（机械电子工程专业论文）超音速火焰喷涂控制系统的设计.pdf

摘要 超音速火焰喷涂技术是一种可在零部件表面高效率地形成涂层的工艺方法，该方法 具有火焰速度高、涂层结合强度高、致密性好、耐磨等优点。在对此技术日益推广和产 业化的背景下，我们对超音速火焰喷涂控制系统进行地研究与设计，不但能够改进我们 现有设备的利用效率，而且提高了超音速火焰喷涂的易操作性和智能性，这些对于超音 速火焰喷涂设备的商业化推广和应用有着重要的意义。 本文介绍了超音速火焰喷涂控制系统的组成，阐述了系统的技术要求。依据系统的 技术要求，本文给出了系统的总体设计方案，分别从硬件和软件两大方面进行叙述：在 硬件方面，根据控制要求，进行了控制器、压力传感器、温度传感器、液位传感器、流 量传感器、电磁阀和电液比例控制阀的选型，同时也进行了显示系统的选型；在软件方 面，主要编写了主程序、系统初始化程序、a d 采样、d a 输出，p i d 调节以及串口通讯 程序等相关程序。特别是对氧气供给系统进行了p i d 闭环控制分析，建立控制系统模型， 并在程序上给予了实现。 最后，进行了相关模拟调试工作，结果表明：所设计的控制系统能够满足使用要求。 关键字：热喷涂，超音速火焰喷涂，控制系统，微控制器 a b s t r a c t h v o ft e c h n o l o g yi sah i g he f f i c i e n c yi nt h ep a r t sa n dc o m p o n e n t st ot h ef o r m a t i o no f s u r f a c ec o a t i n gp r o c e s sm e t h o d ，t h i sm e t h o dh a sah i g hf l a m es p e e d ，c o a t i n gc o m b i n e dw i t h l l i g hs t r e n g t h ，g o o dd e n s i t y , w e a rr e s i s t a n c ea n ds oo n a tt h ep r o m o t i o no ft h i st e c h n o l o g y a n dt h eb a c k g r o u n do ft h eg r o w i n gi n d u s t r i a l i z a t i o n ，w er e s e a r c ha n dd e s i g nt h ec o n t r o lo ft h e h v o fs y s t e m ，n o to n l yc a ni m p r o v ee f f i c i e n c yo fo u re x i s t i n ge q u i p m e n t ，b u ta l s oi m p r o v e t h eh v o fe a s i l y i n t e r o p e r a b i l i t ya n di n t e l l i g e n t ，w h i c hi so fg r e a t s i g n i f i c a n c e f o r c o m m e r c i a lp r o m o t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no fh v o f e q u i p m e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o m p o s i t i o no fh v o fc o n t r o ls y s t e m ，e l a b o r a t e st h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ，t h i sp a p e r p r e s e n t st h eo v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e mp r o g r a m ，s e p a r a t e l yf r o mt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s c r i b e di nt w oa s p e c t s ：i nt e r m so fh a r d w a r e ，a c c o r d i n gt oc o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，ac o n t r o l l e r , p r e s s u r es e n s o r s ，t e m p e r a t u r es e n s o r , l i q u i dl e v e ls e n s o r , f l o ws e n s o r ，s o l e n o i dv a l v e sa n d e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o lv a l v ea r es e l e c t e d ，a sw e l la sad i s p l a ys y s t e mi s s e l e c t e d ；o nt h es o f t w a r es i d e ，t h em a i np r e p a r a t i o no ft h em a i np r o g r a m ，t h es y s t e m i n i t i a l i z a t i o np r o c e d u r e s ，a ds a m p l i n g ，d ao u t p u t ，p i dr e g u l a t i o n ，a sw e l la ss e r i a l c o m m u n i c a t i o np r o c e d u r e sa n do t h e rr e l a t e dp r o c e d u r e s e s p e c i a l l yi th a sc a r d e do nt h e a n a l y s i st ot h ep i dc l o s e d - l o o pc o n t r o lo ft h eo x y g e ns u p p l ys y s t e m ，e s t a b l i s h e dt h em o d e lo f c o n t r o ls y s t e ma n dg i v e nar e a l i z a t i o no nt h ep r o c e d u r e s f i n a l l y , t h er e l e v a n tj o bo fa n a l o gd e b u g g i n gi sd o n e ，r e s u l t ss h o wt h a t ：t h ed e s i g n e d c o n t r o ls y s t e mm e e t st h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t k e y w o r d ：t h e r m a ls p r a y ，h v o f ，c o n t r o ls y s t e m ，m i c r o c o n t r o l l e r 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 j 、v 叶 论文作者签名：社辱芍 2 0 0 q 年6 月1 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：杠学考 2 0 f 年6 月1 日 铷签名：彳沙弋拶夕年6 月，日 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 随着科学技术和现代工业不断地发展，对各种设备零部件的表面性能的要求也越来 越高，特别是在重载、腐蚀介质、高温、高压和高速度等条件下工作的零部件，其材料 的破坏往往从零部件的表面开始，如磨损、腐蚀和高温氧化等，而零部件表面的局部破 坏又往往造成整个零部件失效，最终导致设备停用。因此，需要一种有效的工艺来改善 材料的表面性能，超音速火焰喷涂技术就是实现这一工艺过程的一门技术。 1 1 超音速火焰喷涂简介 超音速火焰喷涂( 英文全称为h i g hv e l o c i t yo x y g e nf u e l 简称h v o f ) 是2 0 世纪8 0 年代初在普通火焰喷涂的基础上发展起来的一种新型热喷涂技术，它是一种在材料表面 高效率地形成涂层的工艺方法。该方法是将喷涂材料粒子加热并雾化成熔化或半熔化的 状态，经超音速火焰加速后，以较高的速度撞击已形成的涂层或基体的表面，扁平化后 沉积在表面形成的涂层【。 1 1 1 超音速火焰喷涂技术的特点 由于喷涂粒子以超音速飞行并撞击到基体表面，所以h v o f 涂层的密度、硬度和结 合强度都非常高，高速( 可使粒子的氧化暴露时间减短并使其获得较高的动能) 和相对 较低的温度是h v o f 工艺方法最重要的两个特征【2 1 。h v o f 技术的突出特点是： 1 火焰速度高，可达1 5 0 0m s 以上【3 ，4 ，5 1 ，可将喷涂粒子加速到高达3 0 0 , - - , 5 0 0 m s t 6 1 ； 2 温度比等离子喷涂低很多，约2 7 6 0 0 c 7 1 ，可有效防止喷涂过程中粒子的氧化，特别 适合喷涂加热后易于分解的金属陶瓷涂层： 3 涂层的致密性好，结合强度高( 大于7 0 m p a ) 【8 ，9 】，耐磨性能优越。 1 1 2 超音速火焰喷涂与其它喷涂方法的比较 以下是h v o f 与等离子喷涂、电弧喷涂进行的比较，结果如下表1 1 所示： 表1 1 不同表面改性工艺方法的比较 。 表面改性涂层性能生产率涂层 工艺结合 均匀材料变 沉积能源运行设备 强度性选择形速度利用成本投资 等离子喷涂 一般一般 优 良良一般良良 h v o f良良 优良 优 一般 良 优 电弧喷涂一般一般一般优优良优优 第一章绪论 从上表中可见，h v o f 的显著优点是涂层材料选择性好，沉积速度快，设备投资低， 另外，h v o f 能够获得比等离子或电弧喷涂结合强度更高、均匀性更好的涂层。需特别 指出的是h v o f 具有优良的高速低温特性，这特别适合于喷涂耐磨性能良好的w c 类 材料，因为在氧化和高温条件下喷涂很难避免w c 脱碳【l0 1 。 1 1 3 超音速火焰喷涂技术的应用 h v o f 技术由于其焰流温度和速度在大范围内连续可调，可以满足多种喷涂材料的 要求，因此有着非常广泛的应用领域和前剥1 1 】。其典型应用领域如下表1 2 所示： 表1 2 超音速火焰喷涂的典型应用 应用领域典型零部件 冶金轴类、风机叶片、辊类 化工轴类、阀门、反应釜、管道 电力风机叶片、锅炉四管 石油 轴类、液压轴塞、抽油泵、活塞 造纸印刷卷纸辊、压光轴、涂布辊、机辊筒、烘缸、刀具 一般机械轴类 h v o f 技术在出现初期，就受到了航空航天界的青睐，并很快地投入了生产应用。 美国近年来在航空发动机部件如轴承套和压缩机叶片等上使用h v o f 技术已经实现了 标准化，完全取代了之前所使用的爆炸喷涂层，旨在降低成本【1 2 1 。 近几年来，h v o f 技术在耐磨、耐腐蚀、抗氧化和机械零部件修复等领域也得到了 较广泛的应用。例如：日本钢铁工业应用h v o f 修复退火炉辊，修复率从8 0 年代中期 的3 0 上升为9 0 年代后期的8 0 【l3 1 。再如：由于发动机的高压压缩机前轴的磨损是在 轴孔内，所以使用传统的修复方法相当困难，但对于h v o f 工艺来说，由于它具有长的 喷涂距离、精确且易于操作的喷枪以及非常高的粒子速度，虽然喷涂角度较小，仍能制 备出厚度超过2 m m 的涂层，且修复表面具有很高的质量，同时喷涂表面加工也很容易， 其维修成本远远低于更换整个部件所需的费用【l4 1 。 1 2 超音速火焰喷涂原理 h v o f 是将大量燃料( 气体或液体，如：氢、甲基乙炔、乙炔、丙烯、丙烷、天然 气【”l 、煤油、柴油【1 6 1 ) 和氧气在高压下供给喷枪，使其在燃烧室中进行燃烧，其燃烧的 火焰沿着喷嘴喷出，在范诺流和瑞利流的效应下，对于拉瓦尔喷嘴在喷嘴内部，焰流呈 现出阻塞状态，在高压下可以获得超音速火焰射流，这类似于火箭发动机燃烧所喷出的 2 长安大学硕士学位论文 焰流，也可称之为小型火箭发动机【1 刀；将喷涂粉末送入该火焰中，超音速火焰射流可以 将喷涂粒子加热成熔化或半熔化状态，同时使粒子速度达到超音速，从而具有很高的动 能；当喷涂粒子撞击基体表面时，冲击动能转化为热能，进一步使其产生充分变形，从 而获得结合强度高、致密性好的高质量的涂层【1 ，18 1 。 1 3 超音速火焰喷涂控制系统的研究现状 h v o f 技术是世界热喷涂界的重大进展之一，1 9 9 4 年，这种设备日本有6 0 多套， 欧洲大约有1 2 0 套，其中德国大约有3 0 套，1 9 9 5 年在日本神户召开的第1 4 届热喷涂国 际会议上，以h v o f 为主题的论文就达到4 0 篇【1 6 1 。在9 0 年代初期，h v o f 设备在热 喷涂市场中所占的比例约为3 ，到了2 0 0 0 年，该比例达到约2 5 嘣1 9 l 。据英国m e t a l l i s a t i o n 有限公司称，h v o f 设备在热喷涂市场上越来越畅销。该公司认为h v o f 设备越来越受 到那些寻求耐腐蚀性能或耐磨性能更好的涂层的工程师们的欢迎，因为相对于那些采用 较熟悉的常规喷涂工艺，如：电弧喷涂、火焰喷涂和等离于喷涂等制成的涂层来说，h v o f 制成的涂层硬度更高、致密度会更好一些【2 们。 到目前为止，我国己陆续从国外购进了几台h v o f 设备，如上海的司太立公司引进 了美国s t e l l i t e 公司的j e t k o t e 高速火焰喷涂设备，中国有色金属研究总院引进了 d i a m o n d j e t 系统，鞍山钢铁公司引进了t o p g u n 系统。此外，西安交通大学于1 9 9 5 年 已研制成功了我国自己的h v o f 系统( c h 一2 0 0 0 ) ，长安大学、沈阳工业大学、装甲兵工 程学院、武汉材料保护研究院、北京钢铁研究总院、北京钛得新工艺材料有限公司等几 家单位也都在进行这方面研究，并相继研制成功了各具特色的h v o f 系统【2 1 1 。 国际上著名的热喷涂设备生产公司普莱克斯表面技术公司推出的j p 一5 0 0 0 、j p 8 0 0 0 型高压h v o f 系统是当前国际上最为畅销的h o v f 系统，目前在国际上已有超过5 0 0 台的 在役量，这是其他h v o f 系统无法比拟的【2 2 】。其d ? j p 一8 0 0 0 系统的8 1 0 0 型c o r o n a 控制 台，是一闭环、全自动控制的控制台，其外形如下图1 4 所示： 3 西w i 明 圈1 4j p - 8 0 0 0 系统的8 1 u 0 型h v o f 系统控制台外形图 从下往上数，第一层为冷却水回路，第二：层为液体燃料l u j 路，第t 层为氧气| 旦| 路， 第四层为送载气叫路。8 1 0 0 型模块将回路殴计成独立的抽斗式，- 叮以方便无碍地抽出进 行维护和维修，必要时，可以将抽- - 1 模块抽出，在很短时问内换上一新的抽斗模块， 将停机时问降到昂短。 8 1 0 0 型为安全操作、使用经济的液体燃料煤油而设计，液体燃料与挥发性气体 燃料( 如氢气、丙烷丙烯或者灭然气) 帽比，更容易安全操作，煤油也比大多数其它 h v o f 气体燃料便宜i 圳。 1 4 超音速火焰喷涂控制系统的选题意义 h v o f 控制系统是保证火焰喷涂工艺的关键环节之一，其主要功能是在h v o f 生产 过程中，控制整个喷涂过程，同时还可以通过控制燃料与氧气来调节焰流的速度和温度， 从而实现对喷涂粉末的加热和加速的控制，达到满足不同性能材料的喷涂要求，最终喷 涂出满足简单或者极端条什应用需求的涂层。 h v o f 是一种比较新型技术，而h v o f 控制系统作为设备的控制部分随着微控制技 术的不断革新，也在不断地发生变化。研究和设计出可靠性、快速性、稳定性好和易操 作的h v o f 控制系统是发展的需要，把新的控制技术和先进的硬件系统引进到实际的产 品中也是科学技术转化为生产力的一个具体表现。 长安大学硕+ 学位论文 1 5 本课题的研究目的和研究内容 1 5 1 研究目的 该研究主要是进行h v o f 控制系统的设计，将其设计成一个具有闭环、自动控制的 系统，采用可编程控制器作为控制系统的核心处理部分，对燃料供给系统、氧气供给系 统、水冷系统、点火系统和送粉系统进行控制。 该控制系统力图对h v o f 工作过程中所使用的燃气、氧气、送粉气的压力，实现分 别单独控制，对冷却水压力、温度与流量进行实时监控，设置有报警系统，保证系统运 行的可靠性。 1 5 2 研究内容 、 研究的具体内容主要包括以下几个方面： 1 参考了国内外相关文献，对h v o f 的特点、应用、原理以及国内外的h v o f 控制系 统发展情况进行了全面地学习和研究，阐述了进行h v o f 控制系统研究和设计的重要意 义； 2 参考原有t j 一4 0 0 0h v o f 系统，确定燃料供给系统、氧气供给系统、水冷系统、送 粉系统的组成，进行了h v o f 控制系统的总体设计； 3 选用广州博控自动化技术有限公司生产的k 3 2 a 3 做为核心的控制器，进行传感器、 电磁阀和显示系统等硬件的选型； 4 在硬件电路设计的基础上，使用d y n a m i cc 作为编程软件，采用c 语言和汇编语言 的混合编程技术，完成整个控制系统的软件设计，使其满足控制系统的基本功能； 5 在实验室条件下进行模拟调试，实现系统控制要求。 第二章超音速火焰喷涂控制系统的总体设计 第二章超音速火焰喷涂控制系统的总体设计 h v o f 控制系统的总体设计方案如下： 燃料与助燃剂：煤油与氧气； 燃烧方式：高压燃烧室( 桶形) ； 雾化方式：高性能射流雾化喷嘴； 点火方式：火花塞点火； 送粉方式：拉瓦尔喷嘴后端低压区径向送粉； 送粉载气：氮气或压缩空气； 冷却方式：制冷系统水冷。 在设备组成上，系统可以分为以下几个部分：喷枪、控制台、煤油供给系统、氧气 供给系统、点火系统、水冷系统、送粉系统七大部分组成，其组成如下图2 1 所示： 图2 1 超音速火焰喷涂系统的组成 利用煤油为燃料，氧气为助燃剂，h v o f 控制系统将煤油和氧气按给定的流量和压 力输送到喷枪，经高性能雾化喷嘴雾化混合成可燃混合气后喷入喷枪燃烧室，混合气经 火花塞点火燃烧后形成高温高压的燃气，通过拉瓦尔喷嘴将其加速到超音速i l 。送粉系 统是利用送载气体将喷涂粉末从拉瓦尔喷嘴的低压区送入超音速射流，经射流加温加速 后从喷枪喷出，高速喷向工件表面沉积形成涂层。水冷系统通过水泵不断向喷枪输水， 对燃烧室进行冷却，防止喷枪因氧气与煤油燃烧产生的巨大热量而损坏。 h v o f 控制系统主要对煤油供给系统、氧气供给系统、点火系统、水冷系统、送粉 系统进行控制，在本章里，主要对煤油供给系统、氧气供给系统、点火系统、水冷系统、 6 长安大学硕士学位论文 送粉系统和喷枪部分的组成和功能分别进行介绍和分析。 2 1 煤油供给系统 传统的火焰喷涂是采用可燃性气体如乙炔、氢等的燃烧火焰作热源，将喷涂材料加 热至熔化并喷射到基体表面上形成涂层。现在，针对火焰喷涂工艺的改进和设备的开发， 不断研制出新的火焰喷涂方法，这里我们选用液体燃料煤油作为燃料，煤油易于储存和 运输，成本低廉。据p r a x a i r 公司推出的j e t s t a r 系统试验证明【2 4 】：使用氧煤油为 每小时2 9 美元，氧乙炔为每小时3 8 美元，氧氢为每小时8 5 美元，这就说明 了使用氧一煤油可以大大节省成本。 2 1 1 煤油型号的选择 h v o f 选用的煤油为k 1 号煤油或同等品，k 1 号煤油是一种含硫量较低的煤油品牌， 它是从选择后的原油中提炼出再经精心化合而成，所以具有十分优良的性能，同时此油 也合符a s t md 3 6 9 9 9 0 的认证标准。k 1 号煤油为i i 级可燃液体，其燃烧点温度大约 在3 7 8 一6 0 。 某些类型的煤油添加剂可能会影响系统的运作，例如：在煤油被用作润滑剂时通常 要加石脑油和二甲苯等物质，但是这些物质的加入会引起喷枪内粘性燃烧物的生成或者 导致油泵的高磨损2 3 1 。k 1 号煤油具有以下十分优良的特性： 1 高质量迅速的控制性能确保高的质量和等级； 2 可控的挥发性挥发性和粘度的控制有利于选择正确的喷涂方式，使每加仑煤油 彻底燃烧并放出最大限度的热量； 3 稳定性k l 号煤油具有良好的稳定性； 4 化学性经验式为c 7 h 1 6 。 2 1 2 煤油供给系统的组成 煤油供给系统由油箱、液位传感器、止回阀、定量泵、压力传感器、气动开关、 电磁阀1 等组成，其主要组成如下图2 2 所示： 7 第二章超音速火焰喷涂控制系统的总体设计 电磁阀1 控制气动开关启闭 粕锄蝴1i t 入、 、油箱 写一一力爵 晕1 气 j 动 y m开 液位传感器 关 图2 2 煤油供给系统的组成 h v o f 控制系统主要对煤油供给压力进行控制，使其供给压力值维持在0 3 0 6 m p a 2 3 1 ，如果压力传感器1 检测到的值不在这个范围内，系统将进行报警停机。液位 传感器主要对油箱液位进行检测，并将其显示出来，如果油箱液位低于指定液位，系统 也将进行报警停机。止回阀又称逆流阀、逆止阀、背压阀、单向阀，属于自动阀类，在 这里的作用是防止油液倒流。整个煤油油路系统的启闭是通过一个气动开关来进行控制 的，而气动开关的启闭是通过电磁阀l 来进行控制的。 2 2 氧气供给系统 氧气作为h v o f 的助燃气体，对其纯度有一定的要求，防止喷涂颗粒在高温状态下 发生碳化等，同时气体的露点或水分含量也是一个重要的控制性能参量。 氧气供给系统主要由一个三通接头、电磁阀2 、电磁阀3 、压力传感器2 、阀1 等组 成，其主要组成如下图2 3 所示： 压力传感器2 图2 3 氧气供给系统的组成 从氧气瓶出来的氧气，在经过三通接头以后，分两路进行：一路进行助燃，由电磁 阀2 控制，在p i d 调节下，进入喷枪，作为助燃剂与煤油进行燃烧；另一路进行清枪，由 8 长安大学硕上学位论文 电磁阀3 控制，喷涂结束后对喷枪中的可燃混合气体进行清理，以确保安全。 h v o f 控制系统主要对氧气供给压力进行p i d 控制，使其压力值维持在恒定值 2 0 4 b a r ( 2 0 4 0 k p a ) 左右【2 3 1 。如果压力传感器2 检测到的值超过或低于该恒定值，通过调 节阀1 阀门开度的大小，使其压力维持恒定。电磁阀2 控制整个氧气供给回路的启闭，电 磁阀3 n 控制整个清枪过程的启闭。 2 3 点火系统 煤油和氧气通过喷嘴进入燃烧室后，就开始混合与雾化，此时通过点火系统的点火， 就可以产生稳定、干净均匀地燃烧。燃烧室喷嘴出口的大小和形状决定了产生一个超音 速的高膨胀气流，粉末径向注入气体火焰并被加速带到基体，因此点火可以说是喷涂过 程中很重要的一步。点火系统位于喷枪燃烧室中，主要采用火花塞点火方式，点火时间 持续1 秒钟左右，混合气体正常燃烧后点火系统将自动关闭。 2 4 水冷系统 燃烧室是煤油和氧气的混合气体进行燃烧的场所，水冷系统主要是对喷枪中的燃烧 室进行冷却。 2 4 1 冷却方式的选择 现在的冷却方式主要有风冷和水冷两种方式，这两种冷却方式各有其特点，但总体 来说，主要有两点：风冷的构造简单，造价低，但效果差；水冷的构造复杂，造价高， 但效果好。两者比较，水冷的效果要好得多，冷却均匀，且不会受n # t - 界环境影响。 根据我们h v o f 工作的特点，主要对喷枪的燃烧室进行冷却，可混合燃气燃烧后的 火焰温度可得达到2 7 6 0 。c ，因此必须采用水冷，对喷枪进行连续不断的充分冷却，才能 保证喷枪不被烧坏，从而保证整个喷涂系统的正常工作。 2 4 2 冷却系统的组成 h v o f 喷涂过程中必须有一套完整的水冷却系统，此系统主要包括水源、三通接头、 流量传感器、温度传感器、压力传感器3 、管道等，其主要组成如下图2 4 所示： 9 第二章超音速火焰喷涂控制系统的总体设计 压力传感器3 图2 4 水冷系统的组成 水冷却系统中如果温度传感器和压力传感器3 检测到的水温高于2 1 ，水压小于 o 6 8b a r ( 6 8 k p a ) ，系统将进行报警停机。由于通入增压水泵的纯净冷却水的最小流动性 必须有1 1 51 m i n ( 3 9 a l m i n ) 的速度，流量传感器检测到的流速如果低于该值，系统也 将进行报警停机【2 3 】。 2 5 送粉系统 送粉系统主要是对喷枪进行送粉，主要是由送粉器和气动回路系统组成。 2 5 1 送粉器 送粉器是一种用于贮存喷涂粉末，并按照工艺要求均匀而连续地向喷枪输送粉末的 装置。h v o f 喷涂过程能否顺利进行，与送粉器的性能和质量有着密切的关系，因此送 粉器是h v o f 设备中的一个重要组成部分。 2 5 1 1 对送粉器性能的要求 对送粉器性能的要求体现在均匀性、适应性、灵敏性、密封性、调节性等方面【2 5 。 在h v o f 喷涂过程中，连续送粉时的送粉量应均匀一致，送粉器如果不能长时间连 续均匀地送粉，不仅会影响到涂层的厚度，而且还会影响到涂层的质量，有时因送粉量 不均匀还会造成送粉通道的堵塞，影响到喷涂过程的正常进行。 不同性质的涂层对所采用的粉末种类、形状和粒度等均有不同的要求，这就要求送 粉器能适应喷涂粉末的种类和规格经常发生变化。 灵敏性主要反映在当打开送粉按钮时粉末应能立即送出，关闭时供粉应能立即停 止，送粉量能够准确和及时变化。 l o 长安 学顶士学位论文 密封性体现在当送载气体通过送粉器时，不应有漏e 现象否“将影响到喷涂工艺 规范的稳定性。 调节性体现在送粉器能在较宽晌范嘲内连续地进行送粉量的渊节，同时还要求在调 换或装入粉末时装卸方便。 2 5 1 2 送粉嚣的型号 目前常见的送粉器根据其结构和工作原理分为：刮板i 送粉器、自重式送粉器和雾 化武送粉器等几种。本文中的t l v o f 系统选用的是s n p t r d p ip o w d e r f e e d e r l 2 6 1 ， 属r 刮板式送粉器其外j 匿如罔25 所示： 图2 5 送粉器外形目 送粉器丰要包括以下几部分组成：安拿压力检测阀、粉末漏斗、粉末进料器漏斗、 粉末进料器主体、粉末进科器窗口栅门、粉末进料混合器、粉末进料器保护盖、粉末进 料器喷射管主体、粉末进料器卒气喷射器、粉末进料器窗门、送气压力丌关、粉末进料 器马达、粉末进料振动器等。 2 5 2 气动回路 氨气或压缩空气一般都可以用作粉末的送载气体，整个气动回路主要包括减压阀、 压力传感器4 、三通接头、电磁阀1 、电磁阀4 、电磁阀5 等，其主要组成如下图2 6 蚺释超啬谜火j 喷涂控制系统的总体设计 所水： 些 西 减压阐 图2 6 气动系统的组成 气动回路的作j j 主要有三个：其一是清水，通过电磁阀4 来控制氮气到喷枪中水冷 回路的通断，l 费涂完毕后将进行冷却的水清理出去，以进行喷枪保存：其二是通过电磁 阀1 的通断，米控制气动丌关的启闭，从而达到控制煤油供给的目的；其二三是作为送粉 载气，将l 喷涂粉末送入喷枪，利用电磁阀5 作为控制开关。 由于煤油气动丌父和水净化系统都需要送载4 体，如果送载气体的u i 力达不到5 5 b a r ( 8 0 p s i ) 1 2 3 1 煤油7 ( 动开关将无法打爪这样系统就无法点火起燃。压力传感器4 主要 对氯气的压力进行检测，使其压力大干5 5b a r ，小于6 2b a r ，否则系统将报警停机。 2 6 喷枪 喷枪是h v o f 的工作装置，喷枪中的燃烧室是煤油和氧气混台并进行燃烧的场所， 喷涂材剌从枪内送进，因此，喷枪结构更为复杂，要求更高。喷枪结构一艺的好坏，直 接关系到喷涂的：i 艺性和喷枪本身的寿命以及热能利用率，对喷涂系统的工艺性能和质 量有决定性作用，因此合理科学的喷枪设计是决定喷涂系统是否成功的关键。 2 6 1 喷括的结构 喷枪是产生稳定的高速火焰的保证，是保证涂层质量的关键，其结构如图27 所示： 圈2 7 喷艳的鲭构示意圈 喷枪主要由三部分组成：供氧气与煤油混合后燃烧的燃烧室、将焰流加速到超音速 长安大学硕士学位论文 的喷嘴和使喷涂材料粒子得到充分加热加速的等截面长喷管。喷枪的设计是根据燃烧学 及空气动力学理论，以燃烧室或加速管内高速焰流的稳定燃烧作为目标函数，建立系统 设计的理论模型1 2 1 。 2 6 2 喷枪的工作原理 h v o f 喷枪的基本工作原理【2 7 】为：进入燃烧室的煤油，经过高性能雾化喷嘴雾化后 与通过小孔进入燃烧室的氧气相混合，后由火花塞点火，两者发生剧烈的气相反应，燃 烧放出的热能使燃烧产物剧烈膨胀，此膨胀气体流经喷嘴时，受喷嘴的约束作用形成超 音速高温焰流；喷管出口处送粉压力减少，喷涂材料粒子在该处注入更为容易，喷管尺 寸及形状设计使得在粉末注入处产生超音速过度膨胀；在超音速高温焰流的作用下，喷 涂粉末被高速燃气流携带加速，混合成并熔化或半熔化的状态，高速冲击到基体表面， 最终形成牢固的涂层。 2 7 可编程控制系统设计的基本原则和一般步骤 2 7 1可编程控制系统设计的基本原则 控制系统中的核心部分是可编程控制器，而可编程控制器是一种计算机化的高科技 产品，相对于继电器而言价格相对较高，因而在应用可编程控制器之前，首先应考虑是 否有必要使用可编程控制器。如果被控系统很简单，i o 点数很少，或者f o 点数虽多，乏 但是控制要求并不复杂，各部分相互联系也很少，就可以考虑采用继电器控制的方法， 而没有必要使用可编程控制器。在确定选用可编程控制器之后，控制系统的设计应遵循 以下原则： 1 最大限度地满足被控对象的控制要求； 2 在满足控制对象要求前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便； 3 保证控制系统的安全和可靠； 4 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择控制器容量时，应适当留有裕量。 2 7 2 可编程控制系统设计的一般步骤 可编程控制系统的设计步骤一般可以分为以下几步：分析被控对象、控制器的选型、 确定硬件配置、f o 分配、设计控制程序和程序调试，如下图2 8 所示： 第二章超音速火焰喷涂控制系统的总体设计 分控确输 设 析 制定 入 计程 被 卜 器 卜硬卜 输 控卜序 控 的 件 出 制 调 对 选配分程试 象型置配序 图2 8 控制系统设计的一般步骤 1 分析被控对象 这一步是系统设计的基础，应详细了解被控对象的全部功能和控制要求，选择用户 输入设备( 如按钮、传感器等) 、输出设备( 如继电器、接触器、信号指示灯等执行元 件) ，以及由输出设备驱动的控制对象( 如电动机、电磁阀等) 。此外，还应确定哪些信 号需要输入给可编程控制器，哪些负载由可编程控制器驱动，并分类统计出各输入量和 输出量的性质，是开关量还是模拟量，以及电压的大小等级，为可编程控制器的选型和 硬件配置提供依据。 2 控制器的选型 正确选择可编程控制器对于保证整个控制系统的技术与经济性能指标起着重要的 作用，可编程控制器的选择包括机型的选择、容量的选择、i 0 模块和电源模块的选择 等。根据被控对象对控制系统的要求，统计出可编程控制器的输入量、输出量的类型和 点数及确定出可编程控制器的型号。 3 确定硬件配置 为控制器的输入和输出设备选型，进行硬件配置。 4 i o 分配 可编程控制器的硬件配置确定后，应对i o 点进行分配，确定外部输入输出元件与 可编程控制器的i 0 点的连接关系，完成i 0 点地址定义表。 5 设计控制程序 在硬件设计的基础上，通过控制程序的设计完成系统的各项控制功能。对于较简单 系统的控制程序，可以使用经验法设计；对于比较复杂的系统，一般要首先画出系统的 工艺流程图。 6 程序调试 控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统正常、安全和可靠工作的关键， 因此控制系统的程序设计必须经过反复调试和修改，直到满足控制要求为止。程序的调 试可以分为两步：先进行模拟调试，再进行现场调试【2 引。 1 4 长安大学硕上学位论文 2 7 3 模拟量控制的设计 一般讲：要有传感器，把模拟量转换成电量；如果这电量不是标准的电信号，还需 要变送器，把电量变换为标准的电信号，如4 - 2 0 m a 、1 5 v 、o 一1 0 v 等；要有模拟量( a ) 到数字量( d ) 转换的模拟量输入模块，把这些标准的电信号变换成数字信号；要有数 字量( d ) 到模拟量( a ) 转换的模拟量输出模块，把控制器处理后的数字量变换成模 拟量；要有执行器，根据模拟量的大小执行相应的模拟输出控制动作【2 9 】。模拟量控制过 程如下图2 9 所示： 信息采集 刮信息变换 刮信息处理 刮信息反变换 刮控制输出i 厂 厂 广 厂 广 图2 9 模拟量控制过程 一个完整的模拟量控制，一般讲，其过程是：用传感器采集信息，并把它变换成标 准电信号，进而送给模拟量输入模块；模拟量输入模块把标准电信号转换成c p u 可处 理的数字信息；c p u 按要求对此信息进行处理，产生相应的控制信息，并传送给模拟量 输出模块；模拟量输出模块得到控制信息后，经变换，再以标准信号的形式送给执行器； 执行器对此信号进行放大和变换，产生控制作用，施加到受控对象上。 2 8 本章小结 本章首先对h v o f 控制设备的整体结构进行了介绍；然后分析了各个结构部分的功 能和组成；最后介绍了可编程控制系统设计的一般原则和步骤。 第三章控制系统的硬件设计 第三章控制系统的硬件设计 h v o f 的喷涂过程是一个极其复杂的过程，易受多因素的影响，采用智能的控制系 统是h v o f 设备发展的必然趋势。由于h v o f 设备的发展和进步，为新型控制技术的 应用创造了条件，控制方法向闭环控制和智能控制方面发展。 3 1 熟悉被控对象 3 1 1 分析被控系统的工作过程 对被控系统进行分析，其工作过程为： 1 系统开机之后，水泵向喷枪提供循环流动的水，对喷枪进行冷却； 2 控制系统将氧气以一定的压力输送到喷枪燃烧室，同时煤油也以一定的流量从油泵 出来，被输送到喷枪燃烧室，经高性能雾化喷嘴雾化为气体； 3 氧气与煤油在燃烧室内混合成可燃气体，经火花塞点火燃烧后形成高温高压的燃气， 通过拉瓦尔喷嘴将其加速到超音速； 4 利用送粉载气将喷涂粉末从拉瓦尔喷嘴的低压区径向送入超音速射流，经射流加温 加速后从喷枪喷出，高速喷向工件表面沉积后形成涂层； 5 喷涂结束后，控制系统依次停止送粉、煤油、氧气的供给，最后停止冷却水的供给； 6 按下清枪按钮，由氧气对喷枪中的混合可燃气体进行清理，以确保安全；按下清水 按钮，由送粉载气对喷枪冷却管道中的水进行清理，以增加喷枪元件的寿命。 3 1 2 分类统计各个i 0 量 1 对于煤油供给系统，如下图3 1 所示： 液位传感器 压力传感器1 运行按钮 控制器 图3 1 煤油供给系统各i o 量统计 1 6 报警1 定量泵 电磁阀1 长安大学硕上学位论文 输入：1 开关量+ 2 模拟量输出：3 开关量 2 对于氧气供给系统，如下图3 2 所示： 运行按钮 清枪按钮 压力传感器2 控制器 电磁阀2 电磁阀3 阀1 图3 2 氧气供给系统各i 0 量统计 输入：l 开关量+ 1 模拟量输出：2 开关量+ l 模拟量 3 对于点火系统( 火花塞点火) ： 输出：l 开关量 4 对于水冷系统，如下图3 3 所示： 压力传感器3 流量传感器 温度传感器 控制器 报警2 图3 3 水冷系统各i o 量统计 输入：2 开关量+ l 模拟量输出：1 开关量 5 对于气动回路系统，如下图3 a n 示： 清水按钮 送粉按钮 压力传感器4 控制器 l d r 1 ld r 卜1 ， rj l r 图3 4 气动回路系统各i o 量统计 输入：2 开关量+ 1 模拟量 1 7 输出：3 开关量 第三章控制系统的硬件设计 6 控制系统总i o 量统计，如下图3 5 所示： m 控制器 窖 r v a s t 叮 - 一 l 王 u 7 r r_ - l4 口口 7 r 丁 1 l r 工 r l t r l - l f 厶 rri 匣 。 - l 口 rrj 甚。 日 r l l ， r 珏 玎 l 工l r r 口 t tkld 工【 rr h 图3 5 控制系统总i o 量统计 总输入：7 开关量+ 5 模拟量总输出：1 0 开关量+ l 模拟量 3 2 可编程控制器的选型 3 2 1可编程控制器的分类 可编程控制器产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对可编程控制器的分类， 通常根据其结构形式、容量或功能进行大致分类。 根据结构形式，可将其分为整体式和模块式两类。前者用于比较简单的控制场合， 后者用于比较复杂的控制场合。 根据容量的多少，可将其分为小型、中型和大型三类。小型机i o 点数小于2 5 6 点， 单c p u ，8 位或1 6 位处理器，用户存储器容量在4 k 字以下；中型机i o 点数位于2 5 6 - - 2 0 4 8 点之间，双c p u ，用户存储器容量为2 8 k ；大型机i o 点数大于2 0 4 8 点，多 c p u ，1 6 位或3 2 位处理器，用户存储器容量为8 1 6 k 。 根据功能的强弱，可将其分为低档、中档和高档三类。低档机具有逻辑运算、定时、 计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入和输出、算术运算、 数据传送和比较、通信等功能，主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机 控制系统；中档机除具有低档机的功能外，还具有较强的模拟量输入和输出、算术运算、 1 8 长安大学硕士学位论文 数据传送等功能，可完成既有开关量又有模拟量的控制任务；高档机除具有中档机的功 能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算等功能，使得运算能力更强，还具有模拟量 调节、强大的联网通信等功能，能进行智能控制、远程控制、大规模控制，可构成分布 式网络控制系统，实现工厂自动化管理【2 引。 3 2 2 可编程控制器的选型 可编程控制器的选择包括机型的选择、容量的选择、i 0 模块和电源模块的选择等几 个方面。 3 2 2 1可编程控制器机型的选择 机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下，保证可靠，维护使用方便以及 最佳的性能价格比，具体应考虑以下几个方面： 1 结构上合理，安装上方便； 2 功能上要相当； 3 机型上应统一：对于一个企业，控制系统设计中应尽量做到机型统一； 4 是否在线编程； 5 是否满足响应时间的要求； 6 要考虑其他特殊要求。 3 2 2 2 可编程控制器容量的确定 。 可编程控制器的容量是指i 0 点数和用户存储器的存储容量( 字数) 两方面的含义。 在选择控制器的型号时不应盲目追求过高的性能指标，但是在i 0 点数和存储器容量方 面除了要满足控制系统要求外，还应留有裕量，以做备用或系统扩展时使用。 1 i o 点数的确定 可编程控制器i 0 点数的确定是以系统实际的输入输出点数为基础确定，应留有适 当的裕量。目前可编程控制器i 0 点价格还较高，如果备用的i 0 点的数量太多，就会 使成本增加，因此通常i 0 点数可按实际需要的1 0 - - 1 5 考虑裕量。 2 存储器容量的确定 通常，一条逻辑指令占存储器一个字，计时、计数、移位及算数运算、数据传送等 指令占存储器两个字。在选择存储器容量时，一般可按实际需要的2 5 - - - 3 0 考虑裕量。 存储器容量的选择有两种方法：一种是根据编程实际使用的节点数计算，这种方法可精 确地计算出存储器实际使用容量，缺点是要编完程序之后才能计算。常用的方法是估算 1 9 第三章控制系统的硬件设计 法，用户可根据控制规模和应用目的，按下表3 1 给出的公式进行估算： 表3 1 可编程控制器存储容量的估算公式 控制目的估算公式 代替继电器进行开关量 控制 m = k ( 1 0 d i ) + ( 5 x d o ) 】 模拟量控制m = k m ( 1 0 x d i ) + ( 5 d o ) + ( 1 0 0 x 彳纠 多路采样控制 m = k m ( 1 0 d i ) + ( 5 x d o ) + ( 1 0 0 a o 1 + 采样点o 2 5 ) 表中：d i 表示数字( 开关量) 输入信号数目；d o 表示数字( 开关量) 输出信号数目； a i 表示模拟量输入信号数目；k m 表示每个节点所占存储器字节数； m 表示存储器容