胡曉冬，馬磊，姚建華，陳智君

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310014)

激光再制造技術(shù)是以已經(jīng)損壞廢舊零件為基體，以金屬粉末作為材料，在具有零件原型的CAD/CAM軟件支持下，CNC (計(jì)算機(jī)數(shù)控)控制激光頭、送粉嘴和機(jī)床按指定空間軌跡運(yùn)動(dòng)，光束與粉末同步輸送，在修復(fù)部位逐層熔覆，最后生成與原型零件近形的三維實(shí)體，再經(jīng)過(guò)后續(xù)加工使修復(fù)后零件的質(zhì)量和各方面的性能達(dá)到甚至超過(guò)新產(chǎn)品的水平[1]，由于它具有開(kāi)發(fā)周期短、成本低，能源消耗少等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、武器制造和機(jī)械電子等行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景[2－3]。

在激光再制造過(guò)程中，送粉器作為激光再制造系統(tǒng)的重要組成部分，主要用來(lái)嚴(yán)格按照制造工藝向工件輸送粉末。激光再制造產(chǎn)品的質(zhì)量很大程度上取決于送粉量是否穩(wěn)定，所以對(duì)送粉率的精確控制是實(shí)現(xiàn)激光再制造的前提?，F(xiàn)階段，在激光再制造中，對(duì)送粉器粉末輸送的調(diào)節(jié)主要是通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且大多數(shù)沒(méi)有反饋系統(tǒng)[4－6];由于在實(shí)際粉末輸送過(guò)程中很容易受到氣壓的波動(dòng)、粉末的團(tuán)聚[7]以及粉末的干燥程度和材料自身復(fù)合特性等的影響，在開(kāi)環(huán)控制中很難做到精確控制送粉率，當(dāng)受到自身或者外界干擾時(shí)，粉末的輸出不穩(wěn)定，所以實(shí)現(xiàn)送粉器的閉環(huán)控制具有重要的意義。作者在自主設(shè)計(jì)的沸騰式送粉器基礎(chǔ)之上，針對(duì)激光再制造對(duì)送粉器控制系統(tǒng)的需求，進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

1 送粉器結(jié)構(gòu)與工作原理

文中設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是基于沸騰式送粉器。所謂沸騰式送粉器，即用氣流將粉末流化或者達(dá)到臨界流化，同時(shí)由氣體將這些流化或者臨界流化的粉末吹送運(yùn)輸?shù)囊环N送粉裝置。沸騰式送粉器能使氣體與粉末混合均勻，不易發(fā)生堵塞。圖1所示為沸騰式送粉器的原理圖。

沸騰進(jìn)氣1 使腔體內(nèi)的粉末達(dá)到流化或者臨界流化狀態(tài)，沸騰進(jìn)氣2控制粉末流化的狀態(tài)，使粉末保持散式流化的狀態(tài)，從而減少氣流波動(dòng)對(duì)粉末流化的影響，穩(wěn)定流化狀態(tài)。圖中粉末輸送管中間有一孔洞與送粉器內(nèi)腔相通，當(dāng)粉末流化或處于臨界流化狀態(tài)時(shí)，送粉進(jìn)氣通過(guò)粉末輸送管，便可將粉末連續(xù)地輸送出。其中，為使粉末能夠順利通過(guò)小孔洞進(jìn)入粉末輸送管中，腔內(nèi)的沸騰氣壓應(yīng)大于送粉進(jìn)氣的氣壓[8]。

圖1 沸騰式送粉器的原理圖

2 送粉器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

沸騰式送粉器是通過(guò)氣流將內(nèi)部的粉末流化并且經(jīng)管道送出，所以控制的主要任務(wù)是對(duì)氣體的流量和壓力進(jìn)行精確控制。文中設(shè)計(jì)的粉末輸送控制系統(tǒng)如圖2所示，其輸送控制過(guò)程:通過(guò)控制器鍵盤設(shè)定好送粉量值，由控制電路產(chǎn)生輸出量將電氣比例閥打開(kāi)到相應(yīng)的開(kāi)度，調(diào)節(jié)沸騰氣體的壓力和流量進(jìn)行送粉，同時(shí)重量傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)送粉量的變化，并把反饋信號(hào)送至控制器，實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)調(diào)整送粉量。

圖2 粉末輸送控制系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)前期對(duì)送粉器的送粉氣體和沸騰氣體相關(guān)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，工作時(shí)保持送粉氣路的壓力和流量為最優(yōu)值不變，通過(guò)電氣比例閥調(diào)節(jié)沸騰氣體的壓力和流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)送粉量的調(diào)節(jié)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

以美國(guó)微芯公司的PIC16F877A 單片機(jī)芯片作為送粉器控制系統(tǒng)的核心器件，設(shè)計(jì)了AD采樣、DA輸出、LED顯示、鍵盤輸入、I/O 輸入輸出以及RS232 通訊等子模塊。根據(jù)系統(tǒng)要求，采用了8M晶振提供時(shí)鐘信號(hào)，此次設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 送粉器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 AD采樣子模塊

傳感器的信號(hào)是由高精度的重量傳感器檢測(cè)到送粉器料筒的質(zhì)量發(fā)生變化，而送出微弱的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)調(diào)理送給AD。盡管PIC 單片機(jī)自身帶有10位的AD轉(zhuǎn)換器，但從粉料桶(加粉料)的質(zhì)量在3 kg左右以及系統(tǒng)要求的采樣頻率考慮，10位AD的分辨率不能滿足。采用美國(guó)TI 公司的ADS8513 作為A/D轉(zhuǎn)換電路芯片，該芯片具有16位的低功率AD轉(zhuǎn)換器，采用SPI 串行的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。這樣減少了對(duì)系統(tǒng)資源的需求，并且最小的采樣頻率為40 kHz。采用內(nèi)部的2.5 V 參考電壓，不需要外部電阻器進(jìn)行校準(zhǔn)。如圖4所示為AD采樣電路。

圖4 AD采樣電路

盡管ADS8513的供電電源是線性電源，但也存在電源噪聲，電源噪聲將會(huì)影響轉(zhuǎn)換輸出的穩(wěn)定度。所以利用鉭電容C10和陶瓷電容C11對(duì)電源進(jìn)行過(guò)濾，進(jìn)一步減小電源的紋波，提高電源質(zhì)量。

2.2.2 DA輸出子模塊

控制系統(tǒng)對(duì)送粉率的控制是通過(guò)電氣比例閥對(duì)沸騰氣路的電壓和流量進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)的。選用日本SMC 公司的ITV1030-211BS型號(hào)的電氣比例閥，其輸入電壓是0～5 V，輸出壓力是0.005～0.5 MPa。輸入電壓與輸出氣壓具有非常好的線性關(guān)系。為了提高電氣比例閥的輸出精度，采用12位的TLV5616芯片。它是TI 公司生產(chǎn)的12位電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有靈活的四線串行接口，其電壓輸出由以下公式給出:滿度值取決于外部基準(zhǔn)，其中Vref是基準(zhǔn)電壓，code是在0～4 095 范圍內(nèi)輸入的數(shù)據(jù)。REF5020是美國(guó)TI 公司的高精度2.048 V電壓基準(zhǔn)集成電路，選用它作為TLV5616的基準(zhǔn)電壓。如圖5所示為DA輸出電路。

圖5 DA輸出電路

在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了OPA277 運(yùn)算放大器，這一系列運(yùn)放的主要特點(diǎn)是低失調(diào)電壓和溫漂，比較穩(wěn)定并且精密度比較高。對(duì)于TLV5616的輸出電壓，可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其大小進(jìn)行調(diào)整，使輸出電壓范圍滿足電氣比例閥的輸入范圍。

2.2.3 RS232 通訊子模塊

控制器在進(jìn)行程序調(diào)試時(shí)，要通過(guò)上位機(jī)來(lái)聯(lián)合調(diào)試，比如對(duì)反饋信號(hào)的分析等。因此設(shè)計(jì)了串口通訊電路來(lái)完成數(shù)據(jù)通訊。該系統(tǒng)采用美國(guó)TI 公司生產(chǎn)的MAX232串口通訊芯片，MAX232芯片使用廣泛、技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的系統(tǒng)，除了必需的硬件條件之外，還需要相應(yīng)的軟件配合才能完成其功能。作者在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上討論系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要包括控制器芯片以及外圍設(shè)備程序的編寫(xiě)，采用子程序模塊設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)用各個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn)所需要的控制。

其軟件總流程如圖6所示。

圖6 送粉器控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

外部設(shè)定值通過(guò)單片機(jī)自身集成的AD 采集，模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)過(guò)程序處理，進(jìn)行查表或者通過(guò)插值算法，得到相應(yīng)的數(shù)字輸出量，再通過(guò)12位的DA 轉(zhuǎn)化為控制模擬量，送至電氣比例閥。反饋監(jiān)測(cè)信號(hào)是由稱重傳感器輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊，通過(guò)16位的AD采樣程序，采集到單片機(jī)中和設(shè)定值進(jìn)行比較，采用PID控制策略，實(shí)現(xiàn)送粉過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與在線調(diào)整。

3 送粉穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

為測(cè)試送粉器控制粉末輸送的穩(wěn)定性和可靠性，根據(jù)以上的系統(tǒng)方案研制了送粉器控制系統(tǒng)樣機(jī)，圖7為控制系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖7 送粉器控制系統(tǒng)

根據(jù)圖7所示的控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)前，設(shè)定氣路總壓力為0.4 MPa，送粉氣路的壓力為0.3 MPa，流量為3.5 L/min。上端出氣口氣流量為1.0 L/min。通過(guò)控制電氣比例閥的輸入電壓來(lái)控制沸騰氣路的壓力和流量。實(shí)驗(yàn)采用140～200 目(109～75 μm)Ni 基合金粉末。粉末烘干處理后，在干燥環(huán)境中進(jìn)行，并BS-224S型電子天枰(量程200 g，重復(fù)精度±0.1 mg)測(cè)量每分鐘輸送粉末的質(zhì)量。在設(shè)定送粉率3～30 g/min之間，設(shè)定6個(gè)送粉率值Q，并對(duì)每一設(shè)定值Q 進(jìn)行6次重復(fù)測(cè)試。

圖8 送粉速率與時(shí)間的關(guān)系曲線

由圖8可以看出，在同一設(shè)定值下，所測(cè)時(shí)間內(nèi)送粉速度與時(shí)間的關(guān)系曲線基本是一條與時(shí)間軸平行的曲線，說(shuō)明送粉器具有良好的工作穩(wěn)定性。送粉穩(wěn)定性可用送粉誤差評(píng)定，表示為:

其中:S為每組數(shù)據(jù)均方根誤差，大小為:

Mi為第i次送粉速率。Δ是每組送粉實(shí)驗(yàn)的平均速率，大小為:

對(duì)每組實(shí)驗(yàn)的送粉誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到圖9所示的曲線。在不同的設(shè)定值下誤差始終控制在2.3%以內(nèi)，顯示了良好的送粉穩(wěn)定性。

圖9 粉末的送粉誤差曲線

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于PIC 單片機(jī)的送粉器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)電氣比例閥來(lái)控制沸騰氣路的壓力和流量，通過(guò)高精度重量傳感器的實(shí)時(shí)反饋，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)送粉過(guò)程的閉環(huán)控制。控制器由基于PIC 單片機(jī)的外圍電路組成，采用了數(shù)字PID控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:該系統(tǒng)控制精度高，穩(wěn)定性好，在激光再制造領(lǐng)域具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

【1】李養(yǎng)良，金海霞，白小波，等.激光熔覆技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].熱處理技術(shù)與裝備，2009，30(4):1－5.

【2】孫拂曉.激光熔覆技術(shù)研究[J].激光雜志，2010，31(4):49－50.

【3】揚(yáng)洗陳，李會(huì)山，王云山，等.用于重大裝備修復(fù)的激光再制造技術(shù)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2003，40(10):53－57.

【4】黃為.單片微機(jī)控制的激光熔覆同步送粉器的研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2005.

【5】于福鑫，楊光，王維.激光快速成形送粉器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2010，23(2):151－153.

【6】AMIT Suri，MASAYUKI Horio.A Novel Cartridge Type Powder Feeder[J].Powder Technology，2009，189:497－507.

【7】程克勤.粉粒狀物料性能與其氣力輸送特性[J].硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程，2004(6):13－24.

【8】胡曉冬，羅鋮，陳智君，等.用于激光再制造的沸騰式送粉器設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2012，40(7):4－7.