一种磁场调控超音速等离子体热喷涂装置

技术领域

本发明涉及表面工程技术领域，具体地说，涉及一种磁场调控超音速等离子体热喷涂装置。

背景技术

近年来，为适应国家可持续发展的需求，面向绿色制造与再制造的热喷涂技术得到越来越多的重视。热喷涂是一种表面强化技术，是表面工程技术的重要组成部分，一直是我国重点推广的新技术项目。它是利用某种热源（如电弧、等离子喷涂或燃烧火焰等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术。热喷涂过程中，细微而分散的金属或非金属的涂层材料，以一种熔化或半熔化状态，沉积到一种经过制备的基体表面，形成某种喷涂沉积层。目前热喷涂技术已在航空、航天、钢铁、石化、能源、汽车等领域的表面处理方面得到广泛的应用；热喷涂技术工艺简捷，涂层和基体材料选择范围广，易形成耐磨、隔热、抗氧化、耐腐蚀、绝缘和导电等复合功能涂层且涂层厚度易控，可在现场实施大面积施工。

但热喷涂涂层由高速飞行液滴撞击基材铺展、变形、堆积凝固形成的工艺特性决定了其具有组织成分不均匀、存有气孔、裂纹和板条层间弱结合等结构缺陷，尤其是涂层与基体之间的弱结合(以机械咬合为主)，这在很大程度上限制了涂层的应用范围与服役寿命。以制造高超声速飞行器尖锥热防护构件为例，该构件一般采用高温陶瓷类材料（例如，碳纤维增强碳化硅复合材料Cf/SiC）作为基体，由于超高温陶瓷材料熔点普遍高于3000℃，现有涂层喷涂技术的能量密度不足，会存在大量未熔陶瓷颗粒，导致涂层厚度难以精确可控、涂层致密度严重不够，从而减弱超高温陶瓷涂层的抗氧化烧蚀能力，并且容易形成局部高温，致使尖锥表面产生大量烧蚀凹坑，热防护涂层破损失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁场调控超音速等离子体热喷涂装置，本发明能够通过磁场对等离子体热喷涂羽形实时调控，使超音速等离子体热喷涂工作处于理想的状态。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种磁场调控超音速等离子体热喷涂装置，包括底板、超音速等离子体火焰枪、一级磁场调控机构、二级磁场调控机构、驱动机构、在线监控仪和控制电柜，超音速等离子体火焰枪通过支撑架沿前后方向水平固定安装在底板的中部前侧上方并向后发射等离子体，一级磁场调控机构套在超音速等离子体火焰枪的外部并转动安装在底板上方中部前侧，二级磁场调控机构固定安装在底板上方中部后侧，一级磁场调控机构的后端与二级磁场调控机构的前端前后对接，驱动机构设置在底板的左前侧并驱动一级磁场调控机构转动，在线监控仪设置在底板的右后侧且位于二级磁场调控机构的右侧后方，在线监控仪朝左对着二级磁场调控机构的后侧拍摄，控制电柜设置在底板的右前侧且内部设置有供电模块和控制模块，供电模块分别与超音速等离子体火焰枪、一级磁场调控机构、二级磁场调控机构、驱动机构和在线监控仪电连接，控制模块分别与一级磁场调控机构、二级磁场调控机构、驱动机构和在线监控仪信号连接。

超音速等离子体火焰枪包括等离子体发生器和导热壳体，等离子体发生器和导热壳体均沿前后方向水平设置在底板的中部前侧上方，支撑架包括两根支撑管柱，导热壳体同中心固定套装在等离子体发生器的外圆周上，两根支撑管柱左右对称设在导热壳体的前侧，左侧的支撑管柱的下端固定连接在底板上表面左前侧，左侧的支撑管柱的上端固定连接在导热壳体的前端面左侧部，等离子体发生器的前侧部设置有阳极和阴极，等离子体发生器的后侧部设有与等离子体发生器内部连通的粉气输入通道，导热壳体的前端部左侧壳壁内设有前后连通的导线通道，左侧的支撑管柱的上端与导线通道的前端连接，导线通道的后端位于导热壳体的前端部内圆周右侧，左侧的支撑管柱内设置有穿过导线通道的导电线路，供电模块分别与阳极和阴极通过导电线路电连接，导热壳体的右侧壳壁内设有前后连通的粉气导向通道，右侧的支撑管柱的上端与粉气导向通道的前端连接，粉气导向通道的后端位于导热壳体的后侧部内圆周并与粉气输入通道的外端连接，右侧的支撑管柱内设置有穿过粉气导向通道并与粉气输入通道的外端连通的粉气注入管。

一级磁场调控机构包括一级磁场调控壳体和四个一级磁场调控线圈，一级磁场调控壳体为前后通透的圆筒结构，一级磁场调控壳体通过两个第一支撑轴承同中心转动套装在导热壳体的外部且位于底板的上方，一级磁场调控壳体的后端部外圆周套装有第二支撑轴承并与第二支撑轴承的内圈过盈配合，第二支撑轴承的外圈底部固定连接在底板上，导热壳体设置在一级磁场调控壳体内前侧部，四个一级磁场调控线圈同中心前后间隔固定设置在一级磁场调控壳体内后侧部，一级磁场调控壳体的圆周侧壁内设有第一换热夹层，一级磁场调控壳体的前侧外圆周侧壁上设有与第一换热夹层连通的第一注水口，第一注水口内设有第一注水塞，一级磁场调控壳体的中部侧壁上嵌设有位于导热壳体与最前侧一级磁场调控线圈之间的第一温度传感器，一级磁场调控壳体的前端外圆周一体成型有大带轮，一级磁场调控壳体的中部后侧外圆周缠绕有一圈导电线圈，导电线圈分别与四个一级磁场调控线圈电连接，底板的上表面中部前侧设有与导电线圈下侧部滑动连接的触点导电滚珠，供电模块与触点导电滚珠电连接，控制模块与第一温度传感器信号连接。

二级磁场调控机构包括二级磁场调控壳体和四个二级磁场调控线圈，二级磁场调控壳体为前后通透的圆筒结构，二级磁场调控壳体通过固定套装在其外圆周上的两个支撑底座固定安装在底板上中部后侧，二级磁场调控壳体与一级磁场调控壳体的圆周尺寸相同，一级磁场调控壳体的后端与二级磁场调控壳体的前端前后对接且具有间隙，四个二级磁场调控线圈同中心前后间隔固定设置在二级磁场调控壳体内，二级磁场调控壳体的圆周侧壁内设有第二换热夹层，二级磁场调控壳体的中部外圆周侧壁上设有与第二换热夹层连通的第二注水口，第二注水口内设有第二注水塞，二级磁场调控壳体的前端部侧壁上嵌设有位于最后侧一级磁场调控线圈与最前侧二级磁场调控线圈之间的第二温度传感器，二级磁场调控壳体的后端部侧壁上嵌设有位于最后侧二级磁场调控线圈后侧的第三温度传感器，供电模块分别与四个二级磁场调控线圈电连接，控制模块分别与第二温度传感器和第三温度传感器信号连接。

每个一级磁场调控线圈均包括第一圈形壳体和四个第一电磁铁，第一圈形壳体的外径与一级磁场调控壳体的内径相同，第一圈形壳体的内径大于等离子体发生器的后端口内径，第一圈形壳体同中心固定连接在一级磁场调控壳体内，四个第一电磁铁均为圆心角为80°的扇形块结构并圆周阵列固定设置在第一圈形壳体内，第一电磁铁由第一扇形铁芯和缠绕在第一扇形铁芯外部的第一线圈绕组构成，第一线圈绕组的两端均伸出第一圈形壳体并通过导电线圈、触点导电滚珠与供电模块电连接，四个一级磁场调控线圈内的所有第一电磁铁在前后方向上的投影中心在同一圆周上的相邻两点之间圆心角为22.5°。

每个二级磁场调控线圈均包括第二圈形壳体和两个第二电磁铁，第二圈形壳体与第一圈形壳体大小相同，第二圈形壳体同中心固定连接在二级磁场调控壳体内，两个第二电磁铁均为圆心角为80°的扇形块结构且径向对称固定设置在第二圈形壳体内，第二电磁铁由第二扇形铁芯和缠绕在第二扇形铁芯外部的第二线圈绕组构成，第二线圈绕组的两端均伸出第二圈形壳体并与供电模块电连接，从前之后数第一个二级磁场调控线圈内的两个第二电磁铁上下对称布置，第二个二级磁场调控线圈内的两个第二电磁铁左上右下对称布置，第三个二级磁场调控线圈内的两个第二电磁铁左右对称布置，第四个二级磁场调控线圈内的两个第二电磁铁左下右上对称布置。

驱动机构包括驱动减速电机，驱动减速电机固定安装在底板的上表面左前侧且位于一级磁场调控壳体的左侧前方，驱动减速电机的动力轴沿前后方向水平设置并位于驱动减速电机的后侧，驱动减速电机的动力轴后端延伸至一级磁场调控壳体的前端部左侧，驱动减速电机的动力轴后端固定安装有小带轮，小带轮与大带轮之间套装有传动皮带，供电模块与驱动减速电机电连接，控制模块与驱动减速电机信号连接；

底板的上表面右后侧固定安装有三脚架，在线监控仪设置在三脚架的顶部。

等离子体发生器的后侧部外圆周沿周向设有粉气环槽，粉气环槽的外圆与导热壳体的内圆密封接触，粉气输入通道沿等离子体发生器的周向圆周阵列设置有四个，粉气输入通道的外端位于粉气环槽的槽底，粉气输入通道的内端位于等离子体发生器的内圆周，粉气输入通道外前内后倾斜设置，粉气导向通道的后端位于粉气环槽内，粉气注入管的粉气出口与粉气环槽连通。

利用本发明的磁场调控超音速等离子体热喷涂装置进行热喷涂时，本发明提供一种外场辅助的智能加工方法，具体包括以下步骤：

（一）、组装磁场调控超音速等离子体热喷涂装置的各部件；

（二）、启动超音速等离子体火焰枪、一级磁场调控机构、二级磁场调控机构、驱动机构和在线监控仪，超音速等离子体火焰枪产生并向后发射等离子体，等离子体向后依次通过一级磁场调控机构和二级磁场调控机构喷出；

（三）、通过控制模块在线调整一级磁场调控机构的磁场方向和强度，实现等离子体在一级磁场调控机构内部均匀地压缩或扩散，调整等离子体通过一级磁场调控机构的羽形；

（四）、通过控制模块在线调整二级磁场调控机构的磁场方向和强度，控制等离子体在二级磁场调控机构内部的偏转方向，调整等离子体通过二级磁场调控机构的羽形；

（五）、在线获取从二级磁场调控机构中喷出的等离子体中飞行粒子的位置、大小、温度和速度并反馈给控制模块；

（六）、控制模块对等离子体中飞行粒子的位置、大小、温度和速度信息进行智能融合计算，评估磁场调控超音速等离子体热喷涂羽形的质量；

（七）、控制模块智能融合计算完成后，记录磁场调控超音速等离子体热喷涂羽形的质量数据，然后再重复步骤（三）—（六）进行下一周期的磁场调控。

步骤（二）具体为：取下第一注水塞和第二注水塞，通过第一注水口向第一换热夹层中注入一定量的冷却水，通过第二注水口向第二换热夹层中注入一定量的冷却水，然后将第一注水塞堵住第一注水口，第二注水塞堵住第二注水口，供电模块通过导电线路分别给阳极和阴极通电，同时通过粉气注入管向各个粉气输入通道内注入氩气和粉末颗粒混合物，使氩气和粉末颗粒混合物进入等离子体发生器内部，阳极和阴极将粉末颗粒电离生成超音速等离子体并经等离子体发生器的后端口向后发射等离子体，启动驱动减速电机，驱动减速电机的动力轴带动小带轮转动，小带轮通过传动皮带驱动大带轮转动，使一级磁场调控壳体转动，则一级磁场调控线圈随一级磁场调控壳体一起转动，同时，供电模块通过触点导电滚珠、导电线圈分别给四个一级磁场调控线圈通电，供电模块分别给四个二级磁场调控线圈供电，等离子体向后依次通过四个一级磁场调控线圈和四个二级磁场调控线圈并从二级磁场调控壳体的后端喷出，一级磁场调控线圈内的第一线圈绕组通电后产生磁场并作用于等离子体，二级磁场调控线圈内的第二线圈绕组通电后产生磁场并作用于等离子体，第一温度传感器检测等离子体从等离子体发生器的后端口发射并进入一级磁场调控壳体中四个一级磁场调控线圈内圆过程中的温度，第二温度传感器检测等离子体从一级磁场调控壳体后端进入二级磁场调控壳体前端过程中的温度，第三温度传感器检测等离子体从二级磁场调控壳体后端喷出的温度，第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器将实时检测的温度信号传至控制模块，启动在线监控仪，在线监控仪拍摄等离子体从二级磁场调控壳体后端喷出的羽形，并将信号传至控制模块，如此，得到等离子体中飞行粒子的位置、大小、温度和速度信息，第一换热夹层内的水用于降低一级磁场调控壳体内四个一级磁场调控线圈的温度，第二换热夹层的水用于降低二级磁场调控壳体内四个二级磁场调控线圈的温度，避免一级磁场调控线圈和二级磁场调控线圈过热而损坏。

步骤（三）的具体实现方式为：一级磁场调控机构的磁场方向是通过控制模块改变每个一级磁场调控线圈内的四个第一线圈绕组通电电流方向实现的，进而压缩或扩散等离子体实现其羽形改变，一级磁场调控机构的磁场强度是通过控制模块改变每个一级磁场调控线圈内的四个第一线圈绕组通电电流强度实现的，进而压缩或扩散等离子体实现其羽形的改变程度的调控；当用于实现等离子体压缩时，一级磁场调控线圈内的四个第一电磁铁对等离子体中带电粒子实现向中间压缩的作用，等离子体由前至后穿过四个一级磁场调控线圈时受压角度均匀变化，使等离子体的羽形均匀改变，一级磁场调控机构的磁场强度的调整方法为智能模糊控制方法，等离子体中粒子飞行速度、温度为智能模糊控制方法的输入参数，一级磁场调控线圈内的第一线圈绕组通电电流为智能模糊控制方法的输出参数，最优参数为：一级磁场调控线圈内的单个第一线圈绕组磁场强度为0.3T，一级磁场调控壳体的旋转速度为300r/min；当用于实现等离子体扩散时，一级磁场调控线圈内的四个第一电磁铁对等离子体中带电粒子实现向四周外拉的作用,等离子体由前至后穿过四个一级磁场调控线圈时受拉角度均匀变化，使等离子体的羽形均匀改变，一级磁场调控线圈内的单个第一线圈绕组磁场强度为恒值，大小为0.1~0.3T，不再实时动态调整；一级磁场调控线圈内四个第一电磁铁产生的电磁感应对等离子体的温度进行调控，使等离子体的温度达到预期效果；

步骤（四）的具体实现方式为：通过控制模块改变每个二级磁场调控线圈内的两个第二线圈绕组的电流方向，进而控制相应的两个第二电磁铁产生磁场的方向，其中第一个二级磁场调控线圈内的两个第二电磁铁上下对称布置，第一个二级磁场调控线圈内的两个第二电磁铁实现对等离子体在上下方向偏转，同理，第二个二级磁场调控线圈内的两个第二电磁铁实现对等离子体在左上右下方向偏转，第三个二级磁场调控线圈内的两个第二电磁铁实现对等离子体在左右方向偏转，第四个二级磁场调控线圈内的两个第二电磁铁实现对等离子体在左下右上方向偏转；以第一个二级磁场调控线圈为例，通过改变第一个二级磁场调控线圈内的两个第二线圈绕组的电流方向，进而控制第一个二级磁场调控线圈内的两个第二电磁铁产生的磁场方向，对等离子体中的带电粒子实现“上拉下拉”、“上拉下压”、“上压下拉”和“上压下压”的四种作用，从而改变等离子体羽形，等离子体羽形改变程度通过控制模块控制第一个二级磁场调控线圈内的两个第二线圈绕组电流强度实现，第二个二级磁场调控线圈、第三个二级磁场调控线圈和第四个二级磁场调控线圈对等离子体羽形调整的原理与第一个二级磁场调控线圈相同，如此，四个二级磁场调控线圈组合对等离子体施加作用，实现对等离子体复杂羽形的调控；

步骤（五）的具体实现方式为：首先，通过在线监控仪实时捕获等离子体中飞行粒子的图片；其次，控制模块依次计算照片中每个飞行粒子的大小区域，并标记全部飞行粒子的外部边界，飞行粒子区域图像标记为“边界形状”，由卷积深度学习算法识别其形状种类；再次，通过在线监控仪获取每个粒子的飞行速度

其中，

步骤（六）中控制模块的智能融合计算方法，是通过预先训练的支持向量机SVM作为模型，对磁场调控超音速等离子体热喷涂羽形的质量进行融合评估；支持向量机SVM的输入包括：粒子的期望温度、粒子的期望速度、飞行粒子区域图像“边界形状”的期望形状、粒子平均温度

步骤（三）中在线调整一级磁场调控机构的磁场强度的智能模糊控制方法为：通过模糊运算解耦后，其模糊控制策略如表1所示，表1中粒子温度为粒子平均温度

表1智能模糊控制方法的模糊控制策略

一级磁场调控壳体的旋转速度

步骤（五）中识别飞行粒子区域图像“边界形状”的卷积深度学习算法具体是：控制模块对飞行粒子区域图像进行多层卷积、池化、连接、回归操作后，输出待识别区域图像“边界形状”的类型；

卷积深度学习算法为集成在控制模块中的深度卷积神经网络，深度卷积神经网络由专用的NPU芯片实现，在飞行粒子区域图像传入深度卷积神经网络进行处理前，控制模块对飞行粒子区域图像进行初步的图像预处理：图像增强、图像去噪，之后，控制模块将图像压缩或者拉伸到256×256像素的灰度图像，并输入到深度卷积神经网络中；

深度卷积神经网络的第一路输入为256×256的图像，送入卷积网络中的A1卷积层，采用5×5窗口卷积操作后，生成251×251像素的32幅图像，再由卷积网络中的A2池化层进行压缩处理，生成125×125像素的32幅图像，之后，进行第二次卷积操作，送入卷积网络中的A3卷积层，再次采用3×3窗口卷积操作后，生成123×123像素的64幅图像，再由卷积网络中的A4池化层进行压缩处理，生成61×61像素的64幅图像，之后，经过卷积网络的A5全连接层处理，输出4096维度的向量，进一步，经过卷积网络中的A6全连接层处理，输出64维度的向量；另外，深度卷积神经网络的第二路输入为飞行粒子区域图像“边界形状”的几何特征，包括椭圆率、面积、周长、最大内切圆直径或最小外接圆直径，60个对角线长度间隔6°，再经过B1全连接层全连接处理后，生成64维度的向量；由A6全连接层和B1全连接层处理输出的64维度的向量通过合并操作后，再由卷积网络中的A7软回归层输出32维度的向量，表示待检测结果属于51类的概率密度分布，并存储于控制模块内部，为磁场调控超音速等离子体热喷涂羽形的质量提供数据；

51类的分类按磁场调控超音速等离子体热喷涂羽形的形状、大小进行分类，其样本数据在运行前完成采样，通过预先采集的至少2150个样本数据，对深度卷积神经网络进行离线训练，当深度卷积神经网络预测准确率大于95%后，再用于所述深度卷积神经网络的在线预测。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明通过控制模块在线调整一级磁场调控机构的磁场方向和强度，均匀的实现等离子体在一级磁场调控机构内部压缩或扩散，通过控制模块在线调整二级磁场调控机构的磁场方向和强度，控制等离子体在二级磁场调控机构内部的偏转方向，从而实现对等离子体热喷涂羽形的实时调控，满足特殊加工需求；实时对等离子体羽形、温度和飞行粒子速度进行调控，进而影响等离子体热喷行为：热控熔化、可控飞行、定向沉积；协同优化外部磁场的工艺参数与超音速热喷涂工艺参数，从而实现超音速热喷涂涂层致密度的可控；通过在线监控仪实时捕获等离子体中飞行粒子的图片并反馈至控制模块，控制模块实时分析等离子体中飞行粒子的温度、速度及飞行粒子区域图像“边界形状”，并对超音速等离子体的工艺参数、外部磁场的工艺参数进行调整，使超音速等离子体热喷涂工作处于理想的状态。

附图说明

图1是本发明的磁场调控超音速等离子体热喷涂装置的轴测图。

图2是本发明的磁场调控超音速等离子体热喷涂装置的剖视图。

图3是图2中的四个一级磁场调控线圈自前到后依次的前视内部结构示意图。

图4是图2中的四个二级磁场调控线圈自前到后依次的前视内部结构示意图。

图5是本发明的在线监控仪拍摄的等离子体中飞行粒子示意图。

图6是本发明的深度卷积神经网络的结构框图。

图7是图2中A处局部放大图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

如图1-7所示，一种磁场调控超音速等离子体热喷涂装置，包括底板1、超音速等离子体火焰枪、一级磁场调控机构、二级磁场调控机构、驱动机构、在线监控仪2和控制电柜3，超音速等离子体火焰枪通过支撑架沿前后方向水平固定安装在底板1的中部前侧上方并向后发射等离子体，一级磁场调控机构套在超音速等离子体火焰枪的外部并转动安装在底板1上方中部前侧，二级磁场调控机构固定安装在底板1上方中部后侧，一级磁场调控机构的后端与二级磁场调控机构的前端前后对接，驱动机构设置在底板1的左前侧并驱动一级磁场调控机构转动，在线监控仪2设置在底板1的右后侧且位于二级磁场调控机构的右侧后方，在线监控仪2朝左对着二级磁场调控机构的后侧拍摄，控制电柜3设置在底板1的右前侧且内部设置有供电模块和控制模块，供电模块分别与超音速等离子体火焰枪、一级磁场调控机构、二级磁场调控机构、驱动机构和在线监控仪2电连接，控制模块分别与一级磁场调控机构、二级磁场调控机构、驱动机构和在线监控仪2信号连接。

超音速等离子体火焰枪包括等离子体发生器4和导热壳体5，等离子体发生器4和导热壳体5均沿前后方向水平设置在底板1的中部前侧上方，支撑架包括两根支撑管柱6，导热壳体5同中心固定套装在等离子体发生器4的外圆周上，两根支撑管柱6左右对称设在导热壳体5的前侧，左侧的支撑管柱6的下端固定连接在底板1上表面左前侧，左侧的支撑管柱6的上端固定连接在导热壳体5的前端面左侧部，等离子体发生器4的前侧部设置有阳极7和阴极8，等离子体发生器4的后侧部设有与等离子体发生器4内部连通的粉气输入通道9，导热壳体5的前端部左侧壳壁内设有前后连通的导线通道（图未示），左侧的支撑管柱6的上端与导线通道的前端连接，导线通道的后端位于导热壳体5的前端部内圆周右侧，左侧的支撑管柱6内设置有穿过导线通道的导电线路，供电模块分别与阳极7和阴极8通过导电线路电连接，导热壳体5的右侧壳壁内设有前后连通的粉气导向通道35，右侧的支撑管柱6的上端与粉气导向通道35的前端连接，粉气导向通道35的后端位于导热壳体5的后侧部内圆周并与粉气输入通道9的外端连接，右侧的支撑管柱6内设置有穿过粉气导向通道35并与粉气输入通道9的外端连通的粉气注入管（图未示）。

一级磁场调控机构包括一级磁场调控壳体10和四个一级磁场调控线圈11，一级磁场调控壳体10为前后通透的圆筒结构，一级磁场调控壳体10通过两个第一支撑轴承12同中心转动套装在导热壳体5的外部且位于底板1的上方，一级磁场调控壳体10的后端部外圆周套装有第二支撑轴承13并与第二支撑轴承13的内圈过盈配合，第二支撑轴承13的外圈底部固定连接在底板1上，导热壳体5设置在一级磁场调控壳体10内前侧部，四个一级磁场调控线圈11同中心前后间隔固定设置在一级磁场调控壳体10内后侧部，一级磁场调控壳体10的圆周侧壁内设有第一换热夹层14，一级磁场调控壳体10的前侧外圆周侧壁上设有与第一换热夹层14连通的第一注水口，第一注水口内设有第一注水塞15，一级磁场调控壳体10的中部侧壁上嵌设有位于导热壳体5与最前侧一级磁场调控线圈11之间的第一温度传感器16，一级磁场调控壳体10的前端外圆周一体成型有大带轮17，一级磁场调控壳体10的中部后侧外圆周缠绕有一圈导电线圈，导电线圈分别与四个一级磁场调控线圈11电连接，底板1的上表面中部前侧设有与导电线圈下侧部滑动连接的触点导电滚珠18，供电模块与触点导电滚珠18电连接，控制模块与第一温度传感器16信号连接。

二级磁场调控机构包括二级磁场调控壳体19和四个二级磁场调控线圈20，二级磁场调控壳体19为前后通透的圆筒结构，二级磁场调控壳体19通过固定套装在其外圆周上的两个支撑底座21固定安装在底板1上中部后侧，二级磁场调控壳体19与一级磁场调控壳体10的圆周尺寸相同，一级磁场调控壳体10的后端与二级磁场调控壳体19的前端前后对接且具有间隙，四个二级磁场调控线圈20同中心前后间隔固定设置在二级磁场调控壳体19内，二级磁场调控壳体19的圆周侧壁内设有第二换热夹层22，二级磁场调控壳体19的中部外圆周侧壁上设有与第二换热夹层22连通的第二注水口，第二注水口内设有第二注水塞23，二级磁场调控壳体19的前端部侧壁上嵌设有位于最后侧一级磁场调控线圈11与最前侧二级磁场调控线圈20之间的第二温度传感器24，二级磁场调控壳体19的后端部侧壁上嵌设有位于最后侧二级磁场调控线圈20后侧的第三温度传感器25，供电模块分别与四个二级磁场调控线圈20电连接，控制模块分别与第二温度传感器24和第三温度传感器25信号连接。

每个一级磁场调控线圈11均包括第一圈形壳体26和四个第一电磁铁27，第一圈形壳体26的外径与一级磁场调控壳体10的内径相同，第一圈形壳体26的内径大于等离子体发生器4的后端口内径，第一圈形壳体26同中心固定连接在一级磁场调控壳体10内，四个第一电磁铁27均为圆心角为80°的扇形块结构并圆周阵列固定设置在第一圈形壳体26内，第一电磁铁27由第一扇形铁芯和缠绕在第一扇形铁芯外部的第一线圈绕组构成，第一线圈绕组的两端均伸出第一圈形壳体26并通过导电线圈、触点导电滚珠18与供电模块电连接，四个一级磁场调控线圈11内的所有第一电磁铁27在前后方向上的投影中心在同一圆周上的相邻两点之间圆心角为22.5°。

每个二级磁场调控线圈20均包括第二圈形壳体28和两个第二电磁铁29，第二圈形壳体28与第一圈形壳体26大小相同，第二圈形壳体28同中心固定连接在二级磁场调控壳体19内，两个第二电磁铁29均为圆心角为80°的扇形块结构且径向对称固定设置在第二圈形壳体28内，第二电磁铁29由第二扇形铁芯和缠绕在第二扇形铁芯外部的第二线圈绕组构成，第二线圈绕组的两端均伸出第二圈形壳体28并与供电模块电连接，从前之后数第一个二级磁场调控线圈20内的两个第二电磁铁29上下对称布置，第二个二级磁场调控线圈20内的两个第二电磁铁29左上右下对称布置，第三个二级磁场调控线圈20内的两个第二电磁铁29左右对称布置，第四个二级磁场调控线圈20内的两个第二电磁铁29左下右上对称布置。

驱动机构包括驱动减速电机30，驱动减速电机30固定安装在底板1的上表面左前侧且位于一级磁场调控壳体10的左侧前方，驱动减速电机30的动力轴沿前后方向水平设置并位于驱动减速电机30的后侧，驱动减速电机30的动力轴后端延伸至一级磁场调控壳体10的前端部左侧，驱动减速电机30的动力轴后端固定安装有小带轮31，小带轮31与大带轮17之间套装有传动皮带32，供电模块与驱动减速电机30电连接，控制模块与驱动减速电机30信号连接；

底板1的上表面右后侧固定安装有三脚架33，在线监控仪2设置在三脚架33的顶部。

等离子体发生器4的后侧部外圆周沿周向设有粉气环槽34，粉气环槽34的外圆与导热壳体5的内圆密封接触，粉气输入通道9沿等离子体发生器4的周向圆周阵列设置有四个，粉气输入通道9的外端位于粉气环槽34的槽底，粉气输入通道8的内端位于等离子体发生器4的内圆周，粉气输入通道9外前内后倾斜设置，粉气导向通道35的后端位于粉气环槽34内，粉气注入管的粉气出口与粉气环槽34连通。

利用本发明的磁场调控超音速等离子体热喷涂装置进行热喷涂时，本发明提供一种外场辅助的智能加工方法，具体包括以下步骤：

（一）、组装磁场调控超音速等离子体热喷涂装置的各部件；

（二）、启动超音速等离子体火焰枪、一级磁场调控机构、二级磁场调控机构、驱动机构和在线监控仪2，超音速等离子体火焰枪产生并向后发射等离子体，等离子体向后依次通过一级磁场调控机构和二级磁场调控机构喷出；

（三）、通过控制模块在线调整一级磁场调控机构的磁场方向和强度，实现等离子体在一级磁场调控机构内部均匀地压缩或扩散，调整等离子体通过一级磁场调控机构的羽形；

（四）、通过控制模块在线调整二级磁场调控机构的磁场方向和强度，控制等离子体在二级磁场调控机构内部的偏转方向，调整等离子体通过二级磁场调控机构的羽形；

（五）、在线获取从二级磁场调控机构中喷出的等离子体中飞行粒子的位置、大小、温度和速度并反馈给控制模块；

（六）、控制模块对等离子体中飞行粒子的位置、大小、温度和速度信息进行智能融合计算，评估磁场调控超音速等离子体热喷涂羽形的质量；

（七）、控制模块智能融合计算完成后，记录磁场调控超音速等离子体热喷涂羽形的质量数据，然后再重复步骤（三）—（六）进行下一周期的磁场调控。

步骤（二）具体为：取下第一注水塞15和第二注水塞23，通过第一注水口向第一换热夹层14中注入一定量的冷却水，通过第二注水口向第二换热夹层22中注入一定量的冷却水，然后将第一注水塞15堵住第一注水口，第二注水塞23堵住第二注水口，供电模块通过导电线路分别给阳极7和阴极8通电，同时通过粉气注入管向各个粉气输入通道9内注入氩气和粉末颗粒混合物，使氩气和粉末颗粒混合物进入等离子体发生器4内部，阳极7和阴极8将粉末颗粒电离生成超音速等离子体并经等离子体发生器4的后端口向后发射等离子体，启动驱动减速电机30，驱动减速电机30的动力轴带动小带轮31转动，小带轮31通过传动皮带32驱动大带轮17转动，使一级磁场调控壳体10转动，则一级磁场调控线圈11随一级磁场调控壳体10一起转动，同时，供电模块通过触点导电滚珠18、导电线圈分别给四个一级磁场调控线圈11通电，供电模块分别给四个二级磁场调控线圈20供电，等离子体向后依次通过四个一级磁场调控线圈11和四个二级磁场调控线圈20并从二级磁场调控壳体19的后端喷出，一级磁场调控线圈11内的第一线圈绕组通电后产生磁场并作用于等离子体，二级磁场调控线圈20内的第二线圈绕组通电后产生磁场并作用于等离子体，第一温度传感器16检测等离子体从等离子体发生器4的后端口发射并进入一级磁场调控壳体10中四个一级磁场调控线圈11内圆过程中的温度，第二温度传感器24检测等离子体从一级磁场调控壳体10后端进入二级磁场调控壳体19前端过程中的温度，第三温度传感器25检测等离子体从二级磁场调控壳体19后端喷出的温度，第一温度传感器16、第二温度传感器24和第三温度传感器25将实时检测的温度信号传至控制模块，启动在线监控仪2，在线监控仪2拍摄等离子体从二级磁场调控壳体19后端喷出的羽形，并将信号传至控制模块，如此，得到等离子体中飞行粒子的位置、大小、温度和速度信息，第一换热夹层14内的水用于降低一级磁场调控壳体10内四个一级磁场调控线圈11的温度，第二换热夹层22的水用于降低二级磁场调控壳体19内四个二级磁场调控线圈20的温度，避免一级磁场调控线圈11和二级磁场调控线圈20过热而损坏。

步骤（三）的具体实现方式为：一级磁场调控机构的磁场方向是通过控制模块改变每个一级磁场调控线圈11内的四个第一线圈绕组通电电流方向实现的，进而实压缩或扩散等离子体实现其羽形的改变，一级磁场调控机构的磁场强度是通过控制模块改变每个一级磁场调控线圈11内的四个第一线圈绕组通电电流强度实现的，进而压缩或扩散等离子体实现其羽形的改变程度的调控；当用于实现等离子体压缩时，一级磁场调控线圈11内的四个第一电磁铁27对等离子体中带电粒子实现向中间压缩的作用，等离子体由前至后穿过四个一级磁场调控线圈11时受压角度均匀变化，使等离子体的羽形均匀改变，一级磁场调控机构的磁场强度的调整方法为智能模糊控制方法，等离子体中粒子飞行速度、温度为智能模糊控制方法的输入参数，一级磁场调控线圈11内的第一线圈绕组通电电流为智能模糊控制方法的输出参数，最优参数为：一级磁场调控线圈11内的单个第一线圈绕组磁场强度为0.3T，一级磁场调控壳体10的旋转速度为300r/min；当用于实现等离子体扩散时，一级磁场调控线圈11内的四个第一电磁铁27对等离子体中带电粒子实现向四周外拉的作用,等离子体由前至后穿过四个一级磁场调控线圈11时受拉角度均匀变化，使等离子体的羽形均匀改变，一级磁场调控线圈11内的单个第一线圈绕组磁场强度为恒值，大小为0.1~0.3T，不再实时动态调整；一级磁场调控线圈11内四个第一电磁铁27产生的电磁感应对等离子体的温度进行调控，使等离子体的温度达到预期效果；

步骤（四）的具体实现方式为：通过控制模块改变每个二级磁场调控线圈20内的两个第二线圈绕组的电流方向，进而控制相应的两个第二电磁铁29产生磁场的方向，其中第一个二级磁场调控线圈20内的两个第二电磁铁29上下对称布置，第一个二级磁场调控线圈20内的两个第二电磁铁29实现对等离子体在上下方向偏转，同理，第二个二级磁场调控线圈20内的两个第二电磁铁29实现对等离子体在左上右下方向偏转，第三个二级磁场调控线圈20内的两个第二电磁铁29实现对等离子体在左右方向偏转，第四个二级磁场调控线圈20内的两个第二电磁铁29实现对等离子体在左下右上方向偏转；以第一个二级磁场调控线圈20为例，通过改变第一个二级磁场调控线圈20内的两个第二线圈绕组的电流方向，进而控制第一个二级磁场调控线圈20内的两个第二电磁铁29产生的磁场方向，对等离子体中的带电粒子实现“上拉下拉”、“上拉下压”、“上压下拉”和“上压下压”的四种作用，从而改变等离子体羽形，等离子体羽形改变程度通过控制模块控制第一个二级磁场调控线圈20内的两个第二线圈绕组电流强度实现，第二个二级磁场调控线圈20、第三个二级磁场调控线圈20和第四个二级磁场调控线圈20对等离子体羽形调整的原理与第一个二级磁场调控线圈20相同，如此，四个二级磁场调控线圈20组合对等离子体施加作用，实现对等离子体复杂羽形的调控；

步骤（五）的具体实现方式为：首先，通过在线监控仪2实时捕获等离子体中飞行粒子的图片；其次，控制模块依次计算照片中每个飞行粒子的大小区域，并标记全部飞行粒子的外部边界，飞行粒子区域图像标记为“边界形状”，由卷积深度学习算法识别其形状种类；再次，通过在线监控仪2获取每个粒子的飞行速度

其中，

步骤（六）中控制模块的智能融合计算方法，是通过预先训练的支持向量机SVM作为模型，对磁场调控超音速等离子体热喷涂羽性的质量进行融合评估；支持向量机SVM的输入包括：粒子的期望温度、粒子的期望速度、飞行粒子区域图像“边界形状”的期望形状、粒子平均温度

步骤（三）中在线调整一级磁场调控机构的磁场强度的智能模糊控制方法为：通过模糊运算解耦后，其模糊控制策略如表1所示，表1中粒子温度为粒子平均温度

表1智能模糊控制方法的模糊控制策略

一级磁场调控壳体10的旋转速度

步骤（五）中识别飞行粒子区域图像“边界形状”的卷积深度学习算法具体是：控制模块对飞行粒子区域图像进行多层卷积、池化、连接、回归操作后，输出待识别区域图像“边界形状”的类型；

卷积深度学习算法为集成在控制模块中的深度卷积神经网络，深度卷积神经网络由专用的NPU芯片实现，在飞行粒子区域图像传入深度卷积神经网络进行处理前，控制模块对飞行粒子区域图像进行初步的图像预处理：图像增强、图像去噪，之后，控制模块将图像压缩或者拉伸到256×256像素的灰度图像，并输入到深度卷积神经网络中；

深度卷积神经网络的第一路输入为256×256的图像，送入卷积网络中的A1卷积层，采用5×5窗口卷积操作后，生成251×251像素的32幅图像，再由卷积网络中的A2池化层进行压缩处理，生成125×125像素的32幅图像，之后，进行第二次卷积操作，送入卷积网络中的A3卷积层，再次采用3×3窗口卷积操作后，生成123×123像素的64幅图像，再由卷积网络中的A4池化层进行压缩处理，生成61×61像素的64幅图像，之后，经过卷积网络的A5全连接层处理，输出4096维度的向量，进一步，经过卷积网络中的A6全连接层处理，输出64维度的向量；另外，深度卷积神经网络的第二路输入为飞行粒子区域图像“边界形状”的几何特征，包括椭圆率、面积、周长、最大内切圆直径或最小外接圆直径，60个对角线长度间隔6°，再经过B1全连接层全连接处理后，生成64维度的向量；由A6全连接层和B1全连接层处理输出的64维度的向量通过合并操作后，再由卷积网络中的A7软回归层输出32维度的向量，表示待检测结果属于51类的概率密度分布，并存储于控制模块内部，为磁场调控超音速等离子体热喷涂羽形的质量提供数据；

51类的分类按磁场调控超音速等离子体热喷涂羽形的形状、大小进行分类，其样本数据在运行前完成采样，通过预先采集的至少2150个样本数据，对深度卷积神经网络进行离线训练，当深度卷积神经网络预测准确率大于95%后，再用于所述深度卷积神经网络的在线预测。

超音速等离子体火焰枪、在线监控仪2、供电模块、控制模块、第一温度传感器16、第二温度传感器24、第三温度传感器25和驱动减速电机30均是现有常规构件，具体构造和工作原理不再赘述，控制模块为计算机或PLC控制器。

本发明通过控制模块在线调整一级磁场调控机构的磁场方向和强度，均匀的实现等离子体在一级磁场调控机构内部压缩或扩散，通过控制模块在线调整二级磁场调控机构的磁场方向和强度，控制等离子体在二级磁场调控机构内部的偏转方向，从而实现对等离子体热喷涂羽形的实时调控，满足特殊加工需求；实时对等离子体羽形、温度和飞行粒子速度进行调控，进而影响等离子体热喷行为：热控熔化、可控飞行、定向沉积；协同优化外部磁场的工艺参数与超音速热喷涂工艺参数，从而实现超音速热喷涂涂层致密度的可控；通过在线监控仪2实时捕获等离子体中飞行粒子的图片并反馈至控制模块，控制模块实时分析等离子体中飞行粒子的温度、速度及飞行粒子区域图像“边界形状”，并对超音速等离子体的工艺参数、外部磁场的工艺参数进行调整，使超音速等离子体热喷涂工作处于理想的状态。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。