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往复式喷射沉积管坯制备中喷射高度的闭环控制

来源期刊:中国有色金属学报2007年第2期

论文作者:马万太 王晓勇 张豪 张捷

文章页码:254 - 254

关键词:管坯;闭环控制;往复式喷射沉积;喷射高度;沉积层厚度;在线测量;

Key words:tubular; closed loop control; reciprocating spray deposition; spray height; deposit layer thickness; online measurement

摘    要:分析了往复式喷射沉积制备大壁厚管坯的工艺原理,研究了喷嘴喷射高度在线检测及闭环控制方法及技术。喷射高度控制系统包括漏包提升执行机构、沉积层厚度在线测量、基于PLC的喷嘴高度控制。提升执行机构采用伺服电机驱动的丝杠螺母机构,针对沉积层间断增长的特点,采用间断提升控制方式;研究了沉积层厚度在线测量方法,分析了收集基底形状误差对测量及控制精度的影响并提出多点测量方案。理论分析表明,采用三点测量法可消减基底形状误差的影响。对不同内径及壁厚的管坯进行了喷射实验,喷射高度累积误差低于5%,较好地满足了大壁厚管坯制备对稳定的喷射高度的要求。

Abstract: The process principle of reciprocating spray deposition for large thick-wall tubular was analyzed. A new accurate technology of online measurement and closed-loop control for spray height of the nozzle was studied. The control system of spray height consists of executive mechanism of tundish lift, online measurement of deposit layer thickness and control of nozzle height based on PLC. A set of lead-screw mechanism driven by servomotor was applied in the executive mechanism. Aiming at the characteristic of deposit layer growth, the tundish was lifted discontinuously. The measurement method of deposit layer thickness was studied. The influences of shape errors of mandrel on measurement and control accuracy were analyzed and a multi-points measurement technology was presented. Theoretical analysis indicates that the three-point measure along one circle is essential to clear up the influences of the shape errors. Several spray experimentations of the tubular with different inner diameter and wall thickness were carried out. The results indicate that the accumulative error of spray height is less than 5%. This measurement and control technology can well satisfy the need on steady spray height in preparation of large thick-wall tubular.



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文章编号:1004-0609(2007)02-0254-06

往复式喷射沉积管坯制备中喷射高度的闭环控制

马万太1, 王晓勇1 , 张  豪2,  张  捷3

(1. 南京航空航天大学 机电学院,南京 210016;

2. 上海交通大学 金属基复合材料国家重点实验室,上海 200030;

3. 张家港华通喷射成形有限公司,张家港 215625)

摘  要:分析了往复式喷射沉积制备大壁厚管坯的工艺原理,研究了喷嘴喷射高度在线检测及闭环控制方法及技术。喷射高度控制系统包括漏包提升执行机构、沉积层厚度在线测量、基于PLC的喷嘴高度控制。提升执行机构采用伺服电机驱动的丝杠螺母机构,针对沉积层间断增长的特点,采用间断提升控制方式;研究了沉积层厚度在线测量方法,分析了收集基底形状误差对测量及控制精度的影响并提出多点测量方案。理论分析表明,采用三点测量法可消减基底形状误差的影响。对不同内径及壁厚的管坯进行了喷射实验,喷射高度累积误差低于5%,较好地满足了大壁厚管坯制备对稳定的喷射高度的要求。

关键词:管坯;闭环控制;往复式喷射沉积;喷射高度;沉积层厚度;在线测量

中图分类号:TG 146       文献标识码:A

 

Closed loop control of spray height in tubular preparation with

reciprocating spray deposition process

MA Wan-tai1, WANG Xiao-yong1, ZHANG Hao2, ZHANG Jie3

(1. College of Mechanical Engineering, Nanjing University of Astronautics & Aeronautics,

Nanjing 210016, China;

2. State Key Laboratory of Metal Matrix Composites, Shanghai Jiao Tong University,

Shanghai 200030, China;

3. Zhangjiagang Huatong Spray Forming Co. Ltd., Zhangjiagang 215625, China)

Abstract: The process principle of reciprocating spray deposition for large thick-wall tubular was analyzed. A new accurate technology of online measurement and closed-loop control for spray height of the nozzle was studied. The control system of spray height consists of executive mechanism of tundish lift, online measurement of deposit layer thickness and control of nozzle height based on PLC. A set of lead-screw mechanism driven by servomotor was applied in the executive mechanism. Aiming at the characteristic of deposit layer growth, the tundish was lifted discontinuously. The measurement method of deposit layer thickness was studied. The influences of shape errors of mandrel on measurement and control accuracy were analyzed and a multi-points measurement technology was presented. Theoretical analysis indicates that the three-point measure along one circle is essential to clear up the influences of the shape errors. Several spray experimentations of the tubular with different inner diameter and wall thickness were carried out. The results indicate that the accumulative error of spray height is less than 5%. This measurement and control technology can well satisfy the need on steady spray height in preparation of large thick-wall tubular.

Key words: tubular; closed loop control; reciprocating spray deposition; spray height; deposit layer thickness; online measurement


喷射沉积技术是继铸造和粉末冶金技术之后发展起来的一种先进材料制备技术,属于快速凝固近终形材料制备技术。喷射沉积坯件具有成分均匀、组织细化、致密度高、含氧量低、偏析程度小等特征,在钢铁、铝合金、镁合金、铜合金、硅铝合金等领域有着广阔的应用前景[1-2]

喷射沉积工艺的凝固过程以毫秒计,远低于铸造工艺,与快速凝固粉末冶金工艺相当。在瞬时内完成合金组织致密和产品成形对喷射沉积凝固过程的工艺控制提出了很高的要求。分析和实验结果表明[3-5],致密的合金组织所对应的过程工艺参数只有很窄的变化范围,其中,雾化锥沉积前固液相含量是关键的过程工艺参数之一。在雾化气压力、喷嘴直径、漏包(坩埚)液位高度、雾化器结构等工艺条件保持不变的情况下,控制喷射高度稳定是提高粘结效率、坯件致密度、收得率以及性能的重要保证[6]

现有的管坯喷射沉积工艺中,对喷射高度控制的研究未深入展开。随着沉积层不断增长,喷嘴喷射高度不断降低,液相含量越来越高,造成了在管坯在直径方向上的组织不均匀,甚至会造成外层组织的铸态化,尤其在制备大壁厚管坯时。文献[7-8]提出了喷射高度控制的简略方法,针对坩埚移动式多层喷射沉积装置[9],收集基底按设定的速度匀速下降,从而实现喷射高度的开环控制。该方法的问题表现在:1) 该开环控制方式未能对喷射高度进行实时检测,基底下降速度与沉积层实际生长速度难以匹配,会造成较大的喷射高度的累积误差;2) 沉积层生长速度受金属液流率、基底直径、基底旋转速度、雾化器移动速度的影响,因而难以确定不同工艺条件下的基底下降速度;3) 理论和实验表明[10-11],沉积层生长速度与基底直径有关,基底直径越小,生长速度越大,反之亦然,沉积层生长速度在整个喷射过程中呈现逐渐降低的趋势,因此,以基底匀速下降难以保证喷射高度的稳定。

针对基底往复式喷射沉积管坯制备装置和工艺特点[12-13],综合运用数据采集技术、数据处理技术、控制技术以及精密运动执行机构相关技术,本文作者研究了喷射高度实时闭环控制方法和关键技术,以提高喷射高度控制精度,本研究已成功应用于国内首条自行研制喷射沉积铝合金管坯制备工业化生产设备中。

1  基底往复式喷射沉积工作原理

基底往复式喷射沉积技术和装置工作原理如图1所示。其工作原理为:通过由中间包1和2及相应的传动机构3、4和7构成的移液装置将金属熔体连续、稳定地注入到漏包6中,在此过程中,中间包受控交替倾倒,并控制漏包液面稳定;漏包中的金属熔体通过漏嘴进入雾化器,被高压氮气雾化成锥状喷射流;雾化器水平方向固定,垂直方向根据在线测量的沉积层厚度增长量受控提升以控制喷嘴喷射高度;收集基底8作匀速旋转运动及往复运动,雾化锥沉积在收集基底上,经过雾化锥的多次往复沉积, 最终成形管坯。为控制沉积室的氧含量,沉积室保持微正压环境,使大气中的氧被隔离在沉积室之外,通过PID控制算法在线调节排气管中电控蝶阀12的开口量使沉积室内压力保持在设定状态。收集基底往复运动机构为变频电机驱动的丝杠螺母结构,往复运动通过设置左接近开关13、右接近开关14控制往复变频电机11的正反转来实现。通过调整左右接近开关的位置可方便地生产出任意长度的管坯;采用不同外径规格的收集基底可生产不同内径的管坯。

图1  基底往复式喷射沉积工艺原理

Fig.1  Process principle of reciprocating spray deposition: 1, 2 Left and rigt ladles; 3 Transmission chain; 4, 7 Transduce motor; 5 Stop rod; 6 Tundish; 8 Mandrel; 9 Deposit chamber; 10 Rotating transduce motor; 11 Reciprocating transduce motor; 12 Dishing valve; 13, 14 Left and right approaching switch; 15 Trigger approaching switch

相比坩埚移动式喷射沉积工艺,基底往复式喷射沉积工艺有效地解决了连续自动移液不便、机构复杂、沉积室气密性不好、运动控制复杂等缺陷,可满足工业化生产对设备的连续性、安全性、可调性、可维护性等方面要求,并实现对喷射工艺的自动控制。基底往复式喷射沉积工艺更适合制备大尺寸、大壁厚、不同内径规格的管坯。

2  喷射高度闭环控制

2.1  喷射高度控制结构

喷嘴喷射高度是往复式喷射沉积关键工艺参数之一,直接影响雾化锥在沉积处的固液相含量。由于喷射高度难以直接测量,本研究对喷射高度的检测和控制采用间接方法,其主要策略为当沉积层厚度增长时实时提升喷嘴位置(漏包位置),从而控制喷射高度维持在初始的设定高度,控制结构如图2所示。管坯喷射沉积工艺中,基底沉积层增长为间断增长方式,即:基底往复运动一次,基底沉积层厚度增长两次。显然,沉积层增长量即为喷射高度减小量,也是控制漏嘴位置提升量。

图2  喷嘴喷射高度控制系统结构

Fig.2  Architecture of control system of spray height

喷射高度检测及控制系统包括3部分:漏包提升执行机构、沉积层厚度在线测量、基于PLC(可编程控制器)的喷嘴高度控制。

2.2  沉积层厚度在线测量

2.2.1  沉积层增长量测量

沉积层厚度在线检测是喷射高度控制中关键反馈环节。但沉积层厚度难以直接测量,控制方案中通过测量基底沉积面径向距离来间接获得沉积层厚度。距离测量采用非接触式激光测距传感器,适合恶劣工矿下的距离测量,测量精度可达0.1 mm。

如图2所示,设辊子基底至测距传感器的距离为L0(测距传感器固定安装,L0为初始固定值),且设某时刻沉积面至测距传感器的距离为Li,则当前沉积层厚度ΔRi= L0-Li;设上一往复沉积面至测距传感器的距离为Li-1,则上一往复沉积层厚度ΔRi-1=L0-Li-1;显然,两次往复运动间测量的沉积层增长量Ti可表示为(距离L0、Li、Li-1均为测距传感器测量值)

2.2.2  基底误差引起的沉积层厚度测量误差分析和解决方案

喷射沉积过程中,沉积层厚度始终间断增长,即两次往复运动间的沉积层增长量大于0,因此,理想状态下,测量值始终有Li-1>Li,且Ti-1>0。但由于收集基底制造安装过程中产生的圆度误差、圆柱度误差、径向跳动误差(理想回转中心与实际回转中心不重合)等误差形式,造成基底轴向和圆周上各点至测距传感器的距离不同。在测量过程中,由于测量点的随机性不能保证每次测量点重合,因而会出现Li-1<Li、Ti-1<0的情况,该测量为无效测量,将使实际喷射高度不断变小,产生较大的喷射高度累积误差。

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