DOE 以 LabVIEW 自動化冷焊機 (Electrospark Deposition) 的程式設計

Author(s):
Jeffrey A.. Bailey - Battelle Pacific Northwest Division

Industry:
Machines/Mechanics

Products:
LabVIEW, Motion Control

The Challenge:
針對冷焊機 (ESD) 的政策環境研究與開發方案，研發可用的自動化/控制程式與相關硬體。

The Solution:
套用 NI LabVIEW 整合式解決方案平台與其強大的計算功能，以解決艱難的控制方案。

駕馭ESD 技術
Electrolytic hard chrome (EHC) 為工業級標準的技術，適於進行多種金屬的表面防護作業，如1957 年份 Chevy 的車殼、傳動、渦輪葉片、軸承座、馬達軸承，與液壓汽缸。雖然EHC 的確為易用、低價位的耐久表面，但卻有 2 項缺點。首先，對金屬表面而言，EHC 為機械與化學特性的整合，而非冶金技巧。與焊接式 (Welded-on) 的表面相較，塗層式(Painted-on) 的表面具有更多必須注意的特性。外層均可能自表面脫落。其次，EHC 程序需要多種化學物，並會產生多種化學副產品，因此必須考量多項環境問題。所以無法於狹窄的工作空間中進行EHC。

由於以上 2 項主要因素，ESD 便成為主要的替代技術之一。透過一系列電容所供給的移動電極，ESD 程序將產生多種短電子脈波，並於底層材質 (Base material) 中造成暫時的短路現象。在產生電弧(Arc) 期間，將透過電弧加速融化小部分的電極材質，並衝擊到融化的底層材質基板，以加速其凝固 (Solidified) 作用。並將逐漸發生增長(Buildup) 作用。ESD 可產生實際的冶金結合(Metallurgical bond) 作用。ESD 不需處理化學物，且不會產生化學副產品。然而ESD 亦具有 1 項缺點。由於應用脈波的持續時間較短，且強度不一致的特性，因此沒有任何自動化團隊能夠以電子方式控制ESD 探針的壓力。過去 20 年來，已有多組研究團隊嘗試電子控制的方法。而PNNL 自動化團隊則使用 NI LabVIEW 的格式以解決該難題。我們目前正為所研發的解決方案申請專利。

先前所開發最有效的 ESD 控制方式，為整合於封閉式機箱中的多樣彈簧(Spring) 與砝碼 (Weight)。應用探針則必須垂直固定於彈簧式(Spring-loaded) 的機箱中。作業員將增加重量 (實際上應屬於小型墊圈『Washer』) 至機箱頂端，或從機箱頂端移除重量，以改變應用的壓力。作業員則根據目測的電弧或其聲音，進一步變更重量。ESD 的機器操作則受限於垂直固定的重力環境，以讓作業員可透過聽覺與視覺注意自己的工作。

順利轉移至NI 系統
我們首要的自動化考慮因素，即必須針對現有的全部設備與控制，轉換為相容於 LabVIEW 的格式與NI 硬體。絕大部分的控制程式，均為製造商所支援的程式設計格式，或其他不適合的程式設計格式。我們亦具有3 階 (XYZ) 的微控制式自動化表格。以程式進行監控的彈簧式 (Spring-loaded) 機箱上有2 組限動開關，此外就沒有其他參數/資料擷取的方式。

我們在剛開始時使用 LabVIEW、1 組PCI-7344 的 4 軸式步進/伺服馬達控制卡，與LabVIEW 運動控制工具，以重新撰寫應用的運動控制部分。由於使用 NI 運動控制子常式與完全相容於LabVIEW 的硬體，我們可於極短的時間內提升並簡化運動控制運算式。這些簡單易用且多樣的程式設計選擇，亦讓我們順利進行所有的運動。運動進行得越順利，亦代表於金屬沈積(Metal deposition) 期間，應用探針將縮小抖動的幅度。

我們使用 PCI-6035E 多功能 I/O 介面卡，以整合資料I/O 至新的 LabVIEW 應用。由於該 2 組限動開關間隙過大，因此我們移除此2 組現有的開關，以達到所需的機器控制功能。我們插入單一光學開關 (Optical switch)，並以每組控制迴路進行監控。透過新的開關，則可控制機器位置不會過高(壓力不足) 或過低 (壓力過高)。如此一來，機器位置則可根據每個單一迴路進行修正。因此大幅提升機器控制的功能。

擷取參數
我們接著開始搜尋作業參數，以針對探針壓力改變正比例 (Direct proportion)。此變數明顯成為自動化團隊能否成功的關鍵。由於脈衝的短暫期間與低脈衝雜訊比(Pulse-to-noise ratio)，因此所有的 RMS 量測(電流、電壓，與功率) 均無作用。獨立與平均的脈衝強度，亦將因為表面殘渣、溫度，與脈衝抖動而產生極大的不同。我們著眼於訊號、電容，與標準誤差的整合作業。目前看來，應該沒有任何儀器可跟上探針的壓力。我們研擬於產生火花期間，監控發光的多樣頻率，並尋找「根據光源所產生的探針壓力」。在此同時，我們也注意到最低的脈衝強度絕對不會重複2 次 (無法控制的參數將隨時間不斷改變)。然而，最大的脈波強度將不定期重複某個最大值。此現象則表示，當所有無法控制的脈波參數為最小時，才會產生脈波。多個連續脈波的最高脈波均相同。

我們重新安排程式以記錄足夠的探針電流，並擷取 10 組脈波，最後於陣列中選擇最高值。此峰值(Peak) 將緊接著脈波壓力出現。我們亦同時取得參數。稍後，我們即發現僅需記錄 5 組派波，即可擷取參數。而必須透過高速資料擷取作業，才能發現此關係。我們擷取資料串流的速度，足以不遺漏任何交疊的脈波資訊。在下一代的機器中，我們將使用程式化的 2 MS/s 控制介面卡，以持續注意此項應用。

在 2003 年 12 月，Battelle 已將此專利涵蓋至 ESD 的電子控制功能。Battelle 與自動化團隊目前正朝 ESD 應用的下個研究階段邁進。

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
Jeffrey Bailey
Battelle Pacific Northwest Division
Tel: (509) 375-6346
jeff.bailey@pnl.gov

Browse All Case Studies »