专利名称：针的恒流退火的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对钢丝进行连续高速高电流电阻加热和退火用的装置和方法，更具体地说，涉及外科用针恒流退火装置和方法。
外科用针是由钢丝切断成针坯而形成的。针坯一端进行处理形成要求的针形之后，将针的多余部分切除。切除针坯多余部分之前，准备切割的部分需要加热或退火。这使准备切割的部分软化，以便于切割和进一步处理，诸如在软化的部分形成沟槽或钻孔以便插入缝线。
退火可以用火焰、传统的炉子、感应加热或电阻加热来完成。美国专利第4295033号(Lindgren)公开一种退火炉。传统的退火炉有许多缺点，诸如精度、一致性和速度不高。有些火焰退火炉限于固定架或手工操作。明火，包括点火用的火苗增大了出现事故的危险、使针氧化、在针上沉积碳和烟垢。另外，可能需要使用热阱，以限制退火区。由于火焰温度、煤气压力以及施加火焰的时间或横移速率的变化，都会造成热量从退火火焰传递的不一致。另外，没有关于退火恰当或不恰当的反馈或者指示。再则，退火速度低，因而降低针的总产量。
已经使用各种类型的火焰退火炉来使钢丝或针坯的特定部分退火。火焰退火炉可以用在针的连续成形过程，在这里，如
图1所示，针坯装在载坯条15上。或者，火焰退火炉用在针的成批成形过程中。在针的成批成形过程中，针进行成批的成形。一批针坯用手工排列在固定装置或固定架上。固定装置可能是退火机构整体的一部分。或者，固定装置可能具有它自己的自由固定机构，后者安装在退火机构上。
马达可以控制装在固定架上的针坯的精确定位。装在固定架上的针坯可以递送到按照针坯或针的需要组织的各种操作位置。这样的操作包括研磨、沟槽成形、弯曲、针坯切割、钻孔、退火、针尖成形、针体成形、针的钝化、脱脂、电抛光、清洗、冲洗、干燥、涂抹诸如硅混合物等润滑物质。
切割前针坯部分的退火可以通过以受控的方式引入火焰和或者移动火焰或者移动固定架来完成。一种类型的火焰退火炉，被称为槽型火焰退火炉，使用一种长的固定的连续的喷燃器管。火焰用的燃料可以是与空气或压缩空气混合的天然气或瓶装煤气(丙烷或丁烷)。喷燃器管可以是标准的管子或管排，上面钻有一行或数行孔，以形成火焰。较宽的孔提供较宽的火焰，用来给针坯较宽的部分退火。
定时器控制火焰的持续时间，将火焰打开和关闭，或控制针坯在连续火焰中的时间。它控制向针坯部分或退火区的热传递。热阱用来限制退火区的范围。火焰持续时间可以通过电气控制煤气的螺管线圈，后者打开时，用点火火苗或压电晶体将整个喷燃器点着。
或者，可以通过利用传统的机械装置将固定架移入和移出燃烧区来控制针坯在燃烧区的持续时间。例如，使用旋转固定装置接收机构将装在固定装置上的针坯下降到与燃烧区相接的位置。相接的持续时间可以用传统的定时机构预先设定。定时器的设定用机械装置实现，例如旋转装置的啮合使旋转固定装置接收机构产生旋转运动。定时机构通过气动装置，也可以通过气缸装置使旋转固定装置的接收机构产生绕枢轴的转动。这就提供与燃烧区相接的恰当时间。
这种槽型火焰退火炉可以是半自动化的，其中微动开关检测到固定架的存在，使气缸动作，后者夹紧上面装了针坯的固定架，并将其定位，自动启动、定时和停止退火周期。
在另一种被称作精密火焰退火炉的火焰退火炉中，喷燃器本身移入和移出装在固定架上的一批或单根针坯的退火区。退火时间由传统的定时机构控制。喷燃器可以是单个的小口喷燃器或多口长喷燃器。小喷燃器可以横移过装在固定架上的针坯，在非常精确的区域一次加热一根针。热传递由横移的速度控制。喷燃器可以用诸如直线马达、马达驱动的滚珠丝杠、或定时丝杠、带齿条齿轮的马达或气缸等传统的装置移动。这种精密的火焰退火过程可以是半自动化的，其中，装入所述固定架的操作起动了退火周期。
在速度较高的退火中，与空气混合的丙烷或类似的燃料燃烧温度不够高。可以用氧或其他可燃气体，例如，氢与传统的燃料或甲烷混合来代替，达到比较一致和比较高的温度。尽管速度提高了，但火焰退火炉仍旧是慢的，一般限于每分钟20件。
不将针坯装在固定装置或固定架上，而是将针坯装在图1所示的载坯条15上。这提高了退火速度和针的产量。对于稳定的火焰，装在载坯条上的针坯可以连续地移动或定工位，在火焰内暂停一个短时间。限制性因素还是热传递的一致性和可重复性。利用强热，退火定时对于适当的退火是很关键的。由于高强度的热，即使退火时间稍长，都会导致针坯退火区部分的燃烧或熔化。需要精确地调节气体压力或火焰温度。这是很难达到的，而且不能导致可重复的退火。为了改善退火，采用了氢气发生器，并加入少量的酒精作为闪燃抑制剂。
传统的火焰退火炉的缺点是速度慢。为了提高退火速度，采用了激光火焰退火炉。激光高速火焰退火炉在一个相当精确的退火区上提供热火焰，而且无需热阱。但是，这样的退火炉要求复杂的燃料供应，而且在输出热量上有些漂移。其他缺点包括缺乏反馈、有明火，而且难以达到可重复性。
电阻退火炉让电流通过退火区而对其加热。电流流过隔开的夹在退火区两端的电极。这个电流把位于夹紧电极之间的钢丝部分25(图1)加热到退火温度。送到钢丝退火区部分的热量等于方程式(1)中的时间和电流平方的乘积H＝I2T式中H是总热量；I是电流；而T是持续时间。
传统的电阻退火炉没有火焰退火炉的一些缺点。例如，消除了烟垢和碳的积聚。退火炉有两个夹紧的接点，后者是用凸轮驱动的。退火周期是用凸轮驱动的。但是，传统的电阻退火炉操作速度低，例如，每分钟10件，而且只限于用在尺寸小的钢丝上。这是因为传统电阻退火炉最大电流约为20安培。另外，不提供反馈，退火的适当与否要用人工检查，例如，观察退火后的钢丝的颜色。退火部分的颜色从金色、红色、蓝色到银白色。通过观察来确定退火恰当与否是不精确和主观的。
此外，电流是用示波器监视、用电位器手工调整的。电流持续时间是利用分辨率为0.1秒的机电定时器确定的。这样的退火炉不准确、速度低，而且要求操作者干预。传统的电阻退火炉复杂、无法高速运行、精度不高，退火的钢丝或针的次品率高。
另一种传统的电阻退火炉检测退火钢丝的电压或温度，以调整通过的电流。美国专利第4409042(Domberger)公开了一种测量温度的电阻退火炉。这样的退火炉要求复杂的反光镜，而且不适宜高速退火。速度受到温度传感器响应时间的限制。英国专利申请GB2092002(Ash)公开了一种高速退火炉，其中测量钢丝的电阻来表征钢丝的温度。美国专利第3746582号(Gentry)也公开了一种钢丝退火法，其中通过改变流过隔开的接点加热位于接点之间的钢丝部分的电流来控制温度。美国专利第3842239号(Ellinghausen)，美国专利第3962898号(Tillmann)公开了其他电阻退火炉。这些电阻退火炉不适宜于高速高精度退火。
高速退火，例如，速率为每分钟120件，要求高精度。在每分钟120件下，每次的退火总周期为0.5秒或500毫秒。这包括针坯的定工位、将电极或接点夹紧其上、电流切换至“通”、施加电流一段要求的时间(时间到(timing out))，以及切换到电流“断”。定工位和接点夹紧的机械动作消耗了可用退火周期时间的75％。剩下1/8秒或0.125秒用于实际的退火。在这样短的退火时间中，热量传递的关键是精确控制电流的持续时间和幅度。传统的退火装置不能以高速度提供可重复的具有精确的幅度和精确的持续时间的电流。传统退火装置的电流幅度由于负载或交流电源电压的变化、接点磨损、针表面的污染而变化。
因此，本发明的一个目的是提供一种能够消除传统电阻退火的问题的恒流退火装置和方法。
本发明的另一个目的是提供一种能够提供与负载或交流电源线电压的变化、接点磨损或针表面污染无关的恒定电流的电阻退火装置。
本发明的另一个目的是提供一种高电流输出的用于大钢丝退火的电阻退火装置和方法本发明的另一个目的是提供一种完成高速准确退火的电阻退火装置。
本发明的另一个目的是提供一种开关响应快的电阻退火装置。
本发明的另一个目的是提供一种操作安全、具有封闭接点而无明火的电阻退火装置。
本发明的另一个目的是提供一种高精度、两次退火周期之间有可重复性的电阻退火装置。
本发明的另一个目的是提供这样一种电阻退火装置，它在退火电流幅度出现误差时向操作者报警，并在不正确电流读数达到预定次数之后，或当电流幅度的变化超过预定的数量时自动停止退火。
本发明的这些和其他目的是通过一种钢丝或外科用针退火用的恒流退火装置达到的，该装置包括用来设定要求的退火时间和电流幅度的基准电路。基准电路包括产生电流幅度信号的电流设定装置和产生定时信号的时间设定装置。举例来说，幅度和时间设定装置是姆指旋转开关。
一对隔开的电极夹紧在针上。恒流电源接到基准电路上，并为针的退火提供恒定的电流。开关装置连接在恒流电源与该对电极之间。当开关处于接通的状态时，恒流电源提供一个流过该对电极的恒定电流。
在一个实施例中，开关两端的电压降随着针两端电压降的变化而变化，使得流过针的退火电流保持恒定。在另一个实施例中，开关装置在其处于另一个状态下时将该对电极的残余电流分流掉。
恒流电源是可以响应代表设定电流或退火时间的定时信号，例如，通过一个开关而开关的。这就提供恒定电流一段设定的退火时间。
恒流电源包括恒压发生器，后者根据设定的电流幅度产生恒定的电压。电源提供恒流，并连接到基准电阻的第一端子。基准电阻的第二端子是这样连接的，使得它接收恒定电压。这为基准电阻两端提供恒定的电压降，结果产生恒定的电流。
基准电路包括可编程定时逻辑控制器和高分辨率固体继电器。可编程定时逻辑控制器控制固体继电器，产生定时信号。
连接到所述电极之一的电流测量装置测量恒定电流的幅度。电流测量装置可以是霍耳效应变换器，后者围绕在连接到所述电极之一的电线周围。显示器，诸如数码显示器可以连接到电流测量装置上，用来显示电流幅度的指示值。
当电极夹紧钢丝时，系统可编程逻辑控制器触发可编程定时逻辑控制器，以产生定时信号。在测到的幅度的偏差达到预定值之后，或者当错误的指示值的次数超过预定次数时，系统可编程逻辑控制器将恒流关掉。
在本发明的这个实施例中，利用恒流退火装置对外科用针进行退火的方法包括下列步骤(a)设定恒流幅度和电流时间；(b)通过开关装置在一段设定的时间内向针提供恒流；以及(c)随针两端电压降的变化而改变开关装置两端的电压降。
在另一个实施例中，步骤(c)用以下步骤代替，即在切换开关的状态以停止产生电流时切换开关装置以吸收残余电流。
提供恒流的步骤包括以下步骤将基准电阻的一个端子连接到电源上；利用基准电压发生器产生基准电压；以及切换开关，以便在基准电阻的另一个端子利用运算放大器提供基准电压。另一步骤包括利用可编程定时逻辑控制器产生电流定时信号。
其他步骤可以包括利用电流幅度设定装置设定电流幅度；利用电流持续时间设定装置设定电流时间；将一对隔开的电极夹紧在钢丝或针上；系统可编程逻辑控制器产生表示夹紧完成操作的退火信号；利用电流检测器测量恒流的幅度；在监视装置上指示所检测电流幅度的电平；以及当指示的电流电平超过预定的电平时，或者当错误的指示值的次数超过预定的次数时，停止退火装置。
考虑下面参照附图而进行的详细描述，本发明的其他特征和优点将会变得更加明显，这些附图规定和表示本发明的最佳实施例，在所有附图中类似的元件都用相同的标号标示；其中图1表示装在先有技术中已知的传统载坯条片段上的针坯透视图；图2a表示具有先有技术中已知的沟道的传统的针的透视图；图2b表示先有技术中已知的传统的针的钻了孔的末端的透视图；图3表示按照本发明的恒流电阻退火炉的方框图；以及图4表示按照本发明的图3退火炉的示意图。
外科用针和生产外科用针的方法在先有技术中已广为人知。外科用针用切断成针坯的钢丝制成，针坯放在载坯条上，以便运输到针连续成形装置的工位。1995年12月26日颁布的题为“锥尖外科用针的制造方法”的美国专利第5477604号公开了这样一种针成形装置。该专利转让给本申请的受让人，并包含涉及本专利申请主题的主题。在此将美国专利第5477604号的说明书并入作为参考。
图1表示装在载坯条15上的针坯10。针坯10经过处理，例如，热处理，以提高针坯的强度和硬度，末端20磨尖并做成要求的曲率。针坯10的处理包括针坯10的近端25的退火，以便在切割之前软化部分25。
部分25的退火是将它加热到接近但低于转变温度。然后让部分25缓慢冷却。这往往被称为局部退火。部分25的局部退火使位于部分25的金属软化到这样的程度，以致还保留热处理前所加的强度和硬度的一部分。
切割前针坯部分25的退火温度和持续时间必须准确地加以控制，偏离要求的退火温度和时间的结果是部分25太软或太硬。部分25不适当的强度会在随后的制造步骤中或使用过程损坏。
图2a表示具有尖的末端55的外科用针50。近端60是在切割图1所示的针坯10之前已经退火的部分25。沟槽65在末端60切割出来。缝线放在沟槽65内，通过夹紧沟槽65将其夹住。若不用沟槽65，则可在末端60内钻孔。图2b表示其中钻了孔70的末端60。
外科缝线可以用各种方法固定或装在近端60。一个通用的方法是如图2a所示在针50的近端形成沟槽65。沟槽末端一般在制造过程中用冲模冲入针内，成为一个凹坑。当外科缝线末端或线头放入凹坑65内时，沟槽末端60用冲模冲一下或几下，在压力下逼使沟槽的侧壁紧密闭合，夹住缝线的线头。这能防止缝线从针上脱出。将缝线的线头装在针50的近端60的过程被称为冷挤。
如图2b所示，将缝线装在外科用针上的另一种方法是在针50的近端60钻孔70，技术上称为盲孔。利用传统的机械钻孔装置或激光钻孔装置做到这一点。然后将缝线的线头插入所钻的孔70中，再用传统的冲模用普通的方法挤压将盲孔70周围针近端部分。
近端60不恰当的或不一致的退火会引起各种问题。若退火时间太长或送到被退火部分25的热量太多，则部分25就会变得太软。冷挤后近端60的沟槽65或孔70不能恰当地夹紧缝线，缝线会从针上脱出，或者针在随后的处理、搬运或使用过程中发生弯曲。
若退火未将足够的热量送到近端60使之恰当地软化，则坚硬或脆的近端60就会在冷挤时裂开。另外，坚硬的近端60很快将诸如切割冲模、钻头等工具的切割刃口或冷挤工具磨损。这就要频繁地更换工具，成本高。成本提高不仅是由于更换切割工具的费用，而且还由于针的产量降低，例如连续制造过程的中断造成的。
对于成批制造的针，而不是连续制造过程中的针，一致的退火更显得必要，这里从一批针中取代表样，进行破坏性抗拉强度试验。
精确地控制退火很重要。通过控制退火的温度、持续时间和冷却周期，可以获得宽范围的冶金特性，包括相对强度、硬度或延展性。
图3表示按照本发明的恒流电阻退火装置100的示例方框图。该装置100包括至少一个基准电路162，用来设定针135退火期间所加电流的持续时间和幅度。如图3所举例说明的，该基准电路162包括两个可调整的装置，各具有单独的电路，用来设定退火电流的时间和幅度。第一个可调整装置用来设定要求的退火电流幅度，称为电流幅度设定装置105，它可以是姆指旋转开关。姆指旋转开关105产生预设信号，用来确定退火步骤过程中所加电流的幅度。这种预设信号加在基准电压发生器110上。举例来说，基准电压发生器110产生0到10伏的基准电压Vref，并连接到缓冲放大器A1-3的输入端。可以在基准电压发生器110和缓冲放大器A1-3之间连接一个电位器，以调整基准电压Vref的幅度。缓冲放大器A1-3的输出通过开关112连接到另一个缓冲放大器A1-4的输入端。缓冲放大器A1-3，A1-4都具有高的输入阻抗和低的输出阻抗，以提供隔离。这可以使缓冲放大器A1-4的输出电压保持恒定，并防止这个恒定的输出电压对噪声敏感。缓冲放大器A1-4的输出连接到恒流电源115的输入端。
恒流电源115包括恒定电压发生器A1-1，后者可以是具有倒相输入端和不倒相输入端的运算放大器(op amp)。运算放大器A1-1的不倒相端输入端从运算放大器A1-4接收经过隔离和调整的直流电压(由基准电压Vref产生)。运算放大器A1-1的输出端连接到恒流开关装置120。运算放大器A1-1的倒相输入端连接到基准电阻Rref的一端18。运算放大器两个输入端的电压电平是相等的。于是，运算放大器A1-1不倒相输入端的直流电压(该直流电压由基准发生器110通过电位器、缓冲放大器A1-，A1-4和开关112提供)亦通过运算放大器A1-1的倒相输入端送到节点或端子18。节点18上的这个基准电压不管噪声或运算放大器A1-1的输出电压如何变化都保持不变。
基准电阻Rref的另一端3连接到电源PS1上。电源PS1提供用来对针135进行退火的恒定电流I。举例来说，该电源PS1是+12伏直流，125安培的电源，分辨率10毫安。
开关装置120连接到第一接点或电极125。第一电极125与第二电极130隔开。两个电极125，130夹紧在钢丝或针135上。为了安全起见，电极125，130被包裹起来，防止无意中与之接触。第二电极130连接到电源PS1的回线-12伏直流。恒定电流I通过针上彼此隔开的电极125，130之间的部分140。
无论负载/针的电阻如何变化，电流I都保持不变。这是因为开关装置120两端的电压降随着针部分140两端电压降的变化而变化。开关装置120两端电压降变化的出现，是因为电源PS1两个端子(正和负端子)之间的总电压是恒定的12伏直流，而由于节点18的电压V18恒定，所以基准电阻Rref两端的电压降是恒定的。
电流测量或传感器145连接到电极125，130之中一个上，测量或检测恒流I的幅度。举例来说，电流传感器145是一个环绕在将第二电极130连接到电源PS1-12伏直流回路上去的电线周围的霍耳效应变换器。
诸如数字显示器等的显示器150连接到电流传感器145上，以提供在线连续反馈报警输出，除了视觉显示器以外，它还是一个声响报警器。该显示器可以指示固定电流I的数字值。另外，或者除此之外，所述数字显示还可以，例如具有三盏灯指示电流I处于“高”、“低”或“正常”状态。所述“高”和“低”警报信号还连接到系统可编程逻辑控制器(PLC)155上。
系统PLC155可以按任何需要的结构编程，以控制自动关闭或提供报警信号。例如，若检测或测量的数值与要求的恒流值的偏差超过预定的量，则系统PLC155可以关断退火过程，并停止针的制造装配线的一部分。或者，可以将系统PLC这样编程，以便允许连续出现，例如，两次不正确的电流读数，而在紧接着的第三次不正确的退火电流幅度读数出现时关闭退火过程。
基准电路162的第二个可调整的装置包括时间设定装置160，后者可以是另一个姆指旋转开关。时间设定装置160和电流幅度设定装置105构成基准电路162，用来设定要求的退火时间和幅度。时间设定姆指旋转开关160连接到定时PLC165，后者连接到系统PLC155上。定时PLC165在被来自系统PLC155的退火信号触发时产生数字定时信号。所述退火信号表示电极125，130已经夹紧在钢丝或针135上，已准备好退火。
数字定时信号的持续时间或脉冲宽度，是定时姆指旋转开关160设定值的函数。正如联系方程式(1)所讨论的，恒流的持续时间和幅度提供了恰当的退火温度。举例来说，恒流幅度范围为0到100安培，增量为10毫安，而定时信号的时间或脉冲宽度范围为1至999毫秒，增量1毫秒。
定时PLC165的输出连接到固态继电器SSR1上，控制其开关动作。举例来说，固态继电器SSR1具有1毫秒的分辨率。固态继电器SSR1输出一种定时信号或脉冲，其脉冲宽度类似于数字定时信号，但更加准确。另外，固态继电器SSR1提供的定时信号幅度不同于定时PLC165的数字定时信号的幅度。举例来说，定时脉冲基线为0伏，幅度+15伏。固态继电器SSR1连接到接通时间控制器170，后者向开关112和开关装置120提供定时脉冲。
当定时信号为高时，开关112使基准电压发生器110响应幅度姆指旋转开关105的设定而产生的基准电压达到运算放大器A1-1的不倒相输入端。而运算放大器A1-1本身向基准电阻Rref的端子18提供恒定电压。同时，高的定时信号使得恒流开关120允许恒定的电流流向接点125，130，对针的部分140进行退火。另外，恒流开关120还将退火电流维持在一个恒定的幅度上。
因为基准电阻Rref的另一个端子3的电压是电源PS1提供的恒定的+12伏直流，所以基准电阻Rref两端的电压降是恒定的。另外，电源PS1(分别连接到节点3和接点135)正、负两端的电压降也是恒定的12伏直流。恒定的基准电阻Rref两端之间和电源两个端子之间的恒定的电压降提供了恒定的退火电流I。不管诸如接点125，130的磨损等负载如何变化，退火电流都维持不变，因为恒流开关120两端的电压降随着针135两端的电压降的变化而变化，使得电源PS1两个端子之间的整个电压降保持恒定的12伏直流。
当接通时间控制器170送来的定时信号为低时，开关112阻止来自基准电压发生器110的基准电压送到运算放大器A1-1。开关112反而向运算放大器A1-1提供+15伏直流，后者将节点18上的电压保持在+15伏直流。这将阻止电流从电源PS1流出，因为节点18上的电压(+15伏直流)高于节点3的的电压(+12伏直流)。
同时，来自固态继电器SSR1低的定时信号使恒流开关120将任何残余电流从接点125分流或吸收掉。这提供迅速的响应时间，并在电流/退火接通状态与电流/退火关断状态之间快速而且干净利落地转换。
图4表示可以用来实现图3电阻退火炉100方框图的电路200的示例的详图。电路200提供具有精确的持续时间的精确的退火电流，并包括电流幅度姆指旋转开关105，后者连接到0到10伏基准电压发生器110的输入端。例如，姆指旋转开关105上00.00的设定值提供0伏基准电压，而99.99的设定值提供10伏基准电压。基准电压发生器110的输出通过第一电阻分压器、两个电压跟随器或缓冲放大器A1-3和A1-4以及第二电阻分压器R8，R9连接到运算放大器A1-1的不倒相输入端。第一电阻分压器包括电阻R4和电位器R3。第二电位器R26一端连接到+15伏直流总线，而其旋转触点(armature)连接到第一电位器R3。电位器R3提供+12伏直流给电位器R3的一端。而电位器R3本身提供0到10伏直流的基准电压。各种不同的电阻连接在基准发生器110和运算放大器A1-1之间，以提供分压和适当的偏压。
运算放大器A1-1两个输入端，亦即倒相与不倒相输入端的电压相等。运算放大器A1-1改变其输出端210，以保持A1-1的两个输入端相等。这样，在退火接通方式下，来自电位器R3的基准电压也出现在运算放大器A1-1的倒相输入端，其倒相输入端连接到节点18，以提供恒定的集电极电压V18。节点18是基准电阻Rref的一个端子，并且是npn晶体管220，225的公共集电极。
恒定的集电极电压V18等于来自电位器R3的基准电压，并由缓冲器A1-，A1-4隔离噪声。另外，不管运算放大器A1-1的输出端210电压如何变化，集电极电压V18仍旧维持不变。
连接在运算放大器A1-1的输出端210与倒相输入端之间的二极管D2防止输出端210超过倒相输入端的值大于二极管电压降，例如0.7伏。电容C5和电阻R14串联连接在运算放大器A1-1的输出端210和倒相输入端之间，以提供反馈和稳定性。
运算放大器A1-1的输出端210通过偏置电阻分压器R15，R16连接到pnp晶体管Q2的基极。根据输出端210的电压值，晶体管Q2切换或转入导通和截止。晶体管Q2的集电极通过一个可以是10欧姆的小偏置电阻R17连接到npn晶体管220的基极B1。pnp晶体管Q2的发射极连接到npn晶体管220，225的公共集电极。在退火接通状态下，晶体管Q2导通，使晶体管220导通，后者又使晶体管225导通。晶体管220，225一起称为Q5，并与晶体管Q2，Q3，Q4(其中晶体管Q3和Q4将在下面讨论)一起构成图3和4所示恒流开关装置120的一部分。
两个并联连接的精密基准电阻R13，R14还连接到运算放大器A1-1的输出端210。举例来说，两个并联连接电阻R12，R13的阻值各为0.1欧姆，结果得到有效电阻0.05欧姆的基准电阻Rref。基准电阻R12，R13的另一个端子连接到+12伏直流、125安培电源PS1的正端子3。电源PS1通过一对电极125，130向针提供恒定的电流I。两个电极125，130隔开并夹紧在针135准备退火的部分140上。
一个电极125连接到npn晶体管225的发射极E1。另一个电极130连接到+12伏直流电源PS1的回线侧。
定时姆指旋转开关160由操作者设置，以便使电流I在一段要求的时间内流过针部分140。定时姆指旋转开关160和电流幅度姆指旋转开关105构成基准电路162，用来设定退火电流I的持续时间和幅度。定时姆指旋转开关160通过定时PLC165连接到固态继电器SSR1。固态继电器SSR1通过串联连接的倒相器、偏置电阻连接到pnp晶体管Q3的基极。倒相器的输出270连接到偏压电阻上。
pnp晶体管Q3的集电极通过电阻连接到pnp晶体管Q4的基极。晶体管Q4的发射极连接到-15伏直流电源总线，而晶体管Q4的集电极连接到npn晶体管220的基极。图3所示第二电源PS2提供+15伏直流和-15伏直流回线。第二电源PS2还有直流公用线。22欧姆的小电阻R28连接在晶体管Q4的集电极和地之间。
除了连接到pnp晶体管Q3的偏置电阻之外，倒相器输出端270还通过偏置电阻R7连接到pnp晶体管Q1的基极。另一个偏置电阻R6连接在晶体管Q1的基极和+15伏直流总线之间。晶体管Q1的发射极还通过二极管D1连接到+15伏直流总线。pnp晶体管Q1的集电极通过电阻R9连接到电压跟随器A1-4的不倒相输入端。各种电容将噪声短路接地。晶体管Q1类似于图3所示开关112起开关的作用。在退火关断方式下，晶体管Q1导通，向运算放大器A1-1的不倒相输入端提供+15伏直流(从+15伏直流总线，通过二极管D1和缓冲放大器A1-4)。这将基准电阻Rref的电压提高到+15伏直流，以防退火电流从电源PS1流出。
现将解释装置200的工作情况。操作者将电流幅度姆指旋转开关105设置到与+12伏直流，125安培电源PS1提供的0至100安培退火恒流对应的00.00至99.00之间的要求数值上。电流幅度设定姆指旋转开关105的输出使0-10伏基准电压发生器110向缓冲放大器A1-3提供表示为Vref/2的基准电压。正如下面将要解释的，在退火期间或在退火接通状态下，这个基准电压将恒定的控制电压V18加在节点18上。
操作者还设定定时脉冲姆指旋转开关160，以提供具有要求持续时间的定时脉冲。举例来说，姆指旋转开关105，160都是线性的，其中设定值的改变将线性地分别改变电流幅度和持续时间。定时PLC165被来自系统PLC155的表示电极125，130已经夹紧、钢丝或针135已准备好退火的退火信号触发而转入导通状态。定时PLC165正如设定定时姆指旋转开关160时所选择的，输出具有要求脉冲宽度或持续时间的逻辑脉冲。提供该逻辑脉冲来使固态继电器SSR1切换到导通和截止。固态继电器SSR1的切换提供具有与该逻辑脉冲相同的要求的脉冲宽度，但具有高精度高分辨率，例如，0.1毫秒分辨率的定时脉冲。但是，定时脉冲的幅度是，例如，当固态继电器SSR1截止时+15伏，而当固态继电器SSR1导通时0伏(亦即，接地)。
定时脉冲，如标号280所示，是通过组成图3和4所示的接通时间控制器170的倒相器A2-1，A2-3和A2-5传播之后，出现在倒相器A2-5的输出端270的。定时脉冲280通过偏置电阻提供给晶体管Q1和Q3的基极。
退火接通状态钢丝或针的部分140被定时脉冲280为高，亦即+15伏时流过的恒定电流I退火。高的定时信号280允许恒定的退火电流I从PS1的+12伏直流高端子，通过基准电阻Rref、晶体管Q5和针部分140流到PS1的-12伏回线端子。这是如下述那样完成的。
当定时脉冲280为高时，Q1截止。这允许基准电压由0-10伏基准电压发生器110通过缓冲器A1-2，A1-4和运算放大器A1-，使得恒定的控制电压V18出现在节点18上。节点18是基准电阻Rref的一个端子，Rref的另一个端子3连接到+12伏直流电压高端。晶体管Q2亦导通，因为运算放大器A1-1的输出端210低于V18的发射极电压。
导通的晶体管Q2使晶体管Q5导通。因为晶体管Q5导通，电流I便从+12伏直流，125安培电源PS1的高侧流向电极125。电流I是恒定的，因为控制电压V18和电源PS1的电压都是恒定的。这给基准电阻Rref两端提供恒定的电压降，和电源PS1两个端子之间的恒定的12伏直流电压降。于是，针135两端电压的任何变化都为晶体管Q5的电压降的互补变化所补偿，以便使基准电阻Rref两端的电压降，和电源PS1两个端子之间的电压降维持恒定。就是说，晶体管Q5补偿负载的任何变化。
下面给出一个示例。当设定电流幅度姆指旋转开关105使得在节点 8上提供恒定的电压11.5伏(亦即，V18＝11.5伏直流)时，流过0.05欧姆的电压降为0.5伏的基准电阻Rref的电流为10安培(I＝V/R＝0.5伏/0.05欧姆)。无论接点磨损或针电阻的变化如何，这个电流I都维持不变，因为这样的变化都由晶体管Q5上电压降的变化加以补偿。晶体管Q5和运算放大器A1-1保证了，无论针的变化和接点电阻如何，退火电流I都维持不变。有了基准电阻Rref两端的恒定的电压降，和电源PS1两个端子之间的恒定的电压降，再加上晶体管Q5，就有了恒定的电流I。
获得的电流I流过第一电极125和针的退火部分140。恒定电流I从第二电极130流出，并返回流到电源PS1的-12伏直流回线端。电流I不流过针的其他部分，因为电源PS1与针135或机壳地是绝缘的。在电流或退火接通的状态下，+15伏的定时脉冲280使晶体管Q1和Q4截止。
退火关断状态在与定时信号280的脉冲宽度对应的要求的退火时间之后，去掉退火恒流I。当定时脉冲280为0伏时，晶体管Q1导通。导通的晶体管Q1通过二极管D1把+15伏直流提供给处于将缓冲器A1-3的输出端连接到缓冲器A1-4的输入端的电阻R8和R9之间的节点285。节点285上的+15伏电压在节点18上产生大约+15伏直流。由于节点18上的+15伏直流高于基准电阻Rref另一端子，亦即连接到+12伏直流电源PS1的节点3上的电压，所以没有电流从+12伏直流电源PS1流向基准电阻Rref。
当晶体管Q1导通时，晶体管Q2截止，原因是运算放大器A1-1(它通过电阻分压器R15，R16连接到晶体管Q2的基极)的输出端210高于+12伏直流，后者高于节点18上晶体管Q2的发射极电压。截止的晶体管Q2使第一接点125在电气上与基准电阻Rref断开，从而防止任何电流从+12伏直流电源PS1流向第一电极125。在退火关断方式下，晶体管220，225的发射极电平为0伏。
另外，为了提供电流导通状态与关断状态之间快速而干净利落的转变，晶体管Q3和Q4导通，将来自晶体管Q5的任何残余电流分流或吸收掉。导通的晶体管Q4向晶体管220的基极提供-3伏直流。-3伏直流由连接在-15伏直流总线和晶体管Q4的发射极之间的齐纳二极管D3产生。晶体管220基极上的-3伏直流和晶体管220发射极的0伏电平使晶体管220，225快速而干净利落地截止。
定时信号280的0伏电平使晶体管Q3，Q4导通。晶体管Q3，Q4这一电流吸收动作，消除了导通与截止状态过渡期间的电流上冲或下冲的尖峰。这使恒流电阻退火装置200具有快速的开关响应。晶体管Q4是分流开关，它被晶体管Q3导通，其中当定时信号280为0伏时，晶体管Q3本身导通。
分别连接到晶体管Q2，Q4的集电极的电阻R17，R28具有低值，以使电流导通与截止状态之间的转换快速而干净利落。这使退火装置具有快速的响应时间，并在一段精密而准确的预定时间期间提供恒定的退火电流I。
在本发明中，利用恒流退火装置使钢丝部分退火的方法包括下列步骤(a)利用基准电路162设置恒定电流的幅度和时间；(b)通过开关装置120向针135提供恒定的电流I；以及(c)根据针135的电阻变化改变开关装置120的电阻。
在另一个实施例中，步骤(c)由下列步骤代替，即切换开关112，以便在切换开关装置120停止产生电流I期间，吸收残余电流。
所述恒流的提供步骤包括将基准电阻Rref一端3连接到电源PS1；利用基准电压发生器110产生基准电压；以及利用运算放大器A1-1切换开关112，以便向基准电阻Rref的另一端18提供基准电压。另一个步骤包括利用定时可编程逻辑控制器165产生电流定时信号。
其他步骤包括将多根外科用针安装在载坯条15(图1)上；将所安装的针移动通过退火装置；利用电流幅度设定装置105设定电流幅度；利用电流持续时间设定装置160设定电流时间；将一对隔开的电极125，130夹紧在钢丝或针135上；从系统可编程逻辑控制器155产生表示完成夹紧操作的退火信号；利用电流检测器145测量恒流I的幅度；在监视装置150上指示所检测的电流幅度的电平；以及当指示的电流电平超过预定电平时，或当错误的指示值的次数超过预定的次数时，停止退火装置。
恒流电阻退火装置可以在线或离线地使用，以便高速地对钢丝或针的一部分进行退火。例如，速度可以达到每分钟120至240件。具有精密的幅度和持续时间的恒定电流迅速地对钢丝部分进行加热和退火。电流可以具有高幅度，例如，达到100安培。通过改变幅度姆指旋转开关105和电位器R3的结构，可以提供更大的电流。也可以用具有大于125安培能力的电源来代替电源PS1，以获得更大的退火电流能力。
恒流退火装置允许对细钢丝以及粗钢丝进行高速高精度的退火，粗钢丝要求大电流进行恰当的退火。针可以利用步进马达定工位来输送，其中将每一根针移动并停止在退火位置，退火后再移动。电极可以是金属、陶瓷或它们的组合。电极可以用气动的气缸或马达驱动的机械夹紧装置来夹紧。这减少和快速衰减电极夹紧造成的振动，以便进一步增大针的输出速度。
恒流退火装置提供高的可重复性，和快速的开关响应。无论接触电阻、针表面污染和交流电源线电压的波动如何，都有相同而精密的电流(幅度和时间)加在每一根针上。另外，恒流退火装置提供自动退火，其中在线连续反馈和报警输出信号自动地指示不恰当的退火。当出现不正确的退火时，恒流退火装置自动停机。
恒流退火装置是安全的，因为接点或电极是包裹起来的，而且没有明火。没有火焰也就防止烟垢/碳在退火表面淀积。
虽然已经就本发明的示范性的和预先形成的实施例显示和描述了本发明，但是，对于本专业的技术人员来说，显然，可以在不离开后附权利要求书范围所唯一联系的本发明的精神和范围的情况下，作出形式上和细节上的上述和其他改变。
权利要求
1.一种外科用针退火用的恒流退火装置，其特征在于包括至少一个基准电路，用来设定要求的退火时间和电流；一对隔开的电极，夹紧在所述针上；恒流电源，接到所述基准电路上；以及开关装置，连接在所述恒流电源与所述一对电极之间，所述开关装置响应来自所述基准电路的定时信号进行开关切换；所述恒流电源通过所述一对电极提供所述针退火用的恒定电流，所述开关装置两端的电压降随着针两端电压降的变化而变化，使得所述电流保持恒定。
2.权利要求1的恒流退火装置，其特征在于所述恒流电源包括恒压发生器，后者根据所述设定的电流产生恒定的电压；电源，提供所述恒流；以及基准电阻，其第一端子连接到所述电源，而且其第二端子是这样连接的，以便接收所述恒定电压。
3.权利要求1的恒流退火装置，其特征在于所述恒流电源可以响应所述设定的退火时间通过开关而在接通和关断状态之间进行切换。
4.权利要求1的恒流退火装置，其特征在于所述基准电路包括产生电流幅度信号的电流幅度设定装置；以及产生定时信号的时间设定装置。
5.权利要求4的恒流退火装置，其特征在于所述电流幅度设定装置包括幅度姆指旋转开关，而所述时间设定装置包括时间姆指旋转开关。
6.权利要求1的恒流退火装置，其特征在于所述基准电路包括可编程定时逻辑控制器和连接到所述可编程定时逻辑控制器的固态继电器，所述可编程定时逻辑控制器控制所述固态继电器，产生定时信号。
7.权利要求6的恒流退火装置，其特征在于还包括系统可编程逻辑控制器，后者在所述一对电极夹紧在所述针上时，触发所述可编程定时逻辑控制器，以产生所述定时信号。
8.权利要求1的恒流退火装置，其特征在于还包括连接到所述一对电极中的一个的电流测量装置，测量所述恒定电流的幅度。
9.权利要求8的恒流退火装置，其特征在于所述电流测量装置是霍耳效应变换器，后者围绕在连接到所述一对电极中的一个的电线周围，所述恒定电流从所述电线流过。
10.权利要求8的恒流退火装置，其特征在于还包括连接到电流测量装置上的显示器，所述显示器显示所述恒定电流的所述幅度指示值。
11.权利要求8的恒流退火装置，其特征在于还包括系统可编程逻辑控制器，后者在所述幅度的偏差达到预定数量之后，关闭所述恒流电源。
12.一种外科用针退火用的恒流退火装置，其特征在于该装置包括至少一个基准电路，用来设定要求的退火时间和电流；一对隔开的电极，夹紧在所述针上；恒流电源，接到所述基准电路上，所述恒流电源为所述针的退火提供恒定的电流；以及开关装置，连接在所述恒流电源与所述一对电极之间，所述开关装置响应来自所述基准电路的定时信号进行开关切换；当所述开关装置处于一个位置时，所述恒流电源通过所述一对电极提供恒定电流，而当所述开关装置处于另一个位置时，所述开关装置将残余电流从所述一对电极分流掉。
全文摘要
钢丝或外科用针退火用的恒流退火装置包括诸如姆指旋转开关等幅度和时间设定装置。恒流电源响应定时信号,在预定的持续时间内提供恒定电流。一对隔开的电极夹紧在针上,而开关装置连接在恒流电源与该对电极之间。开关装置两端的电压降发生变化,以补偿负载的变化,从而在退火接通方式下保持退火电流的恒定。在退火关断方式下不向针提供电流,开关装置将残余电流从电极吸收掉。时间设定装置包括可编程定时逻辑控制器和固态继电器,以提供准确的定时信号。
文档编号C21D11/00GK1171448SQ9710555
公开日1998年1月28日 申请日期1997年6月6日 优先权日1996年6月6日
发明者G·肖伯 申请人:伊西康公司