电磁力辅助水火弯板工艺装置控制电路设计

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水火弯板工艺 即线加热无模成形工艺是目前船体大型复杂曲面钢板主要成形加工方式，具有适用范围广、成本低廉、操作灵活及适于各种复杂曲面形状的成形加工等优点，在日本、韩国等造船技术先进国家，对该项工艺研究-直投入大量基金进行研究1，2，通过研究不同热源形式下钢板的变形机理，得到变形规律，在此基础上研究工艺参数的预报方法和自动化加工设备 。但是，传统水火弯板工艺主要利用钢板局部加热和冷却过程中内部产生的热应力来实现弯曲变形，变形影响因素多，成形规律难以掌握，加工精度难以控制。

此外，在加热温度较高的情况下容易导致钢板材质改变甚至产生裂纹。

基金资助：受国家自然科学基金资助项目支持资助 51009025。

VVlA%V.ivypub.org/EEA 电磁力辅助水火弯板工艺是在水火弯板过程中施加外力来促进钢板成形的新方法6，即将电磁线圈置于钢板上方，并使其在加工过程中始终处于相对于热源的合适位置，当电磁线圈中流过脉冲电流时，在线圈周围产生变化的磁场，使钢板感生出涡流，磁场作用于涡流，会产生对加热线位置钢板进行挤压的径向电磁力和促进角变形的轴向磁压力，依靠该电磁力在线加热过程中对应力应变的演变进行控制。

为了利用电磁力来促进钢板变形、提升成形加工效率以及提高成形精度，需要设计电磁力辅助水火弯板装置的电路，装置电路实现以下功能7：产生-定频率、稳定的脉冲电流，从而产生脉冲磁场，进而产生脉冲电磁力，并且使脉冲电容的充放电能够以-定的、较低频率交替进行；使得冲击频率和单波频率相分离；可以调节冲击频率、实现电压的连续调节和时序逻辑控制。图 1为电磁力辅助水火弯板装置设计框图8，主要由整流滤波电路、充电回路、保护电路以及控制电路组成。而以上功能除整流滤波、充放电功能，其余全部由控制电路完成，故控制电路是电路的核心部分。本文主要研究控制电路。设计并整合控制电路，经电路测试后验证控制电路的正确性。

1 控制电路设计研究由于电磁力辅助水火弯板工艺装置需要对钢板的变形进行实时控制。在工件受热膨胀后进行跟踪水冷，这时电磁力辅助加工装置提供对板进行横向约束使其受热膨胀变小，水冷后得到更大的变形。因此需要对熔池附近某-稳定热态区域进行连续的电磁冲击。图 2为控制电路的原理图。对电路的要求是将脉冲信号和脉冲电容反馈电压进行逻辑运算后得到各开关管的驱动信号，从而通过控制时序来产生-定频率的、稳定的脉冲电流，进而使装置产生脉冲磁场以产生脉冲电磁力。因此，控制电路是整个脉冲装置的时序控制部分，通过控制信号来控制高压电路中的开关的导通和关断从而使主电路产生连续的脉冲电压或者电流。

综上控制电路的设计思路是设计信号发生电路、脉冲电压比较电路、可控硅触发电路、电压比较电路并整合。

图 1电磁力辅助水火弯板装置设计框图图 2控制电路原理图1.1 信号发生电路信号发生电路是整个脉冲的信号控制基础，主电路的脉冲频率与信号发生器频率同步。发生电路要产生-定频率范围的矩形波信号作为电磁冲击频率基准信号，并且需要频率-定情况下独立可调 占空比。采- 32-vcww.ivypub.org/EEA用 555定时器作为核心元件构成的单稳态触发器。图 3为信号发生电路原理图∮通电源后通过 R1、D2、R4、R5对电容 C1充电，当 Ucl>2/3VCC时，输出端 Q置 1，输出低电平， C1开始通过 R2、D2、R4、R5放电，Ucl开始下降；当 Ucl<1/3VCC时，输出端 Q置 0，输出高电平，电源又开始对 C1充电，如此往复，输出电压U0即为连续的矩形波。

调节电位器 R5的阻值可以改变脉冲频率，由于本装置工作原理是由变化较慢的电磁场产生的电磁力作为约束力，故频率较低，工作频率的范围不需太大，采用 50KQ的电位器。

调节 占空比，可以调节脉冲信号高电平所在周期内所占比例，从而改变充放电频率，进而改变电磁冲击频率。占空比D公式9为：D： !±垦 ± 1. R1R22R5R4其中：RR5为电阻值。

根据公式调节 R4的阻值，可以在不改变频率的情况下，独立改变占空比，初步定为占空比不大于 50%，R4取为 1OkQ。

图 3信号发生电路原理图图4电压比较器电路图1.2 电压比较器电路图 4为电压比较器电路图。电压比较器接收储能电容的实时电压的反馈信号，同时基准电压也提供-定信号，二者为-组信号；信号发生器也提供-组矩形波信号。比较器需要对两组信号通过-系列逻辑运算，得到两组开关管的驱动信号，其中-组作为充电回路开关 GBT的驱动电路的驱动信号，另-组作为放电回路开关的晶闸管的驱动控制信号。因此设计送入比较器反相输入端的脉冲电容电压低于设定电压时，输出端为高电平：当脉冲电压达到预设值后，比较器输出反转输出为低电平，关闭充电回路，闭合放电电路。当两个输入端的电压产生大于 10mV的电压差值就可以从～种电平状态转换成另-种状态。

为防止由于输入电压小范围的波动而引起的输出端电平的频繁翻转，并且实现对电压幅值的限制，使电压幅值控制在-定范围内，采用 LM339芯片构成的滞回、限幅电压比较器。电压比较器的滞回结构能够使- 33。

WWV.ivypub.org/EEA得输出的电压反馈给基准电压，能够有效的减小由于输入电压较小的波动引起输出端电平的频繁翻转现象，而电压输出端接入的稳压管的限幅部分，是实现对电压幅值的限制，使其保持在-定范围内。

1-3 可控硅触发电路图 5是可控硅触发电路图。电压比较器输出高低电平信号经过逻辑运算成为电流信号，而晶闸管作为常用的电流型控制开关，因其对电流控制的特性符合电路需要。由于晶闸管属于电流控制型功率开关器件，要使晶闸管导通，除在控制极和阴极之间加上-定触发电压 通常在 4V10V之间，还必须使控制极和阴极之间流过-定大小的触发电流 -般 100mA 以上可以保证晶闸管充分触发。触发电路产生的触发脉冲应有足够的脉宽，-般在2O la s-50 la s之间，最低不小于10 la S，这样才能保证晶闸管可靠触发。

。 当控制信号到来之后，光耦导通，三极管 Ql处于饱和状态，晶闸管的控制极和阴极之间流过触发电流使得晶闸管导通。没有控制信号流入时，光耦截止，控制极和阴极之间无法流过触发电流，晶闸管不导通。

图 5可控硅触发电路图 6 GBT驱动电路1.4 GBT驱动电路图 6是 GBT驱动电路图。为实现对实验所需 GBT进行驱动，采用 EXB841芯片，其集成度高，抗干扰了能力强，保护功能完善，芯片内部集成过流检测电路和低速关断电路，通过检测 GBT的源极和漏极压降判断是否过流。-旦检测过流发生，约 1.5 la s延时开始降低栅压，在经过约 8 u S门极压降低到 0V。在此 10la s内，如果过流消失，门极电压将逐步恢复到正常值。

CD4043为三态 R-S触发器，配合 EXB841对驱动电路进行保护。当控制电路加电时，CD4043的输入端S引入高电平，输出端 Q置为 1”，控制信号正常通过与f-CD4081。GBT正常工作时，EXB841的 5脚为高电平，光耦 U1不工作，CD4043的 R端为 0”，Q端为 1”∝制信号正常通过；当 GBT过流时，D1截止，经 10 la s延时 滤掉假过流后，5脚变为低电平，光耦U2工作，使得R-S触发器的R端为 1”，输出端Q翻转为 0”封锁 GBT驱动信号，对电路实施保护。

/EEA3当信号发生电路有输出信号时，光耦导通；反之光耦截止。图 1 1为以信号发生电路作为输入信号的可控硅触发电路的测试波形，能够实现可控硅触发的输出信号与信号发生电路的输出信号保持时序关系。

c.' S№ m Ⅳ ，to；f r- 厂 '。-· - l l l rl. 上l 呻中呻 -l r审p5 善"埠， i 毒：： ： --. ： ： 十： 卞 a14HZ图 9频率的调节 1ct. a10%l。 1 ，'Ot时 10ms '删 ，O - - - - - r ： t ： t ： ： 厂 ～ 广 了越毒 ～ i ； 丰； j l ÷ i： ； ； ； i ： ： ： ； ； - ，--扣 - - - ～· - -v4 - ·- - v - ： ： ： 十 ： ； ：i j i 士 j ； ÷ ! l图 10占空比的调节2 ' ，1005oo/，图 11可控硅触发测试波形3 结论根据电磁力辅助水火弯板工艺的工艺特点和所需脉冲电磁力的工艺要求，确定了电磁力辅助水火弯板装置控制电路所要实现的具体功能，用 PROTEL99设计了信号发生电路、电压比较器和可控硅触发电路等控制电路，能够完成相应功能：输出的脉冲频率和占空比的调节、电压的连续调节和滞回比较功能以及电路的时序逻辑控制。并整合成完整的电路板实物。

通过对电路板进行模拟测试，检测了控制电路的功能，能够满足设计要求：1控制电路可输出稳定脉冲信号并最大可以实现 14HZ.96Hz的范围可调；2在不改变频率的情况下，控制电路可以实现独立改变占空比，可以实现占空比为 10%～50%的调节即可以实现冲击频率的调节；3当控制信号流入时，可控硅触发的输出信号，与信号发生电路的输出信号保持时序关系，电压达到电源电压，工作良好。

/EEA致谢汪骥副教授和刘玉君教授对本文的撰写和实验部分给出了大量宝贵的意见和指导，提出了许多改进的意见和建议。并-同感谢 CAM教研室的各位同学和师兄师弟，他们也为本文提供了帮助。

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