基于單片機的激光再制造送粉器控制系統研究

胡曉冬，馬磊，姚建華，陳智君

(浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室，浙江杭州310014)

激光再制造技術是以已經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 (計算機數控)控制激光頭、送粉嘴和機床按指定空間軌跡運動，光束與粉末同步輸送，在修復部位逐層熔覆，最后生成與原型零件近形的三維實體，再經過后續加工使修復后零件的質量和各方面的性能達到甚至超過新產品的水平[1]，由于它具有開發周期短、成本低，能源消耗少等優點，在航空航天、武器制造和機械電子等行業具有良好的應用前景[2－3]。

在激光再制造過程中，送粉器作為激光再制造系統的重要組成部分，主要用來嚴格按照制造工藝向工件輸送粉末。激光再制造產品的質量很大程度上取決于送粉量是否穩定，所以對送粉率的精確控制是實現激光再制造的前提。現階段，在激光再制造中，對送粉器粉末輸送的調節主要是通過對電機轉速的調節來實現，并且大多數沒有反饋系統[4－6];由于在實際粉末輸送過程中很容易受到氣壓的波動、粉末的團聚[7]以及粉末的干燥程度和材料自身復合特性等的影響，在開環控制中很難做到精確控制送粉率，當受到自身或者外界干擾時，粉末的輸出不穩定，所以實現送粉器的閉環控制具有重要的意義。作者在自主設計的沸騰式送粉器基礎之上，針對激光再制造對送粉器控制系統的需求，進行設計并實現閉環控制。

1 送粉器結構與工作原理

文中設計的控制系統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到臨界流化，同時由氣體將這些流化或者臨界流化的粉末吹送運輸的一種送粉裝置。沸騰式送粉器能使氣體與粉末混合均勻，不易發生堵塞。圖1所示為沸騰式送粉器的原理圖。

沸騰進氣1 使腔體內的粉末達到流化或者臨界流化狀態，沸騰進氣2控制粉末流化的狀態，使粉末保持散式流化的狀態，從而減少氣流波動對粉末流化的影響，穩定流化狀態。圖中粉末輸送管中間有一孔洞與送粉器內腔相通，當粉末流化或處于臨界流化狀態時，送粉進氣通過粉末輸送管，便可將粉末連續地輸送出。其中，為使粉末能夠順利通過小孔洞進入粉末輸送管中，腔內的沸騰氣壓應大于送粉進氣的氣壓[8]。

圖1 沸騰式送粉器的原理圖

2 送粉器控制系統設計

2.1 總體方案

沸騰式送粉器是通過氣流將內部的粉末流化并且經管道送出，所以控制的主要任務是對氣體的流量和壓力進行精確控制。文中設計的粉末輸送控制系統如圖2所示，其輸送控制過程:通過控制器鍵盤設定好送粉量值，由控制電路產生輸出量將電氣比例閥打開到相應的開度，調節沸騰氣體的壓力和流量進行送粉，同時重量傳感器實時檢測送粉量的變化，并把反饋信號送至控制器，實現在線自動調整送粉量。

圖2 粉末輸送控制系統

經過前期對送粉器的送粉氣體和沸騰氣體相關參數的實驗優化，工作時保持送粉氣路的壓力和流量為最優值不變，通過電氣比例閥調節沸騰氣體的壓力和流量，從而實現對送粉量的調節。

2.2 硬件設計

以美國微芯公司的PIC16F877A 單片機芯片作為送粉器控制系統的核心器件，設計了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。根據系統要求，采用了8M晶振提供時鐘信號，此次設計的硬件結構如圖3所示。

圖3 送粉器控制系統硬件結構圖

2.2.1 AD采樣子模塊

傳感器的信號是由高精度的重量傳感器檢測到送粉器料筒的質量發生變化，而送出微弱的電壓信號，再經過調理送給AD。盡管PIC 單片機自身帶有10位的AD轉換器，但從粉料桶(加粉料)的質量在3 kg左右以及系統要求的采樣頻率考慮，10位AD的分辨率不能滿足。采用美國TI 公司的ADS8513 作為A/D轉換電路芯片，該芯片具有16位的低功率AD轉換器，采用SPI 串行的方式進行數據輸出。這樣減少了對系統資源的需求，并且最小的采樣頻率為40 kHz。采用內部的2.5 V 參考電壓，不需要外部電阻器進行校準。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，電源噪聲將會影響轉換輸出的穩定度。所以利用鉭電容C10和陶瓷電容C11對電源進行過濾，進一步減小電源的紋波，提高電源質量。

2.2.2 DA輸出子模塊

控制系統對送粉率的控制是通過電氣比例閥對沸騰氣路的電壓和流量進行控制實現的。選用日本SMC 公司的ITV1030-211BS型號的電氣比例閥，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 公司生產的12位電壓輸出型數模轉換器，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，其中Vref是基準電壓，code是在0～4 095 范圍內輸入的數據。REF5020是美國TI 公司的高精度2.048 V電壓基準集成電路，選用它作為TLV5616的基準電壓。如圖5所示為DA輸出電路。

圖5 DA輸出電路

在系統中設計了OPA277 運算放大器，這一系列運放的主要特點是低失調電壓和溫漂，比較穩定并且精密度比較高。對于TLV5616的輸出電壓，可以根據實際需要對其大小進行調整，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

控制器在進行程序調試時，要通過上位機來聯合調試，比如對反饋信號的分析等。因此設計了串口通訊電路來完成數據通訊。該系統采用美國TI 公司生產的MAX232串口通訊芯片，MAX232芯片使用廣泛、技術成熟、性能穩定。

2.3 軟件設計

一個完整的系統，除了必需的硬件條件之外，還需要相應的軟件配合才能完成其功能。作者在硬件系統的基礎之上討論系統軟件設計，主要包括控制器芯片以及外圍設備程序的編寫，采用子程序模塊設計，通過調用各個子程序實現所需要的控制。

其軟件總流程如圖6所示。

圖6 送粉器控制系統軟件結構框圖

外部設定值通過單片機自身集成的AD 采集，模擬量轉化為數字量，經過程序處理，進行查表或者通過插值算法，得到相應的數字輸出量，再通過12位的DA 轉化為控制模擬量，送至電氣比例閥。反饋監測信號是由稱重傳感器輸出信號，經過信號調理模塊，通過16位的AD采樣程序，采集到單片機中和設定值進行比較，采用PID控制策略，實現送粉過程中的實時監測與在線調整。

3 送粉穩定性實驗

為測試送粉器控制粉末輸送的穩定性和可靠性，根據以上的系統方案研制了送粉器控制系統樣機，圖7為控制系統實物圖。

圖7 送粉器控制系統

根據圖7所示的控制系統進行實驗研究。實驗前，設定氣路總壓力為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。通過控制電氣比例閥的輸入電壓來控制沸騰氣路的壓力和流量。實驗采用140～200 目(109～75 μm)Ni 基合金粉末。粉末烘干處理后，在干燥環境中進行，并BS-224S型電子天枰(量程200 g，重復精度±0.1 mg)測量每分鐘輸送粉末的質量。在設定送粉率3～30 g/min之間，設定6個送粉率值Q，并對每一設定值Q 進行6次重復測試。

圖8 送粉速率與時間的關系曲線

由圖8可以看出，在同一設定值下，所測時間內送粉速度與時間的關系曲線基本是一條與時間軸平行的曲線，說明送粉器具有良好的工作穩定性。送粉穩定性可用送粉誤差評定，表示為:

其中:S為每組數據均方根誤差，大小為:

Mi為第i次送粉速率。Δ是每組送粉實驗的平均速率，大小為:

對每組實驗的送粉誤差進行統計，得到圖9所示的曲線。在不同的設定值下誤差始終控制在2.3%以內，顯示了良好的送粉穩定性。

圖9 粉末的送粉誤差曲線

4 結論

設計了基于PIC 單片機的送粉器控制系統。該系統通過電氣比例閥來控制沸騰氣路的壓力和流量，通過高精度重量傳感器的實時反饋，來實現對送粉過程的閉環控制。控制器由基于PIC 單片機的外圍電路組成，采用了數字PID控制策略。實驗結果證明:該系統控制精度高，穩定性好，在激光再制造領域具有較好的實際應用價值。

【1】李養良，金海霞，白小波，等.激光熔覆技術的研究現狀與發展趨勢[J].熱處理技術與裝備，2009，30(4):1－5.

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