устройство для микродугового оксидирования металлов и их сплавов

Формула изобретения

Устройство для микродугового оксидирования металлов и их сплавов, содержащее источник питания, соединенный со вторичным источником питания, ванну для электролита, корпус которой соединен через последовательно соединенные датчик напряжения и датчик тока с оксидируемой деталью, управляющую машину на базе персонального компьютера, повышающий трансформатор, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит тиристорный преобразователь напряжения, систему импульсно-фазового управления, блок драйверов, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, пульт ручного управления, микроконтроллер, пульт дистанционного управления, последовательно соединенные первый выпрямитель, первый фильтр, первый импульсный преобразователь напряжения и переключатель режимов работы, а также последовательно соединенные второй выпрямитель, второй фильтр и второй импульсный преобразователь напряжения, причем первый выход повышающего трансформатора соединен со входом первого выпрямителя, второй его выход - со входом второго выпрямителя, а вход повышающего трансформатора - с выходом тиристорного преобразователя напряжения, первый вход которого соединен с источником питания, а второй вход - с выходом системы импульсно-фазового управления, третий вход которой соединен с первым выходом микроконтроллера, второй вход - с выходом пульта ручного управления, а первый вход - с первым выходом вторичного источника питания, второй выход которого соединен с первым входом блока драйверов, а третий выход - с первым входом пульта дистанционного управления, второй вход которого соединен с управляющей машиной на базе персонального компьютера, а выход - с третьим входом микроконтроллера, второй выход которого соединен со вторым входом блока драйверов, первый выход которого соединен со вторым входом первого импульсного преобразователя напряжения, а второй - со вторым входом второго импульсного преобразователя напряжения, выход которого соединен со вторым входом переключателя режимов работы, третий вход которого соединен с третьим выходом блока драйверов, первый выход соединен с датчиком тока, а второй - с корпусом ванны для электролита, вход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с датчиком напряжения, а выход - с первым входом микроконтроллера, второй вход которого соединен с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с датчиком тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к оборудованию для электролитической обработки поверхности металлов и их сплавов, и может быть использовано в машиностроении, авиационной, космической, военной, химической, ювелирной, радиоэлектронной промышленности, медицине, в ремонтном производстве для повышения коррозионной и износостойкости, теплостойкости, получения электроизоляционных и декоративных покрытий, упрочнения и восстановления деталей металлопокрытиями.

Известно «Устройство для микродугового оксидирования металлов и их сплавов» (патент RU № 2248416 С1, МПК 7 C25D 21/12, C25D 11/02. 2005), содержащее два блока конденсаторов, первые обкладки которых подсоединены к первой клемме источника питания, два управляемых ключа, первые выводы каждого из которых соединены со вторыми обкладками соответственно первого и второго блоков конденсаторов, две ванны с электролитом, одна из которых токоподводом детали, а другая корпусом соединены со вторыми выводами соответственно первого и второго ключей, а токоподвод детали второй ванны подсоединен ко второй клемме источника питания, и схему управления, нагруженную на управляемые ключи, третий блок конденсаторов и два управляемых ключа, первые выводы которых соединены между собой и с одной из обкладок третьего блока конденсаторов, а вторые соответственно - с токоподводом детали первой и корпусом второй ванн, при этом вторые обкладки третьего блока конденсаторов и корпус первой ванны подсоединены соответственно к первой и второй клеммам источника питания.

Недостатком известного устройства является жесткая зависимость частоты следования импульсов напряжения, подаваемого на оксидируемую деталь, и частоты смены режимов от частоты напряжения питающей сети.

Недостаток вызван тем, что устройство напрямую подключается к питающей сети, из-за чего на оксидируемую деталь подаются импульсы напряжения с частотой, равной частоте напряжения питающей сети.

Известно «Устройство для микродугового оксидирования металлов и их сплавов» (патент RU № 2083731 С1, МПК 6 C25D 11/02, C25D 21/00. 1994), содержащее две клеммы для подключения к сети электропитания, ванну для электролита, корпус которой подсоединен к первой клемме, токоподвод для оксидируемой детали, первый и второй блоки конденсаторов, первый и второй вентили, блок циклирования режимов, а также снабженное несколькими анодными и катодными силовыми модулями и системой управления, входы которой соединены с выходами блока циклирования режимов, при этом каждый силовой модуль состоит из блока конденсаторов, вентиля и двух тиристоров, при этом первая обкладка первого блока конденсаторов подключена к катоду первого тиристора и аноду первого вентиля, первая обкладка второго блока конденсаторов - к аноду второго тиристора и катоду второго вентиля, катод третьего тиристора соединен со второй обкладкой первого блока конденсаторов, анод четвертого тиристора соединен со второй обкладкой первого блока конденсаторов, первый вентиль, первый тиристор, первый блок конденсаторов и третий тиристор образуют катодный силовой модуль, в котором катод первого вентиля является первым контактом, анод первого тиристора - вторым контактом, управляющий электрод первого тиристора - третьим контактом, анод третьего тиристора - четвертым контактом, управляющий электрод третьего тиристора - пятым контактом, катод третьего тиристора - шестым контактом, второй вентиль, второй тиристор, второй блок конденсаторов и четвертый тиристор образуют анодный силовой модуль, в котором анод второго вентиля является первым контактом, катод второго тиристора - вторым контактом, управляющий электрод второго тиристора - третьим контактом, катод четвертого тиристора - четвертым контактом, управляющий электрод четвертого тиристора - пятым контактом, анод четвертого тиристора - шестым контактом, анодные силовые модули образуют анодную группу, катодные силовые модули образуют катодную группу, при этом в каждой группе шестой контакт предыдущего начиная с первого модуля соединен со вторым контактом следующего за ним модуля, кроме последнего в группе модуля, шестой контакт которого соединен с первой клеммой, вторые контакты первых модулей соединены с токоподводом для оксидируемой детали, первые контакты всех модулей соединены со второй клеммой, четвертые контакты - с первой клеммой, третьи контакты катодной группы соединены с первым выходом системы управления, пятые контакты - со вторым выходом, третьи контакты анодной группы - с третьим выходом, пятые контакты - с четвертым выходом.

Недостатками известного устройства являются необходимость аппаратного вмешательства для регулирования в широких пределах напряжения, подаваемого на оксидируемую деталь, жесткая зависимость частоты следования импульсов напряжения, подаваемого на оксидируемую деталь, и частоты смены режимов от частоты напряжения питающей сети.

Недостатки вызваны особенностью конструкции устройства, а именно блочной аппаратной схемой организации анодного и катодного силовых модулей, из-за чего изменение амплитудных значений напряжения, подаваемого на оксидируемую деталь, требует изменения числа силовых модулей, устройство напрямую подключается к питающей сети, из-за чего на оксидируемую деталь подаются импульсы напряжения с частотой, равной частоте напряжения питающей сети.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является «Устройство для микродугового оксидирования металлов и их сплавов» (патент RU № 2181392 С1, МПК 7 C25D 11/00, C25D 11/02. 2002), содержащее источник питания с двумя клеммами, ванну для электролита, корпус которой соединен с первой клеммой источника питания, два вентиля, токоподвод для оксидируемой детали, соединенной со второй клеммой источника питания, а также снабженное управляющей машиной на базе персонального компьютера с периферийными цифроаналоговыми устройствами, а источник питания содержит два повышающих трансформатора, дополнительный вентиль, микроконтроллер управления вентилями, датчик тока, датчик напряжения и датчик импульсов, вторичный источник питания, причем первая клемма источника питания заземлена и соединена через датчик импульсов с двумя повышающими трансформаторами, а вторая клемма источника питания соединена через датчик тока, три управляемых вентиля с двумя повышающими трансформаторами, и, кроме того, датчик напряжения установлен между токоподводом к заземленному корпусу ванны для электролита и токоподводом к детали, микроконтроллер управления соединен со вторичным источником питания и управляющей машиной, а также вентилями и датчиками тока, напряжения и импульсов.

Недостатками известного устройства являются ограниченный диапазон частот следования импульсов напряжения, подаваемого на оксидируемую деталь, жесткая зависимость частоты следования импульсов напряжения, подаваемого на оксидируемую деталь, и частоты смены режимов от частоты напряжения питающей сети.

Недостатки вызваны тем, что устройство напрямую подключается к питающей сети, из-за чего на оксидируемую деталь подаются импульсы напряжения с частотой, равной частоте напряжения питающей сети. Формирование анодного и катодного напряжения осуществляется одним силовым блоком, поэтому при быстрой смене режимов амплитуда напряжения равна сумме амплитуд анодного и катодного напряжения, что обуславливает большие знакопеременные кратковременные нагрузки.

Основной задачей, на решение которой направлен заявляемый объект «Устройство для микродугового оксидирования металлов и их сплавов», является реализация независимости частоты следования импульсов напряжения, подаваемого на оксидируемую деталь, и частоты смены режимов от частоты напряжения питающей сети, независимое формирование анодного и катодного напряжений.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого изобретения, является расширение номенклатуры обрабатываемых материалов, универсализация процессов обработки для различных металлов и их сплавов, например алюминия, магния, титана, железоуглеродистых сплавов и др.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для микродугового оксидирования металлов и их сплавов, содержащее источник питания, соединенный со вторичным источником питания, ванну для электролита, корпус которой соединен через последовательно соединенные датчик напряжения и датчик тока с оксидируемой деталью, управляющую машину на базе персонального компьютера, повышающий трансформатор, дополнительно введены тиристорный преобразователь напряжения, система импульсно-фазового управления, блок драйверов, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, пульт ручного управления, микроконтроллер, пульт дистанционного управления, последовательно соединенные первый выпрямитель, первый фильтр, первый импульсный преобразователь напряжения и переключатель режимов работы, а также последовательно соединенные второй выпрямитель, второй фильтр и второй импульсный преобразователь напряжения, причем первый выход повышающего трансформатора соединен с входом первого выпрямителя, второй его выход - со входом второго выпрямителя, а вход повышающего трансформатора - с выходом тиристорного преобразователя напряжения, первый вход которого соединен с источником питания, а второй вход - с выходом системы импульсно-фазового управления, третий вход которой соединен с первым выходом микроконтроллера, второй вход - с выходом пульта ручного управления, а первый вход - с первым выходом вторичного источника питания, второй выход которого соединен с первым входом блока драйверов, а третий выход - с первым входом пульта дистанционного управления, второй вход которого соединен с управляющей машиной на базе персонального компьютера, а выход - с третьим входом микроконтроллера, второй выход которого соединен со вторым входом блока драйверов, первый выход которого соединен со вторым входом первого импульсного преобразователя напряжения, а второй - со вторым входом второго импульсного преобразователя напряжения, выход которого соединен со вторым входом переключателя режимов работы, третий вход которого соединен с третьим выходом блока драйверов, первый выход которого соединен с датчиком тока, а второй - с корпусом ванны для электролита, вход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с датчиком напряжения, а выход - с первым входом микроконтроллера, второй вход которого соединен с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с датчиком тока. Введение новых блоков и связей позволяет регулировать частоту следования анодных и катодных импульсов независимо от частоты питающей сети, что приводит к расширению номенклатуры обрабатываемых деталей.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного объекта «Устройство для микродугового оксидирования металлов и их сплавов», отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, и изобретение основано на:

- дополнении известного устройства-аналога какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именного этого дополнения;

- замене какой-либо части устройства аналога другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно этого дополнения;

- исключение какой-либо части устройства-аналога с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением обычного для такого исключения результата;

- увеличении количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в устройстве именно таких элементов;

- выполнении известного устройства-аналога или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами материала;

- создание устройства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого устройства и связей между ними;

- изменении количественного признака (признаков) устройства и предоставлении таких признаков во взаимосвязи либо изменение вида взаимосвязи, если известен факт влияния каждого из них на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, следовательно, заявленное изобретение соответствует «изобретательскому уровню».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема устройства, на фиг.2 приведены временные диаграммы формирования напряжения, подаваемого на оксидируемую деталь, и введены следующие обозначения:

1 - источник питания,

2 - тиристорный преобразователь напряжения,

3 - повышающий трансформатор,

4 - первый выпрямитель,

5 - первый фильтр,

6 - первый импульсный преобразователь напряжения,

7 - второй выпрямитель,

8 - второй фильтр,

9 - второй импульсный преобразователь напряжения,

10 - переключатель режимов работы,

11 - датчик тока,

12 - датчик напряжения,

13 - ванна для электролита,

14 - электролит,

15 - оксидируемая деталь,

16 - система импульсно-фазового управления,

17 - блок драйверов,

18 - первый аналого-цифровой преобразователь,

19 - второй аналого-цифровой преобразователь,

20 - вторичный источник питания,

21 - пульт ручного управления,

22 - микроконтроллер,

23 - пульт дистанционного управления,

24 - управляющая машина на базе персонального компьютера,

U₁ - фазовые напряжения первого управляемого выпрямителя,

U₂ - фазовые напряжения второго управляемого выпрямителя,

U_map - амплитудное напряжение анодного режима,

U _mкр - амплитудное напряжение катодного режима,

U_ИП1 - напряжение на выходе первого импульсного преобразователя,

U_ИП2 - напряжение на выходе второго импульсного преобразователя,

Т_А - длительность анодного режима,

Т_К - длительность катодного режима,

Т_П - длительность паузы.

Устройство для микродугового оксидирования металлов и их сплавов содержит последовательно соединенные источник питания 1, тиристорный преобразователь напряжения 2, повышающий трансформатор 3, первый выпрямитель 4, первый фильтр 5 и первый импульсный преобразователь напряжения 6. Второй выход повышающего трансформатора 3 подключен к последовательно соединенным второму выпрямителю 7, второму фильтру 8, второму импульсному преобразователю напряжения 9 и переключателю режимов работы 10, первый вход которого соединен с выходом первого импульсного преобразователя напряжения 6, первый выход - с датчиком тока 11 и датчиком напряжения 12, а второй - с ванной 13 для электролита 14 и датчиком напряжения 12. В электролит 14 помещена оксидируемая деталь 15, соединенная с датчиком тока 11. Выход системы импульсно-фазового управления 16 соединен со входом тиристорного преобразователя напряжения 2. Первый выход блока драйверов 17 соединен со вторым входом первого импульсного преобразователя напряжения 6, второй выход - со вторым входом второго импульсного преобразователя 9, а третий выход - с третьим входом переключателя режимов работы 10. Вход первого аналого-цифрового преобразователя 18 соединен с выходом датчика напряжения 12, вход второго аналого-цифрового преобразователя 19 - с выходом датчика тока 11. Второй выход вторичного источника питания 20 соединен с первым входом блока драйверов 17, первый выход - с первым входом системы импульсно-фазового управления 16, второй вход которой соединен с выходом пульта ручного управления 21, а третий - с первым выходом микроконтроллера 22, второй выход которого соединен со вторым входом блока драйверов 17, первый вход - с выходом первого аналого-цифрового преобразователя 18, второй вход - с выходом второго аналого-цифрового преобразователя 19, а третий вход - с выходом пульта дистанционного управления 23, первый вход которого соединен с третьим выходом вторичного источника питания 20, а второй вход - с выходом управляющей машины на базе персонального компьютера 24.

В качестве источника питания 1 выступает промышленная сеть.

Первый и второй импульсные преобразователи напряжения 6 и 9 представляют из себя транзисторные ключи [1].

Переключатель режимов работы 10 собран по схеме инвертор напряжения [2].

Система импульсно-фазового управления 16 [3].

Блок драйверов 17 - это завершенные модули управления транзисторами первого и второго импульсных преобразователей напряжения 6 и 9 и переключателя режимов работы 10 [4].

Первый и второй аналого-цифровые преобразователи 18 и 19 [5].

Вторичный источник питания [6].

Микроконтроллер представляет из себя программируемый микрочип.

Устройство работает следующим образом.

Управляющая машина на базе персонального компьютера 24 вырабатывает управляющий сигнал и подает его через пульт дистанционного управления 23 на третий вход микроконтроллера 22, который в свою очередь формирует управляющие сигналы, подаваемые на третий вход системы импульсно-фазового управления 16 и второй вход блока драйверов 17. Пульт ручного управления 21 подает управляющие сигналы на второй вход системы импульсно-фазового управления. Тиристорный преобразователь напряжения 2 изменяет амплитуду напряжения, полученного от источника питания 1, в соответствии с управляющим сигналом от системы импульсно-фазового управления 16 и передает измененное напряжение повышающему трансформатору 3. Вторичный источник питания 20 обеспечивает энергией систему импульсно-фазового управления 16, блок драйверов 17 и пульт дистанционного управления 23 от источника питания 1. Первый выпрямитель 4 преобразует переменное трехфазное напряжение, поступающее с первого выхода повышающего трансформатора 3, в пульсирующее выпрямленное анодное напряжение и передает его на вход первого фильтра 5, который сглаживает пульсации выпрямленного анодного напряжения и через выход подает выпрямленное анодное напряжение без пульсаций на первый вход первого импульсного преобразователя напряжения 6, который преобразует его в прямоугольные импульсы анодного напряжения, частота и скважность которых регулируется управляющим сигналом, поступающим на второй вход с первого выхода блока драйверов 17. Второй выпрямитель 7 преобразует переменное трехфазное напряжение, поступающее со второго выхода повышающего трансформатора 3, в пульсирующее выпрямленное катодное напряжение и передает его на вход второго фильтра 8, который сглаживает пульсации выпрямленного катодного напряжения и через выход подает выпрямленное катодное напряжение без пульсаций на первый вход второго импульсного преобразователя напряжения 9, который преобразует его в прямоугольные импульсы катодного напряжения, частота и скважность которых регулируется управляющим сигналом, поступающим на второй вход со второго выхода блока драйверов 17. Таким образом, на первый и второй входы переключателя режимов работы 10 поступают соответственно прямоугольные импульсы анодного напряжения с выхода первого импульсного преобразователя напряжения 6 и прямоугольные импульсы катодного напряжения с выхода второго импульсного преобразователя напряжения 9. Переключатель режимов работы 10 в зависимости от управляющего сигнала, поступающего на третий вход с третьего выхода блока драйверов 17, осуществляет четыре режима работы. В первом анодном режиме (фиг.2, а) на ванну 13 с электролитом 14 и помещенную в электролит оксидируемую деталь 15 переключатель режимов работы 10 через выходы пропускает импульсы анодного напряжения от первого импульсного преобразователя напряжения 6, при этом импульсы от второго импульсного преобразователя 9 не проходят. Во втором катодном режиме (фиг.2, б) переключатель режимов работы 10 пропускает импульсы катодного напряжения от второго импульсного преобразователя напряжения 9, при этом импульсы от первого импульсного преобразователя напряжения 6 не проходят. В третьем режиме паузы переключатель режимов работы 10 блокирует импульсы и анодного и катодного напряжений соответственно от первого импульсного преобразователя напряжения 6 и второго импульсного преобразователя 9. Комбинации трех режимов дают четвертый - анодно-катодный (фиг.2, в). Датчик напряжения 12 измеряет напряжение между ванной 13 и оксидируемой деталью 15 и передает эту информацию первому аналого-цифровому преобразователю 18, который оцифровывает сигнал и передает этот цифровой сигнал на первый вход микроконтроллера 22. Датчик тока 11 измеряет силу тока, протекающего через оксидируемую деталь 15, и передает информацию второму аналого-цифровому преобразователю 19, который оцифровывает сигнал и передает этот цифровой сигнал на второй вход микроконтроллера 22. Сигналы от датчиков тока и напряжения необходимы для организации обратных связей и формирования управляющих сигналов для системы импульсно-фазового управления 16 и блока драйверов 17.

Как следует из вышеизложенного, достижение технического результата - расширение номенклатуры обрабатываемых материалов и универсализация процессов обработки для различных металлов и их сплавов - обеспечивается введением импульсного преобразователя напряжения, что позволило организовать независимость частоты напряжения, подаваемого на оксидируемую деталь, от частоты напряжения сети, значительно расширить диапазон частот следования импульсов напряжения и частоты смены режимов работы.

Кроме указанного технического результата и преимуществ заявленного устройства следует отметить также дополнительный технический эффект - двухплечевое схемное решение для независимого регулирования анодного и катодного напряжения, что обеспечивает рациональную работу устройства при вентильном характере нагрузки оксидного покрытия в анодном режиме и активном характере нагрузки в катодном режиме, а также освобождает выпрямители от больших знакопеременных напряжений.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполняются следующие условия:

- средство, воплощающее устройство-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в области электротехники, а именно в машиностроении, авиационной, космической, военной, химической, ювелирной, радиоэлектронной промышленности, медицине, в ремонтном производстве для повышения коррозионной и износостойкости, теплостойкости, получения электроизоляционных и декоративных покрытий, упрочнения и восстановления деталей металлопокрытиями;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Источники информации

1. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: «Энергия», 1977.

2. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - Москва, издательство Энергоатомиздат, 1992.

3. Барский В.А. Раздельное управление реверсивными тиристорными преобразователями. - М.: Энергия, 1973.

4. Колпаков А. Особенности применения драйверов MOSFET и IGBT, http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/00_06/stat_34.htm.

5. Райс В. (Wolfgang Reis, WBC GmbH) Журнал "Компоненты и технологии", 2005, № 3.

6. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1981.