机器人等离子熔射成形过程诊断与控制关键技术基础

论文摘要

等离子熔射工艺具有短流程、快速成形等独特优势,已被广泛应用于诸多高新技术领域,如快速模具、功能涂层和固体氧化物燃料电池（SOFC）等。然而,等离子熔射是一种多个子过程相互依赖和参数相互关联的复杂工艺,如何选择合理的工艺参数,制备高性能的满足实际需求的涂层是控制制造过程的技术关键,从而对等离子熔射成形工艺的稳定性以及可再现性提出了新的高层次要求。因此,本文从成形系统设计、成形过程监控、工艺参数与射流形态和皮膜性能关系以及皮膜质量智能预测等方面开展了系统的研究,并将研究结果应用于固体氧化物燃料电池这一新能源领域。主要研究内容如下:（1）基于以太网开发了针对等离子熔射工艺需求的MOTOMAN UP20型机器人控制软件,采用PC+PLC开发等离子熔射控制系统,最终建立了熔射成形过程监控、机器人熔射路径在线调整和机器人实时监控等多功能集成的开放式机器人等离子熔射平台,从而实现了等离子熔射与机器人运动两工作单元自动协调的一体化控制,提高了成形系统柔性,为专用等离子熔射机器人系统的研制提供了技术基础。应用OPC（OLE for Process Control）协议与COM（Component Object Model）技术开发了机器人等离子熔射成形过程监控SprayMonitor软件。（2）提出了一种熔射皮膜温度在线检测方法,实现了对大范围皮膜温度分布的实时可视化监测与动态分析。通过实验研究了机器人路径对皮膜温度分布的影响,分析了皮膜破坏的温度突变信息,分析了不同熔射距离与射流长度条件下的热传递特点等。相关研究结论为等离子熔射成形性与质量控制提供了依据。（3）率先开展熔射工艺参数与射流形态和皮膜性能之间关系的研究。提出了采用射流狭长度对射流形态进行表征,并对工艺参数与狭长度特征值进行聚类分析。根据皮膜性能参数以及微观组织结构对分类结果进行质量评判,生成由工艺参数到最佳分类的推理规则集,据此提出一种等离子射流产生子系统的智能化控制方案。（4）为将等离子熔射拓展到制备高性能SOFC核心部件的领域,自主设计了液料输送系统,采用液料等离子熔射制备出高致密度的SOFC电解质层（孔隙率1.61%）。皮膜微观组织分析表明,粉末颗粒熔化比较充分,层间结合紧密,因此不仅有利于提高电解质层的机械强度和致密性,而且有助于提高其导电性能。在上述研究的基础上,对大气与液料等离子熔射制备SOFC核心部件过程进行射流诊断以及温度监控等,改进了成形工艺、提高了工艺稳定性与可再现性。本文研究内容为机器人等离子熔射成形过程中等离子电源参数、机器人熔射路径以及送粉、送液等多工艺条件的合理匹配提供了依据,为一次熔射成形包含孔隙电极和致密电解质层的SOFC三合一电极提供了关键技术基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 等离子熔射制备SOFC 研究概况
• 1.3 等离子熔射过程检测与控制研究进展
• 1.4 等离子熔射控制系统研究概况
• 1.5 等离子熔射智能控制研究进展
• 1.6 课题来源与本文主要研究内容
• 2 基于PC＋PLC 的等离子熔射控制系统设计
• 2.1 基于PC＋PLC 的等离子熔射控制系统硬件设计
• 2.2 OPC 客户端软件与OPC 服务器设计
• 2.3 基于OPC 与COM 技术的SprayMonitor 软件开发
• 2.4 等离子熔射设备的PLC 控制程序设计
• 2.5 控制系统的主要运行性能测试
• 2.6 本章小结
• 3 基于Ethernet 的开放式机器人等离子熔射平台设计
• 3.1 引言
• 3.2 工业机器人控制功能的扩展途径分析
• 3.3 基于Ethernet 的机器人等离子熔射平台开发
• 3.4 等离子熔射机器人监控软件设计
• 3.5 本章小结
• 4 等离子熔射皮膜温度与厚度分布在线监控
• 4.1 等离子熔射皮膜温度分布的在线检测
• 4.2 皮膜温度分布检测方法的实验验证
• 4.3 等离子熔射层厚度在线检测与过程控制
• 4.4 本章小结
• 5 等离子熔射皮膜破坏诊断与加热效应研究
• 5.1 等离子熔射皮膜破坏的温度场诊断
• 5.2 等离子熔射过程中射流与粉末粒子流的加热效应研究
• 5.3 本章小结
• 6 等离子射流质量诊断与智能控制策略
• 6.1 聚类分析的理论基础
• 6.2 等离子射流图像采集、处理与特征提取
• 6.3 射流狭长度特征的聚类分析过程
• 6.4 聚类结果的类质量评价
• 6.5 基于聚类分析的智能控制策略
• 6.6 本章小结
• 7 基于多层ANN 的机器人等离子熔射智能化模型
• 7.1 引言
• 7.2 机器人等离子熔射过程的ANN 模型建立
• 7.3 机器人等离子熔射实验数据库建立
• 7.4 ANN 模型的具体实现以及网络预测能力测定
• 7.5 工艺参数对皮膜性能影响规律的ANN 预测与实验结果对比
• 7.6 本章小结
• 8 等离子熔射制备SOFC 的工艺参数优化与过程控制基础
• 8.1 引言
• 8.2 SOFC 核心部件的机器人等离子熔射路径参数优化
• 8.3 大气等离子熔射制备SOFC 过程诊断
• 8.4 液料等离子熔射制备SOFC 电解质过程诊断
• 8.5 本章小结
• 9 全文总结与展望
• 9.1 全文总结
• 9.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录