電爆炸絲噴涂設(shè)備中的連續(xù)自動(dòng)走絲裝置的設(shè)計(jì)

應(yīng)安文,楊家志,蔣存波,尹新哲

(桂林理工大學(xué) a.信息科學(xué)與工程學(xué)院;b.廣西嵌入式技術(shù)與智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541006)

電爆炸絲噴涂是在極短時(shí)間內(nèi)向金屬絲上沉積較大電能,使金屬絲瞬時(shí)液化、氣化,形成微粒向四周飛濺,沉積到基體材料表面形成薄膜的一種噴涂技術(shù)。一般的電爆炸絲噴涂設(shè)備大都存在兩個(gè)問(wèn)題：一是金屬絲爆炸的噴涂材料利用率不高;二是不能自動(dòng)更換噴涂材料,噴涂前需要手動(dòng)完成,勞動(dòng)強(qiáng)度大,上絲效率低[1-2]。本文在已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上,對(duì)材料的利用率和上絲可靠性,以及電極頭兩端金屬絲的長(zhǎng)度控制進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，設(shè)計(jì)制作了自動(dòng)走絲裝置。單片機(jī)作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞,在自控系統(tǒng)中發(fā)揮著核心的作用,其與外接設(shè)備的聯(lián)系通常是通過(guò)一個(gè)串行通信接口來(lái)實(shí)現(xiàn)的[3]。自動(dòng)走絲裝置的上位機(jī)與單片機(jī)通過(guò)RS-485進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,該接口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通信距離遠(yuǎn),具有較強(qiáng)的抗干擾能力[4]。單片機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)出的指令后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)送金屬絲到電極夾頭,通電噴涂,并在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)各模塊,發(fā)送模塊運(yùn)行的狀態(tài)給上位機(jī), 以便及時(shí)找到可能出現(xiàn)的故障點(diǎn)。 整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制,操作更加方便。

1 電爆炸噴涂設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)

電爆炸噴涂設(shè)備主要由上位機(jī)、 主控制系統(tǒng)、 LED點(diǎn)陣屏、 操作按鈕、 高壓脈沖電源和自動(dòng)走絲裝置組成(圖1)。 上位機(jī)通過(guò)RS-485與主控制系統(tǒng)通信, 主控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的指令控制高壓脈沖電源或者自動(dòng)走絲裝置執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作, 同時(shí)將采集到的重要數(shù)據(jù)通過(guò)LED點(diǎn)陣屏實(shí)時(shí)顯示； 操作按鈕給主控制系統(tǒng)發(fā)送命令控制高壓脈沖電源的充放電和緊急斷電等； 自動(dòng)走絲裝置接收來(lái)自主控制系統(tǒng)的命令， 并完成金屬絲運(yùn)送、 夾持、 通電和放電等動(dòng)作。

圖1 噴涂設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Spraying equipment overall structure

2 自動(dòng)走絲裝置的設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)走絲裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)走絲以及滿足實(shí)驗(yàn)環(huán)境氣密性要求, 需要設(shè)計(jì)一種封閉式自動(dòng)走絲裝置(圖2), 該裝置由以下幾部分組成: ①步進(jìn)電機(jī): 實(shí)現(xiàn)金屬絲的運(yùn)送, 以及左夾頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和拉絲; ②XY移動(dòng)平臺(tái): 確定薄膜平臺(tái)的位置, 完成金屬絲在指定位置的固定噴涂; ③左定夾頭和左動(dòng)夾頭、 右動(dòng)夾頭和右定夾頭， 夾絲、 拉絲以及通電的電極; ④安裝底板: 固定走絲裝置與工作室蓋, 保證送絲的穩(wěn)定; ⑤輥輪:通過(guò)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)送絲, 防止金屬絲打滑; ⑥絕緣安裝支架: 支撐左右?jiàn)A頭以及左右?jiàn)A頭的各自吸合和推開(kāi); ⑦工作室: 為自動(dòng)走絲裝置和電爆炸噴涂提供工作空間; ⑧金屬絲導(dǎo)向管: 防止金屬絲側(cè)滑; ⑨航空插頭: 連接室內(nèi)與室外的元器件, 實(shí)現(xiàn)各模塊之間的數(shù)據(jù)通信[5]。

2.2 自動(dòng)走絲裝置控制單元的硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)走絲裝置的單片機(jī)控制系統(tǒng)以C8051F020單片機(jī)作為控制板,負(fù)責(zé)采集傳感器信息、控制電機(jī)、繼電器開(kāi)關(guān)和高壓干簧繼電器，以及與人機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

單片機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖3所示。單片機(jī)控制系統(tǒng)主要由C8051F020單片機(jī)、傳感器(溫度、 濕度、 氣壓傳感器)、LED點(diǎn)陣屏、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和繼電器組等組成。單片機(jī)控制協(xié)調(diào)各部分之間工作,處理接收的數(shù)據(jù)；傳感器實(shí)時(shí)采集檢測(cè)到的溫度、濕度和氣壓等信息；LED點(diǎn)陣屏將傳感器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái),以便操作人員查看；電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),確保送絲和XY移動(dòng)平臺(tái)正常運(yùn)作；繼電器組完成對(duì)電源電路和金屬絲檢測(cè)電路的斷開(kāi)和閉合控制。

2.3 自動(dòng)走絲裝置軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)走絲裝置是將金屬絲通過(guò)電機(jī)控制輥輪運(yùn)送到左、右?jiàn)A頭固定,實(shí)現(xiàn)通電爆炸噴涂。自動(dòng)走絲裝置包含目前的自動(dòng)走絲機(jī)構(gòu)、控制電路和高壓接線端子等,控制電路采用C8051F020核心板。其工作流程如圖4所示。

在自動(dòng)走絲裝置搭建完成后,檢測(cè)各個(gè)模塊是否通電，正常后,給上位機(jī)和主控芯片上電,并打開(kāi)上位機(jī)給主控芯片發(fā)送指令測(cè)試主控模塊能否正常工作。測(cè)試完畢后，通過(guò)上位機(jī)的功能模塊發(fā)送指令給主控芯片,主控模塊給指定的模塊端發(fā)送執(zhí)行命令,觀察模塊的運(yùn)行狀況以及單片機(jī)控制系統(tǒng)自帶的LED點(diǎn)陣屏實(shí)時(shí)顯示的傳感器模塊發(fā)送的數(shù)據(jù),待所有模塊測(cè)試完成無(wú)誤后,通過(guò)上位機(jī)上的分步調(diào)試板塊,將金屬絲調(diào)整至合適的位置。啟動(dòng)上位機(jī)上的連續(xù)走絲按鈕,輥輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)并開(kāi)始送絲。當(dāng)金屬絲長(zhǎng)度超出右定夾頭達(dá)到預(yù)定的長(zhǎng)度時(shí),輥輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止,右動(dòng)夾頭安裝支架(可滑動(dòng))中安裝的電磁鐵正向?qū)?與正對(duì)面右定夾頭安裝支架(固定)中安裝的永磁鐵異性相吸,兩個(gè)夾頭夾住金屬絲。往復(fù)運(yùn)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng),推動(dòng)左夾頭向右?jiàn)A頭靠近,當(dāng)左右?jiàn)A頭的距離達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí),往復(fù)運(yùn)動(dòng)電機(jī)停止。左動(dòng)夾頭安裝支架中安裝的電磁鐵正向?qū)?左動(dòng)夾頭和左定夾頭夾持住金屬絲超出右?jiàn)A頭的一部分,右動(dòng)夾頭安裝支架中安裝的電磁鐵反向?qū)?兩個(gè)夾頭彈開(kāi)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng),帶動(dòng)左夾頭遠(yuǎn)離右?jiàn)A頭,當(dāng)金屬絲達(dá)到設(shè)定的長(zhǎng)度,往復(fù)運(yùn)動(dòng)電機(jī)停止。右動(dòng)夾頭安裝支架中的電磁鐵正向?qū)?右定夾頭和右動(dòng)夾頭合上并夾住金屬絲,打開(kāi)干簧繼電器開(kāi)關(guān),測(cè)試金屬絲是否被兩個(gè)夾頭夾住,若未夾住,則返回檢查問(wèn)題,并重復(fù)上述步驟；反之,左右?jiàn)A頭通電噴涂、放電,一次噴涂完成。重復(fù)以上步驟即可完成多次噴涂。

圖2 自動(dòng)走絲裝置整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Automatic wire-feeding device overall structure

圖3 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of MCU control system

3 自動(dòng)走絲裝置上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)走絲裝置運(yùn)行流程

自動(dòng)走絲裝置的軟件流程圖如圖5所示。自動(dòng)走絲裝置的軟件運(yùn)行過(guò)程中設(shè)置看門(mén)狗和模塊初始化，對(duì)于主控端和人機(jī)交互端都是必不可少的步驟。看門(mén)狗設(shè)置成計(jì)時(shí)重啟,當(dāng)單片機(jī)或者程序崩潰的時(shí)候可以幫助系統(tǒng)重啟,避免在調(diào)試或者走絲過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題。模塊功能初始化包括兩部分：一部分是C8051F020單片機(jī)自身的內(nèi)部交叉端口配置,以及基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘、串口等基本功能的設(shè)置；另一部分是單片機(jī)所控制的外部硬件初始狀態(tài)的初始化,包括傳感器數(shù)據(jù)接收,LED屏數(shù)據(jù)顯示,繼電器初始狀態(tài)設(shè)定等,以確保程序能正常執(zhí)行。單片機(jī)上電并打開(kāi)上位機(jī),主控端開(kāi)始對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并通過(guò)串口處理,轉(zhuǎn)換后發(fā)送到人機(jī)交互端顯示。上位機(jī)與控制端采用RS-485串口通信,實(shí)現(xiàn)信息的穩(wěn)定傳輸。 操作上位機(jī)界面上的控制板塊, 通過(guò)串口1向主控端發(fā)送不同的指令,控制端串口接收到指令并執(zhí)行,若指令未執(zhí)行或指令執(zhí)行但金屬絲夾持不成功,則返回對(duì)應(yīng)指令生成的錯(cuò)誤代碼，通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)的接收端，同時(shí)顯示對(duì)應(yīng)控制板塊的故障燈, 終止程序的運(yùn)行, 啟動(dòng)單步調(diào)試,提示操作人員查找并解決問(wèn)題。反之,程序正常運(yùn)行,金屬絲實(shí)現(xiàn)連續(xù)爆炸噴涂[10]。

圖4 工作流程圖Fig.4 Work flow chart

3.2 自動(dòng)走絲裝置的上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件由VS2017軟件平臺(tái)的C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā),可兼容所有的Windows XP以上平臺(tái)。由圖6可知,上位機(jī)軟件操作界面由設(shè)置、數(shù)據(jù)收發(fā)、單步調(diào)試、主按鍵和故障燈組成,主要實(shí)現(xiàn)與主控制器的通信,完成數(shù)據(jù)的收發(fā)、測(cè)試、監(jiān)測(cè)預(yù)警等功能。設(shè)置板塊可選擇串口和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈室约皵?shù)據(jù)的收發(fā)形式,波形顯示按鈕可實(shí)時(shí)顯示接受的數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)板塊可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示接受與發(fā)送;主按鍵板塊,主要是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)走絲裝置的啟動(dòng)、暫停、調(diào)試;單步調(diào)試板塊是當(dāng)裝置前期準(zhǔn)備工作完成后,測(cè)試各個(gè)模塊是否能正常工作,以及出現(xiàn)故障時(shí)單步調(diào)試以便及時(shí)找出故障點(diǎn);故障指示燈板塊是對(duì)整個(gè)裝置的一個(gè)監(jiān)測(cè),檢測(cè)模塊是否正常運(yùn)行,當(dāng)模塊正常運(yùn)行時(shí)指示燈會(huì)顯示綠色,出現(xiàn)故障時(shí),相應(yīng)的指示燈會(huì)顯示紅色并發(fā)出報(bào)警聲,提醒操作人員及時(shí)解決故障,確保裝置能及時(shí)地恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

4 自動(dòng)走絲裝置的調(diào)試

完成上位機(jī)、單片機(jī)、自動(dòng)走絲裝置等安裝連接后,進(jìn)行大量的系統(tǒng)調(diào)試。如檢查上位機(jī)與單片機(jī)是否正常通信,繼電器通電是否正常工作,金屬絲的位置是否最佳等,調(diào)整好各個(gè)驅(qū)動(dòng)原件的速率,觀察各個(gè)執(zhí)行部分的協(xié)調(diào)性。在調(diào)試過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)金屬絲滑動(dòng)以及金屬絲夾持不住的情況,在輥輪左右兩邊加裝金屬導(dǎo)軌和螺絲優(yōu)化處理以及對(duì)電極絲夾頭接觸面進(jìn)行粗糙處理后,金屬絲滑動(dòng)及夾持不住的情況基本不再出現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)不斷地測(cè)試調(diào)整,有效地解決了自動(dòng)走絲過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的卡絲、滑絲、斷絲等問(wèn)題,進(jìn)一步改善了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高了整體裝置的有效性和可靠性。

5 結(jié) 論

針對(duì)金屬絲電爆炸的研究,設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)走絲裝置,該裝置具有以下特點(diǎn):

(1)執(zhí)行效率高,整個(gè)自動(dòng)走絲在密閉的真空金屬容器下,較手動(dòng)上絲速率高,同時(shí)也提高了噴涂的效率。

(2)采用單片機(jī)協(xié)同控制,節(jié)約成本和人力,提高了工作效率。

(3)自動(dòng)化程度高,執(zhí)行力強(qiáng),操作簡(jiǎn)單。

圖5 自動(dòng)走絲裝置的軟件流程圖Fig.5 Software flow chart of automatic wire-feeding device

圖6 上位機(jī)操作界面Fig.6 Host computer operating interface