基于Labview的電火花自動(dòng)沉積監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張忠科 張棟 王希靖 陳克選

摘要：電火花沉積可制備硬度高、耐磨性和耐腐蝕性優(yōu)異的強(qiáng)化涂層，能顯著提高機(jī)械零部件的性能和使用壽命，傳統(tǒng)電火花沉積主要依靠人工操作?；贚abview開發(fā)平臺設(shè)計(jì)了一套電火花自動(dòng)沉積監(jiān)控系統(tǒng)，其硬件主要由PC機(jī)、Arduino控制卡、步進(jìn)電機(jī)等組成，該系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)反饋、數(shù)據(jù)采集、沉積軌跡設(shè)置和顯示等功能，并在沉積路徑規(guī)劃中加入了Bresenham算法，實(shí)現(xiàn)了電火花沉積過程的自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：Labview;伺服控制系統(tǒng);電火花沉積;Bresenham算法

中圖分類號：TG409 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）05-0024-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.05

0 ? ?前言

電火花沉積（Electra-Spark Deposition，ESD）是一種金屬表面強(qiáng)化處理技術(shù)，原理是把電極材料（陽極）作為沉積材料，通過脈沖電源放電在極短時(shí)間內(nèi)（10-5～10-6 s）擊穿氣體間隙將電極材料轉(zhuǎn)移到金屬工件（陰極）的表面形成強(qiáng)化層。電極與工件接觸表面溫度高達(dá)8 000～25 000 ℃，由于放電瞬間在高溫下熔化并重新合金化，其殘余應(yīng)力小，經(jīng)過強(qiáng)化后表面無需熱處理加工，可作為最終工序[1]。目前電火花沉積強(qiáng)化與修補(bǔ)已廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者針對電火花沉積工藝進(jìn)行了大量研究，張建斌等人[2]使用手動(dòng)旋轉(zhuǎn)式電火花沉積槍，對3.5 inch壓裂球表面缺陷進(jìn)行了修復(fù)，硬度和降解性能測試達(dá)到工件強(qiáng)化指標(biāo);Hassan Shafyei等人[3]采用電火花沉積技術(shù)，將Ti/TiB/TiB2涂覆到Ti6Al4表面，結(jié)果表明涂層與基材之間的粘合強(qiáng)度均高于50 MPa且硬度均得到了提高;耿銘章等人[4]使用旋轉(zhuǎn)式電火花沉積技術(shù)在H13鋼表面電火花沉積制備了Ni/Ti（C，N）金屬陶瓷復(fù)合涂層，結(jié)果表明涂層表面的硬度、耐磨性均有所提高，且具有一定的減摩性，可以起到延長模具壽命的作用;吳公一[5]等采用電火花沉積技術(shù)在TA2表面制備了復(fù)合涂層，Zr/WC復(fù)合涂層的硬度是基體的4倍，耐磨性比基體提高了3.1倍;王彥芳等人[6]采用電火花沉積技術(shù)在45Mn2鋼表面制備FeCoCrNiCu高熵合金涂層，有效提高了基材的耐蝕性能。

目前針對實(shí)現(xiàn)電火花沉積過程自動(dòng)化控制的研究較少，傳統(tǒng)電火花沉積設(shè)備主要依靠人工手動(dòng)操作[7-11]。文中基于Labview和Arduino控制卡設(shè)計(jì)了電火花自動(dòng)沉積監(jiān)控系統(tǒng)。使用Labview為開發(fā)平臺編寫上位機(jī)操作程序，設(shè)計(jì)了反饋模式，并在沉積路徑中加入了Bresenham算法，實(shí)現(xiàn)了電火花沉積過程的運(yùn)動(dòng)控制。

1 電火花自動(dòng)沉積控制系統(tǒng)的組成

沉積工作平臺如圖1所示，控制系統(tǒng)原理如圖

2所示。整個(gè)平臺劃分為：（1）龍門架四軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電火花沉積焊槍、焊槍角度調(diào)節(jié)夾具、工件夾具;機(jī)械結(jié)構(gòu)由滾珠絲杠、滑臺、連接件、工件夾具等組成。X軸由兩個(gè)并聯(lián)滾珠絲杠組成;Y軸滾珠絲杠通過連接件橫向安裝在X軸的滑臺上;Z軸滾珠絲杠垂直安裝在Y軸的滑臺上。在Z軸滑臺上安裝有360°可調(diào)夾具，可以根據(jù)不同工件調(diào)整沉積槍角度。滾珠絲杠滑臺長度均為50 cm，其運(yùn)動(dòng)精度可達(dá)0.05 mm。（2）步進(jìn)伺服系統(tǒng)采用57步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件;驅(qū)動(dòng)器采用DM542。（3）下位機(jī)使用Arduino Uno R3控制卡，上位機(jī)使用Labview作為開發(fā)平臺編寫操作程序，通過VISA串口通信技術(shù)向 Arduino 板卡發(fā)送相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。（4）反饋模塊采用JNNT-F雙法蘭扭矩傳感器，以及BSQ-2型單通道傳感信號放大器（變送器）。（5）數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司生產(chǎn)的PCI-6215，它是一個(gè)多功能DAQ板卡。有2路16位模擬輸出（2.8 MS/s）;24條數(shù)字I/O線;32位計(jì)數(shù)器，能在高采樣率下保持高精度。利用HV25-P電壓傳感器和CHB-25NP閉環(huán)霍爾電流傳感器采集沉積槍放電時(shí)產(chǎn)生的電壓與電流;采用BSQ-2型單通道傳感信號放大器，采集扭矩傳感器工作時(shí)產(chǎn)生的力學(xué)量，并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號輸出到數(shù)據(jù)采集卡中。

2 Arduino伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軟件開發(fā)平臺

伺服控制軟件使用C語言在Arduino IDE中編寫。軟件模塊分為：串口數(shù)據(jù)處理模塊、坐標(biāo)計(jì)算模塊、電機(jī)控制模塊和速度控制模等。

2.2 Arduino串口通信及控制過程

通過調(diào)用VISA驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)串行通信虛擬儀器軟件架構(gòu)[12]。VISA是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口（API），是調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)器的高層API。開發(fā)環(huán)境中首先調(diào)用 VISA Configure Serial Port 完成串口參數(shù)的設(shè)置，包括調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)讀取控制板的dll文件，打開控制板并獲取設(shè)備名稱，實(shí)現(xiàn)PL23XX_Prolific_DriverInstaller_v200驅(qū)動(dòng)串口通信。

速度控制系統(tǒng)運(yùn)用于坐標(biāo)行進(jìn)功能中，按照速度控制公式得出點(diǎn)至點(diǎn)距離為

三軸速度為：

式中 x1，x2，x3為坐標(biāo)給定值;y1，y2，y3為上一時(shí)刻坐標(biāo)值，v為按照坐標(biāo)行進(jìn)時(shí)的速度給定值。其中X、Y、Z軸行進(jìn)步長均可設(shè)為0.05＼0.5＼5＼50 mm，按照點(diǎn)到點(diǎn)行進(jìn)時(shí)，保證了沉積槍能以恒給定距離行進(jìn)。程序開始運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)對X、Y、Z軸初始化操作，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)[13]。根據(jù)設(shè)定的指令判斷出反向限位和正向限位的位置，根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)初值，可判斷沉積槍原點(diǎn)的位置。

2.3 Bresenham路徑算法

Bresenham路徑算法是一種脈沖增量軌跡算法，特別適合于以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行元件的控制系統(tǒng)，能夠同時(shí)對三個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算處理，并且可以直接在硬件上實(shí)現(xiàn)，速度快、效率高，故在電火花沉積軌跡控制中采用Bresenham路徑算法[14]。算法原理為：使象限中直線斜率絕對值小于1，并構(gòu)造虛擬網(wǎng)格線。計(jì)算圓弧或直線從開始的順序與各垂直網(wǎng)格線的交點(diǎn)，確定列像素與交點(diǎn)最近的像素，由于圓的對稱性，用一個(gè)八分圓進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)換對稱點(diǎn)，將對稱點(diǎn)平移，即得對應(yīng)點(diǎn)。

像素點(diǎn)離圓心逼近的程度的表達(dá)式為

則可得到圓弧與像素點(diǎn)（xi，yi）的關(guān)系共有5種（見圖3）。

圓心到右下角像素點(diǎn)（xi+1，yi-1）的距離與圓心到圓上距離關(guān)系由公式Δi= （xi+1） 2+（yi-1） 2-R2來判定。

（1）當(dāng)Δi<0時(shí)，D在圓內(nèi)，選①②。

若d≤0，則選H;若d>0，則選D。

（2）同理，當(dāng)Δi>0時(shí)，D在圓外，選④⑤。

若d≤0，則選D;若d>0，則選V。

（3）當(dāng)Δi=0時(shí)，D在圓上，選③，取D點(diǎn)作為下一個(gè)像素。

（4）算法步驟。

算法流程如圖4所示，輸入加工參數(shù)，程序進(jìn)行初始值計(jì)算并對Δi與D的數(shù)值關(guān)系進(jìn)行判別，根據(jù)判別結(jié)果對加工圖形進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

2.4 控制系統(tǒng)流程及Z軸反饋流程

控制系統(tǒng)流程如圖5所示。開始工作時(shí)，程序進(jìn)行初始化操作，X、Y、Z軸返回初始參考點(diǎn);沉積槍頭進(jìn)行Z軸校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過程中在系統(tǒng)中設(shè)定校準(zhǔn)閾值，在IDE中設(shè)定上限閾值u，Z軸開始勻速向下運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前扭矩傳感器數(shù)值m，當(dāng)扭矩傳感器讀取數(shù)值m大于等于設(shè)定閾值u時(shí)，Z軸停止運(yùn)動(dòng)，Z軸校準(zhǔn)結(jié)束;選擇沉積運(yùn)動(dòng)軌跡后，Z軸開始反饋工作，Z軸反饋流程如圖6所示，其中上限閾值保持與校準(zhǔn)閾值相一致，在IDE中設(shè)置下限閾值n，沉積槍按照Bresenham路徑規(guī)劃開始工作的同時(shí)開啟定時(shí)器中斷，進(jìn)入中斷后控制卡讀取傳感器數(shù)值m、上限閾值u、下限閾值n進(jìn)行比較;當(dāng)傳感器數(shù)值m低于下限值n時(shí)，Z軸向下運(yùn)動(dòng)0.1 mm（Z軸反饋速度與距離可在IDE中修改），當(dāng)傳感器數(shù)值m大于等于上限閾值u時(shí)，Z軸保持不動(dòng)，單次反饋流程完成。

3 電火花沉積平臺控制上位機(jī)軟件

Labview開發(fā)平臺運(yùn)用圖形化的編程方法，使其具有良好的人機(jī)界面，并具備了功能豐富的數(shù)據(jù)處理和分析能力。上位機(jī)使用Labview開發(fā)平臺來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控平臺的控制功能。

3.1 手動(dòng)控制界面

手動(dòng)控制模式界面如圖7所示。手動(dòng)控制模式：可以獨(dú)立控制X、Y、Z軸分別以0.05＼0.5＼5＼50 mm勻速點(diǎn)動(dòng);按坐標(biāo)行進(jìn)，分別在X、Y、Z軸輸入坐標(biāo)（距離不能超過正負(fù)限位），三軸以輸入的速度運(yùn)動(dòng);點(diǎn)擊“ 歸位 ”按鍵，Z軸首先返回初始參考點(diǎn)后，X、Y軸再返回初始參考點(diǎn);實(shí)時(shí)坐標(biāo)顯示X、Y、Z軸與初始參考點(diǎn)位置關(guān)系，刷新周期為500 ms。

3.2 自動(dòng)控制模式

自動(dòng)控制模式操作界面如圖8所示，在自動(dòng)控制模式下實(shí)現(xiàn)的功能有：沉積圓形軌跡、矩形軌跡、按坐標(biāo)行進(jìn)。當(dāng)沉積圓形軌跡時(shí)，首先在圓形軌跡中設(shè)置所要沉積圓的外圓半徑與圓環(huán)數(shù)，圓半徑加工范圍不能超過平臺的正負(fù)限位器，點(diǎn)擊“ 開始 ”，平臺根據(jù)設(shè)置速度進(jìn)行加工;加工矩形軌跡時(shí)，操作過程同上。狀態(tài)監(jiān)控窗口：可顯示X、Y、Z軸相對于初始參考點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)、各個(gè)限位傳感器的狀態(tài)、觸頭壓力數(shù)值。Z軸校準(zhǔn)窗口：點(diǎn)擊“ 自動(dòng)校準(zhǔn) ”，此時(shí)Z軸會(huì)勻速向下運(yùn)動(dòng)，直到觸頭壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)停止，點(diǎn)擊“ 校準(zhǔn)完成 ”;根據(jù)不同加工情況，可輸入Z軸行程距離，通過手動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn);沉積過程中出現(xiàn)特殊情況時(shí)點(diǎn)擊“ 暫停 ”，系統(tǒng)暫停工作;繼續(xù)功能使沉積槍恢復(fù)之前沉積任務(wù);急停功能使系統(tǒng)完全停止工作;當(dāng)沉積完成后，點(diǎn)擊“ 歸零 ”Z軸先返回初始參考點(diǎn)后，X，Y軸再返回初始參考點(diǎn)。

3.3 數(shù)據(jù)采集模式

數(shù)據(jù)采集界面如圖9所示，開始工作時(shí)根據(jù)沉積參數(shù)設(shè)置采樣率與采樣次數(shù);點(diǎn)擊“ 開始 ”，系統(tǒng)采集電火花電源工作時(shí)產(chǎn)生的電流、電壓，通過BSQ-2傳感信號放大器采集扭矩信號并轉(zhuǎn)換成壓力值;數(shù)據(jù)記錄存儲為Excel格式;點(diǎn)擊“ 停止采集 ”后，點(diǎn)擊“ 數(shù)據(jù)回放 ”可查看采集的波形;點(diǎn)擊“ 退出 ”按鈕，采集程序結(jié)束。采集的電壓波形顯示為脈沖電壓，采集的電流與壓力波形成對應(yīng)關(guān)系，由于Z軸反饋調(diào)節(jié)，電流與壓力波動(dòng)幅值先增大后減小，最終趨于平穩(wěn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用硬質(zhì)合金WC-10Co作為電極材料制備沉積層，產(chǎn)品號為WTC-90，直徑3 mm?；w材料選用尺寸為10 mm×15 mm×15 mm的S136模具鋼。試驗(yàn)前對材料進(jìn)行預(yù)處理。

4.2 試驗(yàn)方法

采用LD-E8型超聲波電火花電源進(jìn)行手動(dòng)電火花沉積，電火花自動(dòng)沉積監(jiān)控系統(tǒng)沉積2次對比試驗(yàn)，2次工作參數(shù)均相同為，電壓80 V，電流7.5 A，頻率1 500 Hz，超聲振動(dòng)強(qiáng)度9檔，脈寬25%，沉積槍角度60°，主軸轉(zhuǎn)速200 r/min，沉積時(shí)間5 min，無氣體保護(hù)。

4.3 沉積層截面形貌

圖10a為使用傳統(tǒng)電火花沉積設(shè)備在S136模具鋼表面手動(dòng)沉積WC-10Co硬質(zhì)合金層截面微觀形貌;圖10b為使用文中設(shè)計(jì)的電火花自動(dòng)沉積監(jiān)控系統(tǒng)在S136模具鋼表面沉積WC-10Co硬質(zhì)合金層截面微觀形貌。經(jīng)掃描電鏡觀察，電火花自動(dòng)沉積監(jiān)控系統(tǒng)制備的沉積層厚度、致密性和均勻性較手動(dòng)制備的沉積層有明顯提升。

5 結(jié)論

基于Labview開發(fā)平臺設(shè)計(jì)了一套具有運(yùn)動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)反饋、數(shù)據(jù)采集、沉積軌跡設(shè)置和顯示等功能的電火花自動(dòng)沉積監(jiān)控系統(tǒng);經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在工作參數(shù)和沉積時(shí)間均相同的條件下，電火花自動(dòng)沉積監(jiān)控系統(tǒng)制備的沉積層厚度較高、均勻性和致密性良好。

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