电子束加热温度控制方法.pdf

一种电子束加热温度控制方法，用于材料加工领域。本发明以温度上升速度为控制指标，在电子束加热过程中测得工件升温速度，并与设定范围进行比较，调节电子束流值，使工件实际升温速度在所设置范围之内；或通过温度阀值的设置，在电子束加热过程中对工件温度进行检测，并将工件温度测量值与所设置的温度阀值进行比较，当工件温度测量值低于设置温度阀值时，则继续输出束流对工件加热，当工件温度测量值达到设置阀值时立即切断束流；或联合使用两种方法，首先进行工件温度测量值与温度阀值设置值的比较，如果前者低于后者，则再进行温度上升速度控制，如果工件温度测量值达到温度阀值设置值，则立即切断束流，停止加热过程，并停止进行温度上升速度控制。

1、  一种电子束加热温度控制方法，其特征在于，以温度上升速度为控制指标，在电子束加热过程中测得工件的升温速度，并与设定温度上升速度范围进行比较，调节电子束流值，使工件实际升温速度处于所设置范围之内，即温度上升速度控制法；或者通过温度阀值的设置，在电子束加热过程中对工件温度进行检测，并将工件温度测量值与所设置的温度阀值进行比较，当工件温度测量值低于所设置的温度阀值时，则继续输出束流对工件加热，当工件温度测量值达到所设置的阀值时立即切断束流，即温度阀值控制法；或者将上述两种方法联合使用，首先进行工件温度测量值与温度阀值设置值的比较，如果前者低于后者，则再进行温度上升速度控制，如果工件温度测量值达到温度阀值设置值，则立即切断束流，停止加热过程，并停止进行温度上升速度控制。

2、  根据权利要求1所述的电子束加热温度控制方法，其特征是，所述的温度上升速度控制法，具体步骤如下：
(1)设置工件的温度上升速度范围；
(2)在电子束对工件进行加热过程中，通过计算机程序进行循环运行，在每次循环中，通过温度采集装置采集工件上的温度信号，经A/D转换器转变为数字量后输入计算机再转变为温度值，并记录采集时刻，根据相邻两次采集得到的温度值及时间间隔计算温度上升速度，并与设定温度上升速度范围进行比较，根据比较结果对束流进行调节：如果计算值比所设置的温度上升速度范围上限高，则减小束流，如果计算值比所设置的温度上升速度下限低，则增大束流，如果计算值处于所设置的温度上升速度范围以内，则保持束流。

3、  根据权利要求1或2所述的电子束加热温度控制方法，其特征是，使用温度上升速度控制法时，在电子束加热过程中，如果对温度上升速度范围进行了调整，则对工件升温速度的调节根据调整后的温度上升速度范围进行。

4、  根据权利要求1所述的电子束加热温度控制方法，其特征是，所述的温度阀值控制法，具体步骤如下：
(1)设置工件的温度阀值；
(2)在电子束对工件进行加热过程中，通过计算机程序循环运行，在每次循环中，通过温度采集装置采集工件上的温度信号，经A/D转换器转变为数字量后输入计算机再转变为温度值，将测得的温度值与温度阀值设定值进行比较，如果温度测量值低于温度阀值设定值，则继续输出束流对工件加热，如果温度测量值达到温度阀值设定值，则计算机输出控制指令立即切断束流，停止加热过程。

5、  根据权利要求1或4所述的电子束加热温度控制方法，其特征是，使用温度阀值控制法时，在电子束加热过程中，在温度测量值低于温度阀值设定值时，如果对温度阀值进行了调整，则将测得的温度值与调整后的温度阀值进行比较。

6、  根据权利要求1所述的电子束加热温度控制方法，其特征是，所述的联合使用温度上升速度控制法、温度阀值控制法，其具体步骤如下：
(1)设置工件的温度上升速度范围及温度阀值；
(2)在电子束对工件进行加热过程中，通过计算机程序循环运行，在每次循环中，通过温度采集装置采集工件上的温度信号，经A/D转换器转变为数字量后输入计算机再转变为温度值并记录采集时刻；
(3)将测得的温度值与温度阀值设定值进行比较，如果温度测量值低于温度阀值设定值，则继续输出束流对工件加热，根据相邻两次采集得到的温度值及时间间隔计算温度上升速度，并与设定温度上升速度范围进行比较，根据比较结果对束流进行调节：如果计算值比所设置的温度上升速度范围上限高，则减小束流，如果计算值比所设置的温度上升速度下限低，则增大束流，如果计算值处于所设置的温度上升速度范围以内，则保持束流；如果温度测量值达到温度阀值设定值，则立即切断束流，停止加热过程。

7、  根据权利要求1或6所述的电子束加热温度控制方法，其特征是，联合使用温度上升速度控制法、温度阀值控制法时，在电子束加热过程中，在温度测量值低于温度阀值设定值时，如果对温度上升速度范围进行了调整，则对工件升温速度的调节根据调整后的温度上升速度范围进行；在电子束加热过程中，在温度测量值低于温度阀值设定值时，如果对温度阀值进行了调整，则将测得的温度值与调整后的温度阀值进行比较。

电子束加热温度控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种电子束加热温度控制方法，特别是一种电子束加热温度上升速度及温度阀值控制方法，用于材料加工领域。
背景技术
采用电子束作为热源对材料进行加工时，加热温度的精度控制具有重要意义，由于电子束能量密度高、在真空室中进行扫描加热时工件温度变化快，工件升温速度及瞬时温度对束流值很敏感，因此为了提高温度控制精度，需采用适当的控制指标来对束流进行控制。
经文献检索发现，中国发明专利名称：电子束扫描加热温度闭环控制方法，专利申请号：03116992.9，该专利以加热温度为控制指标，根据工件温度的检测、束流的调节来维持工件温度的恒定。根据该专利所提供的方法，在电子束加热过程中将测得的温度值与设定值进行比较，在实测温度值上升到设定值以前，不改变束流值大小；当实测温度值上升到设定值时启动温度闭环控制，根据实测温度值与设定值的比较结果，对电子束流进行调节：如果实测值大于设定值，则减小电子束流值，如果实测值小于设定值，则增大电子束流值；如果实测值与设定值相等，则保持电子束流值不变，以维持工件上检测点温度恒定。这种方法的不足在于：一方面，由于电子束能量密度高，工件升温速度及瞬时温度对束流值很敏感，该方法要求束流值要选取地比较适当，如果束流值选取的较大，则工件升温速度很快，从而易造成结构件中温度梯度过大而使其变形、性能下降，同时由于热惯性的原因，会使工件的温度超出设定值较大的数值，因此使温度控制精度降低；而如果采用的束流值较小，升温速度就会很慢，使生产率降低。另一方面的不足是，对热敏感性材料及热敏感器件的电子束加热，生产实践有时要求其加热过程是：在某一适当的升温速度下，升温到设定值时立即切断束流，即通过某一温度阀值的设置，当检测到工件温度已达到该阀值时，立即切断束流。这样的控制方法该专利也没有提供。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术的不足和缺陷，为提高控温精度，提供一种电子束加热温度上升速度及阀值控制方法，可在整个电子束加热过程中对升温速度进行调节，使工件实际升温速度处于所设置范围之内，并可在不同温度区间采用不同升温速度；所提出的温度阀值控制法，可以实现当工件温度达到设定阀值时，立即切断束流的功能；这两种方法可以分别使用，也可以联合使用。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明以温度上升速度为控制指标，在电子束加热过程中测得工件的升温速度，并与设定温度上升速度范围进行比较，调节电子束流值，使工件实际升温速度处于所设置范围之内，即温度上升速度控制法；或者通过温度阀值的设置，在电子束加热过程中对工件温度进行检测，并将工件温度测量值与所设置的温度阀值进行比较，当工件温度测量值低于所设置的温度阀值时，则继续输出束流对工件加热，当工件温度测量值达到所设置的阀值时计算机输出控制指令立即切断束流，即温度阀值控制法；或者将上述两种方法联合使用，首先进行工件温度测量值与温度阀值设置值的比较，如果前者低于后者，则再进行温度上升速度控制，如果工件温度测量值达到温度阀值设置值，则立即切断束流，停止加热过程，并停止进行温度上升速度控制。
以下对本发明作进一步的说明，方法如下：
一、温度上升速度控制法
(1)设置工件的温度上升速度范围；
(2)在电子束对工件进行加热过程中，通过计算机程序进行循环运行，在每次循环中，通过温度采集装置采集工件上的温度信号，经A/D转换器转变为数字量后输入计算机再转变为温度值，并记录采集时刻，根据相邻两次采集得到的温度值及时间间隔计算温度上升速度，并与设定温度上升速度范围进行比较，根据比较结果对束流进行调节：如果计算值比所设置的温度上升速度范围上限高，则减小束流，如果计算值比所设置的温度上升速度下限低，则增大束流，如果计算值处于所设置的温度上升速度范围以内，则束流保持不变。
利用本方法时，在电子束加热过程中，如果对温度上升速度范围进行了调整，则对工件升温速度的调节根据调整后的温度上升速度范围进行。因此，在不同的温度区间，可采用不同的升温速度，如在低温区间，为提高生产率，可采用较大的升温速度，而在高温区间，可采用较小的升温速度，以便提高控温精度。
二、温度阀值控制法
(1)设置工件的温度阀值；
(2)在电子束对工件进行加热过程中，通过计算机程序循环运行，在每次循环中，通过温度采集装置采集工件上的温度信号，经A/D转换器转变为数字量后输入计算机再转变为温度值，将测得的温度值与温度阀值设定值进行比较，如果温度测量值低于温度阀值设定值，则继续输出束流对工件加热，如果温度测量值达到温度阀值设定值，则计算机输出控制指令立即切断束流，停止加热过程。
利用本方法时，在电子束加热过程中，在温度测量值低于温度阀值设定值时，如果对温度阀值进行了调整，则将测得的温度值与调整后的温度阀值进行比较。因此，在工件温度未达到所设置的温度阀值时，温度阀值设定值可以进行在线调节。
三、两种方法联合使用
(1)设置工件的温度上升速度范围及温度阀值；
(2)在电子束对工件进行加热过程中，通过计算机程序循环运行，在每次循环中，通过温度采集装置采集工件上的温度信号，经A/D转换器转变为数字量后输入计算机再转变为温度值并记录采集时刻；
(3)将测得的温度值与温度阀值设定值进行比较，如果温度测量值低于温度阀值设定值，则继续输出束流对工件加热，根据相邻两次采集得到的温度值及时间间隔计算温度上升速度，并与设定范围进行比较，根据比较结果对束流进行调节：如果计算值比所设置的温度上升速度范围上限高，则减小束流，如果计算值比所设置的温度上升速度下限低，则增大束流，如果计算值处于所设置的温度上升速度范围以内，则束流保持不变；如果温度测量值达到温度阀值设定值，则立即切断束流，停止加热过程。
在电子束加热过程中，在温度测量值低于温度阀值设定值时，如果对温度上升速度范围进行了调整，则对工件升温速度的调节根据调整后的温度上升速度范围进行；在电子束加热过程中，在温度测量值低于温度阀值设定值时，如果对温度阀值进行了调整，则将测得的温度值与调整后的温度阀值进行比较。
具体实施方式
结合本发明方法的内容，以温度上升速度和温度阀值控制联合使用为例，提供以下实施例；为了适应电子束真空中加热、能量密度高、工件加热速度快、温度变化快等特点，本发明采用了双色红外测温仪对电子束加热过程中工件温度进行检测，电子束焊机通过可编程控制器及工业控制计算机进行控制，工业控制计算机作为上位机，运行离线编辑好的控制软件，借助于控制软件完成工业控制计算机与可编程控制器的通讯，实现电子束焊机的自动控制，包括束流的大小调节及通断控制，并完成温度及温度上升速度的检测等。
具体步骤如下：
(1)开启双色红外测温仪；
(2)运行上位机中的控制软件，在软件界面上进行参数设置，包括加速电压、束流、聚焦电流、温度上升速度上限(T_vmax)、下限(T_vmin)、温度阀值(T_max)等；
(3)开启电子束流对工件进行加热；
(4)在电子束加热过程中，通过计算机程序循环运行，在每次循环中，由双色红外测温仪测得工件温度信号，通过数据采集装置采集及A/D转换器转变为数字量后输入计算机中再转变为温度值，并记录采集时刻；设置四个变量：T_i-1，T_i，t_i-1，t_i，分别用来保存相邻两次温度测量值及对应的采集时刻，下标i-1表示前一时刻，i表示后一时刻。将T_i与T_max比较，当T_i＜T_max时，计算升温速度T_vi＝(T_i-T_i-1)/(t_i-t_i-1)；将T_vi与设置值T_vmax及T_vmin进行比较，根据比较结果对束流进行调节：如果T_vi＞T_vmax，表明升温速度当前值大于上限值，则减小束流；如果T_vi＜T_vmin，表明升温速度当前值小于下限值，则增大束流，如果T_vmin≤T_vi≤T_vmax，表明升温速度处于设置范围以内，则束流保持不变；当检测到T_i达到T_max时，立即切断电子束流，加热过程结束。
本发明以电子束加热过程中工件的温度上升速度及温度阀值为控制指标进行温度控制，为提高电子束加工的控温精度提供了一种有效的措施，具有实质性的特点和显著进步，通过温度上升速度的设置和控制，使工件实际升温速度处于所设置范围之内，避免了已有技术由于升温速度不可控易造成结构件变形、性能下降或生产率较低等情况的发生，并使控温精度得到显著提高；通过温度阀值的设置和控制，可以实现当工件温度达到设定阀值时，立即切断束流的功能，使热敏感性材料及热敏感器件地加工有了可靠的保障。通过本发明所提出的方法，可使电子束加热的控温精度得到显著提高。