锻铝微弧氧化过程控制问题的研究

论文摘要

微弧氧化是一种在含有特定离子的电解液中通过高压放电处理和电化学氧化的共同作用,在铝、镁、钛等有色金属及其合金材料表面原位产生陶瓷层的表面处理技术。微弧氧化技术处理工艺简单,对环境无污染,处理工件能力强,而且大幅度提高了铝及其合金材料的性能,达到了第二代工程材料(金属)和第三代工程材料(陶瓷)的完美结合,是一项很有发展前途的轻合金表面处理技术。由于微弧氧化机理研究难度比常规氧化过程要大的多,国内微弧氧化技术自动化程度还不高,提高微弧氧化自动化水平并实现智能化控制是一个亟待解决的问题。本文分析了微弧氧化过程,把微弧氧化分为三个阶段:阳极氧化阶段、火花放电和微弧氧化阶段、熄弧阶段,通过实验,可以了解到每个阶段电流和电压变化有自己的特点。在此基础上通过控制电路和软件调整实现了锻铝微弧氧化工艺过程的自动化控制,达到了锻铝表面改性工艺自动控制的目的。本文以PIC16F788A单片机为核心控制芯片,在利用本实验室自行研制的微弧氧化电源的基础上,根据等离子体微弧氧化工艺特点,综合考虑各种因素,设计了一种等离子体锻铝微弧氧化工艺控制系统。所设计系统为电源模式可调、电压可调、电流可调、频率可调、占空比可调的微弧氧化过程控制装置。电压、电流、频率和占空比等工艺参数在最初由键盘输入给定后,单片机会自动选取每个阶段所需要的参数量,引导系统完成整个微弧氧化工艺过程,最终生成陶瓷膜层。工艺试验过程中,工艺参数可被中断重新设置输入,系统将自动调整参数配置,完成整个工艺操作过程。本文主要研究内容包括:等离子体微弧氧化工艺过程特点研究,现场控制电路及主控制程序模块的设计;数据输入输出的电路及按键控制软件模块和D/A转换软件模块的设计;显示电路及液晶显示软件模块的设计。实验表明,该等离子体微弧氧化控制系统能够完成锻铝微弧氧化工艺控制。该控制系统对电压的动态控制精度为±1%;对电流的动态控制精度为±5%;对频率的稳态控制精度为±1%;对占空比的稳态控制精度为±5%;对时间的动态控制精度为±0.1%;工艺参数控制基本达到所要求的目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 微弧氧化技术简介
• 1.2 微弧氧化技术研究现状
• 1.3 微弧氧化技术工艺特点
• 1.4 微弧氧化技术的应用
• 1.5 本文研究目标及内容
• 1.6 本文研究中存在的难点、创新及研究意义
• 第2章 微弧氧化工艺过程和控制方案
• 2.1 微弧氧化试验
• 2.1.1 微弧氧化实验装置
• 2.1.2 实验材料
• 2.1.3 电解液配备
• 2.2 微弧氧化的一般过程
• 2.3 微弧氧化过程中控制模式分析
• 2.4 控制系统的设计方案
• 2.4.1 控制目标
• 2.4.2 系统总体设计方案
• 第3章 控制系统的硬件方案
• 3.1 系统的硬件构成
• 3.2 传感器
• 3.3 现场控制单元
• 3.3.1 MCU 及MCU 控制电路设计简介
• 3.3.2 人机接口
• 3.3.3 D/A 转换电路
• 3.3.4 故障输入电路及开关接口电路
• 3.4 控制电源
• 第4章 控制系统的软件方案
• 4.1 微弧氧化工艺过程的三个阶段控制策略
• 4.2 主控制程序软件架构的设计
• 4.3 三个工艺阶段控制软件结构的设计
• 4.4 电压、电流调整软件结构的设计
• 4.5 故障处理软件设计
• 4.5.1 电路过压或过流保护
• 4.5.2 MCU 发生掉电复位
• 4.6 人机接口软件结构的设计
• 4.6.1 按键设计
• 4.6.2 液晶显示设计
• 4.7 D/A 转换软件结构的设计
• 第5章 微弧氧化控制的测试结果分析
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录