微弧氧化過程自適應控制方法及系統的製作方法
2023-12-01 06:15:31 1
微弧氧化過程自適應控制方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種微弧氧化過程自適應控制方法及系統，所述方法包括以下步驟：在微弧氧化的正常處理一定時間後，施加測試脈衝；對測試過程中所獲取的電信號進行辨識，得到不同處理時間、不同膜層厚度時的膜層擊穿臨界電壓值；所述膜層擊穿臨界電壓值包括擊穿電壓值和擊穿電壓上限閥值；根據辨識得到的膜層擊穿臨界電壓值調整電源輸出脈衝參數，並以調整後的電源輸出脈衝參數繼續進行微弧氧化的正常處理。本發明的一種微弧氧化過程自適應控制方法及系統，能夠實現對微弧氧化處理過程的自適應控制，有效改善了成膜效果，提升了成膜效率，能夠獲得性能優異的陶瓷層。
【專利說明】微弧氧化過程自適應控制方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料表面改性【技術領域】，特別是涉及一種微弧氧化過程自適應控制方法以及一種微弧氧化過程自適應控制系統。
【背景技術】
[0002]微弧氧化(Micro-arc Oxidation, MAO),是一種通過微等離子體放電與電解液的綜合作用，在有色金屬材料表面原位生長陶瓷膜的表面改性技術。其中電源設備是保證微弧氧化工藝的關鍵環節之一，其輸出直接關係到微電弧的產生、形態、分布及作用，影響著處理過程能耗和膜層的性能。近年來關於微弧氧化電源的研究越來越多，相應的電源技術也有很大進步。
[0003]目前用於微弧氧化處理的電源主要有交流源、直流源、脈衝直流源和變極性脈衝電源等。脈衝(變極性)電源由於允許電弧中斷，對微弧氧化過程的可控性更好，處理得到的膜層性能更優異，因而得到越來越多的應用。
[0004]在電源結構方面，有採用陰陽極分別獨立調壓式結構實現多波形輸出，亦有基於兩級逆變技術採用DSP (Digital Signal Processor,微處理器)控制實現直流/脈衝/變極性等多模式輸出。其中逆變式結構具有輸出調節精度高、響應快、波形控制精細、輸出穩定、設備體積小、節能等優點，是電源技術的發展方向。
[0005]在處理過程控制方面，主要有恆流控制模式和恆壓控制模式。現有電源的控制模式只是依據實踐經驗對電參數的控制，不是以負載或處理狀態為反饋量來對實施過程更有效地控制，因此其設定的過程參數及其變化規律的合理性有待商榷。
[0006]通過實踐觀察得知，微弧氧化處理過程中電源負載呈現典型的容性效應，電源實際輸出的電壓波形存在拖尾現象(如圖1所示)，使得傳統脈衝電源無法實現真正高頻輸出。帶放電間隙的高頻大功率微弧氧化脈衝電源，利用由電子開關及電阻組成的吸收電路對輸出脈衝截止時負載端的電壓波形實現快速下降，從而實現較高頻率(5kHz)輸出。該方法採用陰陽極分別獨立調壓式結構，在變極性控制、迴路能量控制方面有待改進；所採用的吸收回路只是簡單的對負載能量釋放，無法實現對迴路、負載能量的再利用，對電源及輸出脈衝能量的精密控制有待提高。
【發明內容】
[0007]基於此，本發明提供一種微弧氧化過程自適應控制方法及系統，能夠實現對微弧氧化處理過程的自適應控制，從而有效改善成膜效果和提升成膜效率。
[0008]為實現上述目的，本發明採用如下的技術方案:
[0009]一種微弧氧化過程自適應控制方法，包括以下步驟:
[0010]在微弧氧化的正常處理一定時間後，施加測試脈衝；
[0011]對測試過程中所獲取的電信號進行辨識，得到不同處理時間、不同膜層厚度時的膜層擊穿臨界電壓值；所述膜層擊穿臨界電壓值包括擊穿電壓值和擊穿電壓上限閥值；[0012]根據辨識得到的膜層擊穿臨界電壓值調整電源輸出脈衝參數，並以調整後的電源輸出脈衝參數繼續進行微弧氧化的正常處理。
[0013]一種微弧氧化過程自適應控制系統，包括:
[0014]測試脈衝施加模塊，用於在微弧氧化的正常處理一定時間後，施加測試脈衝；
[0015]臨界電壓值辨識模塊，用於對測試過程中所獲取的電信號進行辨識，得到不同處理時間、不同膜層厚度時的膜層擊穿臨界電壓值；所述膜層擊穿臨界電壓值包括擊穿電壓值和擊穿電壓上限閥值；
[0016]參數調整模塊，用於根據辨識得到的膜層擊穿臨界電壓值調整電源輸出脈衝參數，並以調整後的電源輸出脈衝參數繼續進行微弧氧化的正常處理。
[0017]由以上方案可以看出，本發明的一種微弧氧化過程自適應控制方法及系統，在正常處理一段時間後施加測試脈衝，並進行在線辨識得到不同處理時間、不同膜層厚度時的膜層擊穿臨界電壓值，然後根據辨識得到的膜層擊穿臨界電壓值實時調整電源輸出脈衝參數。本發明通過循環往復的「測試-辨識-自調整」的過程來實現對微弧氧化處理過程的自適應控制，可以使電弧始終保持為微細火花放電或微弧放電狀態，使膜層能適應環境條件的變化始終處於最優或接近最優的生長狀態，採用本發明提供的方案進行處理，能夠有效改善成膜效果，提升成膜效率，獲得性能優異的陶瓷層。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為容性負載狀態下脈衝輸出波形示意圖；
[0019]圖2為本發明一種微弧氧化過程自適應控制方法的流程示意圖；
[0020]圖3為一種電壓測試脈衝波形圖；
[0021]圖4為在線辨識電參數曲線示意圖；
[0022]圖5為本發明一種微弧氧化過程自適應控制系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0024]參見圖2所示，一種微弧氧化過程自適應控制方法，包括以下步驟:
[0025]步驟S101，在微弧氧化的正常處理一定時間後，施加測試脈衝。
[0026]作為一個較好的實施例，本發明中所施加的測試脈衝(包括後續步驟中所施加的測試脈衝)可以為一組幅值、頻率及脈寬不等的測試脈衝。
[0027]步驟S102，對測試過程中所獲取的電信號進行辨識，建立電參數與電弧及膜層狀態間的表徵關係，得到不同處理時間、不同膜層厚度時的膜層擊穿臨界電壓值。
[0028]需要說明的是，所述膜層擊穿臨界電壓值包括擊穿電壓值和擊穿電壓上限閥值。其中，擊穿電壓值是指處理過程中使工件表面發生微電弧放電現象所需要的最小電壓值，擊穿電壓上限閥值指電弧形貌由微細電火花轉變為大電弧放電的臨界電壓。
[0029]步驟S103，根據辨識得到的膜層擊穿臨界電壓值調整電源輸出脈衝參數，使電弧始終保持為微細火花放電或微弧放電狀態，使膜層能適應環境條件的變化始終處於最優或接近最優的生長狀態，並以調整後的電源輸出脈衝參數繼續進行微弧氧化的正常處理。
[0030]本發明實施例中，正常處理一段時間後，施加一組幅值、頻率及脈寬不等的測試脈衝，同時通過電壓傳感器、電流傳感器對測試脈衝的電信號進行檢測採樣，對採樣反饋的數位訊號進行處理分析後對該時刻的電弧及膜層進行電參數辨識，辨識後對輸出脈衝參數進行在線調整輸出適合膜層生長的電參數，繼續處理一段時間後重複「測試-辨識-調整」(即步驟SlOl-步驟S103)的過程，使電弧始終保持為微細火花放電或微弧放電狀態，使膜層能適應環境條件的變化始終處於最優或接近最優的生長狀態。即作為一個較好的實施例，本發明在以調整後的電源輸出脈衝參數繼續進行微弧氧化的正常處理之後，還可以包括如下步驟:
[0031]步驟S104，在檢測到電流密度下降到無膜層擊穿時的臨界電流值時，繼續施加測試脈衝；其中，本次施加的測試脈衝的幅值基值取上一次辨識得到的擊穿電壓值。
[0032]本發明中，微弧氧化的處理過程是「自適應」的，即所有的「測試-辨識-調整」過程都是在線自調節的，不需要人為幹預或提前設定。處理過程中施加測試脈衝的時間(即步驟SlOl中的「一定時間」)由檢測電流或電流密度值決定，當電流或電流密度值下降到臨界電流值時，就施加新的測試脈衝。
[0033]步驟S105，辨識出新的膜層擊穿臨界電壓值，並根據本次辨識得到的膜層擊穿臨界電壓值重新調整電源輸出脈衝參數用於下一次正常處理，直至電壓值達到擊穿電壓上限閥值。
[0034]另外，作為一個較好的實施例，本發明的步驟S102中進行辨識的過程具體可以包括如下:
[0035]步驟S1021，對採樣得到的脈衝電壓、電流數位訊號進行預處理，減少或消除採樣數據中的幹擾信號(如高頻噪聲)，儘可能真實地還原實際電信號；
[0036]步驟S1022，對預處理後數據進行有效值運算，獲得單個測試脈衝的電壓電流有效值；
[0037]步驟S1023，根據所述電壓電流有效值確定電流或電流上升率突變點，並將該電流或電流上升率突變點對應的電壓值辨識為該狀態下的擊穿電壓值；
[0038]步驟S1024，若在測試脈衝電壓範圍內，電流值在上升拐點之後出現了下降拐點，則將電流或電流上升率的下降拐點對應的電壓值辨識為該狀態下的擊穿電壓上限閥值。
[0039]作為一個較好的實施例，在步驟S1021中，所述進行預處理的過程具體可以包括:數字濾波處理以及數字平滑處理等。
[0040]另外，作為一個較好的實施例，在辨識得到所述擊穿電壓上限閥值之後，還可以包括如下步驟:
[0041]步驟S1025，對電信號進行頻域分析，得到相應的幅頻、相頻關係，藉助數值擬合的方法獲得負載阻抗譜，辨識膜層所處狀態。辨識得到的擊穿電壓值與擊穿電壓上限閥值為脈衝參數在線調整提供了參考範圍。
[0042]下面通過一個具體的例子來描述本發明的方案:試樣材料6061A1合金，試樣尺寸為Φ=4ι?πι,電解液為鹼性娃酸鈉溶液，ΡΗ=11。初始時刻施加較寬範圍電壓測試脈衝參數:脈衝頻率500Hz，脈寬1ms，脈衝幅值基值100V，脈衝增幅10V，脈衝幅值上限值450V。所施加的電壓測試脈衝信號如圖3所示，數據處理得到的測試脈衝1-V曲線如圖4(a)所示，曲線存在明顯的拐點可用於臨界電壓的辨識，辨識得到擊穿電壓值為365V，擊穿電壓上限閥值為430V，以無膜層擊穿時的電流密度值為施加測試脈衝與否的臨界值。在線辨識結束後，以辨識得到的擊穿電壓值繼續正常處理，檢測到電流密度下降到臨界電流值時，繼續施加測試脈衝；此時所加測試脈衝參數可適當調整，採用頻率更高、脈寬更窄、幅值基值取上一次擊穿電壓值，脈衝增幅更小(IV)。對測試脈衝數據進行處理分析後會得到和圖4(b)類似的測試脈衝1-V曲線，可辨識到新的擊穿電壓，根據辨識結果自動調整脈衝輸出參數用於下一次正常處理。如此往復的進行「測試-辨識-自調整」的過程，直至電壓值達到膜層擊穿上限閥值，判斷此次處理結束。
[0043]本發明採用自適應-PID控制算法對輸出脈衝參數進行在線調節。由於正負脈衝的作用機制不同，負載呈現的電特性也不同，不同電弧形態及膜層狀態時所需採用的PID控制參數也不同，自適應-PID控制算法能夠實現對電源輸出脈衝參數進行自調整精確控制。
[0044]需要說明的是，本發明的方法可以適用於鋁、鎂、鈦、鋯等有色金屬及其合金的微弧氧化處理。
[0045]與上述一種微弧氧化過程自適應控制方法相對應，本發明還提供一種微弧氧化過程自適應控制系統，如圖5所示，包括:
[0046]測試脈衝施加模塊101，用於在微弧氧化的正常處理一定時間後，施加測試脈衝；
[0047]臨界電壓值辨識模塊102，用於對測試過程中所獲取的電信號進行辨識，得到不同處理時間、不同膜層厚度時的膜層擊穿臨界電壓值；所述膜層擊穿臨界電壓值包括擊穿電壓值和擊穿電壓上限閥值；
[0048]參數調整模塊103，用於根據辨識得到的膜層擊穿臨界電壓值調整電源輸出脈衝參數，並以調整後的電源輸出脈衝參數繼續進行微弧氧化的正常處理。
[0049]作為一個較好的實施例，所述測試脈衝施加模塊101還可以用於在檢測到電流密度下降到無膜層擊穿時的臨界電流值時，繼續施加測試脈衝；其中，本次施加的測試脈衝的幅值基值取上一次辨識得到的擊穿電壓值。
[0050]另外，所述臨界電壓值辨識模塊102還可以用於辨識出新的膜層擊穿臨界電壓值，並根據本次辨識得到的膜層擊穿臨界電壓值重新調整電源輸出脈衝參數用於下一次正常處理，直至電壓值達到擊穿電壓上限閥值。
[0051]作為一個較好的實施例，所述臨界電壓值辨識模塊102可以包括:
[0052]預處理模塊，用於對採樣得到的脈衝電壓、電流數位訊號進行預處理，消除採樣數據中的幹擾信號；
[0053]有效值獲取模塊，用於對預處理後數據進行有效值運算，獲得單個測試脈衝的電壓電流有效值；
[0054]擊穿電壓值辨識模塊，用於根據所述電壓電流有效值確定電流或電流上升率突變點，並將該電流或電流上升率突變點對應的電壓值辨識為該狀態下的擊穿電壓值；
[0055]擊穿電壓上限閥值辨識模塊，用於在測試脈衝電壓範圍內，若電流值在上升拐點之後出現了下降拐點，則將電流或電流上升率的下降拐點對應的電壓值辨識為該狀態下的擊穿電壓上限閥值。
[0056]作為一個較好的實施例，所述臨界電壓值辨識模塊102還可以包括:[0057]膜層狀態辨識模塊，用於在辨識得到所述擊穿電壓上限閥值之後，對電信號進行頻域分析，得到相應的幅頻、相頻關係，藉助數值擬合的方法獲得負載阻抗譜，辨識膜層所處狀態。
[0058]上述一種微弧氧化過程自適應控制系統的其它技術特徵與本發明的一種微弧氧化過程自適應控制方法相同，此處不予贅述。
[0059]通過以上方案可以看出，本發明的一種微弧氧化過程自適應控制方法及系統，在正常處理一段時間後施加測試脈衝，並進行在線辨識得到不同處理時間、不同膜層厚度時的膜層擊穿臨界電壓值，然後根據辨識得到的膜層擊穿臨界電壓值實時調整電源輸出脈衝參數。本發明通過循環往復的「處理-辨識-自調整」的過程來實現對微弧氧化處理過程的自適應控制，可以使電弧始終保持為微細火花放電或微弧放電狀態，使膜層能適應環境條件的變化始終處於最優或接近最優的生長狀態，採用本發明提供的方案進行處理，能夠有效改善成膜效果，提升成膜效率，獲得性能優異的陶瓷層。
[0060]除非上下文另有特定清楚的描述，本發明中的元件和組件，數量既可以單個的形式存在，也可以多個的形式存在，本發明並不對此進行限定。本發明中的步驟雖然用標號進行了排列，但並不用於限定步驟的先後次序，除非明確說明了步驟的次序或者某步驟的執行需要其他步驟作為基礎，否則步驟的相對次序是可以調整的。
[0061]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種微弧氧化過程自適應控制方法，其特徵在於，包括以下步驟: 在微弧氧化的正常處理一定時間後，施加測試脈衝； 對測試過程中所獲取的電信號進行辨識，得到不同處理時間、不同膜層厚度時的膜層擊穿臨界電壓值；所述膜層擊穿臨界電壓值包括擊穿電壓值和擊穿電壓上限閥值； 根據辨識得到的膜層擊穿臨界電壓值調整電源輸出脈衝參數，並以調整後的電源輸出脈衝參數繼續進行微弧氧化的正常處理。
2.根據權利要求1所述的微弧氧化過程自適應控制方法，其特徵在於，在以調整後的電源輸出脈衝參數繼續進行微弧氧化的正常處理之後，還包括步驟: 在檢測到電流密度下降到無膜層擊穿時的臨界電流值時，繼續施加測試脈衝；其中，本次施加的測試脈衝的幅值基值取上一次辨識得到的擊穿電壓值； 辨識出新的膜層擊穿臨界電壓值，並根據本次辨識得到的膜層擊穿臨界電壓值重新調整電源輸出脈衝參數用於下一次正常處理，直至電壓值達到擊穿電壓上限閥值。
3.根據權利要求1所述的微弧氧化過程自適應控制方法，其特徵在於，所施加的測試脈衝為一組幅值、頻率及脈寬不等的測試脈衝。
4.根據權利要求1或2或3所述的微弧氧化過程自適應控制方法，其特徵在於，所述進行辨識的過程包括: 對採樣得到的脈衝電壓、電流數位訊號進行預處理，消除採樣數據中的幹擾信號； 對預處理後數據進行有效值運算，獲得單個測試脈衝的電壓電流有效值； 根據所述電壓電流有效值確定電流或電流上升率突變點，並將該電流或電流上升率突變點對應的電壓值辨識為該狀態下的擊穿電壓值； 若在測試脈衝電壓範圍內，電流值在上升拐點之後出現了下降拐點，則將電流或電流上升率的下降拐點對應的電壓值辨識為該狀態下的擊穿電壓上限閥值。
5.根據權利要求4所述的微弧氧化過程自適應控制方法，其特徵在於，在辨識得到所述擊穿電壓上限閥值之後，還包括步驟: 對電信號進行頻域分析，得到相應的幅頻、相頻關係，藉助數值擬合的方法獲得負載阻抗譜，辨識膜層所處狀態。
6.根據權利要求4所述的微弧氧化過程自適應控制方法，其特徵在於，所述進行預處理的過程包括:數字濾波處理以及數字平滑處理。
7.一種微弧氧化過程自適應控制系統，其特徵在於，包括: 測試脈衝施加模塊，用於在微弧氧化的正常處理一定時間後，施加測試脈衝； 臨界電壓值辨識模塊，用於對測試過程中所獲取的電信號進行辨識，得到不同處理時間、不同膜層厚度時的膜層擊穿臨界電壓值；所述膜層擊穿臨界電壓值包括擊穿電壓值和擊穿電壓上限閥值； 參數調整模塊，用於根據辨識得到的膜層擊穿臨界電壓值調整電源輸出脈衝參數，並以調整後的電源輸出脈衝參數繼續進行微弧氧化的正常處理。
8.根據權利要求7所述的微弧氧化過程自適應控制系統，其特徵在於，所述測試脈衝施加模塊還用於在檢測到電流密度下降到無膜層擊穿時的臨界電流值時，繼續施加測試脈衝；其中，本次施加的測試脈衝的幅值基值取上一次辨識得到的擊穿電壓值； 所述臨界電壓值辨識模塊還用於辨識 出新的膜層擊穿臨界電壓值，並根據本次辨識得到的膜層擊穿臨界電壓值重新調整電源輸出脈衝參數用於下一次正常處理，直至電壓值達到擊穿電壓上限閥值。
9.根據權利要求7或8所述的微弧氧化過程自適應控制系統，其特徵在於，所述臨界電壓值辨識模塊包括: 預處理模塊，用於對採樣得到的脈衝電壓、電流數位訊號進行預處理，消除採樣數據中的幹擾信號； 有效值獲取模塊，用於對預處理後數據進行有效值運算，獲得單個測試脈衝的電壓電流有效值； 擊穿電壓值辨識模塊，用於根據所述電壓電流有效值確定電流或電流上升率突變點，並將該電流或電流上升率突變點對應的電壓值辨識為該狀態下的擊穿電壓值； 擊穿電壓上限閥值辨識模塊，用於在測試脈衝電壓範圍內，若電流值在上升拐點之後出現了下降拐點，則將電流或電流上升率的下降拐點對應的電壓值辨識為該狀態下的擊穿電壓上限閥值。
10.根據權利要求9所述的微弧氧化過程自適應控制系統，其特徵在於，所述臨界電壓值辨識模塊還包括:` 膜層狀態辨識模塊，用於在辨識得到所述擊穿電壓上限閥值之後，對電信號進行頻域分析，得到相應的幅頻、相頻關係，藉助數值擬合的方法獲得負載阻抗譜，辨識膜層所處狀態。
【文檔編號】G05B13/04GK103823370SQ201410036861
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年1月24日 優先權日:2014年1月24日
【發明者】曹彪, 楊凱, 黃增好 申請人:廣州市精源電子設備有限公司, 華南理工大學