基于虛擬儀器的納米顆粒復合電刷鍍工藝過程自動化研究.pdf

1、零件的再制造是實現(xiàn)產(chǎn)品再制造的基礎(chǔ)，這是因為再制造產(chǎn)品的性能提升與尺寸恢復主要是通過產(chǎn)品中關(guān)鍵零部件的性能提升與尺寸恢復來實現(xiàn)。電刷鍍技術(shù)被廣泛應用于零件表面修復與強化，并取得了顯著的經(jīng)濟效益，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)電刷鍍工藝因勞動強度大、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，以實現(xiàn)工藝參數(shù)檢測的自動化、鍍筆和工件之間相對運動速度和相對運動軌跡控制的自動化、鍍液

2、供給及切換的自動化以及工藝參數(shù)調(diào)整的自動化。 自動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、相對運動速度和相對運動軌跡等工藝參數(shù)的變化。 為實現(xiàn)刷鍍電壓的實時檢測和控制，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)過信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后進入計算機進行處理，從而測得刷鍍電壓。該儀器利用D/A轉(zhuǎn)換和可控硅實現(xiàn)了刷鍍電壓大小的自動調(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現(xiàn)了輸出電壓極性的自動切換。 為實現(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)信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后進入計算機進行相應的處理后，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，則儀器報警。 鍍層厚度的實時在線精確檢測是刷鍍工藝過程的難點之一，這是因為鍍層厚度(單層)一般為10-100μm，而且工件在運動。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，針對圓柱體工件表面的刷鍍還開發(fā)了基于渦流效應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態(tài)響應，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，對這些信號進行相應的處理后，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)損會引起刷鍍電流突然上升，并影響鍍層質(zhì)量。由于信號突變在小波變換的高頻分量(Details)表現(xiàn)較為明顯，因此根據(jù)Db5的第五級高頻分量c

6、d5、cd5的平均值(cd5)以及均方根值(RMS)計算z=∫(cd5(i)-(cd5))dt/rms(cd5)，并與閥值zs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突變，從而導致電流的均方根值也高于正常值Is，根據(jù)這一特性也可以識別電流突變?；谏鲜鰞煞N算法開發(fā)了虛擬儀器，實現(xiàn)了包套破(磨)的檢測。 鍍覆區(qū)域的鍍液溫度對鍍層質(zhì)量影響較大，但不易測量。基于紅外測溫原理開發(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，并對準鍍覆區(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，再經(jīng)過信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換后進入計算機進行處理，鍍液溫度得以顯示和記錄。該儀器利用標定、環(huán)境溫度補償以及非模型修正算法補償背景輻射對測量結(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構(gòu)，并開發(fā)了相應的虛擬儀器。 為了提高刷鍍工藝過程的自動化水平，

8、以減輕勞動強度和提高勞動生產(chǎn)率，特別是為了適應批量零件的刷鍍作業(yè)的要求，開發(fā)了專用自動化刷鍍設備和專用的數(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)。該設備提供工件旋轉(zhuǎn)運動、鍍筆沿工件徑向運動以及鍍筆沿工件軸向運動，并能控制鍍筆和工件之間的相對運動速度和軌跡以獲得均勻分布的鍍層。該設備還實現(xiàn)了鍍液、清洗液自動供給及自動切換等功能。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，還設計了鍍筆施力機構(gòu)。

9、 利用所開發(fā)的設備進行了正交試驗，并制備了納米顆粒復合鍍層。試驗按照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運動速度三個因素，每個因素取三個水平。試驗結(jié)果表明：自動化鍍層分布均勻、晶粒尺寸小，鍍層中的納米顆粒含量高，鍍層硬度高。試驗結(jié)果的方差分析表明：和鍍筆與工件之間的相對速度以及壓力相比，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；試驗結(jié)果的多指標分析表明：對于n

10、-Al2O3/Ni復合鍍層的刷鍍，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運動速度：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，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輸入變量和工件轉(zhuǎn)速、刷鍍電壓、鍍筆的縱向移動速度以及鍍液流量四個輸出變量的模糊控制器。為滿足實時控制要求和簡化模糊控制器設計，采用了兩級模糊控制。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、鍍筆的縱向移動速度以及鍍液流量四個各由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。應用結(jié)果表明模糊控制器運行穩(wěn)定。 為了簡化設備操作，將電刷鍍工藝參數(shù)檢測虛擬儀器、數(shù)控系統(tǒng)(包括運動控制和鍍液供給、切換控制)以及刷鍍工藝過程的模糊控制器相集成，僅用一個虛擬面板實現(xiàn)了預置參數(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，從而為自動化電刷鍍工藝過程開發(fā)了一個相對完整的測控系

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估方法。對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類不確定度評估方法以及Gram-Chariler級數(shù)分別確定傳感器、信號調(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，然后再分別計算它們的相對不確定度以及合成相對不確定度，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，之后再應用“不確定傳播定律”確定被測量的不確定度。將上述方法應用于電刷鍍工藝過程，計算了鍍層厚度、刷鍍電流、電壓及發(fā)熱功率的測量不確定度。 應用結(jié)果表明：(1)和手工鍍層相比，自動化刷鍍鍍層分布均勻、致密，晶粒度小，特別是對于納米顆粒復合鍍層的刷鍍，自動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、自動化刷鍍設備的生產(chǎn)率遠高于手工刷鍍，而且鍍層質(zhì)量穩(wěn)定，因而可以應用于批量零件的再制造。 (2)開發(fā)的虛擬儀器實現(xiàn)了刷鍍工藝參數(shù)的集成檢測，并實現(xiàn)了預置參數(shù)輸入、儀器操作、工藝參數(shù)的顯示、記錄和報警等功能，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)的變化及時調(diào)整工件和鍍筆之間的相對運動速度、刷鍍電壓、鍍筆的縱向移動速度以及鍍液流量，而且運行穩(wěn)定，能夠滿足自動