基于PTA的粉末增材制造控制系統(tǒng)

陳鵬 陳克選 董軍強(qiáng)

摘要：設(shè)計(jì)并搭建了一套基于PTA（Plasma Transferred Arc）的粉末增材制造控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分為熱源控制和運(yùn)動(dòng)控制兩部分。熱源控制部分采用PLC為控制核心，結(jié)合威綸通觸摸屏實(shí)現(xiàn)熱源組成部分的時(shí)序控制，并設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置模塊。通過(guò)添加子程序，實(shí)現(xiàn)熱源兩種控制模式（觸控模式和聯(lián)控模式）的切換，并且可以在觸摸屏中設(shè)置兩種控制模式下各時(shí)序時(shí)間間隔;運(yùn)動(dòng)控制部分以Arduino MEGA 2560運(yùn)動(dòng)控制卡為控制核心，通過(guò)建模、分層生成焊槍運(yùn)動(dòng)G代碼，將G代碼編譯為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)三軸滑臺(tái)上的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)等離子焊槍的三維運(yùn)動(dòng);通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器建立熱源與運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)增材制造過(guò)程的一體化控制。最后通過(guò)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了該增材制造過(guò)程控制系統(tǒng)的可行性及可靠性。

關(guān)鍵詞：PTA;粉末增材制造;PLC;一體化控制

0? ? 前言

相對(duì)于傳統(tǒng)的車銑刨磨等去除材料工藝以及鑄造、鍛壓、注塑等材料凝固及塑性成型工藝而言，增材制造技術(shù)是通過(guò)材料逐點(diǎn)逐層增加的方式制造零件的工藝技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)加工工藝相比，增材制造技術(shù)不需用傳統(tǒng)加工機(jī)床和模具，能夠極大地節(jié)省生產(chǎn)成本和制造時(shí)間， 生產(chǎn)成本僅是傳統(tǒng)制造成本的10%～20%，生產(chǎn)周期為傳統(tǒng)制造周期的10%～20%，材料利用率極高，同時(shí)，不受所加工零件復(fù)雜程度的限制，能夠生產(chǎn)形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜及不同材料復(fù)合的零件[2-4]。

與MIG增材制造相比，等離子弧是經(jīng)過(guò)壓縮的電弧具有良好的穩(wěn)定性，不易受外界因素影響，焊接工藝穩(wěn)定，易消除熔池內(nèi)的氣孔、夾渣等，且與絲材相比，粉末增材制造成型精度更高，成型構(gòu)件物理性能也更高。李廷忠等[5]建立了等離子金屬零件直接成形的熱輸入預(yù)測(cè)數(shù)值模型，為控制金屬零件成形過(guò)程中因熱累積效應(yīng)造成的流淌現(xiàn)象具有一定的參考價(jià)值。王淑峰等[6]認(rèn)為等離子束和激光束同為高能束流，等離子束成形性價(jià)比更高，在金屬零件特別是鐵基材料的工業(yè)化3D打印方面的發(fā)展前景更好。

1 基于PTA的粉末增材制造系統(tǒng)構(gòu)成

為保證增材制造成型件的質(zhì)量，需從兩個(gè)方面入手：一是保證熱源系統(tǒng)的連續(xù)與穩(wěn)定，二是保證運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精確與平穩(wěn)。本課題設(shè)計(jì)的基于PTA的粉末增材制造系統(tǒng)主要由熱源控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示，左側(cè)方框內(nèi)為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其余部分為熱源控制系統(tǒng)。

1.1 增材制造熱源控制系統(tǒng)

熱源系統(tǒng)采用PLC為控制核心，結(jié)合威綸通觸摸屏實(shí)現(xiàn)保護(hù)氣、離子氣、維弧焊機(jī)、主弧焊機(jī)、送粉氣、送粉器按時(shí)序啟停。實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)維弧焊機(jī)焊接電流、主弧焊機(jī)焊接電流及送粉速度的設(shè)定。同時(shí)為方便生產(chǎn)，在熱源程序中添加子程序，可實(shí)現(xiàn)熱源兩種控制模式——觸控模式和聯(lián)控模式的切換。在觸控模式下，熱源受觸摸屏觸發(fā)控制;聯(lián)控模式下，熱源受運(yùn)動(dòng)控制卡控制;并在觸摸屏中實(shí)現(xiàn)兩種模式下各時(shí)序時(shí)間間隔的設(shè)定。采用歐姆龍公司CP1H系列PLC，其型號(hào)為CP1H-XA40DT-D，輸入DC 24V，輸出類型為晶體管漏型，I/O點(diǎn)數(shù)為40，內(nèi)置模擬量輸入/輸出端子臺(tái)。

由于轉(zhuǎn)移型等離子焊槍結(jié)構(gòu)中鎢極與工件的距離較大，所以必須選擇合適的維弧焊機(jī)（選擇WSE-200作為維弧焊機(jī)，WSE-350作為主弧焊機(jī)），電離離子氣（本實(shí)驗(yàn)用氬氣）為引燃主弧制造等離子氛圍。

1.1.1 時(shí)序控制

由于在冷卻水箱未開啟的情況下啟動(dòng)熱源容易燒毀焊槍，所以將熱源控制系統(tǒng)的電源接到冷卻水箱的220 V輸出端，使得冷卻系統(tǒng)在未開啟情況下無(wú)法啟動(dòng)熱源控制系統(tǒng)。使用PLC定時(shí)器功能，按時(shí)序啟停熱源的6個(gè)控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)熱源過(guò)程控制，時(shí)序如圖2所示，其中，熄滅主弧及關(guān)閉送粉器后，適當(dāng)延長(zhǎng)送粉氣時(shí)間可清空送粉管道余粉，防止焊槍堵粉。在時(shí)序控制程序中加入自鎖功能，使啟動(dòng)開關(guān)與停止開關(guān)具有復(fù)位功能。將各定時(shí)器時(shí)間換成寄存地址，實(shí)現(xiàn)觸摸屏對(duì)各定時(shí)器時(shí)間的設(shè)定。

1.1.2 維弧電流、主弧電流及送粉速度設(shè)定

使用PLC模擬量輸出功能進(jìn)行維弧電流、主弧電流及送粉速度設(shè)定。由于歐姆龍CP1H-XA40DT-D只有2路內(nèi)置模擬量輸出和4路內(nèi)置模擬量輸入，要進(jìn)行3路模擬量輸出，必須外加擴(kuò)展模塊，使用CP1W-DA041的歐姆龍模擬量輸出擴(kuò)展模塊，CP1W-DA041的分辨率為1/6 000，使用4個(gè)輸出字。編寫模擬量輸出程序時(shí)，根據(jù)“ 使用輸出 ”和“ 范圍代碼 ”確定設(shè)定數(shù)據(jù)，要輸出0～10 V模擬量，二進(jìn)制設(shè)定數(shù)據(jù)為1001，對(duì)應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)為9。要輸出三路0～10 V的模擬量輸出信號(hào)，設(shè)定數(shù)據(jù)的輸出字為102和103，且102對(duì)應(yīng)設(shè)定數(shù)據(jù)為#8099，103對(duì)應(yīng)設(shè)定數(shù)據(jù)為#8009。D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通道為n+1，n+2，n+3和n+4，其中“ n ”為分配給CPU單元的最后一個(gè)輸出字[7]。因此三路D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出字分別為102、103和104，設(shè)定0.5 s定時(shí)器，確保PLC通電后等待有效的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

設(shè)定維弧電流與主弧電流時(shí)，只需要擴(kuò)展單元輸出0～5 V的電壓信號(hào)，所以數(shù)字量范圍為0～3 000，維弧焊機(jī)電流可調(diào)范圍為0～200 A，實(shí)際使用維弧電流范圍為0～60 A，主弧電流范圍為0～320 A。設(shè)維弧電流為x1，對(duì)應(yīng)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為y1，主弧電流為x2，對(duì)應(yīng)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)為y2，則：y1=15x1，y2=（3 000/320）x2。根據(jù)公式編寫維弧和主弧電流設(shè)定程序，其中維弧電流和主弧電流對(duì)應(yīng)D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出字為102和103。

編寫送粉速度設(shè)定程序時(shí)，需要擴(kuò)展單元輸出0～10 V的電壓信號(hào)，所以數(shù)字量范圍為0～6 000，對(duì)應(yīng)D/A數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出字為104，用電子天平對(duì)送粉速度進(jìn)行標(biāo)定，得出送粉速度x3與對(duì)應(yīng)十進(jìn)制轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)y3之間的關(guān)系式為：y3=141.95x3+2 481.5。根據(jù)工藝試驗(yàn)，設(shè)定增材制造送粉速度為5～23.68 g/min。

1.1.3 熱源的兩種控制模式

為方便設(shè)備調(diào)試及生產(chǎn)，在熱源控制程序中加入子程序，實(shí)現(xiàn)聯(lián)控模式與觸控模式的切換，編程時(shí)用到的程序指令有：子程序調(diào)用指令SBS（091），進(jìn)入子程序指令SBN（092）以及子程序結(jié)束指令RET（093），通過(guò)切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)子程序調(diào)用。

在觸控模式下，熱源啟停完全受觸摸屏觸發(fā);在聯(lián)控模式下，熱源啟停受與運(yùn)動(dòng)控制卡連接的步進(jìn)電機(jī)控制，在步進(jìn)電機(jī)上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器（型號(hào)為E6B2-CWZ5B），用歐姆龍PLC的脈沖頻率轉(zhuǎn)換指令PRV2（883）讀取步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，通過(guò)判斷步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或停止控制熱源的啟動(dòng)與停止。

在聯(lián)控模式下，在上位機(jī)軟件RepetierHost界面點(diǎn)擊“ 運(yùn)行任務(wù) ”，焊槍首先開始復(fù)位，然后行走到平臺(tái)預(yù)定位置（在此過(guò)程中焊槍不起弧），焊槍在預(yù)定位置停頓瞬間后，運(yùn)動(dòng)控制卡步進(jìn)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，焊槍也開始模型三維路徑掃描，此時(shí)PLC會(huì)對(duì)讀取到的運(yùn)動(dòng)控制卡步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行判斷處理，如圖3所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于0時(shí)，立即啟動(dòng)熱源，并且在程序中串聯(lián)兩個(gè)常閉開關(guān)W0.10和W1.03，常閉開關(guān)W0.10實(shí)現(xiàn)通過(guò)0.5 s定時(shí)器復(fù)位“ 啟動(dòng) ”開關(guān)，常閉開關(guān)W1.03可實(shí)現(xiàn)在熱源系統(tǒng)正在關(guān)閉時(shí)無(wú)法啟動(dòng)熱源，達(dá)到“ 啟動(dòng) ”與“ 結(jié)束 ”的互鎖。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速等于0時(shí)，立即關(guān)閉熱源，并在程序中串聯(lián)一個(gè)常開開關(guān)和一個(gè)常閉開關(guān)，常開開關(guān)可實(shí)現(xiàn)熱源未啟動(dòng)時(shí)無(wú)法關(guān)閉熱源，同樣達(dá)到“ 啟動(dòng) ”與“ 結(jié)束 ”的互鎖，常閉開關(guān)可實(shí)現(xiàn)通過(guò)0.5 s定時(shí)器復(fù)位“ 結(jié)束 ”開關(guān)。熱源控制系統(tǒng)整體接線如圖4所示。

為了簡(jiǎn)化電路、美化設(shè)備以及方便操作，采用威綸通MT6070iH3觸摸屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)按鈕開關(guān)。根據(jù)增材制造熱源控制需要，設(shè)計(jì)的觸摸屏的部分操作界面如圖5所示。

1.2 增材制造運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

增材制造運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由三軸滑臺(tái)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)控制卡和PC機(jī)組成。焊槍三維運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。首先通過(guò)三維軟件SolidWorks建立零件模型，并保存為STL格式，然后將模型用分層軟件Cura進(jìn)行切片處理，生成運(yùn)動(dòng)控制所需G代碼，再通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制軟件RepetierHost連接PC機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制卡，將G代碼經(jīng)過(guò)編譯處理轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)三軸滑臺(tái)上的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)焊槍的三維空間運(yùn)動(dòng)[8]。

選擇Arduino MEGA 2560板卡作為運(yùn)動(dòng)控制卡，其處理器核心是ATmega 2560單片機(jī)，在ATmega 2560中燒錄Marlin固件（一款常用的3D打印運(yùn)動(dòng)控制軟件）。Cura切片軟件中，可設(shè)置增材制造的層高和焊槍行走速度，并結(jié)合送粉速度，設(shè)置合適的層高以利于工件成型。如果層高太高，送粉速度太小，增材過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)弧長(zhǎng)逐漸增大，進(jìn)而使電弧壓力增大，破壞熔池穩(wěn)定性，影響零件成型。

2 工藝試驗(yàn)

增材制造設(shè)備搭建完成及控制系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束后，在尺寸為150 mm×150 mm×5 mm的Q235鋼板上進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)調(diào)試，通過(guò)觀察增材層成型判斷送粉是否連續(xù)均勻，各參數(shù)是否匹配。通過(guò)不斷調(diào)節(jié)各參數(shù)，觀察增材層成型，得出較為理想的參數(shù)范圍。增材參數(shù)調(diào)試結(jié)束后，同樣在尺寸為150 mm×150 mm×5 mm的Q235鋼板上進(jìn)行PTA粉末增材制造工藝試驗(yàn)，為減少增材過(guò)程中熱量積累造成的塌陷，在基板下加水冷銅冷卻[9]。增材粉末使用Fe60合金粉末，送粉氣與離子氣均為99.9%Ar，F(xiàn)e60合金粉末的化學(xué)成分如表1所示，增材制造工藝參數(shù)如表2所示，葉片模型的增材效果如圖7所示，增材層數(shù)為6。觀察整個(gè)增材制造過(guò)程發(fā)現(xiàn)，熱源與運(yùn)動(dòng)控制穩(wěn)定可靠。

在增材制造工藝試驗(yàn)過(guò)程中，參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)容易出現(xiàn)以下幾點(diǎn)問(wèn)題：（1）如果送粉氣流量過(guò)小，容易出現(xiàn)堵粉或者送粉量不足的問(wèn)題，但如果送粉氣流量過(guò)大，不僅會(huì)造成粉末飛濺，而且氣體吹動(dòng)熔池向零件兩側(cè)流動(dòng)，造成零件在寬度方向的尺寸大于設(shè)定值，而在高度方向的尺寸增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軟件分層高度，因此增材過(guò)程中要選擇合適的送粉氣流量。（2）增材過(guò)程中，在零件周圍有時(shí)會(huì)出現(xiàn)直徑不等的合金小圓珠，即粘珠現(xiàn)象，出現(xiàn)粘珠現(xiàn)象的原因主要是送粉量過(guò)大或個(gè)別送粉孔堵塞造成的送粉不對(duì)稱。（3）增材制造過(guò)程中偶爾會(huì)出現(xiàn)雙弧現(xiàn)象，鎢極與噴嘴孔徑不同心是形成雙弧的主要原因，噴嘴孔徑越小，孔道長(zhǎng)度或內(nèi)縮越大時(shí)，雙弧形成的可能性越大。另外增大電流時(shí)易出現(xiàn)雙弧，噴嘴表面的氧化物或金屬飛濺物等同樣會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)雙弧現(xiàn)象[10]。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)PTA粉末增材制造熱源過(guò)程控制，使熱源各部分按時(shí)序啟停，利用PLC模擬量輸出功能，實(shí)現(xiàn)了用觸摸屏對(duì)增材制造過(guò)程中各參數(shù)的預(yù)置。通過(guò)子程序?qū)崿F(xiàn)熱源的兩種控制模式，并利用PLC的高速脈沖計(jì)數(shù)功能，使熱源啟停與熱源運(yùn)動(dòng)可以同時(shí)受上位機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)增材制造過(guò)程的一體化控制。

（2）通過(guò)建模、分層及路徑編譯，實(shí)現(xiàn)增材制造過(guò)程中焊槍對(duì)模型輪廓的掃描，從而實(shí)現(xiàn)從三維模型到實(shí)體零件的快速自動(dòng)化成型。

（3）通過(guò)工藝試驗(yàn)驗(yàn)證了PTA粉末增材制造控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。等離子弧能量密度高，電弧穩(wěn)定性好，性價(jià)比高，在金屬增材制造方面具有良好的發(fā)展前景。

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