等离子处理辅助装置的设计与实现
(华北水利水电大学机械学院, 郑州 450045)
摘要: 表面处理作为基材表面获取特定成分的工艺, 能够显著提高表面性能, 比如等离子表面处理工艺, 具有清洁表面污染物、提高表面润湿性和提高粘接强度等作用, 在汽车、航空航天、建筑、智能制造等领域得到了广泛应用。由于等离子工艺的表面处理过程十分复杂, 处理中需要专门的辅助装置, 然而现有的辅助装置价格昂贵, 难以满足实验室定制化表面处理工艺的需求。针对上述问题, 本文设计了以CS10-3控制器为核心的等离子处理辅助装置, 采用控制器、步进电机、驱动器和转换开关作为控制系统, 配合机架、固定块、滑台和调整块实现等离子表面处理作业, 可以在大幅降低设备研制成本的基础上, 实现工艺参数 (速度、距离、功率等) 量化的目的。实践与分析结果表明: 该辅助装置在低于800W的功率下实现处理速度在0~20cm/min范围内调节, 处理距离在0~5cm范围内可调, 减轻劳动强度的同时, 提高了处理效率、处理质量和表面一致性。
关键词: 等离子处理装置, 控制器, 步进电机, 工艺参数量化
DOI: 10.48014/fcmet.20231227001
引用格式: 刘继高, 王贤哲, 马驰, 等. 等离子处理辅助装置的设计与实现[J]. 中国机械工程技术学报, 2024, 3(3): 53-57.
文章类型: 研究性论文
收稿日期: 2023-12-27
接收日期: 2024-01-25
出版日期: 2024-09-28
0 前言
表面处理工艺是提高表面性能的重要方法[1]，被广泛应用于汽车、航空航天、建筑、智能制造等领域。通过表面处理工艺能够去除表面杂质和引入官能团改变表面状态并提高润湿性和表面能，可有效提高粘接强度[2]。蒲超博等[3]研究了研磨抛光、酸洗减薄以及研磨抛光+酸洗减薄三种工艺对TA15钛合金板材进行表面处理对板材弯曲性能的影响，结果表明经研磨抛光+酸洗减薄的联合工艺处理后板材的弯曲角度最大;杨晋等[3]研究了吹砂、硬质阳极化、硫酸阳极化、酸蚀处理表面处理方法对航空铝合金橡胶金属零件粘接件拉伸后，其粘接强度、耐老化性能优良，能够满足航空橡胶铝合金零件制造需求。有效的表面处理对于提高表面性能、综合力学性能具有重要的意义。
常规处理方式中，等离子体表面处理由于其高效、对环境友好等优点，受到越来越多的关注，目前已被用于处理不锈钢、聚合物和玻璃等材料[4];杨海涛等[5]研究了等离子表面处理方式对铜箔与树脂粘接性能的影响，通过等离子处理的环氧树脂和聚苯醚树脂样品的剥离强度相比于未处理样品，结合力分别提高了43%和50%;乔乾森等[6]为提高轻质材料的表面活性，采用低温等离子体技术，分别对铝合金、碳纤维复合材料进行表面改性处理。铝合金的拉剪强度提高了37.5%，复合材料的拉剪强度提高了62.0%，常压等离子处理是最有效的对表面进行清洗、活化的处理工艺之一，采用等离子处理机对工件(粘接基材、塑料片材)进行一定的物理化学改性，具有清洁表面、提高粘接基材表面亲水性能和粘接强度等功能[4]。由此可见，等离子表面处理是提高粘接性能重要手段。
目前，现有实验室用小型等离子处理机大多为手动等离子处理机，需实验人员手拿工件对着等离子处理枪头进行处理，操作过程较危险，工作效率较低。此外，工件受等离子处理不均匀，工件处理效果不均匀，而且长时间手动操作实验人员的劳动强度较大。同时为了能清洗出较好的效果，对实验人员的技术水平也会有一定的要求。除了手动处理外，市面上也有基于三坐标平台的等离子处理机，价格较贵，满足定制化设计价格更高。所以为了降低科研成本、减轻实验人员劳动强度、提高处理效率、处理精度、增加表面处理质量，有必要进行等离子辅助处理装置的研制。
1 辅助装置机械结构及工作原理
基于现有等离子处理装置，设计出一款等离子处理辅助装置，整体结构示意图如图1所示。
图1 装置结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of device structure
如图1所示，装置包括L型支架、活动直片、单线滑台、步进电机、等离子发射枪头、控制器、转换开关、固定块、工件、滑块、调整条等。各部件具体功能为:L型支架用于支撑整个装置，L形支架水平台面为操作控制台，控制器内嵌到操作控制台内，滑台模组安装在L型支架上，等离子发射枪头安装在滑台模组上。活动直片通过螺栓安装在L型支架上下面开槽上，活动直片上开设有长腰孔，滑台模组通过紧固螺钉和长腰孔的配合实现滑台模组高度的人工调节。滑台模组包括单线滑台、步进电机，单线滑台安装在活动直片上，步进电机安装在单线滑台的一侧，该步进电机受控制器控制，实现等离子发射枪头的水平移动。转换开关设置在操作控制台上，通过对转换开关的旋转操作可以实现共用控制器分别执行等离子处理或其他设备工序处理，例如喷砂设备等。调整条设置在单线滑台的滑块与滑座之间，用于保证等离子发射枪头移动时的直线度。操作控制台上设置有两个长条形的可移动的固定块，固定块用于夹紧工件。
2 控制系统组成及其工作原理
等离子处理辅助装置控制信号发出以及接受执行指令是通过控制器，步进电机驱动器和步进电机实现的。因此，硬件系统的优劣将直接影响等离子辅助处理装置的控制精度。在确定等离子处理辅助装置控制系统设计思路的基础上，根据实验需求，对控制系统硬件模块进行选型。
2.1 控制系统主要硬件选型
控制器选型。由于控制器产品众多，结构形式、性能、指令系统、编程方法和价格各异。因此，根据实验需求合理选择具有较高性价比的控制器，提高控制系统的可靠性。按照以下原则进行选择:在功能满足要求的前提下[7]，根据使用环境、实现功能、处理速度及技术要求对型号进行选择。综合比较，本设计选择步进电机控制器型号为CS10-3作为辅助装置的控制器。该控制器具有启动、停止、暂停、换向、速度设定等功能，供电电压为DC8V~30V，供电电压范围较宽，速度转化为线位移可控制在0~20cm/min，能够根据需求进行设定使用，满足本实验功能需求，性价比和可靠性都是同类产品中较高的。具有循环周期短、处理速度高、指令集功能强大、可用于复杂功能需求的特点。
开关电源。开关电源为整个系统提供电源，必须保证其安全可靠。选用明纬开关电源公司生产的RT-125D开关电源，其具有/过负载/过电压、能承受300VAC浪涌输入5s，其工作温度高达70℃[8]。同时具有高效率、长寿命和高信赖度。
步进电机及驱动器。本装置选用的步进电动机为57的两相四线大扭矩低噪音步进电机，机身长为56mm;驱动器型号为ZD-2HD542，该驱动器具有两种运功模式:位置模式和速度模式，最高分辨率可达40000步/每转，最高响应频率达200Kpps，驱动电流在1A~4A可调节，供电电压为DC20V~50V，16种不同细分任意切换，具有自动半流锁定，过压、欠压、过流保护，适合等离子辅助处理装置工艺需求。
2.2 控制系统工作原理
控制系统原理图如图2所示，通过在步进电机驱动器后端增加一个转换开关即可实现一驱动多电机的任务。
图2 控制系统电气原理图
Fig.2 Schematic diagram of control system
控制系统工作原理为:转换开关旋转到等离子处理位置时，装置启动，设定等离子处理参数，滑台模组带动等离子发射枪头按命令移动到目标位置，按下控制器的停止按钮，等离子发射枪头停止，系统关闭。结构简单，实用性很强。具体实现步骤如下:
(1)装置启动;
(2)转换开关旋转到等离子处理位置;
(3)初设等离子处理参数(包括移动方向、移动速度、功率大小等);
(4)滑台模组转动，带动等离子发射枪头按命令移动到目标位置;
(5)按下停止按钮，等离子发射枪头停止;
(6)系统关闭。
此外，转换开关还可切换到其他位置，进行通过步进电机的同类控制，比如半自动喷砂机等。工作流程如图3所示。
图3 等离子表面处理装置工作流程图
Fig.3 The workflow of Plasma surface treatment device
3 使用效果评价
3.1 样机测试
通过实际应用，该装置的性能、稳定性和可靠性符合预期要求，能够完成既定实验目标，切换到喷砂装置也能保证较好的效果。样机实物图如图4所示。
图4 样机实物图
Fig.4 Physical image
3.2 亲水性测试
以6061铝合金进行等离子表面处理为例，验证该简易等离子辅助处理装置的实用性，表面处理结果如图5和图6所示。经过等离子处理后基材表面水接触角明显减小，由84.574°降低为37.499°，亲水性得到明显改善。
图5 等离子处理前水接触角
Fig.5 Water contact angle before plasma treatment
图6 等离子处理后水接触角
Fig.6 Water contact angle after plasma treatment
4 结束语
本设计基于科研实验需求为目标，以控制器CS10-3为核心，设计了等离子处理辅助装置。在进行系统硬件选型和控制方案设定的基础上，本文设计并制作了等离子处理辅助装置。基于研发的装置，开展等离子表面处理的实验，经过实验表明，利用等离子辅助处理装置能够达到处理速度、处理距离指标量化的目的。处理效果能够保证较高的一致性，同时节省了人力。
利益冲突: 作者声明没有利益冲突。
[①] *通讯作者 Corresponding author:刘继高，569418627@qq.com
收稿日期:2023-12-27; 录用日期:2024-01-25; 发表日期:2024-09-28
基金项目:华北水利水电大学创新训练项目(2023XB177)
参考文献(References)
[1] 张林涛, 杨涛, 杜宇, 等. 准静态载荷作用下螺栓连接CARALL结构的损伤分析[J]. 复合材料科学与工程, 2023(10): 87-93+108.
https://doi.org/10.19936/j.cnki.2096-8000.20231028.012.
[2] 刘宇航. CFRP/铝合金界面处理工艺优化及连接性能研究[D]. 上海: 东华大学, 2023.
https://doi.org/2023.
DOI:10.27012/d.cnki.gdhuu.2023.000177
[3] 蒲超博, 孙梦桐, 王乐豪, 等. 表面处理工艺对TA15钛合金板材弯曲性能的影响[J]. 钛工业进展, 2023, 40(05): 21-25.
https://doi.org/10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2023.05.004.
[4] Liu J, Xue Y, Dong X. Review of the surface treatment process for the adhesive matrix of composite materials[J]. International Journal of Adhesion & Adhesives, 2023: 126.
https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2023.103446
[5] 杨海涛, 严彪. 等离子表面处理对低粗糙度铜箔与树脂界面结合性能的影响[J]. 表面技术, 2023, 52(07): 278-287.
https://doi.org/10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.07.025.
[6] 乔乾森, 巴德玛, 李长青, 等. 低温等离子体表面处理技术研究[J]. 材料保护, 2022, 55(12): 55-60.
https://doi.org/10.16577/j.issn.1001-1560.2022.0339.
[7] 王杰. 基于PLC的污水处理控制系统设计与应用[D].长沙: 中南大学, 2022.
https://doi.org/10.27661/d.cnki.gzhnu.2022.002842.
[8] 薛滢蕾, 刘梦佳, 牛炳鹤, 等. 基于PLC的自动喷砂装置设计与应用[J]. 河南科技, 2023, 42(18): 40-45.
https://doi.org/10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.18.009.
Design and Realization of Plasma Treatment Auxiliary Device
(School of Mechanical Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)
Abstract: Surface treatment, as a process to obtain specific components on the surface of a substrate, can significantly improve the surface properties, such as the plasma surface treatment process, which has the effect of cleaning the surface contaminants, improving the surface wettability and improving the adhesive strength, and has been widely used in automotive, aerospace, construction, intelligent manufacturing and other fields. Due to the complexity of the surface treatment process of the plasma process, specialized auxiliary devices are required in the treatment, however, the existing auxiliary devices are expensive and difficult to meet the demand for customized surface treatment process in the laboratory. To address the above problems, this paper designs a plasma processing auxiliary device with CS10-3 controller as the core, using the controller, stepper motor, driver and transfer switch as the control system, with the rack, fixed block, slide and adjustment block to realize plasma surface treatment operation, which can realize the purpose of quantifying process parameters (speed, distance, power, etc. ) on the basis of significantly reducing the development cost of the equipment. Practice and analysis results show that: the auxiliary device in less than 800 W power to achieve the processing speed in the range of 0~20cm/min range of adjustment, the processing distance in the range of 0~5cm adjustable, reduce labor intensity at the same time, improve the processing efficiency, processing quality and surface consistency.
Keywords: Plasma treatment equipment, controller, stepping motor, quantization of process parameters
DOI: 10.48014/fcmet.20231227001
Citation: LIU Jigao, WANG Xianzhe, MA Chi, et al. Design and realization of plasma treatment auxiliary device[J]. Frontiers of Chinese Mechanical Engineering and Technology, 2024, 3(3): 53-57.