电位计电阻膜片自动喷膜系统的研制

精密碳膜环形电位计，简称环形电位计”，作为角位移传感器广泛地应用于航空航天领域液压伺服机构中。目前我国电位计生产企业-般采用印刷法或喷涂法制备电阻膜片。印刷法的生产工艺为将浆料印刷在酚醛纸板上，然后胶粘压制在基体上，再经烧结固化形成。其主要优点为效率高、生产过程易实现自动化。但我国的精密电阻膜片的印刷法工艺和设备相对不成熟，而国外对我国实行严格的技术封锁，所以我国利用该方法制备的电位计产品多用于精度要求不高的日用电子电器中。我国精密电阻膜片的制备主要采用喷涂法，喷涂法的主要工艺为：配置电阻液(如本文研究的环形电位计的电阻膜片由甲苯、石墨粉和酚醛树脂等材料均匀混合配成)，将电阻 国家自然科学基金资助项目(51005051)液经喷嘴雾化后喷涂在由电木加工而成的绝缘骨架表面，然后再进行烘干聚合、去浮膜工序，喷涂.烘干-去浮膜重复多次而成。虽然喷涂法较印刷法工艺繁琐，但是该工艺技术相对成熟，制备的电阻膜具有耐磨性好、耐油性好和非线性误差稳定性好等特点[2-3 3。

喷涂法的研究主要集中在导电浆料上，如易保华 完成了电阻膜导电浆料的国产化，王跃双 成功研制了合成碳膜电位计新型底层浆料，使电阻膜耐焊热稳定性有较大提高。而目前电位计电阻膜片喷涂方法为手工操作方法，导致工艺参数不稳定，聚合后的电阻体横截面及内部导电材料的分布不均匀，其电阻膜片非线性误差高，还必须通过检测和修刻工作将其控制在-定范围，从而增加了产品生产周期，严重影响产品的生产效率。因此亟需研制-种自动喷膜装置取代人工喷膜，提高喷膜质量，降低电阻膜片非线性误差。

152013年第3期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)本文研制了-种基于工控机控制的环形电位计电阻膜片自动喷膜系统，并对目前环形电位计喷涂中喷膜工序进行了研究，提出了基于时序控制的喷膜算法，并在试验系统上进行试验。试验结果证明，该装置具有喷涂均匀性好、工艺参数稳定和 自动化程度高等特点，有效地避免了传统的人工操作方法对电位计质量和生产效率的影响，提高了电位计产品的质量、稳定性和生产效率。

1 自动喷膜系统总体设计1.1 环形电位计结构与喷膜原理环形电位计结构如图 1所示，环形电位计内环面分为电气行程 区 (电阻膜片区)大约 140。，电阻膜片为电阻液均匀附着基体内表面经聚合形成，其余为非电气行程区域无需覆膜。通过电刷与电阻膜片的相对滑动来反馈电刷转动角度，所以电图 1 环形电位计结构阻膜片的膜层均匀性要求很高，-般要求非线性误差要小于4%左右。

喷膜原理如图2所示，采用与环形电位计基体成- 定角度的喷枪对环形电位计基体喷膜，通过伺服电动机、夹具带动环形电位计基体 回转，保证基体表面16图2 喷膜原理均匀接触雾化的电阻液。

在调整好喷枪流量、压力等运行参数后，通过控制基体 回转的速度、喷膜延时等对电阻膜的均匀性和阻值进行控制。

1.2 总体设计喷膜系统由控制柜、封闭式喷膜台体、气液 回路、控制软件和夹具五部分组成，系统硬件框图如图3所示。其中，控制柜中的工控机(包含系统软件)配以必要的接 口卡组成的计算机控制系统，它是整个核心系统。封闭式喷膜台体为喷膜工作区域，其中包含二维伺服滑台、夹具(环形电位计工装)等。二维伺服滑台主要完成 自动输送工件到达喷膜工位。气液回路为喷膜提供气源和电阻液，并与数字量输出卡、继电器板、电磁阀组配合动作完成对喷枪的自动控制。

1.3 硬件设计1.3.1 环形电位计基体夹具设计环形电位计基体夹具的精度直接影响电阻膜的表面质量，其可操作性也将直接影响设备的实际使用。夹具传动轴与伺服电动机通过联轴器连接，夹具的旋转运动采用齿轮副传动方式，其中大齿轮为空心齿轮 ，内孔固定环形电位计基体，采用快速锁紧螺母.1 I l v. 舟n＆ l 封闭式喷膜台体] 菘 暴 I l 运动 瑚 伺服电动机1 控制 I I 卡 J r 埘1 月博电 动机驱动器限位及原 点开关 二维伺服滑台 环形电位上 -r.3工.1 2轴伺服电 Z轴数 伺服 广]广]厂]-l动机驱动器 电动 U U U量 瑚 伺 机输 服 电 入 动机 喷枪机 卡 电动机伺服开-### ra 氧 电阻液搅拌器 启，报数 警清除 -r并/关门触位置开关 ∈字 风机开量 启继电输 器组 I电阻液]. . 出卡 1继电 l气源I -0 。 器椒气液回路图 3 系统硬件框图王广林，等：电位计电阻膜片自动喷膜系统的研制 2013年第3期和锥孔定位，保证基体装夹方便，定位准确。该夹具速度可达 1 500r/min，满足系统要求，环形电位计基体夹具结构如图4所示。

图4 环形电位计基体夹具结构1.3.2 气液回路电阻膜喷涂属于精密喷涂，对气液回路的稳定性要求较高，本文设计的气液回路如图5所示。

图5 气液回路1.气源 2.油水过滤器 3.主回路减压阀 4.雾化空气减压阀5.压力表 6.电磁阀 7.二位五通电磁阀 8.自动精密喷枪9.储气罐 10.压力桶调压阀 11.电阻液压力桶气液回路中核心部件为自动精密喷枪，其喷口截面积为0.5mm ，雾化效果良好可控。该喷枪有三个人口，A为雾化空气人口，c为喷枪开关压力空气人口，P为涂料人口。通过上位机程序控制各电磁阀的开关动作，喷枪开关动作顺序如图4所示。

图 6 喷枪开关动作顺序调节进入压力桶气体减压阀可以稳定电阻液供液的压力，保证喷枪喷涂流量的稳定。由气源经稳压阀输出的稳定雾化空气，保证了进入喷枪的雾化空气压力稳定性。使用二位五通电磁阀对喷枪 c口进行高速控制，关枪后，枪嘴不会产生滴液污染工件。设计了电阻液压力桶 自动搅拌装置，防止电阻液的不均匀混合影响电阻液雾化效果。

1.4 软件设计系统程序是在 Windows环境下利用 Labview虚拟仪器图形化语言编制。系统程序采用 Labview标准状态机技术编制。状态机是指定-定数 目的状态概念机，通过对输入事件的响应，系统切换状态，每个状态对应-种相应的操作。该标准状态机采用 case和while结构，输入枚举变量包括状态机所有状态，包含了初始化、伺服滑台运动、喷膜和停机等状态。其中初始化拈完成型号选择、电动机的上电和伺服使能等。伺服滑台运动主要实现对二维滑台的运动控制，完成工件各工位的到位、原点回归等。喷涂拈主要协调喷枪电磁阀开关和伺服电动机旋转，该拈参数可以针对不同的电位计型号进行选择。停机状态主要包含各轴伺服使能和电磁阀的关闭等。

系统自动检测位于面板上的停止/结束当前任务返回原点按钮是否按下，根据按钮的开关状态对系统进行急停、自动回归原点等中断控制。该软件人机交互界面直观友好、软件稳定和维护方便。系统控制面板如图7所示，系统软件流程如图8所示。

图7 系统控制面板2 系统关键技术2.1 基于时序控制的喷膜算法传统手工喷膜是将喷枪对准旋转运动的环形电172013年第3期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)图 8 系统软件流程位计基体内环面整体进行喷涂，工人凭经验手动控制喷枪把握喷涂质量，传统方法有以下三个弊端：1)喷枪开启时，喷嘴下游流场由单-空气流场瞬变为高速气液两相雾化颗粒流场，此时电阻液雾化效果并不理想 J，若直接对准环形电位计基体喷涂，可能会造成电气行程区部分位置的多喷或少喷，使覆膜不均匀，影响环形电位计的非线性误差。2)由于环形电位计基体夹具旋转速度较高，以及人为因素，无法保证每次喷膜时，环形电位计基体旋转圈数的-致性。3)非电气行程区域碳膜还需要后续工序刮净，增加工作量。

针对传统喷膜方法存在的弊端，对夹具结构和喷膜原理进行改进，提出了基于时序控制的喷膜算法。

在环形电位计基体夹具中设计了非电气行程区域遮挡板，遮挡板遮追形电位计内环上无用的非电气行程区域，减少了传统喷膜中后续修除非电气行程区碳膜的工作量。同时喷枪启/停时，电阻液雾化效果并不理想，将此时电阻液喷在遮挡板上，能有效地减少电阻环电气行程内的非均匀性覆膜，喷膜原理如图9所示。本系统充分利用工业控制计算机I/O控制高速性和运动系统的优良运动控制能力，保证喷枪启/停时喷雾对准遮挡板，同时此期间环形电位计基1 8体旋转整数圈，保证覆膜均匀。

图 9 喷膜原理伺服电动机采用对称直线加减速运动方式，根据设定的旋转初速度、运行速度和旋转圈数等，上位机程序会自动计算出各运动阶段对应的加速度和各时间间隔。运动控制卡根据计算出的运动参数对伺服电动机进行运动控制。同时上位机 I/，O口发送控制喷枪电磁阀的开关指令，对喷膜过程中的伺服电动机和阀路严格按照时序控制，时序控制如图10所示。

王广林，等：电位计电阻膜片自动喷膜系统的研制 2013年第3期 辩图 10 时序控制2.2 多轴运动控制的实现本 自动喷膜装置运动控制系统为多轴运动控制系统，包括二维伺服滑台两轴和伺服电动机旋转轴。

PCI图 11 运动控制系统原理在本系统中，工业 Pc机作为上位机，完成对多轴运动的参数设定，实现人机界面管理、信息显示。运动控制卡作为下位机，接受来自PC机的运动控制指令，执行运动控制算法，为伺服电动机提供正确的控制信号，完成所要求的多轴运动控制。该多轴运动控制系统不会占用过多的上位机资源，从而避免了影响上位机对环形电位计基体喷膜实时性要求较高的任务处理。

系统采用 ActiveX自动化技术，将 Labview程序作为自动化客户端，将运动控制卡提供的函数作为自动化服务器，从而实现 Labview对运动控制卡提供的Ac-tiveX对象调用，最终达到对多轴的方便控制。

表 1 自动喷膜试验工艺参数物理量 数值电阻液供液压力/MPa 0.2喷枪雾化压力/MPa 0.2喷枪开关压力/MPa 0.4转速/(r·minI1) 120旋转圈数/r 3O喷膜次数/次 8分别用 自动和手动方式对 3个环形电位计基体进行喷膜试验、测量，并对比分析非线性误差。自动喷膜工艺参数如表 1所示，手动喷膜 由工 艺人员按经验进行。手工与自动喷膜电阻膜片技术指标如表 2所示。

表2 手工与自动喷膜电阻膜片技术指标根据试验数据得知，经自动喷膜系统喷制出的环形电位计电阻膜片的非线性误差在 2.1%以内，较手工明显降低。另外从表2所示可知，01～03号电阻膜片的手动喷膜10次以上才能达到总阻值的要求，而自动喷膜只需4～6次就可达到总阻值的要求，所以喷膜次数减少，生产效率大幅提高。

4 结语笔者研制了-种环形电位计电阻膜片自动喷膜系统，该系统工作稳定、工艺参数稳定，生产效率明显提高。提出了基于时序控制的环形电位计喷膜算法，试验证明，该算法能有效地提高环形电位计电阻膜片喷膜的均匀性、能够有效地减小非线性误差。该系统可以取代人工喷膜，还可以推广到其他型号电阻膜片的喷膜。