基于虚拟仪器的纳米颗粒复合电刷镀工艺过程自动化研究

摘要

零件的再制造是实现产品再制造的基础，这是因为再制造产品的性能提升与尺寸恢复主要是通过产品中关键零部件的性能提升与尺寸恢复来实现。电刷镀技术被广泛应用于零件表面修复与强化，并取得了显著的经济效益，因而可以成为零件再制造的技术手段之一。为解决传统电刷镀工艺因劳动强度大、效率低以及镀层质量不稳定而难以满足再制造的需要等问题，将虚拟仪器技术引入电刷镀工艺过程，以实现工艺参数检测的自动化、镀笔和工件之间相对运动速度和相对运动轨迹控制的自动化、镀液供给及切换的自动化以及工艺参数调整的自动化。 自动化电刷镀工艺过程首先需要检测刷镀电压、刷镀电流、电流密度、镀层沉积速度、镀层厚度、阳极(镀笔)与工件之间的接触压力、相对运动速度和相对运动轨迹等工艺参数的变化。 为实现刷镀电压的实时检测和控制，开发了虚拟仪器。在该仪器中，刷铍电压由霍耳电压传感器检测，经过信号调理、A/D转换后进入计算机进行处理，从而测得刷镀电压。该仪器利用D/A转换和可控硅实现了刷镀电压大小的自动调整，从而可以满足电净、活化、打底、工作层镀覆等工序对刷镀电压的不同要求；在工作层镀覆阶段，该仪器能根据镀液温度、镀层沉积速度以及电流密度变化调整刷镀电压；该仪器还利用DAQ的数字输出端口及接触器实现了输出电压极性的自动切换。 为实现刷镀电流、电流密度和沉积速度的检测，也开发了虚拟仪器。在该仪器中，刷镀电流由霍耳电流传感器检测，再经信号调理、A/D转换后进入计算机进行相应的处理后，电流、电流密度以及沉积速度得以显示和记录。若电流或者电流密度异常，则仪器报警。 镀层厚度的实时在线精确检测是刷镀工艺过程的难点之一，这是因为镀层厚度(单层)一般为10-100μm，而且工件在运动。采用了两种方法解决这一问题。其一，开发了基于法拉第电解定律的镀层厚度检测虚拟仪器，该仪器能精确计量刷镀工艺过程中的耗电量，并根据耗电系数和工件平均刷镀面积来确定镀层厚度。这种方法适合平面及圆柱体工件表面的刷镀；其二，针对圆柱体工件表面的刷镀还开发了基于涡流效应的镀层厚度检测虚拟仪器。该仪器中的涡流传感器具有较好的动态响应，其探头沿工件径向安装，并接近工件表面。在刷镀工艺过程中，探头感测镀层厚度变化，并将它转换成合适的电压信号，对这些信号进行相应的处理后，镀层厚度可以显示和记录。在该仪器中，还采用了移动平均滤波和非模型修正算法提高测量精度。 在刷镀工艺过程中，阳极包套一旦破(磨)损会引起刷镀电流突然上升，并影响镀层质量。由于信号突变在小波变换的高频分量(Details)表现较为明显，因此根据Db5的第五级高频分量cd5、cd5的平均值(cd5)以及均方根值(RMS)计算z=∫(cd5(i)-(cd5))dt/rms(cd5)，并与阀值zs比较，从而判别是否出现电流突变。由于包套破损引起刷镀电流会突变，从而导致电流的均方根值也高于正常值Is，根据这一特性也可以识别电流突变。基于上述两种算法开发了虚拟仪器，实现了包套破(磨)的检测。 镀覆区域的镀液温度对镀层质量影响较大，但不易测量。基于红外测温原理开发了镀液温度检测虚拟仪器，方法是：将红外温度传感器的探头置于工件上方，并对准镀覆区域以接受来自镀液的红外辐射，该辐射转换成电压信号，再经过信号调理、A/D转换后进入计算机进行处理，镀液温度得以显示和记录。该仪器利用标定、环境温度补偿以及非模型修正算法补偿背景辐射对测量结果的影响，从而提高了测量精度。 阳极(镀笔)和工件之间的压力影响刷镀电流和电流密度。为检测该压力，将定制的压力传感器安装于镀笔施力机构，并开发了相应的虚拟仪器。 为了提高刷镀工艺过程的自动化水平，以减轻劳动强度和提高劳动生产率，特别是为了适应批量零件的刷镀作业的要求，开发了专用自动化刷镀设备和专用的数控系统(普通的数控系统不具备开放性，难以和工艺参数检测虚拟仪器相集成)。该设备提供工件旋转运动、镀笔沿工件径向运动以及镀笔沿工件轴向运动，并能控制镀笔和工件之间的相对运动速度和轨迹以获得均匀分布的镀层。该设备还实现了镀液、清洗液自动供给及自动切换等功能。为了便于在刷镀过程中检测和控制镀笔和工件之间的压力，还设计了镀笔施力机构。 利用所开发的设备进行了正交试验，并制备了纳米颗粒复合镀层。试验按照L9(34)选取刷镀电压、镀笔与工件之间的压力、镀笔与工件之间的相对运动速度三个因素，每个因素取三个水平。试验结果表明：自动化镀层分布均匀、晶粒尺寸小，镀层中的纳米颗粒含量高，镀层硬度高。试验结果的方差分析表明：和镀笔与工件之间的相对速度以及压力相比，刷镀电压是影响镀层中纳米颗粒含量、纳米硬度、弹性模量、沉积速度以及镀液温度的主要因素；试验结果的多指标分析表明：对于n-Al2O3/Ni复合镀层的刷镀，其优化工艺参数为：刷镀电压：12.0V，镀笔和工件之间的相对运动速度：3.0m/min，镀笔和工件之间的压力为；1.0N。 为了提高镀层质量，根据手工刷镀操作人员的经验，开发了包括镀层厚度、电流密度、沉积速度以及镀液温度四个输入变量和工件转速、刷镀电压、镀笔的纵向移动速度以及镀液流量四个输出变量的模糊控制器。为满足实时控制要求和简化模糊控制器设计，采用了两级模糊控制。该控制器能根据镀层厚度的不同阶段，向工件转速、刷镀电压、镀笔的纵向移动速度以及镀液流量四个各由125条规则构成的子模糊控制器的输出赋予不同的权重系数，从而调节这些参量。应用结果表明模糊控制器运行稳定。 为了简化设备操作，将电刷镀工艺参数检测虚拟仪器、数控系统(包括运动控制和镀液供给、切换控制)以及刷镀工艺过程的模糊控制器相集成，仅用一个虚拟面板实现了预置参数输入、工艺参数显示、数据记录以及仪器操作等功能，从而为自动化电刷镀工艺过程开发了一个相对完整的测控系统。 最后分析了影响虚拟仪器测量不确定度的主要因素，提出了虚拟仪器不确定度评估方法。对于虚拟仪器直接测量，由于被测量是直接利用物理定律加以确定，因而可以先利用B类不确定度评估方法以及Gram-Chariler级数分别确定传感器、信号调理器、A/D转换以及DSP的不确定度，之后再确定直接测量不确定度，然后再分别计算它们的相对不确定度以及合成相对不确定度，并结合测量结果确定直接测量的不确定度。对于虚拟仪器间接测量，由于被测量是若干变量的函数，这些变量的测量不确定度可以利用“直接测量不确定度方法”加以确定，之后再应用“不确定传播定律”确定被测量的不确定度。将上述方法应用于电刷镀工艺过程，计算了镀层厚度、刷镀电流、电压及发热功率的测量不确定度。 应用结果表明：(1)和手工镀层相比，自动化刷镀镀层分布均匀、致密，晶粒度小，特别是对于纳米颗粒复合镀层的刷镀，自动化刷镀镀层中的纳米颗粒含量明显高于同样刷镀规范下的手工镀层；影响镀层质量的主要因素是刷镀电压。由于所开发自动化刷镀设备的生产率远高于手工刷镀，而且镀层质量稳定，因而可以应用于批量零件的再制造。 (2)开发的虚拟仪器实现了刷镀工艺参数的集成检测，并实现了预置参数输入、仪器操作、工艺参数的显示、记录和报警等功能，简化了仪器操作。 (3)开发的模糊控制器可以在刷镀过程中根据镀层厚度、镀层沉积速度、镀液温度、电流密度参数的变化及时调整工件和镀笔之间的相对运动速度、刷镀电压、镀笔的纵向移动速度以及镀液流量，而且运行稳定，能够满足自动化刷镀工艺的要求。 (4)提出的虚拟仪器直接测量和间接测量不确定评估方法可以依据产品的技术规范评估测量不确定度。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章电刷镀自动化设备的开发

第三章电刷镀工艺参数检测虚拟仪器及其与数控系统的集成

第四章纳米颗粒复合电刷镀镀层质量影响因素分析

第五章电刷镀工艺过程的模糊控制算法研究

第六章虚拟仪器的测量不确定度评估

第七章总结与展望

参考文献

附录

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