CN102296265B - 热喷涂控制装置、控制方法及具有该装置的热喷涂系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热喷涂控制装置，其包括相互连接的检测模块和控制模块，控制模块还连接外部热喷涂装置，该检测模块包括颗粒个体传感器和具有带通滤波器的焰型传感器，颗粒个体传感器以及焰型传感器输出端分别连接于控制模块的单位熔融粒子体积流量计算单元和光辐射强度计算单元。本发明还涉及热喷涂控制方法及具有该热喷涂控制装置的热喷涂系统。采用了该发明的热喷涂控制装置、控制方法及具有该装置的热喷涂系统，由于其焰型传感器具有带通滤波器，使得控制模块能够获得光辐射强度数据，并基于光辐射强度优化热喷涂的控制过程，进而提高热喷涂的质量，减少后处理工序，减少浪费，获得更优质的喷涂产品。
Description
技术领域
本发明涉及表面加工技术领域，特别涉及热喷涂技术领域，具体是指一种热喷涂控制装置、控制方法及具有该装置的热喷涂系统。
背景技术
热喷涂技术作为一项表面技术，由于其良好的耐磨擦耐腐蚀耐高温性能在国外被广泛的应用于各类重型工业。特别适合于加工具有耐磨损、降摩擦、抗腐蚀要求的表面。热喷涂涂层同样特别适合于保护高温环境下的基底材料，如飞机引擎等。不论是陶瓷或金属涂层均可用于热喷涂。然而，用于工件表面的热喷涂涂层由于其材料及加工工艺的多样性，因此工业上还不能可靠地根据不同涂层结构，可重复地提供所需的配合公差、密度和微结构。
除了热涂层系统的主要组成部件及喷枪的主要组成部分，在某一工业环境中应用涂层工艺所必需的还有其他许多部件。图1所示的就是一个标准的等离子喷涂（热喷涂的一种）系统。喷涂房的作用就在于屏蔽喷涂过程中喷枪所产生的噪音和灰尘。喷涂房中包括电源和气体供给入口，及工序过程监测和控制设备。通常喷枪装载于一个机械手上，机械手按照需要涂层的特殊工件预先编制的操作程序进行操作。进行喷涂的工件通常是安置在一个操作设备上，例如：旋转工作台。这样才有可能对具有非常复杂几何形状的工件实施喷涂工艺。同时，不能忽略了带过滤器的通风系统，因为存在着所谓的“过喷”，例如：没有粘附于工件表面的粉末喷涂材料，能够被过滤器吸取出来并且截留在过滤器中。某些喷涂材料所产生的喷涂粉尘可能容易着火；因此，在这些操作环境下，整个系统必须能够防火防爆。
传统的等离子喷涂控制系统主要由美国的Praxair公司生产的以SG-100喷枪为核心的7700型控制系统，和美国Metco公司生产的以9MB喷枪为核心的9MC控制系统。这些控制系统均以测量飞行粒子的温度、速度、系统输入净能量为主要测量参数，喷枪实时控制的主要手段,但这些传统的控制手段所依赖的传感器技术比较简易的，基于这些传感器技术控制所得到的涂层质量不高，并且生产成本比较高。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种通过改善传感器性能，在实时控制热喷涂涂层的工业化生产，制造符合工业化生产要求的涂层产品的同时，有效提高热喷涂的质量，解决现有技术中存在的涂层质量问题，减少涂层制备的后处理工序，减少浪费，且结构简单，成本低廉，应用范围广泛的热喷涂控制装置、控制方法及具有该装置的热喷涂系统。
为了实现上述的目的，本发明的热喷涂控制装置具有如下构成：
其包括检测模块和控制模块，所述的检测模块的输出端连接所述的控制模块的输入端，所述的控制模块的输出端连接外部热喷涂装置，其特征在于，所述的检测模块包括颗粒个体传感器和焰型传感器，所述的控制模块包括单位熔融粒子体积流量计算单元和光辐射强度计算单元，所述的颗粒温度、速度及尺寸数据输出端连接所述的单位熔融粒子体积流量计算单元的输入端，所述的喷焰形状与质心位置数据输出端连接于所述的光辐射强度计算单元的输入端，所述的单位熔融粒子体积流量计算单元和光辐射强度计算单元的输出端均连接所述的控制模块的输出端，所述的焰型传感器还包括一带通滤波器。其中，所述的带通滤波器为设置于所述的焰型传感器内的带通滤镜。
该热喷涂控制装置中，所述的带通滤镜的波长范围为300纳米至500纳米。
该热喷涂控制装置中，所述的检测模块还包括飞行颗粒传感器和光学高温计，所述的飞行颗粒传感器具有容积内平均温度数据输出端，所述的光学高温计具有基底温度数据输出端，所述的容积内平均温度数据输出端及基底温度数据输出端均连接所述的控制模块的输入端。
该热喷涂控制装置中，所述的控制模块还包括过程控制单元和热喷涂执行设备集成控制单元，所述的单位熔融粒子体积流量计算单元输出端、光辐射强度计算单元输出端、容积内平均温度数据输出端及基底温度数据输出端均顺序通过所述的过程控制单元和热喷涂执行设备集成控制单元连接外部热喷涂装置。
本发明还提供一种利用所述的装置实现的热喷涂控制方法，所述的方法具体包括以下步骤：
（1）所述的颗粒个体传感器实时检测所述的喷焰的颗粒温度、速度及尺寸，并将颗粒温度、速度及尺寸数据输出至所述的控制模块的单位熔融粒子体积流量计算单元；
（2）具有带通滤波器的焰型传感器实时检测所述的喷焰形状与质心位置，并将所述的喷焰形状与质心位置数据输出至所述的控制模块的光辐射强度计算单元；
（3）所述的单位熔融粒子体积流量计算单元根据所述的颗粒温度、速度及尺寸数据计算所述的喷焰的单位熔融粒子体积流量，所述的光辐射强度计算单元根据所述的喷焰形状与质心位置数据计算所述的喷焰的光辐射强度；
（4）所述的控制模块将所述的喷焰的单位熔融粒子体积流量和光辐射强度作为控制参数，对外部热喷涂装置输出控制数据。
该热喷涂控制方法中，所述的检测模块还包括飞行颗粒传感器和光学高温计，所述的飞行颗粒传感器具有容积内平均温度数据输出端，所述的光学高温计具有基底温度数据输出端，所述的容积内平均温度数据输出端及基底温度数据输出端均连接所述的控制模块的输入端，所述的方法在步骤（2）和（3）之间还包括以下步骤：
（21）所述的飞行颗粒传感器和光学高温计分别实时检测所述的喷焰的容积内平均温度数据以及基底温度数据，并将所述的容积内平均温度数据以及基底温度数据输出至所述的控制模块。
该热喷涂控制方法中，所述的控制模块还包括过程控制单元和热喷涂执行设备集成控制单元，所述的单位熔融粒子体积流量计算单元输出端、光辐射强度计算单元输出端、容积内平均温度数据输出端及基底温度数据输出端均顺序通过所述的过程控制单元和热喷涂执行设备集成控制单元连接外部热喷涂装置，所述的步骤（3）具体包括以下步骤：
（31）所述的过程控制单元根据所获得的单位熔融粒子体积流量、光辐射强度、容积内平均温度及基底温度进行过程控制，并将过程控制数据发送至所述的热喷涂执行设备集成控制单元；
（32）所述的热喷涂执行设备集成控制单元根据所述的过程控制数据向外部热喷涂装置执行设备输出控制数据。
本发明还提供了一种具有所述的热喷涂控制装置的热喷涂系统，该热喷涂系统还包括旋转工作台、喷枪、喷枪控制臂、送粉器和气体控制器，所述的热喷涂控制装置的检测模块设置于靠近所述喷枪的位置，所述的旋转工作台、喷枪、喷枪控制臂、送粉器和气体控制器的控制信号输入端均连接所述的控制模块的输出端。
采用了该发明的热喷涂控制装置、控制方法及具有该装置的热喷涂系统，由于其检测模块包括颗粒个体传感器和焰型传感器，颗粒个体传感器具有颗粒温度、速度及尺寸数据输出端，焰型传感器具有喷焰形状与质心位置数据输出端，颗粒温度、速度及尺寸数据输出端以及所述的喷焰形状与质心位置数据输出端分别连接于控制模块的单位熔融粒子体积流量计算单元和光辐射强度计算单元，且焰型传感器还包括一带通滤波器。从而使得控制模块能够获得关键的光辐射强度数据，并基于光辐射强度优化对于热喷涂的控制过程，进而有效提高热喷涂的质量，解决现有技术中存在的涂层质量问题，减少涂层制备的后处理工序，减少浪费，获得更优质的喷涂产品。且热喷涂控制装置、控制方法及具有该装置的热喷涂系统结构简单，成本低廉，应用范围较为广泛。
附图说明
图1为现有技术中的标准热喷涂系统结构示意图。
图2为本发明的热喷涂控制装置及具有该装置的热喷涂系统的结构示意图。
图3为本发明的热喷涂控制方法的步骤流程图。
图4为本发明的热喷涂控制装置的联合试验中正常涂层重量变化示意图。
图5基于本发明的热喷涂控制装置的颗粒个体传感器所获取的单位熔融粒子体积流量的喷涂控制框图。
图6基于本发明的热喷涂控制装置的焰型传感器所获取的光辐射强度的喷涂控制框图。
图7为本发明的热喷涂控制方法中过程控制单元所应用的控制算法的流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图2所示，为本发明的热喷涂控制装置及具有该装置的热喷涂系统的结构示意图。
在一种实施方式中，所述的热喷涂系统包括一热喷涂控制装置，所述的热喷涂控制装置包括检测模块和控制模块，所述的检测模块的输出端连接所述的控制模块的输入端，所述的控制模块的输出端连接外部热喷涂装置，所述的检测模块包括颗粒个体传感器和焰型传感器，所述的控制模块包括单位熔融粒子体积流量计算单元和光辐射强度计算单元，所述的颗粒温度、速度及尺寸数据输出端连接所述的单位熔融粒子体积流量计算单元的输入端，所述的喷焰形状与质心位置数据输出端连接于所述的光辐射强度计算单元的输入端，所述的单位熔融粒子体积流量计算单元和光辐射强度计算单元的输出端均连接所述的控制模块的输出端，所述的焰型传感器还包括一带通滤波器，该带通滤波器为设置于所述的焰型传感器内的Melles-Griot03FIR006带通滤镜，其波长范围为300纳米至500纳米。
该热喷涂系统除具有所述的热喷涂控制装置外，还包括旋转工作台、喷枪、喷枪控制臂、送粉器和气体控制器，所述的热喷涂控制装置的检测模块设置于靠近所述喷枪的位置，所述的旋转工作台、喷枪、喷枪控制臂、送粉器和气体控制器的控制信号输入端均连接所述的控制模块的输出端。
利用该实施方式的热喷涂控制装置实现的热喷涂控制方法，如图3所示，具体包括以下步骤：
（1）所述的颗粒个体传感器实时检测所述的喷焰的颗粒温度、速度及尺寸，并将颗粒温度、速度及尺寸数据输出至所述的控制模块的单位熔融粒子体积流量计算单元；
（2）具有带通滤波器的焰型传感器实时检测所述的喷焰形状与质心位置，并将所述的喷焰形状与质心位置数据输出至所述的控制模块的光辐射强度计算单元；
（3）所述的单位熔融粒子体积流量计算单元根据所述的颗粒温度、速度及尺寸数据计算所述的喷焰的单位熔融粒子体积流量，所述的光辐射强度计算单元根据所述的喷焰形状与质心位置数据计算所述的喷焰的光辐射强度；
（4）所述的控制模块将所述的喷焰的单位熔融粒子体积流量和光辐射强度作为控制参数，对外部热喷涂装置输出控制数据。
在一种较优选的实施方式中，所述的检测模块还包括飞行颗粒传感器和光学高温计，所述的飞行颗粒传感器具有容积内平均温度数据输出端，所述的光学高温计具有基底温度数据输出端，所述的容积内平均温度数据输出端及基底温度数据输出端均连接所述的控制模块的输入端。
利用该实施方式的热喷涂控制装置实现的热喷涂控制方法在步骤（2）和（3）之间还包括以下步骤：
（21）所述的飞行颗粒传感器和光学高温计分别实时检测所述的喷焰的容积内平均温度数据以及基底温度数据，并将所述的容积内平均温度数据以及基底温度数据输出至所述的控制模块。
在一种更优选的实施方式中，所述的控制模块还包括过程控制单元和热喷涂执行设备集成控制单元，所述的单位熔融粒子体积流量计算单元输出端、光辐射强度计算单元输出端、容积内平均温度数据输出端及基底温度数据输出端均顺序通过所述的过程控制单元和热喷涂执行设备集成控制单元连接外部热喷涂装置。
利用该实施方式的热喷涂控制装置实现的热喷涂控制方法中，所述的步骤（3）具体包括以下步骤：
（31）所述的过程控制单元根据所获得的单位熔融粒子体积流量、光辐射强度、容积内平均温度及基底温度进行过程控制，并将过程控制数据发送至所述的热喷涂执行设备集成控制单元；
（32）所述的热喷涂执行设备集成控制单元根据所述的过程控制数据向外部热喷涂装置执行设备输出控制数据。
在本发明的应用中，本发明的热喷涂实时控制系统同现有商业控制系统相比，如图5及图6所示，其能够及时迅速可靠地获得粒子温度、速度和直径，通过计算转换单位熔融粒子体积流量等各种控制参数。另外，该发明还通过在焰型传感器内增加一个300-500纳米的band-pass filter（带通滤波器），获得关键的光辐射强度。基于该传感器能更直接迅速的对喷涂流体状态进行实时反馈，从而获得更优质的喷涂产品。
在实际测试中：本发明的热喷涂控制方法进行联合试验条件下，时长4小时，每小时动力循环，测试在开环、温度、温度和速度、以及质心和熔融体通量四种状态下，正常涂层重量的变化。本发明的热喷涂控制方法中过程控制单元所应用的控制算法的流程图如图7所示。
实验表明:如图4所示，通过控制通量和Yc参数所得涂层品质超过开环条件下控制其它参数条件下所得涂层品质。下表1表明了，利用本发明的热喷涂控制装置的等离子喷涂系统粒子熔融体积和光强度辐射控制效果和传统控制方案比较。
表1等离子喷涂系统粒子熔融体积和光强度辐射控制效果和传统控制方案比较
采用了该发明的热喷涂控制装置、控制方法及具有该装置的热喷涂系统，由于其检测模块包括颗粒个体传感器和焰型传感器，颗粒个体传感器具有颗粒温度、速度及尺寸数据输出端，焰型传感器具有喷焰形状与质心位置数据输出端，颗粒温度、速度及尺寸数据输出端以及所述的喷焰形状与质心位置数据输出端分别连接于控制模块的单位熔融粒子体积流量计算单元和光辐射强度计算单元，且焰型传感器还包括一带通滤波器。从而使得控制模块能够获得关键的光辐射强度数据，并基于光辐射强度优化对于热喷涂的控制过程，进而有效提高热喷涂的质量，解决现有技术中存在的涂层质量问题，减少涂层制备的后处理工序，减少浪费，获得更优质的喷涂产品。且热喷涂控制装置、控制方法及具有该装置的热喷涂系统结构简单，成本低廉，应用范围较为广泛。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (8)
1.一种热喷涂控制装置，所述的热喷涂控制装置包括检测模块和控制模块，所述的检测模块的输出端连接所述的控制模块的输入端，所述的控制模块的输出端连接外部热喷涂装置，其特征在于，所述的检测模块包括颗粒个体传感器和焰型传感器，所述的颗粒个体传感器具有颗粒温度、速度及尺寸数据输出端，所述的焰型传感器具有喷焰形状与质心位置数据输出端，所述的控制模块包括单位熔融粒子体积流量计算单元和光辐射强度计算单元，所述的颗粒温度、速度及尺寸数据输出端连接所述的单位熔融粒子体积流量计算单元的输入端，所述的喷焰形状与质心位置数据输出端连接于所述的光辐射强度计算单元的输入端，所述的单位熔融粒子体积流量计算单元和光辐射强度计算单元的输出端均连接所述的控制模块的输出端，所述的焰型传感器还包括一带通滤波器，所述的带通滤波器为设置于所述的焰型传感器内的带通滤镜，用以检测光辐射强度，所述的焰型传感器还包括光辐射强度输出端，所述的光辐射强度输出端连接于所述的控制模块的输入端。
2.根据权利要求1所述的热喷涂控制装置，其特征在于，所述的带通滤镜的波长范围为300纳米至500纳米。
3.根据权利要求1或2所述的热喷涂控制装置，其特征在于，所述的检测模块还包括飞行颗粒传感器和光学高温计，所述的飞行颗粒传感器具有容积内平均温度数据输出端，所述的光学高温计具有基底温度数据输出端，所述的容积内平均温度数据输出端及基底温度数据输出端均连接所述的控制模块的输入端。
4.根据权利要求3所述的热喷涂控制装置，其特征在于，所述的控制模块还包括过程控制单元和热喷涂执行设备集成控制单元，所述的单位熔融粒子体积流量计算单元输出端、光辐射强度计算单元输出端、容积内平均温度数据输出端及基底温度数据输出端均顺序通过所述的过程控制单元和热喷涂执行设备集成控制单元连接外部热喷涂装置。
5.一种利用权利要求1所述的装置实现的热喷涂控制方法，其特征在于，所述的方法具体包括以下步骤：
（1）所述的颗粒个体传感器实时检测所述的喷焰的颗粒温度、速度及尺寸，并将颗粒温度、速度及尺寸数据输出至所述的控制模块的单位熔融粒子体积流量计算单元；
（2）具有带通滤波器的焰型传感器实时检测所述的喷焰形状与质心位置，并将所述的喷焰形状与质心位置数据输出至所述的控制模块的光辐射强度计算单元；
（3）所述的单位熔融粒子体积流量计算单元根据所述的颗粒温度、速度及尺寸数据计算所述的喷焰的单位熔融粒子体积流量，所述的光辐射强度计算单元根据所述的喷焰形状与质心位置数据计算所述的喷焰的光辐射强度；
（4）所述的控制模块将所述的喷焰的单位熔融粒子体积流量和光辐射强度作为控制参数，对外部热喷涂装置输出控制数据。
6.根据权利要求5所述的热喷涂控制方法，其特征在于，所述的检测模块还包括飞行颗粒传感器和光学高温计，所述的飞行颗粒传感器具有容积内平均温度数据输出端，所述的光学高温计具有基底温度数据输出端，所述的容积内平均温度数据输出端及基底温度数据输出端均连接所述的控制模块的输入端，所述的方法在步骤（2）和（3）之间还包括以下步骤：
（21）所述的飞行颗粒传感器和光学高温计分别实时检测所述的喷焰的容积内平均温度数据以及基底温度数据，并将所述的容积内平均温度数据以及基底温度数据输出至所述的控制模块。
7.根据权利要求6所述的热喷涂控制方法，其特征在于，所述的控制模块还包括过程控制单元和热喷涂执行设备集成控制单元，所述的单位熔融粒子体积流量计算单元输出端、光辐射强度计算单元输出端、容积内平均温度数据输出端及基底温度数据输出端均顺序通过所述的过程控制单元和热喷涂执行设备集成控制单元连接外部热喷涂装置，所述的步骤（3）具体包括以下步骤：
（31）所述的过程控制单元根据所获得的单位熔融粒子体积流量、光辐射强度、容积内平均温度及基底温度进行过程控制，并将过程控制数据发送至所述的热喷涂执行设备集成控制单元；
（32）所述的热喷涂执行设备集成控制单元根据所述的过程控制数据向外部热喷涂装置执行设备输出控制数据。
8.一种具有权利要求1所述的热喷涂控制装置的热喷涂系统，其特征在于，所述的热喷涂系统还包括旋转工作台、喷枪、喷枪控制臂、送粉器和气体控制器，所述的热喷涂控制装置的检测模块设置于靠近所述喷枪的位置，所述的旋转工作台、喷枪、喷枪控制臂、送粉器和气体控制器的控制信号输入端均连接所述的控制模块的输出端。
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