基于虛擬儀器的納米顆粒復(fù)合電刷鍍工藝過程自動(dòng)化研究.pdf

1、零件的再制造是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品再制造的基礎(chǔ)，這是因?yàn)樵僦圃飚a(chǎn)品的性能提升與尺寸恢復(fù)主要是通過產(chǎn)品中關(guān)鍵零部件的性能提升與尺寸恢復(fù)來實(shí)現(xiàn)。電刷鍍技術(shù)被廣泛應(yīng)用于零件表面修復(fù)與強(qiáng)化，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，因而可以成為零件再制造的技術(shù)手段之一。為解決傳統(tǒng)電刷鍍工藝因勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低以及鍍層質(zhì)量不穩(wěn)定而難以滿足再制造的需要等問題，將虛擬儀器技術(shù)引入電刷鍍工藝過程，以實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)檢測的自動(dòng)化、鍍筆和工件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡控制的自動(dòng)化、鍍液

2、供給及切換的自動(dòng)化以及工藝參數(shù)調(diào)整的自動(dòng)化。 自動(dòng)化電刷鍍工藝過程首先需要檢測刷鍍電壓、刷鍍電流、電流密度、鍍層沉積速度、鍍層厚度、陽極(鍍筆)與工件之間的接觸壓力、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡等工藝參數(shù)的變化。 為實(shí)現(xiàn)刷鍍電壓的實(shí)時(shí)檢測和控制，開發(fā)了虛擬儀器。在該儀器中，刷鈹電壓由霍耳電壓傳感器檢測，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，從而測得刷鍍電壓。該儀器利用D/A轉(zhuǎn)換和可控硅實(shí)現(xiàn)了刷鍍電壓大小的自動(dòng)調(diào)整，

3、從而可以滿足電凈、活化、打底、工作層鍍覆等工序?qū)λ㈠冸妷旱牟煌?；在工作層鍍覆階段，該儀器能根據(jù)鍍液溫度、鍍層沉積速度以及電流密度變化調(diào)整刷鍍電壓；該儀器還利用DAQ的數(shù)字輸出端口及接觸器實(shí)現(xiàn)了輸出電壓極性的自動(dòng)切換。 為實(shí)現(xiàn)刷鍍電流、電流密度和沉積速度的檢測，也開發(fā)了虛擬儀器。在該儀器中，刷鍍電流由霍耳電流傳感器檢測，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，電流、電流密度以及沉積速度得以顯示和記錄。若電流或者電

4、流密度異常，則儀器報(bào)警。 鍍層厚度的實(shí)時(shí)在線精確檢測是刷鍍工藝過程的難點(diǎn)之一，這是因?yàn)殄儗雍穸?單層)一般為10-100μm，而且工件在運(yùn)動(dòng)。采用了兩種方法解決這一問題。其一，開發(fā)了基于法拉第電解定律的鍍層厚度檢測虛擬儀器，該儀器能精確計(jì)量刷鍍工藝過程中的耗電量，并根據(jù)耗電系數(shù)和工件平均刷鍍面積來確定鍍層厚度。這種方法適合平面及圓柱體工件表面的刷鍍；其二，針對(duì)圓柱體工件表面的刷鍍還開發(fā)了基于渦流效應(yīng)的鍍層厚度檢測虛擬儀器。該儀器

5、中的渦流傳感器具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其探頭沿工件徑向安裝，并接近工件表面。在刷鍍工藝過程中，探頭感測鍍層厚度變化，并將它轉(zhuǎn)換成合適的電壓信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，鍍層厚度可以顯示和記錄。在該儀器中，還采用了移動(dòng)平均濾波和非模型修正算法提高測量精度。 在刷鍍工藝過程中，陽極包套一旦破(磨)損會(huì)引起刷鍍電流突然上升，并影響鍍層質(zhì)量。由于信號(hào)突變?cè)谛〔ㄗ儞Q的高頻分量(Details)表現(xiàn)較為明顯，因此根據(jù)Db5的第五級(jí)高頻分量c

6、d5、cd5的平均值(cd5)以及均方根值(RMS)計(jì)算z=∫(cd5(i)-(cd5))dt/rms(cd5)，并與閥值z(mì)s比較，從而判別是否出現(xiàn)電流突變。由于包套破損引起刷鍍電流會(huì)突變，從而導(dǎo)致電流的均方根值也高于正常值Is，根據(jù)這一特性也可以識(shí)別電流突變?；谏鲜鰞煞N算法開發(fā)了虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)了包套破(磨)的檢測。 鍍覆區(qū)域的鍍液溫度對(duì)鍍層質(zhì)量影響較大，但不易測量?；诩t外測溫原理開發(fā)了鍍液溫度檢測虛擬儀器，方法是：將紅外溫

7、度傳感器的探頭置于工件上方，并對(duì)準(zhǔn)鍍覆區(qū)域以接受來自鍍液的紅外輻射，該輻射轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，鍍液溫度得以顯示和記錄。該儀器利用標(biāo)定、環(huán)境溫度補(bǔ)償以及非模型修正算法補(bǔ)償背景輻射對(duì)測量結(jié)果的影響，從而提高了測量精度。 陽極(鍍筆)和工件之間的壓力影響刷鍍電流和電流密度。為檢測該壓力，將定制的壓力傳感器安裝于鍍筆施力機(jī)構(gòu)，并開發(fā)了相應(yīng)的虛擬儀器。 為了提高刷鍍工藝過程的自動(dòng)化水平，

8、以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，特別是為了適應(yīng)批量零件的刷鍍作業(yè)的要求，開發(fā)了專用自動(dòng)化刷鍍?cè)O(shè)備和專用的數(shù)控系統(tǒng)(普通的數(shù)控系統(tǒng)不具備開放性，難以和工藝參數(shù)檢測虛擬儀器相集成)。該設(shè)備提供工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、鍍筆沿工件徑向運(yùn)動(dòng)以及鍍筆沿工件軸向運(yùn)動(dòng)，并能控制鍍筆和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和軌跡以獲得均勻分布的鍍層。該設(shè)備還實(shí)現(xiàn)了鍍液、清洗液自動(dòng)供給及自動(dòng)切換等功能。為了便于在刷鍍過程中檢測和控制鍍筆和工件之間的壓力，還設(shè)計(jì)了鍍筆施力機(jī)構(gòu)。

9、 利用所開發(fā)的設(shè)備進(jìn)行了正交試驗(yàn)，并制備了納米顆粒復(fù)合鍍層。試驗(yàn)按照L9(34)選取刷鍍電壓、鍍筆與工件之間的壓力、鍍筆與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度三個(gè)因素，每個(gè)因素取三個(gè)水平。試驗(yàn)結(jié)果表明：自動(dòng)化鍍層分布均勻、晶粒尺寸小，鍍層中的納米顆粒含量高，鍍層硬度高。試驗(yàn)結(jié)果的方差分析表明：和鍍筆與工件之間的相對(duì)速度以及壓力相比，刷鍍電壓是影響鍍層中納米顆粒含量、納米硬度、彈性模量、沉積速度以及鍍液溫度的主要因素；試驗(yàn)結(jié)果的多指標(biāo)分析表明：對(duì)于n

10、-Al2O3/Ni復(fù)合鍍層的刷鍍，其優(yōu)化工藝參數(shù)為：刷鍍電壓：12.0V，鍍筆和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度：3.0m/min，鍍筆和工件之間的壓力為；1.0N。 為了提高鍍層質(zhì)量，根據(jù)手工刷鍍操作人員的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了包括鍍層厚度、電流密度、沉積速度以及鍍液溫度四個(gè)輸入變量和工件轉(zhuǎn)速、刷鍍電壓、鍍筆的縱向移動(dòng)速度以及鍍液流量四個(gè)輸出變量的模糊控制器。為滿足實(shí)時(shí)控制要求和簡化模糊控制器設(shè)計(jì)，采用了兩級(jí)模糊控制。該控制器能根據(jù)鍍層厚度的不同

11、階段，向工件轉(zhuǎn)速、刷鍍電壓、鍍筆的縱向移動(dòng)速度以及鍍液流量四個(gè)各由125條規(guī)則構(gòu)成的子模糊控制器的輸出賦予不同的權(quán)重系數(shù)，從而調(diào)節(jié)這些參量。應(yīng)用結(jié)果表明模糊控制器運(yùn)行穩(wěn)定。 為了簡化設(shè)備操作，將電刷鍍工藝參數(shù)檢測虛擬儀器、數(shù)控系統(tǒng)(包括運(yùn)動(dòng)控制和鍍液供給、切換控制)以及刷鍍工藝過程的模糊控制器相集成，僅用一個(gè)虛擬面板實(shí)現(xiàn)了預(yù)置參數(shù)輸入、工藝參數(shù)顯示、數(shù)據(jù)記錄以及儀器操作等功能，從而為自動(dòng)化電刷鍍工藝過程開發(fā)了一個(gè)相對(duì)完整的測控系

12、統(tǒng)。 最后分析了影響虛擬儀器測量不確定度的主要因素，提出了虛擬儀器不確定度評(píng)估方法。對(duì)于虛擬儀器直接測量，由于被測量是直接利用物理定律加以確定，因而可以先利用B類不確定度評(píng)估方法以及Gram-Chariler級(jí)數(shù)分別確定傳感器、信號(hào)調(diào)理器、A/D轉(zhuǎn)換以及DSP的不確定度，之后再確定直接測量不確定度，然后再分別計(jì)算它們的相對(duì)不確定度以及合成相對(duì)不確定度，并結(jié)合測量結(jié)果確定直接測量的不確定度。對(duì)于虛擬儀器間接測量，由于被測量是若干變

13、量的函數(shù)，這些變量的測量不確定度可以利用“直接測量不確定度方法”加以確定，之后再應(yīng)用“不確定傳播定律”確定被測量的不確定度。將上述方法應(yīng)用于電刷鍍工藝過程，計(jì)算了鍍層厚度、刷鍍電流、電壓及發(fā)熱功率的測量不確定度。 應(yīng)用結(jié)果表明：(1)和手工鍍層相比，自動(dòng)化刷鍍鍍層分布均勻、致密，晶粒度小，特別是對(duì)于納米顆粒復(fù)合鍍層的刷鍍，自動(dòng)化刷鍍鍍層中的納米顆粒含量明顯高于同樣刷鍍規(guī)范下的手工鍍層；影響鍍層質(zhì)量的主要因素是刷鍍電壓。由于所開發(fā)

14、自動(dòng)化刷鍍?cè)O(shè)備的生產(chǎn)率遠(yuǎn)高于手工刷鍍，而且鍍層質(zhì)量穩(wěn)定，因而可以應(yīng)用于批量零件的再制造。 (2)開發(fā)的虛擬儀器實(shí)現(xiàn)了刷鍍工藝參數(shù)的集成檢測，并實(shí)現(xiàn)了預(yù)置參數(shù)輸入、儀器操作、工藝參數(shù)的顯示、記錄和報(bào)警等功能，簡化了儀器操作。 (3)開發(fā)的模糊控制器可以在刷鍍過程中根據(jù)鍍層厚度、鍍層沉積速度、鍍液溫度、電流密度參數(shù)的變化及時(shí)調(diào)整工件和鍍筆之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、刷鍍電壓、鍍筆的縱向移動(dòng)速度以及鍍液流量，而且運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足自動(dòng)