1.本实用新型涉及等离子熔炼技术领域，具体而言涉及冷床炉用等离子枪三维摆动机构。
背景技术：2.等离子熔炼是利用电能产生的高温等离子弧作为热源的冶金方法，等离子熔炼的特点是电弧温度高(10000℃以上)，并可有效地控制炉室气氛，因而适合于熔炼活泼金属、难熔金属及其合金。
3.等离子熔炼起源于20世纪60年代初，现今在许多国家中获得广泛应用，等离子熔炼目前主要应用于冷床炉设备中，等离子冷床炉(pachm)与电子束冷床炉(ebchm)为并行的两个发展方向，在美国、俄罗斯、德国等工业发达国家得到快速发展，正在逐渐取代传统的真空自耗电弧炉(var)熔炼工艺。
4.等离子冷床炉相比电子束冷床炉主要优点在于：合金元素挥发少，成分易于控制；等离子枪产生的等离子弧是高速和旋转的，能对钛熔池进行搅拌，有助于合金成分的均匀化；用等离子冷床炉进行熔炼时，熔池大而深，可以实现钛熔液的充分扩散。
5.但是在熔炼过程中如何确定熔池温度场的均匀性，实现冷床内物料的熔炼与精炼，成为亟待解决的问题。
技术实现要素：6.本实用新型第一方面提出一种冷床炉用等离子枪三维摆动机构，包括：
7.第一连接座，第一端面连接到冷床炉，所述连接座内设有供等离子枪穿过的空腔；
8.第二连接座，能相对于第一连接座沿x轴方向转动，所述第二连接座设置在所述第一连接座的上方；
9.第三连接座，能相对于第二连接座沿y轴方向转动，所述第三连接座设置在所述第二连接座的上方；
10.等离子枪，由所述第三连接座的上方装配到所述第三连接座的内壁，且第一端延伸至所述冷床炉中，所述等离子枪能沿所述第三连接座的高度方向滑动；
11.其中，所述第一连接座和第三连接座之间设有柔性套，使所述第三连接座与冷床炉之间形成可变体积的密封空间；
12.所述第一连接座和第二连接座之间设有第一驱动部件，用于控制第一连接座和第二连接座之间的倾角，使所述等离子枪射出的等离子弧沿y向发生位移，所述第二连接座和第三连接座之间设有第二驱动部件，用于控制第二连接座和第三连接座之间的倾角，使所述等离子枪射出的等离子弧沿x向发生位移，所述第三连接座和等离子枪之间设有第三驱动部件，用于控制所述等离子枪与第三连接座之间的相对位置，使所述等离子枪射出的等离子弧在发生x-y向位移时，保持等离子枪枪头与熔池间距相同。
13.优选的，所述第二连接座呈环形，所述第三连接座呈圆台形，所述柔性套的第一端
连接到所述第一连接座的上端面，所述柔性套的第二端连接到所述第三连接座的下端面，所述柔性套位于所述第二连接座的内侧。
14.优选的，所述柔性套包括真空波纹管。
15.优选的，所述第一连接座和第二连接座之间通过两个线性分布的x轴铰接部件铰接，所述第二连接座和第三连接座之间通过两个线性分布的y轴铰接部件铰接。
16.优选的，所述第一驱动部件包括第一线性伸缩杆，所述第一线性伸缩杆的第一端铰接到所述第一连接座，第二端铰接到所述第二连接座，所述第一线性伸缩杆与两个所述x轴铰接部件呈三角形分布。
17.优选的，所述第二驱动部件包括第二线性伸缩杆，所述第二线性伸缩杆的两端分别与所述第二连接座和第三连接座铰接，所述第二线性伸缩杆与两个所述y轴铰接部件呈三角形分布。
18.优选的，所述等离子枪和所述第三连接座之间设有轴向密封结构。
19.优选的，所述第三连接座在所述轴向密封结构的外围设有第二水冷通道。
20.优选的，所述第一连接座和冷床炉之间设有第一密封结构，所述第一连接座上设有位于所述第一密封结构外围的第一水冷通道。
21.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
22.本实用新型设置三层连接座，其中第二、第三连接座可独立地进行x向和y向摆动，且等离子枪可相对于第三连接座沿等离子枪轴线方向滑动，用于等离子枪在x-y向摆动时，对等离子枪的端部位置进行补偿，使等离子弧的弧长恒定，从而确保熔池温度场的均匀性；另外使用真空波纹管作为动密封，以确保摆动过程中，炉室的熔炼氛围不被破坏。
附图说明
23.附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本实用新型的各个方面的实施例，其中：
24.图1是本实用新型所示的冷床炉用等离子枪三维摆动机构的结构简图；
25.图2是本实用新型所示的第二连接座沿x向偏转的示意图；
26.图3是根据图1的冷床炉用等离子枪三维摆动机构的具体实施方式的结构示意图；
27.图4是图3的侧视图；
28.图5是本实用新型所示的轴向密封结构的结构示意图；
29.图6是本实用新型所示的等离子弧在熔池内的轨迹图。
具体实施方式
30.为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所有附图说明如下。
31.等离子熔炼中，在给定电流不变的前提下，等离子枪的输出功率取决于弧长的大小，若等离子枪与熔池表面垂直，通过控制等离子枪水平移动的方式移动至熔池的任意位置，则不容易控制冷床的密封状态，若将等离子枪固定到某一位置，通过摆动的方式则等离子枪的枪头摆动时距离熔池表面的间距发生变化，但无论是x向摆动，还是y向摆动，都会引起弧长的变化。
32.本实用新型采用三层连接座结构，第一层和第二层连接座之间实现等离子枪沿x轴方向的摆动，使等离子枪的枪头所射出的等离子弧弧斑在熔池表面沿y向移动，第二层和第三层连接座之间实现等离子枪沿y轴方向的摆动，使等离子枪的枪头所射出的等离子弧弧斑在熔池表面沿x向移动，实现弧斑可达到熔池表面的任意一点，进一步的，等离子枪和第三层连接座之间可沿等离子枪长度方向移动，在等离子枪沿x-y轴摆动时，控制等离子枪伸长或缩短，保持等离子枪头射出的等离子弧弧长不变。
33.如此，等离子枪在摆动过程中，使等离子弧弧斑可达到熔池表面的任意一点，同时等离子枪的弧长保持恒定，使熔炼过程中等离子枪40的输出功率保持恒定，确保熔池温度场的均匀性。
34.【冷床炉用等离子枪三维摆动机构】
35.结合图1所示，本实用新型第一方面提出一种技术方案，一种冷床炉用等离子枪三维摆动机构，主要包括三层连接座，等离子枪40连接在最上一层的连接座，最下一层连接座连接到冷床炉100，通过控制等离子枪40在x-y平面的摆动，使等离子枪40射出的等离子弧41在熔池101的表面移动，并控制弧长的长度恒定。
36.等离子枪的摆动驱动部件
37.结合图1所示，第一连接座10的第一端面连接到冷床炉100，第一连接座10内设有供等离子枪40穿过的空腔；第二连接座20能相对于第一连接座10沿x轴方向转动的设置在第一连接座10的上方；第三连接座30能相对于第二连接座20沿y轴方向转动的设置在第二连接座20的上方，等离子枪40由第三连接座30的上方装配到第三连接座30的内壁，且第一端延伸至冷床炉100中，等离子枪40能沿第三连接座30的高度方向滑动。
38.进一步的，为了便于控制等离子枪40枪头的摆动以及伸缩，使射出的等离子弧可达到熔池表面的任意一点，并保持弧长恒长。
39.具体的，第一连接座10和第二连接座20之间设有第一驱动部件11，用于控制第一连接座10和第二连接座20之间的倾角，使等离子枪40射出的等离子弧沿y向发生位移，第二连接座20和第三连接座30之间设有第二驱动部件21，用于控制第二连接座20和第三连接座30之间的倾角，使等离子枪40射出的等离子弧沿x向发生位移。
40.如此，通过控制等离子枪40沿x向摆动与y向摆动相组合的方式，实现等离子弧的弧斑到达冷床内熔池表面上的任何一个点。
41.在可选的实施例中，第一驱动部件11和第二驱动部件21为伺服电动缸，伺服电动缸的第一端和第二端通过铰接结构与第一连接座10、第二连接座20和第三连接座30连接，以确保在第一连接座10、第二连接座20和第三连接座30之间倾角变化时，伺服电动缸不会被折弯。
42.由于无论是x向摆动，还是y向摆动，都会引起弧长的变化，进一步的，第三连接座30和等离子枪40之间设有第三驱动部件31，用于控制等离子枪40与第三连接座30之间的相对位置，使等离子枪40射出的等离子弧在发生x-y向位移时，保持弧长不变。
43.第三驱动部件31可选为伺服电动缸，伺服电动缸第一端连接到等离子枪40的外壁，第二端铰接连接到第三连接座30，当伺服电动缸伸缩时，等离子枪40与第三连接座30产生相对位移。
44.因此，定义等离子枪40的长度方向为z向，则使用z向的直线运动来调节等离子弧
的弧长，以确保在摆动过程中，等离子枪的弧长保持恒定，使熔炼过程中等离子枪40的输出功率保持恒定，确保熔池温度场的均匀性。
45.结合图2所示，图示给出了当第一驱动部件11伸长时，第二连接座20绕x轴转动使等离子枪40的等离子弧沿y向移动的过程。可以理解的，当第二驱动部件21伸缩时，第三连接座30可相对于第二连接座20绕y轴转动，使等离子枪40的等离子弧沿x向移动。
46.在具体的实施例中，通过控制第一驱动部件11和第二驱动部件21的伸缩，即可控制等离子枪40射出的等离子弧在x-y平面内移动，到达熔池表面的任意一点。
47.结合图6所示，图示为等离子弧沿折线从冷床内一端移动到另一端的轨迹示意图。
48.在其它的实施例中，等离子弧可以按照不同的预设轨迹在熔池表面移动，并保持弧长恒长，以确保熔池温度场的均匀性。
49.进一步的，在第一连接座10和第三连接座30之间设有柔性套50，使第三连接座30与冷床炉100之间形成可变体积的密封空间，如此，在不干扰等离子枪40活动的前提下，确保冷床炉内部的熔炼氛围。
50.在具体的实施例中，柔性套50使用真空波纹管，真空波纹管的第一端连接到第一连接座10的上端面，真空波纹管的第二端连接到第三连接座30的下端面，真空波纹管位于第二连接座20的内侧，以真空波纹管作为动密封，以确保摆动过程中，炉室的熔炼氛围不被破坏。
51.结合图3-4所示，在可选的实施例中，第一连接座10的下端设有第一连接面13，用于与冷床炉100的上端连接，第一连接座10的上端设有第一轴承座121，第二连接座20呈环形，第二连接座20的外壁设有第二轴承座122，第一轴承座121和第二轴承座122通过转轴连接；由第一轴承座121和第二轴承座122构成x轴铰接部件12；在第二连接座20的上部设有第三轴承座221，第三连接座30呈圆台形，第三连接座30的外沿设有第四轴承座222，第三轴承座221和第四轴承座222通过转轴连接，由第三轴承座221和第四轴承座222形成y轴铰接部件22。
52.优选的，第一连接座10和第二连接座20之间通过两个线性分布的x轴铰接部件12铰接，第二连接座20和第三连接座30之间通过两个线性分布的y轴铰接部件22铰接，使第一连接座10、第二连接座20和第三连接座30的三层结构彼此之间转动灵活可靠。
53.具体的，如图3-4所示，第一驱动部件11包括第一线性伸缩杆，第一线性伸缩杆的第一端铰接到第一连接座10，第二端铰接到第二连接座20，第一线性伸缩杆与两个x轴铰接部件12呈三角形分布。第二驱动部件21包括第二线性伸缩杆，第二线性伸缩杆的两端分别与第二连接座20和第三连接座30铰接，第二线性伸缩杆与两个y轴铰接部件22呈三角形分布。
54.进一步的，第一连接座10和第二连接座20之间设有限位结构23，以防止第二连接座20相对于第一连接座10发生过渡倾斜，可以理解的，在第二连接座20和第三连接座30之间也设有限位结构，防止第三连接座30相对于第二连接座20发生过渡倾斜。
55.密封结构
56.优选的，结合图1-2所示，等离子枪40和第三连接座30之间设有轴向密封结构32。
57.结合图5所示，直线轴承321安装于第三连接座30的中心孔内，并由压盖322压紧，压盖322与第三连接座30之间使用螺栓紧固，压盖322内部设置有密封圈，用于防止炉体内
部的金属粉尘进入轴承内部，以延长轴承的使用寿命；压盖322内部设置有冷却水通道，用于对密封圈进行冷却，以延长其使用寿命，直线密封组件323安装于第三连接座30上部并由压盖压紧。
58.如此，通过直线密封组件作为等离子枪40和第三连接座30之间的动密封，并通过水冷通道内注入流动的冷却水来保证密封件的可靠。
59.进一步的，第一连接座10和冷床炉之间设有第一密封结构，第一连接座10上设有位于第一密封结构外围的第一水冷通道。同样的，通过第一水冷通道可对第一连接座10进行降温，以保证密封件的可靠使用。
60.等离子冷床炉熔炼过程中，炉室内部温度远远超过密封圈的最高使用温度，必须对所有的密封圈进行水冷降温，以确保密封圈具有足够长的使用寿命；实际操作中，也只能通过在密封圈周围设置冷却水通道来间接给密封圈进行降温。
61.摆动调节过程
62.其中，线性伸缩杆可选为伺服电动缸，以伺服电动缸为例，当第一驱动部件11伸缩时，等离子枪40沿y向摆动，此时等离子枪40射出的等离子弧弧长相应地增加，为了补偿增加的距离，控制第三驱动部件31缩短，使等离子枪40更靠近熔池，进一步的，当第二驱动部件11伸缩时，等离子枪40沿x向摆动，此时等离子枪40射出的等离子弧弧长相应地增加，进一步的控制第三驱动部件31缩短，使等离子枪40射出的等离子弧的弧长保持恒定，相反的，再回摆的过程中，第三驱动部件31伸长，使等离子枪40射出的等离子弧弧长仍为固定值。
63.在具体的实施例中，包括以下步骤：
64.1.冷态单独调试：装配完成后，在等离子枪40不点火的情况下，须对x、y、z三个方向的运动进行单独调试，单独调试时，各伺服电动缸以较小的速度点动运行，以便及时发现运动机构存在的卡滞、抖动及其它异常情况。
65.2.三个方向机械限位的设置：机械限位的设置是为了在最极端的情况下确保安全，需要根据每个方向的实际摆动需求，并以安全熔炼为前提来进行合理的设置。
66.3.摆动参数的设置：根据冷床尺寸、弧斑实际运动范围、等离子枪40长度及摆动机构的几何尺寸等，在控制系统中预设每个方向的弧斑位移与伺服电动缸行程之间的函数关系，预设每个伺服电动缸的行程范围、速度范围及其它与摆动相关的参数。
67.4.冷态整体调试：如图6所示，根据所需的弧斑运动轨迹，在控制系统中设置各个伺服电动缸的运动曲线及相互之间的运动逻辑，确保整体运动过程中，等离子枪无抖动、顿挫、卡滞现象，且弧长始终保持恒定；整体调试时，弧斑运动速度从低到高逐渐增加，须考察等离子枪高速运动时的稳定性及可靠性。
68.5.热态整体调试：在实际熔炼过程中，等离子枪按照控制系统预设的程序进行摆动，等离子弧弧斑沿对应的轨迹对冷床内的熔池液面进行扫描，扫描速度须与等离子枪功率匹配。
69.【等离子冷床炉熔炼的等离子弧弧长控制】
70.本实用新型第二方面提出一种用于等离子冷床炉熔炼的等离子弧弧长控制方法，使用上述的等离子枪三维摆动机构，包括以下步骤：
71.等离子枪40点火，使等离子枪40与熔池101之间形成等离子弧41；
72.控制第一驱动部件11和第二驱动部件21的伸缩，使等离子枪40沿x轴和y轴偏转，
等离子枪40射出的等离子弧41的弧斑在熔池表面沿预设轨迹移动；
73.控制第三驱动部件31的伸缩，使沿x轴、y轴偏转状态下的等离子枪40所射出的等离子弧41的弧长恒长。
74.具体的，调整过程为，当第一驱动部件11伸缩时，等离子枪40沿y向摆动，此时等离子枪40射出的等离子弧弧长相应地增加，为了补偿增加的距离，控制第三驱动部件31缩短，使等离子枪40更靠近熔池，保持等离子弧41的弧长恒长；
75.进一步的，当第二驱动部件21伸缩时，等离子枪40沿x向摆动，此时等离子枪40射出的等离子弧弧长相应地增加，进一步的控制第三驱动部件31缩短，使等离子枪40射出的等离子弧的弧长保持恒定；
76.相反的，在回摆的过程中，第三驱动部件31伸长，使等离子枪40射出的等离子弧仍为固定值。
77.其中，根据x向、y向的摆动幅度及摆动轴相对于熔池表面的距离，就可以实时计算出在摆动过程中等离子弧的弧长变化量，并根据弧长变化量去实时控制第三驱动部件31的伸缩。
78.结合以上实施例，本实用新型设置三层连接座，其中第二、第三连接座可独立地进行x向和y向摆动，且等离子枪可相对于第三连接座沿等离子枪轴线方向滑动，用于等离子枪在x-y向摆动时，对等离子枪的端部位置进行补偿，使等离子弧的弧长恒定，从而确保熔池温度场的均匀性；另外使用真空波纹管作为动密封，以确保摆动过程中，炉室的熔炼氛围不被破坏。
79.虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。