基于Labview的電火花自動沉積監控系統設計

張忠科 張棟 王希靖 陳克選

摘要：電火花沉積可制備硬度高、耐磨性和耐腐蝕性優異的強化涂層，能顯著提高機械零部件的性能和使用壽命，傳統電火花沉積主要依靠人工操作。基于Labview開發平臺設計了一套電火花自動沉積監控系統，其硬件主要由PC機、Arduino控制卡、步進電機等組成，該系統具有運動控制、運動反饋、數據采集、沉積軌跡設置和顯示等功能，并在沉積路徑規劃中加入了Bresenham算法，實現了電火花沉積過程的自動控制。

關鍵詞：Labview;伺服控制系統;電火花沉積;Bresenham算法

中圖分類號：TG409 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）05-0024-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.05

0 ? ?前言

電火花沉積（Electra-Spark Deposition，ESD）是一種金屬表面強化處理技術，原理是把電極材料（陽極）作為沉積材料，通過脈沖電源放電在極短時間內（10-5～10-6 s）擊穿氣體間隙將電極材料轉移到金屬工件（陰極）的表面形成強化層。電極與工件接觸表面溫度高達8 000～25 000 ℃，由于放電瞬間在高溫下熔化并重新合金化，其殘余應力小，經過強化后表面無需熱處理加工，可作為最終工序[1]。目前電火花沉積強化與修補已廣泛應用于航空航天、能源、醫療等諸多領域。國內外學者針對電火花沉積工藝進行了大量研究，張建斌等人[2]使用手動旋轉式電火花沉積槍，對3.5 inch壓裂球表面缺陷進行了修復，硬度和降解性能測試達到工件強化指標;Hassan Shafyei等人[3]采用電火花沉積技術，將Ti/TiB/TiB2涂覆到Ti6Al4表面，結果表明涂層與基材之間的粘合強度均高于50 MPa且硬度均得到了提高;耿銘章等人[4]使用旋轉式電火花沉積技術在H13鋼表面電火花沉積制備了Ni/Ti（C，N）金屬陶瓷復合涂層，結果表明涂層表面的硬度、耐磨性均有所提高，且具有一定的減摩性，可以起到延長模具壽命的作用;吳公一[5]等采用電火花沉積技術在TA2表面制備了復合涂層，Zr/WC復合涂層的硬度是基體的4倍，耐磨性比基體提高了3.1倍;王彥芳等人[6]采用電火花沉積技術在45Mn2鋼表面制備FeCoCrNiCu高熵合金涂層，有效提高了基材的耐蝕性能。

目前針對實現電火花沉積過程自動化控制的研究較少，傳統電火花沉積設備主要依靠人工手動操作[7-11]。文中基于Labview和Arduino控制卡設計了電火花自動沉積監控系統。使用Labview為開發平臺編寫上位機操作程序，設計了反饋模式，并在沉積路徑中加入了Bresenham算法，實現了電火花沉積過程的運動控制。

1 電火花自動沉積控制系統的組成

沉積工作平臺如圖1所示，控制系統原理如圖

2所示。整個平臺劃分為：（1）龍門架四軸運動機構、電火花沉積焊槍、焊槍角度調節夾具、工件夾具;機械結構由滾珠絲杠、滑臺、連接件、工件夾具等組成。X軸由兩個并聯滾珠絲杠組成;Y軸滾珠絲杠通過連接件橫向安裝在X軸的滑臺上;Z軸滾珠絲杠垂直安裝在Y軸的滑臺上。在Z軸滑臺上安裝有360°可調夾具，可以根據不同工件調整沉積槍角度。滾珠絲杠滑臺長度均為50 cm，其運動精度可達0.05 mm。（2）步進伺服系統采用57步進電機作為執行元件;驅動器采用DM542。（3）下位機使用Arduino Uno R3控制卡，上位機使用Labview作為開發平臺編寫操作程序，通過VISA串口通信技術向 Arduino 板卡發送相應的運動指令，實現運動控制。（4）反饋模塊采用JNNT-F雙法蘭扭矩傳感器，以及BSQ-2型單通道傳感信號放大器（變送器）。（5）數據采集模塊：數據采集卡采用NI公司生產的PCI-6215，它是一個多功能DAQ板卡。有2路16位模擬輸出（2.8 MS/s）;24條數字I/O線;32位計數器，能在高采樣率下保持高精度。利用HV25-P電壓傳感器和CHB-25NP閉環霍爾電流傳感器采集沉積槍放電時產生的電壓與電流;采用BSQ-2型單通道傳感信號放大器，采集扭矩傳感器工作時產生的力學量，并將其轉換成標準電壓信號輸出到數據采集卡中。

2 Arduino伺服控制系統設計

2.1 軟件開發平臺

伺服控制軟件使用C語言在Arduino IDE中編寫。軟件模塊分為：串口數據處理模塊、坐標計算模塊、電機控制模塊和速度控制模等。

2.2 Arduino串口通信及控制過程

通過調用VISA驅動來實現串行通信虛擬儀器軟件架構[12]。VISA是應用于儀器編程的標準I/O應用程序接口（API），是調用底層驅動器的高層API。開發環境中首先調用 VISA Configure Serial Port 完成串口參數的設置，包括調用庫函數節點讀取控制板的dll文件，打開控制板并獲取設備名稱，實現PL23XX_Prolific_DriverInstaller_v200驅動串口通信。

速度控制系統運用于坐標行進功能中，按照速度控制公式得出點至點距離為

三軸速度為：

式中 x1，x2，x3為坐標給定值;y1，y2，y3為上一時刻坐標值，v為按照坐標行進時的速度給定值。其中X、Y、Z軸行進步長均可設為0.05＼0.5＼5＼50 mm，按照點到點行進時，保證了沉積槍能以恒給定距離行進。程序開始運行時系統對X、Y、Z軸初始化操作，并設置相應的參數[13]。根據設定的指令判斷出反向限位和正向限位的位置，根據坐標點初值，可判斷沉積槍原點的位置。

2.3 Bresenham路徑算法

Bresenham路徑算法是一種脈沖增量軌跡算法，特別適合于以步進電動機為執行元件的控制系統，能夠同時對三個坐標進行計算處理，并且可以直接在硬件上實現，速度快、效率高，故在電火花沉積軌跡控制中采用Bresenham路徑算法[14]。算法原理為：使象限中直線斜率絕對值小于1，并構造虛擬網格線。計算圓弧或直線從開始的順序與各垂直網格線的交點，確定列像素與交點最近的像素，由于圓的對稱性，用一個八分圓進行掃描轉換對稱點，將對稱點平移，即得對應點。

像素點離圓心逼近的程度的表達式為

則可得到圓弧與像素點（xi，yi）的關系共有5種（見圖3）。

圓心到右下角像素點（xi+1，yi-1）的距離與圓心到圓上距離關系由公式Δi= （xi+1） 2+（yi-1） 2-R2來判定。

（1）當Δi<0時，D在圓內，選①②。

若d≤0，則選H;若d>0，則選D。

（2）同理，當Δi>0時，D在圓外，選④⑤。

若d≤0，則選D;若d>0，則選V。

（3）當Δi=0時，D在圓上，選③，取D點作為下一個像素。

（4）算法步驟。

算法流程如圖4所示，輸入加工參數，程序進行初始值計算并對Δi與D的數值關系進行判別，根據判別結果對加工圖形進行運動控制。

2.4 控制系統流程及Z軸反饋流程

控制系統流程如圖5所示。開始工作時，程序進行初始化操作，X、Y、Z軸返回初始參考點;沉積槍頭進行Z軸校準，校準過程中在系統中設定校準閾值，在IDE中設定上限閾值u，Z軸開始勻速向下運動，系統實時讀取當前扭矩傳感器數值m，當扭矩傳感器讀取數值m大于等于設定閾值u時，Z軸停止運動，Z軸校準結束;選擇沉積運動軌跡后，Z軸開始反饋工作，Z軸反饋流程如圖6所示，其中上限閾值保持與校準閾值相一致，在IDE中設置下限閾值n，沉積槍按照Bresenham路徑規劃開始工作的同時開啟定時器中斷，進入中斷后控制卡讀取傳感器數值m、上限閾值u、下限閾值n進行比較;當傳感器數值m低于下限值n時，Z軸向下運動0.1 mm（Z軸反饋速度與距離可在IDE中修改），當傳感器數值m大于等于上限閾值u時，Z軸保持不動，單次反饋流程完成。

3 電火花沉積平臺控制上位機軟件

Labview開發平臺運用圖形化的編程方法，使其具有良好的人機界面，并具備了功能豐富的數據處理和分析能力。上位機使用Labview開發平臺來實現監控平臺的控制功能。

3.1 手動控制界面

手動控制模式界面如圖7所示。手動控制模式：可以獨立控制X、Y、Z軸分別以0.05＼0.5＼5＼50 mm勻速點動;按坐標行進，分別在X、Y、Z軸輸入坐標（距離不能超過正負限位），三軸以輸入的速度運動;點擊“ 歸位 ”按鍵，Z軸首先返回初始參考點后，X、Y軸再返回初始參考點;實時坐標顯示X、Y、Z軸與初始參考點位置關系，刷新周期為500 ms。

3.2 自動控制模式

自動控制模式操作界面如圖8所示，在自動控制模式下實現的功能有：沉積圓形軌跡、矩形軌跡、按坐標行進。當沉積圓形軌跡時，首先在圓形軌跡中設置所要沉積圓的外圓半徑與圓環數，圓半徑加工范圍不能超過平臺的正負限位器，點擊“ 開始 ”，平臺根據設置速度進行加工;加工矩形軌跡時，操作過程同上。狀態監控窗口：可顯示X、Y、Z軸相對于初始參考點的實時坐標、各個限位傳感器的狀態、觸頭壓力數值。Z軸校準窗口：點擊“ 自動校準 ”，此時Z軸會勻速向下運動，直到觸頭壓力達到設定值時停止，點擊“ 校準完成 ”;根據不同加工情況，可輸入Z軸行程距離，通過手動進行校準;沉積過程中出現特殊情況時點擊“ 暫停 ”，系統暫停工作;繼續功能使沉積槍恢復之前沉積任務;急停功能使系統完全停止工作;當沉積完成后，點擊“ 歸零 ”Z軸先返回初始參考點后，X，Y軸再返回初始參考點。

3.3 數據采集模式

數據采集界面如圖9所示，開始工作時根據沉積參數設置采樣率與采樣次數;點擊“ 開始 ”，系統采集電火花電源工作時產生的電流、電壓，通過BSQ-2傳感信號放大器采集扭矩信號并轉換成壓力值;數據記錄存儲為Excel格式;點擊“ 停止采集 ”后，點擊“ 數據回放 ”可查看采集的波形;點擊“ 退出 ”按鈕，采集程序結束。采集的電壓波形顯示為脈沖電壓，采集的電流與壓力波形成對應關系，由于Z軸反饋調節，電流與壓力波動幅值先增大后減小，最終趨于平穩。

4 試驗結果與分析

4.1 試驗材料

試驗選用硬質合金WC-10Co作為電極材料制備沉積層，產品號為WTC-90，直徑3 mm。基體材料選用尺寸為10 mm×15 mm×15 mm的S136模具鋼。試驗前對材料進行預處理。

4.2 試驗方法

采用LD-E8型超聲波電火花電源進行手動電火花沉積，電火花自動沉積監控系統沉積2次對比試驗，2次工作參數均相同為，電壓80 V，電流7.5 A，頻率1 500 Hz，超聲振動強度9檔，脈寬25%，沉積槍角度60°，主軸轉速200 r/min，沉積時間5 min，無氣體保護。

4.3 沉積層截面形貌

圖10a為使用傳統電火花沉積設備在S136模具鋼表面手動沉積WC-10Co硬質合金層截面微觀形貌;圖10b為使用文中設計的電火花自動沉積監控系統在S136模具鋼表面沉積WC-10Co硬質合金層截面微觀形貌。經掃描電鏡觀察，電火花自動沉積監控系統制備的沉積層厚度、致密性和均勻性較手動制備的沉積層有明顯提升。

5 結論

基于Labview開發平臺設計了一套具有運動控制、運動反饋、數據采集、沉積軌跡設置和顯示等功能的電火花自動沉積監控系統;經試驗驗證，在工作參數和沉積時間均相同的條件下，電火花自動沉積監控系統制備的沉積層厚度較高、均勻性和致密性良好。

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