基于Labview的电火花自动沉积监控系统设计

张忠科 张栋 王希靖 陈克选

摘要：电火花沉积可制备硬度高、耐磨性和耐腐蚀性优异的强化涂层，能显著提高机械零部件的性能和使用寿命，传统电火花沉积主要依靠人工操作。基于Labview开发平台设计了一套电火花自动沉积监控系统，其硬件主要由PC机、Arduino控制卡、步进电机等组成，该系统具有运动控制、运动反馈、数据采集、沉积轨迹设置和显示等功能，并在沉积路径规划中加入了Bresenham算法，实现了电火花沉积过程的自动控制。

关键词：Labview;伺服控制系统;电火花沉积;Bresenham算法

中图分类号：TG409      文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）05-0024-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.05

0    前言

电火花沉积（Electra-Spark Deposition，ESD）是一种金属表面强化处理技术，原理是把电极材料（阳极）作为沉积材料，通过脉冲电源放电在极短时间内（10-5～10-6 s）击穿气体间隙将电极材料转移到金属工件（阴极）的表面形成强化层。电极与工件接触表面温度高达8 000～25 000 ℃，由于放电瞬间在高温下熔化并重新合金化，其残余应力小，经过强化后表面无需热处理加工，可作为最终工序[1]。目前电火花沉积强化与修补已广泛应用于航空航天、能源、医疗等诸多领域。国内外学者针对电火花沉积工艺进行了大量研究，张建斌等人[2]使用手动旋转式电火花沉积枪，对3.5 inch压裂球表面缺陷进行了修复，硬度和降解性能测试达到工件强化指标;Hassan Shafyei等人[3]采用电火花沉积技术，将Ti/TiB/TiB2涂覆到Ti6Al4表面，结果表明涂层与基材之间的粘合强度均高于50 MPa且硬度均得到了提高;耿铭章等人[4]使用旋转式电火花沉积技术在H13钢表面电火花沉积制备了Ni/Ti（C，N）金属陶瓷复合涂层，结果表明涂层表面的硬度、耐磨性均有所提高，且具有一定的减摩性，可以起到延长模具寿命的作用;吴公一[5]等采用电火花沉积技术在TA2表面制备了复合涂层，Zr/WC复合涂层的硬度是基體的4倍，耐磨性比基体提高了3.1倍;王彦芳等人[6]采用电火花沉积技术在45Mn2钢表面制备FeCoCrNiCu高熵合金涂层，有效提高了基材的耐蚀性能。

目前针对实现电火花沉积过程自动化控制的研究较少，传统电火花沉积设备主要依靠人工手动操作[7-11]。文中基于Labview和Arduino控制卡设计了电火花自动沉积监控系统。使用Labview为开发平台编写上位机操作程序，设计了反馈模式，并在沉积路径中加入了Bresenham算法，实现了电火花沉积过程的运动控制。

1 电火花自动沉积控制系统的组成

沉积工作平台如图1所示，控制系统原理如图

2所示。整个平台划分为：（1）龙门架四轴运动机构、电火花沉积焊枪、焊枪角度调节夹具、工件夹具;机械结构由滚珠丝杠、滑台、连接件、工件夹具等组成。X轴由两个并联滚珠丝杠组成;Y轴滚珠丝杠通过连接件横向安装在X轴的滑台上;Z轴滚珠丝杠垂直安装在Y轴的滑台上。在Z轴滑台上安装有360°可调夹具，可以根据不同工件调整沉积枪角度。滚珠丝杠滑台长度均为50 cm，其运动精度可达0.05 mm。（2）步进伺服系统采用57步进电机作为执行元件;驱动器采用DM542。（3）下位机使用Arduino Uno R3控制卡，上位机使用Labview作为开发平台编写操作程序，通过VISA串口通信技术向 Arduino 板卡发送相应的运动指令，实现运动控制。（4）反馈模块采用JNNT-F双法兰扭矩传感器，以及BSQ-2型单通道传感信号放大器（变送器）。（5）数据采集模块：数据采集卡采用NI公司生产的PCI-6215，它是一个多功能DAQ板卡。有2路16位模拟输出（2.8 MS/s）;24条数字I/O线;32位计数器，能在高采样率下保持高精度。利用HV25-P电压传感器和CHB-25NP闭环霍尔电流传感器采集沉积枪放电时产生的电压与电流;采用BSQ-2型单通道传感信号放大器，采集扭矩传感器工作时产生的力学量，并将其转换成标准电压信号输出到数据采集卡中。

2 Arduino伺服控制系统设计

2.1 软件开发平台

伺服控制软件使用C语言在Arduino IDE中编写。软件模块分为：串口数据处理模块、坐标计算模块、电机控制模块和速度控制模等。

2.2 Arduino串口通信及控制过程

通过调用VISA驱动来实现串行通信虚拟仪器软件架构[12]。VISA是应用于仪器编程的标准I/O应用程序接口（API），是调用底层驱动器的高层API。开发环境中首先调用 VISA Configure Serial Port 完成串口参数的设置，包括调用库函数节点读取控制板的dll文件，打开控制板并获取设备名称，实现PL23XX_Prolific_DriverInstaller_v200驱动串口通信。

速度控制系统运用于坐标行进功能中，按照速度控制公式得出点至点距离为

三轴速度为：

式中 x1，x2，x3为坐标给定值;y1，y2，y3为上一时刻坐标值，v为按照坐标行进时的速度给定值。其中X、Y、Z轴行进步长均可设为0.05＼0.5＼5＼50 mm，按照点到点行进时，保证了沉积枪能以恒给定距离行进。程序开始运行时系统对X、Y、Z轴初始化操作，并设置相应的参数[13]。根据设定的指令判断出反向限位和正向限位的位置，根据坐标点初值，可判断沉积枪原点的位置。

2.3 Bresenham路径算法

Bresenham路径算法是一种脉冲增量轨迹算法，特别适合于以步进电动机为执行元件的控制系统，能够同时对三个坐标进行计算处理，并且可以直接在硬件上实现，速度快、效率高，故在电火花沉积轨迹控制中采用Bresenham路径算法[14]。算法原理为：使象限中直线斜率绝对值小于1，并构造虚拟网格线。计算圆弧或直线从开始的顺序与各垂直网格线的交点，确定列像素与交点最近的像素，由于圆的对称性，用一个八分圆进行扫描转换对称点，将对称点平移，即得对应点。

像素点离圆心逼近的程度的表达式为

则可得到圆弧与像素点（xi，yi）的关系共有5种（见图3）。

圆心到右下角像素点（xi+1，yi-1）的距离与圆心到圆上距离关系由公式Δi= （xi+1） 2+（yi-1） 2-R2来判定。

（1）当Δi<0时，D在圆内，选①②。

若d≤0，则选H;若d>0，则选D。

（2）同理，当Δi>0时，D在圆外，选④⑤。

若d≤0，则选D;若d>0，则选V。

（3）当Δi=0时，D在圆上，选③，取D点作为下一个像素。

（4）算法步骤。

算法流程如图4所示，输入加工参数，程序进行初始值计算并对Δi与D的数值关系进行判别，根据判别结果对加工图形进行运动控制。

2.4 控制系统流程及Z轴反馈流程

控制系统流程如图5所示。开始工作时，程序进行初始化操作，X、Y、Z轴返回初始参考点;沉积枪头进行Z轴校准，校准过程中在系统中设定校准阈值，在IDE中设定上限阈值u，Z轴开始匀速向下运动，系统实时读取当前扭矩传感器数值m，当扭矩传感器读取数值m大于等于设定阈值u时，Z轴停止运动，Z轴校准结束;选择沉积运动轨迹后，Z轴开始反馈工作，Z轴反馈流程如图6所示，其中上限阈值保持与校准阈值相一致，在IDE中设置下限阈值n，沉积枪按照Bresenham路径规划开始工作的同时开启定时器中断，进入中断后控制卡读取传感器数值m、上限阈值u、下限阈值n进行比较;当传感器数值m低于下限值n时，Z轴向下运动0.1 mm（Z轴反馈速度与距离可在IDE中修改），当传感器数值m大于等于上限阈值u时，Z轴保持不动，单次反馈流程完成。

3 电火花沉积平台控制上位机软件

Labview开发平台运用图形化的编程方法，使其具有良好的人机界面，并具备了功能丰富的数据处理和分析能力。上位机使用Labview开发平台来实现监控平台的控制功能。

3.1 手动控制界面

手动控制模式界面如图7所示。手动控制模式：可以独立控制X、Y、Z轴分别以0.05＼0.5＼5＼50 mm匀速点动;按坐标行进，分别在X、Y、Z轴输入坐标（距离不能超过正负限位），三轴以输入的速度运动;点击“ 归位 ”按键，Z轴首先返回初始参考点后，X、Y轴再返回初始参考点;实时坐标显示X、Y、Z轴与初始参考点位置关系，刷新周期为500 ms。

3.2 自动控制模式

自动控制模式操作界面如图8所示，在自动控制模式下实现的功能有：沉积圆形轨迹、矩形轨迹、按坐标行进。当沉积圆形轨迹时，首先在圆形轨迹中设置所要沉积圆的外圆半径与圆环数，圆半径加工范圍不能超过平台的正负限位器，点击“ 开始 ”，平台根据设置速度进行加工;加工矩形轨迹时，操作过程同上。状态监控窗口：可显示X、Y、Z轴相对于初始参考点的实时坐标、各个限位传感器的状态、触头压力数值。Z轴校准窗口：点击“ 自动校准 ”，此时Z轴会匀速向下运动，直到触头压力达到设定值时停止，点击“ 校准完成 ”;根据不同加工情况，可输入Z轴行程距离，通过手动进行校准;沉积过程中出现特殊情况时点击“ 暂停 ”，系统暂停工作;继续功能使沉积枪恢复之前沉积任务;急停功能使系统完全停止工作;当沉积完成后，点击“ 归零 ”Z轴先返回初始参考点后，X，Y轴再返回初始参考点。

3.3 数据采集模式

数据采集界面如图9所示，开始工作时根据沉积参数设置采样率与采样次数;点击“ 开始 ”，系统采集电火花电源工作时产生的电流、电压，通过BSQ-2传感信号放大器采集扭矩信号并转换成压力值;数据记录存储为Excel格式;点击“ 停止采集 ”后，点击“ 数据回放 ”可查看采集的波形;点击“ 退出 ”按钮，采集程序结束。采集的电压波形显示为脉冲电压，采集的电流与压力波形成对应关系，由于Z轴反馈调节，电流与压力波动幅值先增大后减小，最终趋于平稳。

4 试验结果与分析

4.1 试验材料

试验选用硬质合金WC-10Co作为电极材料制备沉积层，产品号为WTC-90，直径3 mm。基体材料选用尺寸为10 mm×15 mm×15 mm的S136模具钢。试验前对材料进行预处理。

4.2 试验方法

采用LD-E8型超声波电火花电源进行手动电火花沉积，电火花自动沉积监控系统沉积2次对比试验，2次工作参数均相同为，电压80 V，电流7.5 A，频率1 500 Hz，超声振动强度9档，脉宽25%，沉积枪角度60°，主轴转速200 r/min，沉积时间5 min，无气体保护。

4.3 沉积层截面形貌

图10a为使用传统电火花沉积设备在S136模具钢表面手动沉积WC-10Co硬质合金层截面微观形貌;图10b为使用文中设计的电火花自动沉积监控系统在S136模具钢表面沉积WC-10Co硬质合金层截面微观形貌。经扫描电镜观察，电火花自动沉积监控系统制备的沉积层厚度、致密性和均匀性较手动制备的沉积层有明显提升。

5 结论

基于Labview开发平台设计了一套具有运动控制、运动反馈、数据采集、沉积轨迹设置和显示等功能的电火花自动沉积监控系统;经试验验证，在工作参数和沉积时间均相同的条件下，电火花自动沉积监控系统制备的沉积层厚度较高、均匀性和致密性良好。

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