基于PTA的粉末增材制造控制系統(tǒng)

陳鵬 陳克選 董軍強(qiáng)

摘要：設(shè)計并搭建了一套基于PTA（Plasma Transferred Arc）的粉末增材制造控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分為熱源控制和運動控制兩部分。熱源控制部分采用PLC為控制核心，結(jié)合威綸通觸摸屏實現(xiàn)熱源組成部分的時序控制，并設(shè)計參數(shù)設(shè)置模塊。通過添加子程序，實現(xiàn)熱源兩種控制模式（觸控模式和聯(lián)控模式）的切換，并且可以在觸摸屏中設(shè)置兩種控制模式下各時序時間間隔;運動控制部分以Arduino MEGA 2560運動控制卡為控制核心，通過建模、分層生成焊槍運動G代碼，將G代碼編譯為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖信號，驅(qū)動三軸滑臺上的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)等離子焊槍的三維運動;通過旋轉(zhuǎn)編碼器建立熱源與運動之間的聯(lián)系，實現(xiàn)增材制造過程的一體化控制。最后通過工藝試驗驗證了該增材制造過程控制系統(tǒng)的可行性及可靠性。

關(guān)鍵詞：PTA;粉末增材制造;PLC;一體化控制

0? ? 前言

相對于傳統(tǒng)的車銑刨磨等去除材料工藝以及鑄造、鍛壓、注塑等材料凝固及塑性成型工藝而言，增材制造技術(shù)是通過材料逐點逐層增加的方式制造零件的工藝技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)加工工藝相比，增材制造技術(shù)不需用傳統(tǒng)加工機(jī)床和模具，能夠極大地節(jié)省生產(chǎn)成本和制造時間， 生產(chǎn)成本僅是傳統(tǒng)制造成本的10%～20%，生產(chǎn)周期為傳統(tǒng)制造周期的10%～20%，材料利用率極高，同時，不受所加工零件復(fù)雜程度的限制，能夠生產(chǎn)形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜及不同材料復(fù)合的零件[2-4]。

與MIG增材制造相比，等離子弧是經(jīng)過壓縮的電弧具有良好的穩(wěn)定性，不易受外界因素影響，焊接工藝穩(wěn)定，易消除熔池內(nèi)的氣孔、夾渣等，且與絲材相比，粉末增材制造成型精度更高，成型構(gòu)件物理性能也更高。李廷忠等[5]建立了等離子金屬零件直接成形的熱輸入預(yù)測數(shù)值模型，為控制金屬零件成形過程中因熱累積效應(yīng)造成的流淌現(xiàn)象具有一定的參考價值。王淑峰等[6]認(rèn)為等離子束和激光束同為高能束流，等離子束成形性價比更高，在金屬零件特別是鐵基材料的工業(yè)化3D打印方面的發(fā)展前景更好。

1 基于PTA的粉末增材制造系統(tǒng)構(gòu)成

為保證增材制造成型件的質(zhì)量，需從兩個方面入手：一是保證熱源系統(tǒng)的連續(xù)與穩(wěn)定，二是保證運動機(jī)構(gòu)的精確與平穩(wěn)。本課題設(shè)計的基于PTA的粉末增材制造系統(tǒng)主要由熱源控制系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示，左側(cè)方框內(nèi)為運動控制系統(tǒng)，其余部分為熱源控制系統(tǒng)。

1.1 增材制造熱源控制系統(tǒng)

熱源系統(tǒng)采用PLC為控制核心，結(jié)合威綸通觸摸屏實現(xiàn)保護(hù)氣、離子氣、維弧焊機(jī)、主弧焊機(jī)、送粉氣、送粉器按時序啟停。實現(xiàn)觸摸屏對維弧焊機(jī)焊接電流、主弧焊機(jī)焊接電流及送粉速度的設(shè)定。同時為方便生產(chǎn)，在熱源程序中添加子程序，可實現(xiàn)熱源兩種控制模式——觸控模式和聯(lián)控模式的切換。在觸控模式下，熱源受觸摸屏觸發(fā)控制;聯(lián)控模式下，熱源受運動控制卡控制;并在觸摸屏中實現(xiàn)兩種模式下各時序時間間隔的設(shè)定。采用歐姆龍公司CP1H系列PLC，其型號為CP1H-XA40DT-D，輸入DC 24V，輸出類型為晶體管漏型，I/O點數(shù)為40，內(nèi)置模擬量輸入/輸出端子臺。

由于轉(zhuǎn)移型等離子焊槍結(jié)構(gòu)中鎢極與工件的距離較大，所以必須選擇合適的維弧焊機(jī)（選擇WSE-200作為維弧焊機(jī)，WSE-350作為主弧焊機(jī)），電離離子氣（本實驗用氬氣）為引燃主弧制造等離子氛圍。

1.1.1 時序控制

由于在冷卻水箱未開啟的情況下啟動熱源容易燒毀焊槍，所以將熱源控制系統(tǒng)的電源接到冷卻水箱的220 V輸出端，使得冷卻系統(tǒng)在未開啟情況下無法啟動熱源控制系統(tǒng)。使用PLC定時器功能，按時序啟停熱源的6個控制對象，實現(xiàn)熱源過程控制，時序如圖2所示，其中，熄滅主弧及關(guān)閉送粉器后，適當(dāng)延長送粉氣時間可清空送粉管道余粉，防止焊槍堵粉。在時序控制程序中加入自鎖功能，使啟動開關(guān)與停止開關(guān)具有復(fù)位功能。將各定時器時間換成寄存地址，實現(xiàn)觸摸屏對各定時器時間的設(shè)定。

1.1.2 維弧電流、主弧電流及送粉速度設(shè)定

使用PLC模擬量輸出功能進(jìn)行維弧電流、主弧電流及送粉速度設(shè)定。由于歐姆龍CP1H-XA40DT-D只有2路內(nèi)置模擬量輸出和4路內(nèi)置模擬量輸入，要進(jìn)行3路模擬量輸出，必須外加擴(kuò)展模塊，使用CP1W-DA041的歐姆龍模擬量輸出擴(kuò)展模塊，CP1W-DA041的分辨率為1/6 000，使用4個輸出字。編寫模擬量輸出程序時，根據(jù)“ 使用輸出 ”和“ 范圍代碼 ”確定設(shè)定數(shù)據(jù)，要輸出0～10 V模擬量，二進(jìn)制設(shè)定數(shù)據(jù)為1001，對應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)為9。要輸出三路0～10 V的模擬量輸出信號，設(shè)定數(shù)據(jù)的輸出字為102和103，且102對應(yīng)設(shè)定數(shù)據(jù)為#8099，103對應(yīng)設(shè)定數(shù)據(jù)為#8009。D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通道為n+1，n+2，n+3和n+4，其中“ n ”為分配給CPU單元的最后一個輸出字[7]。因此三路D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出字分別為102、103和104，設(shè)定0.5 s定時器，確保PLC通電后等待有效的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

設(shè)定維弧電流與主弧電流時，只需要擴(kuò)展單元輸出0～5 V的電壓信號，所以數(shù)字量范圍為0～3 000，維弧焊機(jī)電流可調(diào)范圍為0～200 A，實際使用維弧電流范圍為0～60 A，主弧電流范圍為0～320 A。設(shè)維弧電流為x1，對應(yīng)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為y1，主弧電流為x2，對應(yīng)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為y2，則：y1=15x1，y2=（3 000/320）x2。根據(jù)公式編寫維弧和主弧電流設(shè)定程序，其中維弧電流和主弧電流對應(yīng)D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出字為102和103。

編寫送粉速度設(shè)定程序時，需要擴(kuò)展單元輸出0～10 V的電壓信號，所以數(shù)字量范圍為0～6 000，對應(yīng)D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出字為104，用電子天平對送粉速度進(jìn)行標(biāo)定，得出送粉速度x3與對應(yīng)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)y3之間的關(guān)系式為：y3=141.95x3+2 481.5。根據(jù)工藝試驗，設(shè)定增材制造送粉速度為5～23.68 g/min。

1.1.3 熱源的兩種控制模式

為方便設(shè)備調(diào)試及生產(chǎn)，在熱源控制程序中加入子程序，實現(xiàn)聯(lián)控模式與觸控模式的切換，編程時用到的程序指令有：子程序調(diào)用指令SBS（091），進(jìn)入子程序指令SBN（092）以及子程序結(jié)束指令RET（093），通過切換開關(guān)實現(xiàn)子程序調(diào)用。

在觸控模式下，熱源啟停完全受觸摸屏觸發(fā);在聯(lián)控模式下，熱源啟停受與運動控制卡連接的步進(jìn)電機(jī)控制，在步進(jìn)電機(jī)上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器（型號為E6B2-CWZ5B），用歐姆龍PLC的脈沖頻率轉(zhuǎn)換指令PRV2（883）讀取步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動速度，通過判斷步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動或停止控制熱源的啟動與停止。

在聯(lián)控模式下，在上位機(jī)軟件RepetierHost界面點擊“ 運行任務(wù) ”，焊槍首先開始復(fù)位，然后行走到平臺預(yù)定位置（在此過程中焊槍不起?。?，焊槍在預(yù)定位置停頓瞬間后，運動控制卡步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，焊槍也開始模型三維路徑掃描，此時PLC會對讀取到的運動控制卡步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行判斷處理，如圖3所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于0時，立即啟動熱源，并且在程序中串聯(lián)兩個常閉開關(guān)W0.10和W1.03，常閉開關(guān)W0.10實現(xiàn)通過0.5 s定時器復(fù)位“ 啟動 ”開關(guān)，常閉開關(guān)W1.03可實現(xiàn)在熱源系統(tǒng)正在關(guān)閉時無法啟動熱源，達(dá)到“ 啟動 ”與“ 結(jié)束 ”的互鎖。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速等于0時，立即關(guān)閉熱源，并在程序中串聯(lián)一個常開開關(guān)和一個常閉開關(guān)，常開開關(guān)可實現(xiàn)熱源未啟動時無法關(guān)閉熱源，同樣達(dá)到“ 啟動 ”與“ 結(jié)束 ”的互鎖，常閉開關(guān)可實現(xiàn)通過0.5 s定時器復(fù)位“ 結(jié)束 ”開關(guān)。熱源控制系統(tǒng)整體接線如圖4所示。

為了簡化電路、美化設(shè)備以及方便操作，采用威綸通MT6070iH3觸摸屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)按鈕開關(guān)。根據(jù)增材制造熱源控制需要，設(shè)計的觸摸屏的部分操作界面如圖5所示。

1.2 增材制造運動控制系統(tǒng)

增材制造運動控制系統(tǒng)由三軸滑臺、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、運動控制卡和PC機(jī)組成。焊槍三維運動實現(xiàn)流程如圖6所示。首先通過三維軟件SolidWorks建立零件模型，并保存為STL格式，然后將模型用分層軟件Cura進(jìn)行切片處理，生成運動控制所需G代碼，再通過運動控制軟件RepetierHost連接PC機(jī)與運動控制卡，將G代碼經(jīng)過編譯處理轉(zhuǎn)化為驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的脈沖信號，驅(qū)動三軸滑臺上的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)焊槍的三維空間運動[8]。

選擇Arduino MEGA 2560板卡作為運動控制卡，其處理器核心是ATmega 2560單片機(jī)，在ATmega 2560中燒錄Marlin固件（一款常用的3D打印運動控制軟件）。Cura切片軟件中，可設(shè)置增材制造的層高和焊槍行走速度，并結(jié)合送粉速度，設(shè)置合適的層高以利于工件成型。如果層高太高，送粉速度太小，增材過程中會出現(xiàn)弧長逐漸增大，進(jìn)而使電弧壓力增大，破壞熔池穩(wěn)定性，影響零件成型。

2 工藝試驗

增材制造設(shè)備搭建完成及控制系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束后，在尺寸為150 mm×150 mm×5 mm的Q235鋼板上進(jìn)行試驗參數(shù)調(diào)試，通過觀察增材層成型判斷送粉是否連續(xù)均勻，各參數(shù)是否匹配。通過不斷調(diào)節(jié)各參數(shù)，觀察增材層成型，得出較為理想的參數(shù)范圍。增材參數(shù)調(diào)試結(jié)束后，同樣在尺寸為150 mm×150 mm×5 mm的Q235鋼板上進(jìn)行PTA粉末增材制造工藝試驗，為減少增材過程中熱量積累造成的塌陷，在基板下加水冷銅冷卻[9]。增材粉末使用Fe60合金粉末，送粉氣與離子氣均為99.9%Ar，F(xiàn)e60合金粉末的化學(xué)成分如表1所示，增材制造工藝參數(shù)如表2所示，葉片模型的增材效果如圖7所示，增材層數(shù)為6。觀察整個增材制造過程發(fā)現(xiàn)，熱源與運動控制穩(wěn)定可靠。

在增材制造工藝試驗過程中，參數(shù)選擇不當(dāng)時容易出現(xiàn)以下幾點問題：（1）如果送粉氣流量過小，容易出現(xiàn)堵粉或者送粉量不足的問題，但如果送粉氣流量過大，不僅會造成粉末飛濺，而且氣體吹動熔池向零件兩側(cè)流動，造成零件在寬度方向的尺寸大于設(shè)定值，而在高度方向的尺寸增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軟件分層高度，因此增材過程中要選擇合適的送粉氣流量。（2）增材過程中，在零件周圍有時會出現(xiàn)直徑不等的合金小圓珠，即粘珠現(xiàn)象，出現(xiàn)粘珠現(xiàn)象的原因主要是送粉量過大或個別送粉孔堵塞造成的送粉不對稱。（3）增材制造過程中偶爾會出現(xiàn)雙弧現(xiàn)象，鎢極與噴嘴孔徑不同心是形成雙弧的主要原因，噴嘴孔徑越小，孔道長度或內(nèi)縮越大時，雙弧形成的可能性越大。另外增大電流時易出現(xiàn)雙弧，噴嘴表面的氧化物或金屬飛濺物等同樣會導(dǎo)致出現(xiàn)雙弧現(xiàn)象[10]。

3 結(jié)論

（1）通過PLC實現(xiàn)PTA粉末增材制造熱源過程控制，使熱源各部分按時序啟停，利用PLC模擬量輸出功能，實現(xiàn)了用觸摸屏對增材制造過程中各參數(shù)的預(yù)置。通過子程序?qū)崿F(xiàn)熱源的兩種控制模式，并利用PLC的高速脈沖計數(shù)功能，使熱源啟停與熱源運動可以同時受上位機(jī)的控制，實現(xiàn)增材制造過程的一體化控制。

（2）通過建模、分層及路徑編譯，實現(xiàn)增材制造過程中焊槍對模型輪廓的掃描，從而實現(xiàn)從三維模型到實體零件的快速自動化成型。

（3）通過工藝試驗驗證了PTA粉末增材制造控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。等離子弧能量密度高，電弧穩(wěn)定性好，性價比高，在金屬增材制造方面具有良好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術(shù)發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動化，2013，42（4）：1-4.

宗學(xué)文，熊聰，張斌，等.基于快速成型技術(shù)制造復(fù)雜金屬件的研究綜述[J].熱加工工藝，2019，48（1）：5-9，13.

王久軍，孟威.增材制造研究及其發(fā)展趨勢[J].西部皮革，2018，40（18）：62-65.

馬曉坤，侯建峰，孟憲東，等.3D打印技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].化學(xué)工程與裝備，2020（12）：246-248.

李廷忠，吳圣川.等離子熔積成形熱輸入數(shù)學(xué)模型研究[J].電焊機(jī)，2006，36（6）：34-37.

王淑峰，姬強(qiáng)，遲靜，等.等離子束在金屬零件3D打印中的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].材料導(dǎo)報，2015，29（1）：111-116.

高安邦，李逸博，馬欣.歐姆龍PLC技術(shù)完全攻略[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

仇文杰.三維模型分層掃描設(shè)計及實現(xiàn)[D]. 甘肅：蘭州理工大學(xué)，2018.

陳克選，王向余，李宜炤，等.水冷條件下WAAM溫度場的數(shù)值模擬研究[J].材料導(dǎo)報，2021，35（4）：4165-4169.

王宗杰.熔焊方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.