微結構影響下的表面潤濕性檢測實驗系統(tǒng)開發(fā)

李 蓉，毛浩宇，汪子悅，吳占彬，陸 偉，孔 敏

（杭州電子科技大學機械工程學院，杭州 310018）

0 引 言

順應精密智能儀器的發(fā)展需求，很多器件在運行過程中需要引入潤滑液減小摩擦［1］、需要利用冷卻液散熱［2］，如軸承、齒輪、刀具等；也有眾多特殊儀器需要在各種液體環(huán)境下完成精準的運轉(zhuǎn)、檢測或存儲等功能［3］，如內(nèi)燃機、人工心臟、海底探測器等。因此，為確保這些精密儀器、智能設備在液體環(huán)境下的工作性能及其可靠性，須進行器件材料及其表面潤濕性的研究及設計［4］。

液體對固體表面的潤濕能力通?？捎媒佑|角、滾動角以及三相接觸線等方式表示，需要通過顯像設備進行測量。研究表明，溫度、材料表面微結構、材料屬性和液體種類等因素都會改變構件表面的潤濕：在散熱系統(tǒng)中，高溫下液體在散熱表面的潤濕性比常溫狀態(tài)時更大。在構件表面增設特定的微納米結構可有效降低表面自由能，減小流體對構件表面的吸附，產(chǎn)生減阻效應［5］。具有柱形微結構的銅表面比光滑銅表面的換熱系數(shù)能大幅提升沸騰傳熱效率［6］。通過優(yōu)化構件表面的潤濕性能，可以提升儀器的性能。在儀器間隙密封中，液體經(jīng)過不同潤濕性界面時，在固液交界處會產(chǎn)生不同的邊界滑移，影響其流動狀態(tài)和泄漏量，選取合適的界面有助于提高系統(tǒng)的密封性能［7］。針對工作環(huán)境中存在液體的高精密儀器，提升或優(yōu)化儀器表面的潤濕性，是其設計過程中不可忽視的內(nèi)容，也是拓展推廣智能儀器在油氣開采、紡織工業(yè)、防水、防冰和生物醫(yī)藥等［8］行業(yè)中的應用過程中必須解決的技術問題。

檢測機構表面潤濕性涉及機械設計［9］、工程材料［10］、流體力學［11］、工程熱物理［12］等多學科的知識，還涉及微納加工技術［13］和界面工程［14］等技術領域的信息，是智能制造技術的重點。自德國植物學家Barthlott提出荷葉表面均勻分布的微米乳突是導致水滴在荷葉表面滾動的重要原因［15］，在構件表面制備微納級別的微結構已成為改變表面潤濕的主要途徑。

本文以帶有不同微結構表面液滴接觸角演變觀測研究為背景，對比均勻分布和非均勻分布微結構表面潤濕性，結合智能制造等多學科技術應用，擬設計一套精密溫控、多傾斜角度、多液體工質(zhì)下，固液界面接觸角、滾動角和三相接觸線檢測及觀測的實驗系統(tǒng)［16］。以開展本科智能制造專業(yè)的基礎性教學及研究生開展智能儀器設計相關的進階型實驗。

1 實驗系統(tǒng)原理及特性

1.1 實驗系統(tǒng)工作原理

精密溫控、多傾斜角度、多液體工質(zhì)下，固液界面接觸角、滾動角和三相接觸線檢測及觀測的實驗系統(tǒng)總體結構如圖1 所示，主要由檢測件位置調(diào)整及基準定位模塊，檢測件表面傾斜角度控制模塊，檢測件表面轉(zhuǎn)角控制模塊，模糊PID 溫度控制模塊以及固液界面潤濕性檢測模塊等部分組成。具體工作原理如下：

圖1 實驗系統(tǒng)總體結構示意圖

（1）檢測件位置調(diào)整及基準定位模塊。PLC向伺服驅(qū)動器發(fā)送高速脈沖指令，伺服驅(qū)動器根據(jù)接受的脈沖信號和設置參數(shù)輸出電壓和電流，控制伺服電動機，驅(qū)動載板在高精密線性滑塊導軌上移動。同時將編碼器的信號與PLC的脈沖信號進行對比，實現(xiàn)載板在X、Y、Z3 個方向上精確定位和調(diào)整，實現(xiàn)基準定位。

（2）檢測件表面傾斜角度控制模塊。伺服驅(qū)動器接收PLC發(fā)送的脈沖指令并控制伺服電動機4 帶動蝸輪蝸桿機構運動，使平臺旋轉(zhuǎn)到設定角度位置，編碼器向PLC反饋角度值，形成1 個閉環(huán)控制，在電動機座上刻有分度值，便于直接觀察傾斜角度。

（3）檢測件表面轉(zhuǎn)角控制模塊。設定相應角度參數(shù)后，PLC發(fā)送高速脈沖指令，伺服驅(qū)動器帶動伺服電動機5 控制旋轉(zhuǎn)平臺達到指定旋轉(zhuǎn)角度位置，并實時反饋角度值。

（4）模糊PID溫控工作模塊。傳熱板的溫度需要快速準確控制。傳統(tǒng)的PID控制在參數(shù)設定之后是不變的。當被控對象溫度需要穩(wěn)定在一個溫度范圍時，PID控制就不具備自適應的特性。而模糊PID通過模糊邏輯算法推算出PID的3 個參數(shù)，并且3 個參數(shù)會隨外界溫度的變化自動調(diào)節(jié)，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故采用模糊PID控制實現(xiàn)傳熱板的恒溫控制，其控制原理如圖2 所示。

圖2 模糊PID控制原理

模糊PID 控制將定值與實際輸出值的偏差的比例、積分、微分通過線性組合形成控制量，對被控對象進行控制，其控制的微分方程如下［16］：

式中：u為輸出電壓；e為溫度誤差；Kp、Ki、Kd分別為PID控制調(diào)節(jié)的比例系數(shù)、積分時間常數(shù)及微分時間常數(shù)。系統(tǒng)經(jīng)過第1 次PID 控制后，得到溫度誤差e和溫度誤差率ec，溫度誤差和溫度誤差率經(jīng)過模糊化處理，再進行模糊推理和反模糊化，得到PID參數(shù)Kp、Ki、Kd的變化量。這3 個變化量與之前初始的設定值相加后重新進行二次PID 調(diào)節(jié)，最終輸出結果傳給被控對象，整個系統(tǒng)是一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)傳熱板溫度的精準控制。

（5）固液界面潤濕性檢測模塊。本實驗系統(tǒng)可適用不同液體工質(zhì)的檢測。在旋轉(zhuǎn)平臺上放置具有不同微結構的材料測試件，滴加設定容量的液滴，觀測測試件表面液滴呈現(xiàn)出不同的表觀接觸角θ（見圖3）。

圖3 表觀接觸角示意圖

理解液滴對表面潤濕的表現(xiàn)與實質(zhì)對應聯(lián)系。接觸角滯后是液滴對表面潤濕性的1 個重要指標，當液滴穩(wěn)定在樣品表面，轉(zhuǎn)動傾斜平臺，液滴剛要向下滾動時，液滴的前進接觸角β 與后退接觸角α之差為接觸角滯后。通過拍攝傾斜平臺傾斜時液滴將要滾動時兩個接觸角度之差（β－α）就得到接觸角滯后的量化指標，且此時傾斜平臺的傾角γ稱之為滾動角，也是潤濕性的評價指標之一，如圖4 所示。傾斜平臺傾斜一個角度后，液滴會滑落樣品表面或者粘附在其表面且呈現(xiàn)的潤濕狀態(tài)是不同的。圖5 所示為固液界面潤濕性測量模塊，采用高速顯微相機可實時監(jiān)測液滴滴落到檢測件表面的整個潤濕過程，實驗系統(tǒng)采用2 個高速顯微攝像機（高速相機1 位于液滴正上方，高速相機2位于液滴側(cè)方），每秒拍攝80 張圖片。液滴所在的測試件固定平臺可實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，結合平臺的旋轉(zhuǎn)角度，高速顯微攝像機可以記錄測試件表面液滴潤濕過程的畫面，提供多角度的接觸角測量，并確保測量的準確性。

圖4 接觸角滯后及滾動角示意圖

圖5 固液界面潤濕性測量模塊

此外，檢測液滴接觸角≤90°時，俯視的高速相機1 能清晰拍攝液滴的輪廓線，結合旋轉(zhuǎn)平臺和高速相機2，再借助圖像處理軟件擬合檢測液滴的三相接觸線，如圖6 所示。

圖6 三相接觸線示意圖

1.2 實驗系統(tǒng)特性

本文設計的實驗系統(tǒng)主要特性：溫控箱溫控范圍為0～120 ℃，±0.1 ℃；X、Y、Z三軸移動的行程為100 mm，重復定位精度為1 μm，定位精度為3 μm；平臺傾斜的范圍為－90°～90°，±0.1°；旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)范圍為360°，±0.1°。

2 實驗系統(tǒng)的機械結構

2.1 X、Y、Z三軸移動平臺

圖7 所示為實驗系統(tǒng)的三軸移動平臺裝配組成，主要由X、Y、Z3 個方向的伺服電動機1～3、底座1～3、載板1～3、高精度滾珠絲杠1～3、高精密線性滑塊導軌1～3 組成。由圖可知，底座1 固定在水平面，上方的導軌1 與接載板1 連接，載板1 在導軌方向上的最大位移處有限位擋板，伺服電動機1 固定在底座1上，底座1 內(nèi)部水平放置的高精密滾珠絲杠通過聯(lián)軸器與伺服電動機軸相連。底座2 固定在載板1 的上方，上方與高精密線性滑軌2 連接，伺服電動機2 與底座2 內(nèi)的滾珠絲杠2 相連。底座3 豎直固定在載板2上，內(nèi)部和上方分為有滾珠絲杠3 和高精密線性滑軌3，伺服電動機3 與滾珠絲杠3 相連。實現(xiàn)X、Y、Z3 個方向的精確定位和移動。

圖7 X、Y、Z三軸移動平臺裝配組成

2.2 傾角平臺結構

傾斜平臺的結構由伺服電動機4、電動機座以及傾斜平臺組成，如圖8 所示。由圖可知，電動機座固定在Z軸移動平臺的載板3 上，電動機座上有旋轉(zhuǎn)平臺，旋轉(zhuǎn)范圍－90°～90°。伺服電動機4 安裝在電動機座上，電動機軸通過聯(lián)軸器與蝸桿相連，驅(qū)動蝸輪蝸桿機構帶動電動機座上的平臺旋轉(zhuǎn)，達到設定的傾斜角度位置。電動機座表面上刻有分度線，可實時讀取傾斜平臺的傾斜角度。

圖8 傾斜平臺結構

2.3 旋轉(zhuǎn)平臺結構

旋轉(zhuǎn)平臺主要由電動機座、伺服電動機5、載物臺以及溫控箱組成，如圖9 所示。由圖可知，電動機座固定在傾斜平臺上，伺服電動機5 安裝在電動機座上，電動機軸與蝸桿相連，通過蝸輪蝸桿機構帶動上方平臺實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)。平臺上有溫控箱，載物臺在溫控箱上方，內(nèi)含傳熱板。

圖9 旋轉(zhuǎn)平臺結構

3 實驗系統(tǒng)的電氣模塊

3.1 電氣模塊

本文設計的多功能高精密潤濕性測量實驗系統(tǒng)，對應控制模塊需根據(jù)實驗所需的X、Y、Z坐標、溫度、轉(zhuǎn)角以及傾角等因素進行設計。控制模塊的硬件部分由人機界面、S7-200 系列PLC、模擬量和數(shù)字量I／O模塊、伺服驅(qū)動器、伺服電動機及溫度控制器組成。在PC機上用STEP 7-Micro ／WIN 軟件進行控制的設計及用梯形圖的方式進行PLC 編程。伺服驅(qū)動器選用ASDA-A2 系列，PLC 向伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖信號，根據(jù)信號對伺服電動機的控制，實現(xiàn)X、Y、Z3 個方向的準確移動和精確定位，平臺的傾斜角度和旋轉(zhuǎn)平臺的轉(zhuǎn)角。PLC 通過模擬量I／O 模塊實時采集傳熱板溫度；經(jīng)過A／D 轉(zhuǎn)換和模糊PID 運算，通過數(shù)字量I／O模塊對加熱器的功率進行控制，實現(xiàn)溫控箱的恒溫控制。

圖10 所示為伺服驅(qū)動器與伺服電動機的驅(qū)動和控制原理圖。由圖10 可知，該控制模塊由強電回路和弱電回路組成。強電回路由伺服驅(qū)動器RST 3 個端子接入220 V的三相交流電。弱電回路的L1c和L2c端子作為主電源電路輸入回路與單相交流電源連接。編碼器的A、B、C信號以差動的方式輸出，反饋伺服電動機的行程，與PLC 發(fā)出的脈沖信號對比，形成1 個閉環(huán)系統(tǒng)。

圖10 伺服驅(qū)動器與伺服電動機的驅(qū)動和控制原理

根據(jù)實驗系統(tǒng)對溫控箱內(nèi)傳熱板的溫度設計要求，設計了圖11 所示的溫度控制回路。由輸入、輸出和溫度模塊EM231 組成。輸入端的啟動按鈕、停止按鈕以及保護開關由24 V 直流電源供電。輸出端的運行、停止和報警指示燈判斷溫控箱運行情況。溫度模塊中的PT100 溫度傳感器檢測加熱板的溫度，并將溫度信號轉(zhuǎn)化為對應的電信號，PLC 進行溫度調(diào)節(jié)。在加熱狀態(tài)時，繼電器接通，加熱板進行加熱，無需加熱時，繼電器自動斷開，加熱板停止加熱。

圖11 溫控箱的溫度控制原理

3.2 PLC控制

在PC機中，使用STEP 7-Micro ／WIN軟件編寫實現(xiàn)控制要求與功能的PLC 程序。該實驗系統(tǒng)的自動控制流程如圖12 所示。由圖可知，該系統(tǒng)主要包括自動控制和參數(shù)設置2 個模塊。

自動控制模塊在實驗系統(tǒng)準備運行階段進行系統(tǒng)自檢，檢查無誤后根據(jù)設定的X、Y、Z3 個方向上的坐標、傳熱板溫度、平臺傾角、轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角自動運行，并實時反饋X、Y、Z3 個方向的坐標值、傳熱板溫度、平臺傾角，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角，與設定參數(shù)對比，進行誤差補償，達到設定狀態(tài)。

參數(shù)設置模塊主要對實驗所需參數(shù)進行設置，當設置參數(shù)超過其量程時，自動報警。

3.3 人機界面

為更好地實現(xiàn)人機交互，根據(jù)實驗系統(tǒng)自動控制流程圖，設計了人機交互模塊。如圖13 所示的實驗系統(tǒng)監(jiān)控界面，人機界面設置包括了X、Y、Z3 個方向的坐標、傾角、轉(zhuǎn)角以及溫度值。在實驗系統(tǒng)運行過程中，人機界面上實時顯示參數(shù)和液滴畫面。能及時保存實驗系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性進行評判。人機界面還包括啟動鍵、暫停鍵、復位鍵和運行、報警、以及停止指示燈，方便操作實驗系統(tǒng)以及監(jiān)控實驗系統(tǒng)運行狀態(tài)。

圖13 實驗系統(tǒng)監(jiān)控界面

4 實驗案例

最終搭建的測試系統(tǒng)結構緊湊，空間利用率高，功能較多，能支持基礎型、多樣化教學實驗，以及進階型、高階型研究性實驗。

（1）經(jīng)典的機電伺服控制實驗。實驗根據(jù)X、Y、Z三軸方向精確定位以及傾斜平臺精準角度的需求。

（2）PLC邏輯編程實驗。實驗可通過使用編程軟件STEP 7-Micro ／WIN，編寫試驗臺控制X、Y、Z三軸方向和轉(zhuǎn)臺傾斜角度的伺服電動機的啟動與停止。

（3）PID溫度控制實驗。實驗針對傳統(tǒng)PID控制方法，對比采用模糊PID控制理論及自適應算法，建立本實驗臺加熱控制的模糊準則及相關系統(tǒng)誤差，進行參數(shù)調(diào)整。

（4）構件表面潤濕參數(shù)測量實驗。實驗通過不同材料構件表面在相同高度下滴入固定容量的液滴，測試液滴在固液界面上的接觸角、滾動角和三相接觸線。結合高速顯微相機拍攝的影像資料，理解分析潤濕表征參數(shù)的內(nèi)涵與實質(zhì)。

（5）構件表面微結構對潤濕性參數(shù)的影響觀測實驗。實驗通過對比表面具有不同幾何形態(tài)（圓形、三角形、矩形等）和分布形式（均勻、非均勻）的相同微結構材料的測試件在相同高度下滴入確定容量的液滴過程中，觀察液滴潤濕演變過程的不同。結合高速顯微相機拍攝的影像資料，測試表面微結構改變界面自由能，可以改變潤濕性。

（6）溫度對微結構表面潤濕性參數(shù)的影響觀測實驗。實驗通過對比相同材料且具有相同微結構的測試表面，觀察構件在不同溫度情況下滴入相同容量液滴，界面潤濕性的變化規(guī)律。

5 結 語

本文設計了一款可針對溫度、角度、微結構多因素改變下的構件表面潤濕性檢測實驗系統(tǒng)，與普通實驗設備相比，結構緊湊、功能多樣、操作方便，能完成多個不同層次需求的教學實驗和研究測試：①本實驗系統(tǒng)能開展經(jīng)典機電伺服傳動控制、PLC 編程設計、模糊PID溫度控制等實驗；②該試驗系統(tǒng)能開展改變檢測件傾斜角度、液滴工質(zhì)及容量等影響因素下構件表面潤濕性能改變規(guī)律的研究性測試；③該測試系統(tǒng)能實現(xiàn)多種微結構表面形態(tài)、材質(zhì)和液滴工質(zhì)的靜態(tài)、動態(tài)潤濕性指標檢測。可滿足智能制造專業(yè)基礎課程的實驗教學、研究提高型實驗訓練、研究生項目研究的測試需求等。

本實驗系統(tǒng)為智能制造專業(yè)實驗室建設提供了有效、實用、先進的設備保障，具有較高的實驗應用價值。