置的溫度閥值進(jìn)行比較，當(dāng)工件溫度測量值低于所設(shè)置的溫度閥值時(shí)，則繼續(xù)輸出束流對工件加熱，當(dāng)工件溫度測量值達(dá)到所設(shè)置的閥值時(shí)計(jì)算機(jī)輸出控制指令立即切斷束流，即溫度閥值控制法；或者將上述兩種方法聯(lián)合使用，首先進(jìn)行工件溫度測量值與溫度閥值設(shè)置值的比較，如果前者低于后者，則再進(jìn)行溫度上升速度控制，如果工件溫度測量值達(dá)到溫度閥值設(shè)置值，則立即切斷束流，停止加熱過程，并停止進(jìn)行溫度上升速度控制。
以下對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，方法如下一、溫度上升速度控制法(1)設(shè)置工件的溫度上升速度范圍；(2)在電子束對工件進(jìn)行加熱過程中，通過計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行，在每次循環(huán)中，通過溫度采集裝置采集工件上的溫度信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量后輸入計(jì)算機(jī)再轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟戎?，并記錄采集時(shí)刻，根據(jù)相鄰兩次采集得到的溫度值及時(shí)間間隔計(jì)算溫度上升速度，并與設(shè)定溫度上升速度范圍進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果對束流進(jìn)行調(diào)節(jié)如果計(jì)算值比所設(shè)置的溫度上升速度范圍上限高，則減小束流，如果計(jì)算值比所設(shè)置的溫度上升速度下限低，則增大束流，如果計(jì)算值處于所設(shè)置的溫度上升速度范圍以內(nèi)，則束流保持不變。
利用本方法時(shí)，在電子束加熱過程中，如果對溫度上升速度范圍進(jìn)行了調(diào)整，則對工件升溫速度的調(diào)節(jié)根據(jù)調(diào)整后的溫度上升速度范圍進(jìn)行。因此，在不同的溫度區(qū)間，可采用不同的升溫速度，如在低溫區(qū)間，為提高生產(chǎn)率，可采用較大的升溫速度，而在高溫區(qū)間，可采用較小的升溫速度，以便提高控溫精度。
二、溫度閥值控制法(1)設(shè)置工件的溫度閥值；(2)在電子束對工件進(jìn)行加熱過程中，通過計(jì)算機(jī)程序循環(huán)運(yùn)行，在每次循環(huán)中，通過溫度采集裝置采集工件上的溫度信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量后輸入計(jì)算機(jī)再轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟戎?，將測得的溫度值與溫度閥值設(shè)定值進(jìn)行比較，如果溫度測量值低于溫度閥值設(shè)定值，則繼續(xù)輸出束流對工件加熱，如果溫度測量值達(dá)到溫度閥值設(shè)定值，則計(jì)算機(jī)輸出控制指令立即切斷束流，停止加熱過程。
利用本方法時(shí)，在電子束加熱過程中，在溫度測量值低于溫度閥值設(shè)定值時(shí)，如果對溫度閥值進(jìn)行了調(diào)整，則將測得的溫度值與調(diào)整后的溫度閥值進(jìn)行比較。因此，在工件溫度未達(dá)到所設(shè)置的溫度閥值時(shí)，溫度閥值設(shè)定值可以進(jìn)行在線調(diào)節(jié)。
三、兩種方法聯(lián)合使用(1)設(shè)置工件的溫度上升速度范圍及溫度閥值；(2)在電子束對工件進(jìn)行加熱過程中，通過計(jì)算機(jī)程序循環(huán)運(yùn)行，在每次循環(huán)中，通過溫度采集裝置采集工件上的溫度信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量后輸入計(jì)算機(jī)再轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟戎挡⒂涗洸杉瘯r(shí)刻；(3)將測得的溫度值與溫度閥值設(shè)定值進(jìn)行比較，如果溫度測量值低于溫度閥值設(shè)定值，則繼續(xù)輸出束流對工件加熱，根據(jù)相鄰兩次采集得到的溫度值及時(shí)間間隔計(jì)算溫度上升速度，并與設(shè)定范圍進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果對束流進(jìn)行調(diào)節(jié)如果計(jì)算值比所設(shè)置的溫度上升速度范圍上限高，則減小束流，如果計(jì)算值比所設(shè)置的溫度上升速度下限低，則增大束流，如果計(jì)算值處于所設(shè)置的溫度上升速度范圍以內(nèi)，則束流保持不變；如果溫度測量值達(dá)到溫度閥值設(shè)定值，則立即切斷束流，停止加熱過程。
在電子束加熱過程中，在溫度測量值低于溫度閥值設(shè)定值時(shí)，如果對溫度上升速度范圍進(jìn)行了調(diào)整，則對工件升溫速度的調(diào)節(jié)根據(jù)調(diào)整后的溫度上升速度范圍進(jìn)行；在電子束加熱過程中，在溫度測量值低于溫度閥值設(shè)定值時(shí)，如果對溫度閥值進(jìn)行了調(diào)整，則將測得的溫度值與調(diào)整后的溫度閥值進(jìn)行比較。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容，以溫度上升速度和溫度閥值控制聯(lián)合使用為例，提供以下實(shí)施例；為了適應(yīng)電子束真空中加熱、能量密度高、工件加熱速度快、溫度變化快等特點(diǎn)，本發(fā)明采用了雙色紅外測溫儀對電子束加熱過程中工件溫度進(jìn)行檢測，電子束焊機(jī)通過可編程控制器及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，運(yùn)行離線編輯好的控制軟件，借助于控制軟件完成工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與可編程控制器的通訊，實(shí)現(xiàn)電子束焊機(jī)的自動控制，包括束流的大小調(diào)節(jié)及通斷控制，并完成溫度及溫度上升速度的檢測等。
具體步驟如下(1)開啟雙色紅外測溫儀；(2)運(yùn)行上位機(jī)中的控制軟件，在軟件界面上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括加速電壓、束流、聚焦電流、溫度上升速度上限(Tvmax)、下限(Tvmin)、溫度閥值(Tmax)等；(3)開啟電子束流對工件進(jìn)行加熱；(4)在電子束加熱過程中，通過計(jì)算機(jī)程序循環(huán)運(yùn)行，在每次循環(huán)中，由雙色紅外測溫儀測得工件溫度信號，通過數(shù)據(jù)采集裝置采集及A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量后輸入計(jì)算機(jī)中再轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟戎?，并記錄采集時(shí)刻；設(shè)置四個(gè)變量Ti-1，Ti，ti-1，ti，分別用來保存相鄰兩次溫度測量值及對應(yīng)的采集時(shí)刻，下標(biāo)i-1表示前一時(shí)刻，i表示后一時(shí)刻。將Ti與Tmax比較，當(dāng)Ti＜Tmax時(shí)，計(jì)算升溫速度Tvi＝(Ti-Ti-1)/(ti-ti-1)；將Tvi與設(shè)置值Tvmax及Tvmin進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果對束流進(jìn)行調(diào)節(jié)如果Tvi＞Tvmax，表明升溫速度當(dāng)前值大于上限值，則減小束流；如果Tvi＜Tvmin，表明升溫速度當(dāng)前值小于下限值，則增大束流，如果Tvmin≤Tvi≤Tvmax，表明升溫速度處于設(shè)置范圍以內(nèi)，則束流保持不變；當(dāng)檢測到Ti達(dá)到Tmax時(shí)，立即切斷電子束流，加熱過程結(jié)束。
本發(fā)明以電子束加熱過程中工件的溫度上升速度及溫度閥值為控制指標(biāo)進(jìn)行溫度控制，為提高電子束加工的控溫精度提供了一種有效的措施，具有實(shí)質(zhì)性的特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，通過溫度上升速度的設(shè)置和控制，使工件實(shí)際升溫速度處于所設(shè)置范圍之內(nèi)，避免了已有技術(shù)由于升溫速度不可控易造成結(jié)構(gòu)件變形、性能下降或生產(chǎn)率較低等情況的發(fā)生，并使控溫精度得到顯著提高；通過溫度閥值的設(shè)置和控制，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)工件溫度達(dá)到設(shè)定閥值時(shí)，立即切斷束流的功能，使熱敏感性材料及熱敏感器件的加工有了可靠的保障。通過本發(fā)明所提出的方法，可使電子束加熱的控溫精度得到顯著提高。
權(quán)利要求
1.一種電子束加熱溫度控制方法，其特征在于，以溫度上升速度為控制指標(biāo)，在電子束加熱過程中測得工件的升溫速度，并與設(shè)定溫度上升速度范圍進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)電子束流值，使工件實(shí)際升溫速度處于所設(shè)置范圍之內(nèi)，即溫度上升速度控制法；或者通過溫度閥值的設(shè)置，在電子束加熱過程中對工件溫度進(jìn)行檢測，并將工件溫度測量值與所設(shè)置的溫度閥值進(jìn)行比較，當(dāng)工件溫度測量值低于所設(shè)置的溫度閥值時(shí)，則繼續(xù)輸出束流對工件加熱，當(dāng)工件溫度測量值達(dá)到所設(shè)置的閥值時(shí)立即切斷束流，即溫度閥值控制法；或者將上述兩種方法聯(lián)合使用，首先進(jìn)行工件溫度測量值與溫度閥值設(shè)置值的比較，如果前者低于后者，則再進(jìn)行溫度上升速度控制，如果工件溫度測量值達(dá)到溫度閥值設(shè)置值，則立即切斷束流，停止加熱過程，并停止進(jìn)行溫度上升速度控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束加熱溫度控制方法，其特征是，所述的溫度上升速度控制法，具體步驟如下(1)設(shè)置工件的溫度上升速度范圍；(2)在電子束對工件進(jìn)行加熱過程中，通過計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行，在每次循環(huán)中，通過溫度采集裝置采集工件上的溫度信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量后輸入計(jì)算機(jī)再轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟戎?，并記錄采集時(shí)刻，根據(jù)相鄰兩次采集得到的溫度值及時(shí)間間隔計(jì)算溫度上升速度，并與設(shè)定溫度上升速度范圍進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果對束流進(jìn)行調(diào)節(jié)如果計(jì)算值比所設(shè)置的溫度上升速度范圍上限高，則減小束流，如果計(jì)算值比所設(shè)置的溫度上升速度下限低，則增大束流，如果計(jì)算值處于所設(shè)置的溫度上升速度范圍以內(nèi)，則保持束流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子束加熱溫度控制方法，其特征是，使用溫度上升速度控制法時(shí)，在電子束加熱過程中，如果對溫度上升速度范圍進(jìn)行了調(diào)整，則對工件升溫速度的調(diào)節(jié)根據(jù)調(diào)整后的溫度上升速度范圍進(jìn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束加熱溫度控制方法，其特征是，所述的溫度閥值控制法，具體步驟如下(1)設(shè)置工件的溫度閥值；(2)在電子束對工件進(jìn)行加熱過程中，通過計(jì)算機(jī)程序循環(huán)運(yùn)行，在每次循環(huán)中，通過溫度采集裝置采集工件上的溫度信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量后輸入計(jì)算機(jī)再轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟戎?，將測得的溫度值與溫度閥值設(shè)定值進(jìn)行比較，如果溫度測量值低于溫度閥值設(shè)定值，則繼續(xù)輸出束流對工件加熱，如果溫度測量值達(dá)到溫度閥值設(shè)定值，則計(jì)算機(jī)輸出控制指令立即切斷束流，停止加熱過程。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的電子束加熱溫度控制方法，其特征是，使用溫度閥值控制法時(shí)，在電子束加熱過程中，在溫度測量值低于溫度閥值設(shè)定值時(shí)，如果對溫度閥值進(jìn)行了調(diào)整，則將測得的溫度值與調(diào)整后的溫度閥值進(jìn)行比較。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束加熱溫度控制方法，其特征是，所述的聯(lián)合使用溫度上升速度控制法、溫度閥值控制法，其具體步驟如下(1)設(shè)置工件的溫度上升速度范圍及溫度閥值；(2)在電子束對工件進(jìn)行加熱過程中，通過計(jì)算機(jī)程序循環(huán)運(yùn)行，在每次循環(huán)中，通過溫度采集裝置采集工件上的溫度信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量后輸入計(jì)算機(jī)再轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟戎挡⒂涗洸杉瘯r(shí)刻；(3)將測得的溫度值與溫度閥值設(shè)定值進(jìn)行比較，如果溫度測量值低于溫度閥值設(shè)定值，則繼續(xù)輸出束流對工件加熱，根據(jù)相鄰兩次采集得到的溫度值及時(shí)間間隔計(jì)算溫度上升速度，并與設(shè)定溫度上升速度范圍進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果對束流進(jìn)行調(diào)節(jié)如果計(jì)算值比所設(shè)置的溫度上升速度范圍上限高，則減小束流，如果計(jì)算值比所設(shè)置的溫度上升速度下限低，則增大束流，如果計(jì)算值處于所設(shè)置的溫度上升速度范圍以內(nèi)，則保持束流；如果溫度測量值達(dá)到溫度閥值設(shè)定值，則立即切斷束流，停止加熱過程。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的電子束加熱溫度控制方法，其特征是，聯(lián)合使用溫度上升速度控制法、溫度閥值控制法時(shí)，在電子束加熱過程中，在溫度測量值低于溫度閥值設(shè)定值時(shí)，如果對溫度上升速度范圍進(jìn)行了調(diào)整，則對工件升溫速度的調(diào)節(jié)根據(jù)調(diào)整后的溫度上升速度范圍進(jìn)行；在電子束加熱過程中，在溫度測量值低于溫度閥值設(shè)定值時(shí)，如果對溫度閥值進(jìn)行了調(diào)整，則將測得的溫度值與調(diào)整后的溫度閥值進(jìn)行比較。
全文摘要
一種電子束加熱溫度控制方法，用于材料加工領(lǐng)域。本發(fā)明以溫度上升速度為控制指標(biāo)，在電子束加熱過程中測得工件升溫速度，并與設(shè)定范圍進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)電子束流值，使工件實(shí)際升溫速度在所設(shè)置范圍之內(nèi)；或通過溫度閥值的設(shè)置，在電子束加熱過程中對工件溫度進(jìn)行檢測，并將工件溫度測量值與所設(shè)置的溫度閥值進(jìn)行比較，當(dāng)工件溫度測量值低于設(shè)置溫度閥值時(shí)，則繼續(xù)輸出束流對工件加熱，當(dāng)工件溫度測量值達(dá)到設(shè)置閥值時(shí)立即切斷束流；或聯(lián)合使用兩種方法，首先進(jìn)行工件溫度測量值與溫度閥值設(shè)置值的比較，如果前者低于后者，則再進(jìn)行溫度上升速度控制，如果工件溫度測量值達(dá)到溫度閥值設(shè)置值，則立即切斷束流，停止加熱過程，并停止進(jìn)行溫度上升速度控制。
文檔編號H05B7/148GK1582067SQ20041001847
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月20日
發(fā)明者王學(xué)東, 陳杰, 唐新華, 黃哲贇, 盧鳳桂 申請人:上海交通大學(xué), 上海航天動力機(jī)械研究所