電爆炸絲噴涂設(shè)備中的連續(xù)自動走絲裝置的設(shè)計

應(yīng)安文,楊家志,蔣存波,尹新哲

(桂林理工大學 a.信息科學與工程學院;b.廣西嵌入式技術(shù)與智能系統(tǒng)重點實驗室, 廣西 桂林 541006)

電爆炸絲噴涂是在極短時間內(nèi)向金屬絲上沉積較大電能,使金屬絲瞬時液化、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)備大都存在兩個問題：一是金屬絲爆炸的噴涂材料利用率不高;二是不能自動更換噴涂材料,噴涂前需要手動完成,勞動強度大,上絲效率低[1-2]。本文在已有的實驗設(shè)備基礎(chǔ)上,對材料的利用率和上絲可靠性,以及電極頭兩端金屬絲的長度控制進行了改進和優(yōu)化，設(shè)計制作了自動走絲裝置。單片機作為自動控制系統(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)系通常是通過一個串行通信接口來實現(xiàn)的[3]。自動走絲裝置的上位機與單片機通過RS-485進行數(shù)據(jù)通信,該接口結(jié)構(gòu)簡單,通信距離遠,具有較強的抗干擾能力[4]。單片機接收到上位機發(fā)出的指令后，電機轉(zhuǎn)動運送金屬絲到電極夾頭,通電噴涂,并在運行過程中實時檢測各模塊,發(fā)送模塊運行的狀態(tài)給上位機, 以便及時找到可能出現(xiàn)的故障點。 整個過程實現(xiàn)了自動化控制,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、 主控制系統(tǒng)、 LED點陣屏、 操作按鈕、 高壓脈沖電源和自動走絲裝置組成(圖1)。 上位機通過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走絲裝置執(zhí)行相應(yīng)的動作, 同時將采集到的重要數(shù)據(jù)通過LED點陣屏實時顯示； 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； 自動走絲裝置接收來自主控制系統(tǒng)的命令， 并完成金屬絲運送、 夾持、 通電和放電等動作。

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

2 自動走絲裝置的設(shè)計

2.1 自動走絲裝置的機械設(shè)計

為了實現(xiàn)自動走絲以及滿足實驗環(huán)境氣密性要求, 需要設(shè)計一種封閉式自動走絲裝置(圖2), 該裝置由以下幾部分組成: ①步進電機: 實現(xiàn)金屬絲的運送, 以及左夾頭的往復(fù)運動和拉絲; ②XY移動平臺: 確定薄膜平臺的位置, 完成金屬絲在指定位置的固定噴涂; ③左定夾頭和左動夾頭、 右動夾頭和右定夾頭， 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:通過電機的驅(qū)動送絲, 防止金屬絲打滑; ⑥絕緣安裝支架: 支撐左右夾頭以及左右夾頭的各自吸合和推開; ⑦工作室: 為自動走絲裝置和電爆炸噴涂提供工作空間; ⑧金屬絲導向管: 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, 實現(xiàn)各模塊之間的數(shù)據(jù)通信[5]。

2.2 自動走絲裝置控制單元的硬件設(shè)計

自動走絲裝置的單片機控制系統(tǒng)以C8051F020單片機作為控制板,負責采集傳感器信息、控制電機、繼電器開關(guān)和高壓干簧繼電器，以及與人機界面進行數(shù)據(jù)傳遞。

單片機控制系統(tǒng)原理如圖3所示。單片機控制系統(tǒng)主要由C8051F020單片機、傳感器(溫度、 濕度、 氣壓傳感器)、LED點陣屏、電機驅(qū)動和繼電器組等組成。單片機控制協(xié)調(diào)各部分之間工作,處理接收的數(shù)據(jù)；傳感器實時采集檢測到的溫度、濕度和氣壓等信息；LED點陣屏將傳感器采集到的數(shù)據(jù)實時顯示出來,以便操作人員查看；電機驅(qū)動負責驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動,確保送絲和XY移動平臺正常運作；繼電器組完成對電源電路和金屬絲檢測電路的斷開和閉合控制。

2.3 自動走絲裝置軟件設(shè)計

自動走絲裝置是將金屬絲通過電機控制輥輪運送到左、右夾頭固定,實現(xiàn)通電爆炸噴涂。自動走絲裝置包含目前的自動走絲機構(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。

在自動走絲裝置搭建完成后,檢測各個模塊是否通電，正常后,給上位機和主控芯片上電,并打開上位機給主控芯片發(fā)送指令測試主控模塊能否正常工作。測試完畢后，通過上位機的功能模塊發(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,觀察模塊的運行狀況以及單片機控制系統(tǒng)自帶的LED點陣屏實時顯示的傳感器模塊發(fā)送的數(shù)據(jù),待所有模塊測試完成無誤后,通過上位機上的分步調(diào)試板塊,將金屬絲調(diào)整至合適的位置。啟動上位機上的連續(xù)走絲按鈕,輥輪驅(qū)動電機啟動并開始送絲。當金屬絲長度超出右定夾頭達到預(yù)定的長度時,輥輪驅(qū)動電機停止,右動夾頭安裝支架(可滑動)中安裝的電磁鐵正向?qū)?與正對面右定夾頭安裝支架(固定)中安裝的永磁鐵異性相吸,兩個夾頭夾住金屬絲。往復(fù)運動電機啟動,推動左夾頭向右夾頭靠近,當左右夾頭的距離達到預(yù)設(shè)值時,往復(fù)運動電機停止。左動夾頭安裝支架中安裝的電磁鐵正向?qū)?左動夾頭和左定夾頭夾持住金屬絲超出右夾頭的一部分,右動夾頭安裝支架中安裝的電磁鐵反向?qū)?兩個夾頭彈開。往復(fù)運動電機啟動,帶動左夾頭遠離右夾頭,當金屬絲達到設(shè)定的長度,往復(fù)運動電機停止。右動夾頭安裝支架中的電磁鐵正向?qū)?右定夾頭和右動夾頭合上并夾住金屬絲,打開干簧繼電器開關(guān),測試金屬絲是否被兩個夾頭夾住,若未夾住,則返回檢查問題,并重復(fù)上述步驟；反之,左右夾頭通電噴涂、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 自動走絲裝置整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Automatic wire-feeding device overall structure

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

3 自動走絲裝置上位機軟件設(shè)計

3.1 自動走絲裝置運行流程

自動走絲裝置的軟件流程圖如圖5所示。自動走絲裝置的軟件運行過程中設(shè)置看門狗和模塊初始化，對于主控端和人機交互端都是必不可少的步驟。看門狗設(shè)置成計時重啟,當單片機或者程序崩潰的時候可以幫助系統(tǒng)重啟,避免在調(diào)試或者走絲過程出現(xiàn)問題。模塊功能初始化包括兩部分：一部分是C8051F020單片機自身的內(nèi)部交叉端口配置,以及基準電壓源、時鐘、串口等基本功能的設(shè)置；另一部分是單片機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。單片機上電并打開上位機,主控端開始對傳感器進行數(shù)據(jù)采集,并通過串口處理,轉(zhuǎn)換后發(fā)送到人機交互端顯示。上位機與控制端采用RS-485串口通信,實現(xiàn)信息的穩(wěn)定傳輸。 操作上位機界面上的控制板塊, 通過串口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,則返回對應(yīng)指令生成的錯誤代碼，通過串口發(fā)送到上位機的接收端，同時顯示對應(yīng)控制板塊的故障燈, 終止程序的運行, 啟動單步調(diào)試,提示操作人員查找并解決問題。反之,程序正常運行,金屬絲實現(xiàn)連續(xù)爆炸噴涂[10]。

圖4 工作流程圖Fig.4 Work flow chart

3.2 自動走絲裝置的上位機設(shè)計

上位機軟件由VS2017軟件平臺的C#語言開發(fā),可兼容所有的Windows XP以上平臺。由圖6可知,上位機軟件操作界面由設(shè)置、數(shù)據(jù)收發(fā)、單步調(diào)試、主按鍵和故障燈組成,主要實現(xiàn)與主控制器的通信,完成數(shù)據(jù)的收發(fā)、測試、監(jiān)測預(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,波形顯示按鈕可實時顯示接受的數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)板塊可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示接受與發(fā)送;主按鍵板塊,主要是實現(xiàn)自動走絲裝置的啟動、暫停、調(diào)試;單步調(diào)試板塊是當裝置前期準備工作完成后,測試各個模塊是否能正常工作,以及出現(xiàn)故障時單步調(diào)試以便及時找出故障點;故障指示燈板塊是對整個裝置的一個監(jiān)測,檢測模塊是否正常運行,當模塊正常運行時指示燈會顯示綠色,出現(xiàn)故障時,相應(yīng)的指示燈會顯示紅色并發(fā)出報警聲,提醒操作人員及時解決故障,確保裝置能及時地恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

4 自動走絲裝置的調(diào)試

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

經(jīng)過不斷地測試調(diào)整,有效地解決了自動走絲過程中經(jīng)常出現(xiàn)的卡絲、滑絲、斷絲等問題,進一步改善了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,提高了整體裝置的有效性和可靠性。

5 結(jié) 論

針對金屬絲電爆炸的研究,設(shè)計出一套自動走絲裝置,該裝置具有以下特點:

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

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

(3)自動化程度高,執(zhí)行力強,操作簡單。

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

圖6 上位機操作界面Fig.6 Host computer operating interface