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华中科技大学硕士学位论文基于模式识别的等离子熔射质量预报及智能调控基础姓名：易善军申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：王桂兰20060426华中科技大学硕士学位论文 IIAbstract Rapid tooling （RT） has become a key technology in the design and development of new products for its low manufacturing cost and rapid response to the market demand. As for its few limits of the complex patterns size and spraying materials and high formation quality, rapid plasma spray tooling （RPST） has received widespread attention. However, the key problem in RPST process is how to keep formability and final quality of coatings to avoid coating wrap and fissure due to the asymmetry of coatings thickness and temperature distribution. In the process of plasma spraying, different technological parameters could lead to different coating qualities. So it is especially necessary and important to predict the coating quality and intelligently adjust the main processing parameters. The main processing parameters were selected on the help of the experiment result of the robotic spray path in our laboratory, and deeply experimental studies were carried out to investigate the influence of different parameters on the quality of sprayed coatings during the RPST process. In this paper, the author firstly discussed theory, procedure and major arithmetic. Then the diagnostic system of coatings quality based on pattern recognition was developed. The system consists of clustering analysis of sprayed coating under different process conditions using different reflection methods and comparison of different resulting conclusions, development of a prediction model of spray coating to predict coating quality on the basis of reflection method, investigation of influence grade of the main processing parameters on the quality of sprayed coatings by feature extracting, analysis of the minimum training sample points on purpose of getting fine clustering effect, optimizing of processing parameters in plasma spraying and determination of the optimum parameter range using evolutionary method and mapping reversion. Finally, experimental study was carried out to test and verify the model mentioned above, results proved that the diagnostics system of coatings quality based on pattern recognition can gain good reliability and practicability, and it has great significance for planning of reasonable spraying processes. Key words：Plasma spray tooling; Robot; pattern recognition; quality diagnostics 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。近我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：易善军 日期：2006年 4月 29日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在_年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：易善军 指导教师签名：王桂兰 日期：2006年4月29日 日期： 2006年 4月29日 华中科技大学硕士学位论文 11 绪 言 本章首先介绍课题的来源、目的和意义，然后对快速成型及快速制模、喷涂技术、等离子熔射制模技术、机器人数字化熔射技术、影响熔射层质量和成形性的工艺参数及模式识别在化学化工方面应用的有关国内外研究现状进行综述，最后给出全文的主要研究内容。 1.1 课题的来源和意义 1.1.1 课题的来源 本课题来源于十五“863”制造自动化领域机器人主题项目（2001AA421150）“等离子数字化熔射快速制造汽车、摩托车覆盖件模具”和国家自然科学基金项目（50475134）“高性能燃料电池的低成本批量制造新方法及理论”。 1.1.2 课题的目的和意义 快速模具制造技术（Rapid Tooling，RT）是一种用高新制造技术改造传统制造技术的技术，它集高能束、材料、信息及控制等于一体，是近年来制造业技术发展的前沿热点之一。对寿命较低的简易模具，它包括用硅橡胶、金属粉、环氧树脂粉、低熔点合金等方法将RP原形准确地复制成模具，适宜产品试制阶段；对制造长寿命的钢制模具，它是由原形翻制三维研具，用研具研磨整体石墨电极，再用电极在电火花机床上加工钢模具。这一工艺的特点是快速高效，精度也有所提高1-4。 21世纪将是氢能的世纪，燃料电池作为将氢能直接转化为电能的洁净发电装置即将大规模全面进入社会，从军用到民用，从潜艇汽车动力、卫星飞船电源到城市区域供电，其开发应用前景十分广阔，市场潜力巨大。要想抓住这个巨大的市场，燃料电池的快速高效制备成为关键。现有的制造技术存在流程长、效率低、产品性能可靠性差、废品率高、电池寿命短、功率与体积难兼顾、制造成本昂贵等缺点。因此，如何实现燃料电池梯度复合电极的快速模具制造技术，打破这个制约燃料电池实用化的瓶颈成为全球燃料电池行业竞争的关键因素之一5。 等离子熔射快速制模技术（Rapid Plasma Spray Tooling，RPST）是快速模具制造技术中的一种。它有别于用于耐磨、防腐蚀等表面改性、改质的常规熔射，不允许熔射层与被熔射基底之间形成紧密的物理化学结合，但要求有高精度的原型表面形状复制性和后序工序可离型性。如何在基体表面稳定地形成表面复制精度高、致密且在成品工序又易与被熔射原型分离的涂层是等离子熔射快速制模技术的关键，这对熔射工艺设计及与熔射过程相关的质量设计提出了严格要求。机器人技术是一门华中科技大学硕士学位论文 2多学科交叉的综合性技术，也是近年来发展非常迅速的热门学科之一，其应用范围正在逐渐扩大。将机器人技术与快速模具制造技术相结合，特别是采用机器人等离子熔射制模工艺，是一种创新性的研究。本课题在华中科技大学材料学院快速制模研究室开发的等离子熔射快速制模工艺的基础上提出了机器人等离子熔射工艺参数优化的研究6-8。 在等离子熔射成形的过程中，温度场及其动态热过程是保证熔射层质量好坏的关键。热变形将会影响到零件的成形精度和组织性能，过大的热变形更会导致熔射层的剧烈变形甚至开裂。所以在等离子熔射成形过程中如何优化调控工艺参数使得温度场均匀而又具有很好的成形性就是本课题研究的重点与关键，为了在工件表面上能形成均匀度最好、温度场最均匀的皮膜，需要进行工艺参数优化调控的研究，即喷枪以什么样的路径、方向、移动速度、喷枪离工件表面的距离等进行喷涂作业，才可以形成最佳质量皮膜，并为熔射工艺提供参数依据。等离子熔射快速制模过程中工艺参数较多，加上受材料性质和环境条件的影响，往往导致精度低、控制难度大，特别是熔射层的质量难以控制。因此，如何对等离子熔射质量进行预报及工艺参数智能调控，对于提高熔射质量极其重要9。 模式识别方法是一种从空间区域划分和属性类别判断角度出发处理多元数据的非函数方法，适用于工业生产优化，与传统的建立数学模型的优化方法相比较，有着操作简便、易理解、优化效果直观、易于人机交流，生产数据可立即采用，不需要专门做补充实验等优点10。将其应用于等离子熔射快速制模工艺，开辟了一条等离子熔射质量预报及智能调控的新途径。 本课题研究的目的是对机器人等离子熔射工艺进行系统的理论和实验研究，结合模式识别方法对等离子熔射质量进行诊断；预报各种工艺条件下将得到的熔射层质量情况；建立等离子熔射工艺条件智能调控计算模型，优化工艺参数，使之能够更加准确、快速的制造各种中小型模具，提高整个快速制模工艺的效率，同时也为等离子熔射快速制备固体燃料电池梯度复合电极提供良好的工艺条件。 1.2 国内外研究概况 1.2.1 快速成型及快速制模技术 快速原形技术（RP，Rapid Prototyping）是一种基于离散堆积原理，将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体的先进制造技术11-13。近年来发展迅速，已成为现代先进制造技术中的一项支柱技术，是实现并行工程（Concurrent Engineering，华中科技大学硕士学位论文 3CE）的必不可少的手段。 在快速成形技术飞速发展的同时应运而生了一个新的领域快速模具制造。它将RP&M技术与模具制造工艺相结合，可大大减少模具制造成本和周期。世界先进工业化国家的RP&M技术在经历了模型与零件试制、快速软模制造（RST，Rapid Soft Tooling）的阶段后，目前正向快速硬模（金属模具）制造（RHT，Rapid Hard Tooling）方向发展，RHT已成为国际上RP&M技术应用研究开发的重点，而金属模具的快速制造正在成为RP&M技术的努力目标和发展方向14。 利用RP&M技术快速制造模具的方法可以分为直接制模和间接制模两大类。直接法根据模具的CAD数据由RP&M系统直接堆积制造模具，不需要系统制作样件。间接法是先做出快速原型，然后由原型复制得到模具的方法。目前，直接法虽然受到广泛关注，但由于在尺寸范围及精度、表面质量、综合机械性能等方面存在问题，离实用化尚有相当距离，因此比较成熟的还是间接制模法。 间接制模法（Indirect Rapid Tooling，IRT）能制造表面质量、尺寸精度和机械性能适用于试制和小批量成形的各种非金属和金属模具。非金属软模快速制造主要包括硅胶模和环氧树脂模具；金属模具间接快速制造目前主要有铸造、粉末烧结、电铸、熔射等方法，包括中低熔点合金模具、快速凝固工艺制模（RSP-Rapid Solidification Process）、电铸模、3Dkeltool工艺、镀镍和陶瓷复合工艺以及喷涂模具制模等15。近年来，喷涂成形制造技术在模具制造方面的应用有了迅速的发展，成为快速制模技术的一个新热点。与其它制模技术相比，喷涂成形技术具有优良的复制性能，能够很好地将模具原型的形状完美复制出来，提高模具制造精度，制模周期可缩短1/3左右，成本可降低1/2左右。喷涂方法可分为热喷涂和冷喷涂两类。目前，已出现的热喷涂方法主要包括：火焰喷涂16 （Flame Spray）、电弧喷涂17-19 （Electric-Arc spray）、等离子喷涂20-22 （Plasma Spray）、爆炸喷涂23 （Detonation Spray）和雾化喷射沉积24-26 （Atomization Spray and Deposition）等。冷喷涂技术是一种完全不同于热喷涂的新技术，近年来发展迅速。 1.2.2 热喷涂技术 热喷涂技术是一种把某种固体材料熔化并加速喷射到具有特定形状的基体上，从而获得与基体特征相反的、整体致密度较高的金属实体的制造方法。采用热喷涂技术，可以使工件在耐磨性、耐蚀性和耐高温等性能方面得到改善。按照热源的不同已发展有下列热喷涂方法27。 火焰喷涂一般用氧乙炔火焰使金属材料在喷枪中熔化，借助压缩空气使金属雾化，喷射于工件表面形成涂层。任何熔点低于火焰温度的金属材料都可采用该方华中科技大学硕士学位论文 4法制备涂层。最常喷涂的有铝、锌、铜及其合金等。由于所用喷涂原材料形状的不同和喷枪结构的不同又可分为粉末火焰喷涂（Powder Flame Spray）和线材火焰喷涂（Wire Flame Spray）。 电弧喷涂是在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧，电弧产生的热将金属焊丝逐步熔化，熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面形成涂层。在电弧喷涂过程中，电弧温度可高达5000，雾化的颗粒速度最高可达18023350m/s。 等离子喷涂利用气体（典型有氩气或氮气）经过压缩电弧后形成的高温等离子体做热源，将金属或非金属粉末送入刚性非转移型等离子弧焰中加热到熔化状态，随同等离子焰流高速喷射并沉积到预先经过处理的工件表面上，从而形成一种具有特殊功能的涂层。等离子最大的特点是具有非常高的温度，在等离子体中心温度高达16000，因此可以喷涂高熔点的金属和陶瓷材料。为了防止金属材料在如此高的温度下氧化，又发展了低压等离子喷涂（LPPS）或称为真空等离子喷涂（VPS），针对陶瓷材料为降低喷涂成本发展了水稳等离子喷涂（WSPS）技术。 爆炸喷涂是以氧气与乙炔气按照一定比例，在爆炸喷枪中高频点火爆炸形成冲击波，速度可达到3000m/s，温度在4000左右，适合于碳化物如WC-Co及Cr2O3-Ni等材料的喷涂。 雾化喷射沉积是一种新的金属成形工艺，包括金属熔化，雾化和沉积三个过程，对即将熔化的液态金属，用高压气体直接雾化成熔滴颗粒，并使其以很高的速度沉积在具有特定形状的收集器上，从而获得致密的大块金属实体。这一过程全部是在密闭舱体内完成，完全取消了粉末处理、烧结等工序，避免了金属的污染。由于液态金属是在惰性气流作用下雾化和沉积，所获得的金属实体具有偏析小、晶粒细小等特性。利用该技术既克服了传统铸造过程中存在的晶粒粗大、偏析严重的缺点，又摒弃了粉末冶金工业中工序繁多，氧化严重等不足，同时又兼有粉末冶金技术的优点，是一种极具竞争力的快速制模工艺。 典型的雾化喷射沉积装置和过程如图1.1所示28。待喷射金属先在感应炉中加热，当达到所需要的温度后利用脉冲发生器将金属雾化，雾化后的金属颗粒沉积前在惰性气体中降温冷却，然后以一定的速度在工件上沉积，整个喷射沉积过程可通过摄像仪进行监控。 华中科技大学硕士学位论文 5 图1.1 雾化喷射沉积装置和过程 目前该方法在国外已经得到广泛的应用，日本信友重工生产大型冷轧辊29；Alcan International喷射沉积1501000的Al-SiC棒坯30。此外一些高温合金生产、使用厂家如美国GE、Howmet、Cabot等也建立了生产或实验型装置。1.2.3 冷喷涂技术冷喷涂（又称冷气动力喷涂）是近年来发展起来的一种新型喷涂技术。20世纪80年代中期苏联科学家在用示踪粒子进行超音速风洞试验时发现，当示踪粒子的速度超过某一临界速度时，示踪粒子对靶材表面的作用由冲蚀变为沉积，由此提出了冷喷涂的概念。 冷喷涂是基于空气动力学原理的一种喷涂技术，系统结构如图1.2所示31。它采用经过一定低温预热的高压气体通过缩放喷管产生超音速气体射流，将喷涂粒子从轴向送入气体射流中加速，以固态的形式撞击基体形成涂层。 因为冷喷涂技术不需要等离子弧、电弧、火焰等热源，所以在喷涂过程中不会使喷涂材料发生化学反应和幅射等现象。冷喷涂以高压气体为动力，可以实现低温状态下的涂层沉积，与热喷涂相比具有温度低、对材料组织结构影响小、沉积率高和涂层应力小等优点，但是冷喷涂对喷涂粒子尺寸要求高，适用于直径范围较小的粒子。 华中科技大学硕士学位论文 6 图1.2 冷喷涂系统结构 目前冷喷涂技术的应用研究在国内外都取得了很大的进展，可沉积涂层材料包括大部分金属涂层、金属陶瓷涂层、有机涂层，可实现用异种材料制备复合涂层或合金涂层以及纳米材料涂层等，并可以在金属、陶瓷或玻璃等基体表面上形成涂层。如美国除用冷喷涂技术制备高纯铜涂层，已用于一级火箭发动机集速管，制备的锌铝涂层用于汽车底盘的防腐蚀，还用冷喷涂技术生产汽车和飞机用的新型韧性涂层，在梯度材料中连接异种金属，制造小型涂层复合件以及进行低温涂覆等；德国已将冷喷涂的涂层用于汽车尾气排气管的防护，解决了原采用热喷涂涂层易疲劳断裂的问题，提高了寿命；日本也将冷喷涂的高性能导电涂层用于电子工业；俄罗斯的冷喷涂已经在电器、机械制造和汽车行业应用32-33。 我国冷喷涂的研究及应用还处于起步阶段，关于冷喷涂的报道还很少。中科院沈阳金属研究所与俄罗斯理论与应用力学研究所自2000年开始合作，共同开展了利用冷喷涂技术制备新型涂层的研究，引进了冷气动力喷涂设备，在制备功能涂层和利用超音速气固双相流进行金属部件的表面自身纳米化两方面取得了较大的研究成果34。 1.2.4 等离子熔射制模技术 （1）等离子熔射制模技术概述 等离子弧又称作压缩电弧，它是一种导电截面收缩比较小，从而能量更加集中的电弧。等离子弧主要分为三类：转移型等离子弧、非转移型等离子弧和联合型等离子弧。自从二十世纪五十年代后期制造出实用的等离子弧发生装置后，在不长的时间里，等离子弧得到了广泛地应用。从等离子切割到等离子喷涂、堆焊、焊接以及微等离子弧焊接都很迅速地发展起来了。等离子喷涂射流速度高、气氛可控、火焰温度高、工艺简便，可喷涂金属、合金、陶瓷材料等。所制备的耐磨、耐蚀、红外辐射、化学催化及多种功能涂层的应用，提高了材料整体性能和使用寿命，有效地解决了高性能材料性价比矛盾。除在航空、航天领域外，在石油化工、冶金、机华中科技大学硕士学位论文 7械、汽车、纺织等部门也获得较多应用。此外，作为一种技术手段，等离子喷涂在金刚石膜生长，超细材料（纳米材料）、生物陶瓷等新材料研究领域的应用成果，也引起了广泛的关注35-36。 等离子熔射快速制模工艺（Rapid Spray Hard ToolingRSHT）是由日本东京大学和华中科技大学共同研究和开发的一种快速制造金属模具工艺，属于间接法快速制模工艺的一种。该工艺是以耐磨耐腐蚀的硬质合金为熔射材料，制造可用于中、小批量生产的注塑模具、板材成形模具等。其主要工艺流程如图1.3中所示。 该法首先通过模型的翻制而得到耐热被熔射原型，然后用不锈钢或碳化钨合金等高熔点熔射材料对被熔射原型进行等离子喷涂得到熔射层，最后对熔射层采用金属补强，去除被熔射原型制作出模具。由这种方法得到的模具表面硬度可达HRc63，粗糙度Ra约为0.2um。并且这种方法可以将产品原型表面的天然皮革纹详实地复制到模具的表面，从而得到与原型同等表面微小形状的产品，是一种具有创新性的快速制模方法37。 图1.3 RSHT工艺流程图（2） 机器人数字化熔射技术概况 在喷涂机器人应用方面，由于使用机器人能避免危害工人健康、提高经济效益和喷涂质量，正在获得日益广泛的应用38-40。国外很多公司，如ABB公司、美国GRACO公司、METCO公司都能提供成套的喷涂机器人设备及相关软件，美国F22超音速巡航隐身战斗机就是采用机器人喷涂以保证低的可探测性而达到隐身的效果。在国内，北京机械工业自动化研究所机器人工程中心、哈尔滨工业大学机器人研究所都已研制出喷涂机器人并投入使用，目前全国已有130多台国内外生产的喷漆机器人应用在自动喷漆生产线上。 美国Carnegie Mellon大学进行了机器人热喷涂法制造金属零件和模具的研究41，如图1.4。他们首先由STL文件得到喷涂原型，然后在所得到的原型上作电弧喷涂（arc spraying）锌铝材料，待喷涂材料在原型表面凝固后再用环氧树脂作背衬，华中科技大学硕士学位论文 8最后再将喷涂原型与喷涂层分离，经过后期处理后就得到了金属模具。 图1.4 机器人电弧喷涂 MD（micro-casting deposition）也是最先利用机器人直接制造金属零件的方法之一42。MD使用热喷涂技术来制造同时包含锌、铝、铜、镍等多种材料、具有复杂几何形状的零件。该方法在喷涂每一层时，使用一个纸质的具有当前层截面形状的掩模来控制当前喷涂层的形状，每层的厚度约为0.005英寸。并且在喷涂同一层时，可以使用不同的掩模来控制截面不同区域的材料，如图1.5所示。这样可以同时沉积低熔点的支撑材料。该方法的主要缺点是：由于阶梯效应，金属件的表面质量和尺寸精度不高，需要抛光等后处理；多孔，机械强度弱于铸造和焊接零件；由于存在残余应力，零件容易翘曲和分层。 图1.5 MD加工过程 对于机器人喷涂过程而言，机器人的喷涂路径规划是其核心部分，直接影响到喷涂的质量。因此，国内外的学者主要针对机器人喷漆过程的路径规划进行了广泛和深入的研究。芬兰的Heikki Hyotyniemi采用传统的梯度算法和并行的神经网络算法来对喷漆机器人空间轨迹参数进行全局优化43。韩国浦项科技大学的Suk-Hwan Suh华中科技大学硕士学位论文 9等建立了一个喷漆机器人自动轨迹规划的离线生成系统，并对其理论背景进行了分析。可以实现轨迹的自动规划和优化，所得到最优喷涂路径能够实现喷涂厚度的均匀和喷涂时间的最优44-45。美国印第安纳Purdue大学的Ramabhadran.R和德克萨斯大学的 John K.Antonio等建立了机器人喷涂轨迹和参数的优化框架和模型，能够获得均匀的喷涂沉积厚度并减少喷涂材料的浪费46-50。东京电子通讯大学的Naoki Asakawa等建立了一个针对复杂平面的六自由度工业机器人的喷漆路径自动生成系统，该系统成功用于汽车保险杠表面的喷漆并获得均匀的喷涂厚度51。土耳其中东技术大学的M.A.Sahir Arikan和Tuna Balkan对机器人喷涂的厚度分布模型进行了设定和模拟，采用一个分布函数族来描述喷涂过程的几何模型，最后用机器人进行厚度测量并用于对汽车的左前翼的喷涂，模拟结果和实测厚度偏差小于15%52-53。密歇根州立大学的Heping Chen等针对复杂表面和自由表面的喷涂，建立了一个基于CAD模型的喷漆路径自动规划系统，采用一种新的小块平面的描述方法来代替传统的参数化方法来描述各种复杂曲面和自由表面，其规划的路径不仅能使执行机构具有合理的运行轨迹，还能获得均匀的喷漆厚度54-57。国内主要有江苏理工大学的王振滨等对喷漆机器人离线编程系统及其最优轨迹优化和仿真进行了研究58-61。 以上这些研究主要面向机器人喷漆过程，针对如何在机器人喷漆过程中获得均匀的厚度以及对各种复杂表面的喷涂进行路径规划。而对于机器人等离子喷涂制模过程来说，由于喷涂材料主要是高熔点的金属粉末，而且等离子喷涂为一个高温、高速的过程，在金属皮膜的成形过程中伴随着较高的残余应力分布。因此，在考虑喷涂涂层厚度均匀性的同时，对于喷涂涂层的可成形性、涂层中的残余应力分布以及涂层的显微结构、孔隙率、硬度等方面都有着特殊的要求，有必要针对机器人等离子喷涂过程进行深入的理论和实验研究。 （3）影响熔射质量及成形性的工艺参数 等离子熔射制模不同于一般的表面改质、改性等离子熔射技术，它要求在原型表面形成熔射层，而且在最终工序原型与熔射层能够分离，因此熔射层决定着制成模具的表面质量。 等离子熔射过程可分为三个阶段：等离子体的发生、等离子体与颗粒之间的反应和皮膜的沉积，是一个十分复杂的工艺过程62。影响熔射质量及成形性的参数也很多，其中主要有：喷嘴尺寸、喷枪运动速度、熔射距离、气流量、送粉量、基体温度、电流、电压以及喷枪的效率等63-65。图1.6列出了影响等离子熔射质量及成形性的主要参数。本文采用机器人带动搭载在其末端执行器上的等离子喷枪进行熔射，需控制的参数主要是操作参数和工件温度参数。 华中科技大学硕士学位论文 10熔射主要工艺参数热源参数粉末供给参数操作参数工件温度参数熔射环境参数电弧温度参数射流形态参数离子气压及流量弧电压及电流粒度送粉量送粉位置载气压力及流量熔射距离熔射间距熔射角度喷枪移动速度预热温度喷涂过程中温度环境气氛环境气压电弧温度场分布射流各区长度射流偏角射流发散角 图1.6 影响等离子熔射质量及成形的主要参数 熔射功率：指熔射电源的输入功率值。功率过大时，粉末的熔化程度提高，导致部分粉末颗粒完全融化在一起从而在熔射层中出现大熔滴；而熔射功率过小时，粉末不能得到充分的熔化，熔射层中的未熔粉末增多，组织疏松且不均匀。 熔射距离：指喷嘴到基体表面的垂直直线距离。熔射距离过大时，由于颗粒打击基体表面的温度和动能不够，不能产生足够的变形，降低了熔射层的结合强度，还会造成更多的颗粒反弹散失而降低沉积效率，同时因其更多地受到周围大气的影响，氧化趋于严重，造成熔射层氧化物夹渣过多。熔射距离过小，因颗粒在热源中停留时间过短而未能受到充分加速或加热，也影响到熔射质量，而且基体表面会因为接触热源的高温区而过热。 熔射扫描间距：指相邻两条熔射路径之间的距离，它影响到皮膜的厚度均匀性和成形性。当熔射间距过小时，熔射效率低并会使皮膜局部温度过高；当间距过大时在两条路径之间会形成波峰和波谷，造成皮膜厚度不均匀而引起龟裂。 熔射角度：指等离子枪轴线与基体表面法向之间的夹角。控制熔射角度是熔射华中科技大学硕士学位论文 11工艺方向性所要求的。熔射方位与工件表面法向矢量相一致时，颗粒的附着性能较好，反之会颗粒会反弹，降低沉积效率。 喷枪移动速度：指喷枪沿基体表面移动的速度。在熔射速率和沉积效率确定的情况下，喷枪和工件的相对移动速度决定了一次熔射的皮膜厚度。采用机器人带动喷枪运动能够得到稳定的喷枪移动速度，从而获得较为均匀的皮膜厚度。 在等离子熔射快速制模工艺中，如何预报熔射质量和智能调控工艺条件，是一项很重要且很有意义的课题。其目的在于降低能源及原材料的损耗，提高熔射质量。但等离子熔射制模是一个复杂的过程，各种工艺参数和环境因素纵横交错且难以寻找变化规律，无法用固定的方程和函数表示。这就需要用一种非函数的方法来对等离子熔射制模工艺进行优化，而模式识别正是这样一种调优操作方法，与其它调优方法相比具有的最大优势就是可以实现非数值化函数调优。 1.2.5 模式识别应用概述 （1）模式识别概述 模式识别方法是数据挖掘的主要方法之一，它是一种借助于计算机对信息进行处理、判决分类的数学统计方法。其主要思想是从影响目标参量的众多因素中挑选出其中N个互相独立的主要因素（变量），这样的主要变量称为特征变量。以这N个特征变量为坐标变量构成N维的模式空间，则每个样本为这个N维模式空间中的一个点。若这些特征变量选择得当，则样本点按物以类聚的特性，在模式空间中性质相同的样本点会聚在同一个区域中，而另一类性质的样本点则集中于另一区域中。据此可预报未知类属的样本的属性以及选择最优条件66。 模式识别方法大致可以分为统计模式识别和句法模式识别两大类，许多具体的模式识别方法都可以归结到这两类之中67。 统计模式识别将每个样本用特征参数表示为多维空间中的一个点，根据“物以类聚”的原理，同类或相似的“样本”间的距离应较近，非同类的“样本”间的距离应较远。这样，就可以根据各样本点间的距离或距离的函数来判别、分类，并利用分类结果预报未知。这种统计模式识别是材料设计、工业优化和工业诊断的一种基本方法。句法模式识别是以模式结构信息为对象的识别技术。在遥感图片处理、指纹分析、汉字识别等方面已有广泛应用。由于句法模式识别更便于处理图形和结构的信息，今后可能在有机分子设计和工业优化工作的图像处理中有广泛的应用。一个完整的模式识别系统基本上由三大部分组成，即数据采集、数据处理和分类决策或模型匹配，如图1.7所示。在设计模式识别系统时，需要注意模式类的定义、华中科技大学硕士学位论文 12应用场合、模式表示、特征提取和选择、聚类分析、分类器的设计和学习、训练和测试样本的选取、性能评价等。针对不同的应用目的，模式识别系统三部分的内容可以有很大的差异，特别是在数据处理和模式分类这两部分，为了提高识别结果的可靠性往往需要加入知识库以对可能产生的错误进行修正，或通过引入限制条件大大缩小待识别模式在模型库中的搜索空间，以减少匹配计算量68。 数据采集模式分类数据处理对象空间模式空间特征空间类别空间 图1.7模式识别系统框架 （2）模式识别在化学化工中应用 随着计算机科学技术的发展和应用，模式识别技术在越来越多的领域得到应用，主要包括医学、军事、环保、地质勘探、鉴别人脸和指纹、高能物理等方面。70年代初，美国Washington大学Kowalski教授开创性的将模式识别应用于化学领域，被称为化学模式识别。以后，化学模式识别广泛地应用于生物、矿产、化学分析、石油化工等，已得到很大的发展69。 20世纪80年代以来，陈念贻等成功地将计算机模式调优技术应用于化工调优过程，即用数据挖掘技术处理化工生产过程的数据，从中找出节能、节原材料、提高质量、增加产量的优化途径，该技术已成功用于顺丁橡胶项目优化、乳液法聚氯乙烯聚合反应过程优化、合成氨反应的数据分析及丁二烯聚合反应的数据分析和优化等。近年来，陈念贻等人又成功的将新近发展的数据挖掘算法支持向量计算法应用于化工生产优化过程70。 早在1985年，陈念贻等就将模式识别调优技术用于炼油工业并在许多工序取得实效，将该技术用于常减压蒸馏，可使汽油收率增加；用于铂重整，可提高溶剂油、乙苯回收率；用于延迟焦化，可提高汽油、柴油收率；用于加氢裂化，可提高航空煤油的收率并改善其质量；用于重油加氢裂化，可提高液体产物收率；用于催化裂化，可提高汽油收率等。沈剑韵等利用降维模式识别为基础的人工智能优化原理，研究了制苯车间抽提工段生产优化问题，研究结果提出的优化条件对稳定生产起到了重要的作用71-72。 国外Abou_Jeyab等运用简化模拟预报控制算法优化限值多变量精馏过程，从而提高了产品的产量，明显提高了经济效益。Irizuki等报道了基于神经网络和模糊集华中科技大学硕士学位论文 13控制技术组成的混合控制系统用于石油炼制工厂的转化过程，从中提取出具有丰富操作经验操作工的控制经验，从而使生产过程更加平稳，再沸器耗能也明显下降。Schmuhl等将结构参数方法和多标准优化技术用于石油加氢裂化过程设计，基本解决了多目标设计和复杂体系的系统分析问题73-75。 本文将模式识别方法用于等离子熔射质量诊断，也是模式识别在化学化工中应用的一个方面，相关研究在国内外尚未见报道，具有较强创新性。 1.3 主要研究内容 本文系统研究等离子熔射制模工艺，采用模式识别方法预报等离子熔射质量和智能调控工艺条件。由于等离子熔射过程是一个多因素影响的过程，包括电弧电流、电弧电压、熔射距离、熔射速度、扫描路径、粉末类型、气流速度和基体预热温度等。这些工艺参数会对熔射层的质量产生重大的影响，同时工艺参数间也交互作用。因此，确定这些工艺参数中对熔射质量影响的主次关系，达到能够对熔射质量进行准确预报以及对主要的工艺参数进行优化的目的是很重要的，这对在燃料电池制备中控制熔射层的孔隙率和厚度也有很重大的意义。主要研究内容如下： （1）以工业机器人为基础建立机器人等离子熔射平台，提出基于模式识别的等离子熔射质量诊断系统。通过实验分析等离子熔射过程中主要工艺参数对熔射质量的影响规律，寻找合理的熔射工艺参数以提高金属熔射层的质量和成形性。 （2）选择等离子熔射过程中主要参数和熔射层目标参量，结合模式识别中常用映射方法对不同工艺条件下熔射质量进行聚类分析，并比较不同映射法在熔射质量判断中的应用结果。 （3）在模式识别映射法的基础上建立等离子熔射质量预测模型，对不同工艺参数条件下将得到的熔射质量进行预测，最后通过实例验证该预测模型的可靠性和实用性。 （4）针对等离子熔射过程是一个多因素影响过程的特点，采用模式识别中的特征抽提方法对等离子熔射过程中主要工艺参数进行分析，寻找各工艺参数对熔射质量影响程度的主次关系。分析原始训练样本数据的组数与映射图分区效果之间的关系，初步确定能得到较好聚类分析效果所需的最少训练样本数据组数。 （5）在等离子熔射工艺基础上，采用模式识别调优法对等离子熔射过程中的工艺参数进行调控，寻找优化调整后的工艺参数取值区间。最后利用模式识别映射复原算法得出优化工艺参数，并结合实验进行验证。 华中科技大学硕士学位论文 142 基于模式识别的等离子熔射质量诊断系统的建立 本章介绍等离子熔射质量诊断系统的硬件部分和软件构成。通过等离子熔射过程工艺参数分析，确定系统所需的特征参量和目标参量。最后结合等离子熔射工艺参数实验，获得系统所需原始训练数据样本集，同时分析输入功率、扫描速度、扫描间距等工艺参数对熔射层残余应力和孔隙率的影响规律。 2.1 基于模式识别的等离子熔射质量诊断系统结构 2.1.1 等离子熔射质量诊断系统原理 等离子熔射制模过程是一个多因素影响的过程，不同工艺参数对模具表面熔射质量的影响程度不同，如何清晰了解熔射工艺过程相互依赖、工艺参数之间相互关联以及参数对熔射层性能的独立影响是提高熔射的成形性和再现性的关键。 模式识别是一种数据挖掘方法，其基本原理是用一组表示被研究对象的特征变量构筑模式空间，按照物以类聚的观点分析数据结构，划分出具有特定属性模式类的空间聚集区域，并辨认每一个模式识别的类别，由计算机按照模式识别原则处理大量信息，选择决定分类的特征变量，做出最优决策。 因为等离子熔射过程中各种工艺参数和环境因素纵横交错且难以寻找变化规律，无法用固定的方程和函数表示，这也是化学化工方面存在的共性问题，而模式识别与同类方法相比具有可以实现非数值化函数调优的优势，故近年来模式识别方法在化学化工方面的应用发展迅速。本文提出的基于模式识别的等离子熔射质量诊断系统是一种典型的模式识别方法在化学化工方面的应用，实现该系统首先须完成如下几方面的工作： （）对等离子熔射过程工艺参数进行分析，筛选系统所需的特征变量，即确定等离子熔射过程中的主要工艺参量。（）筛选系统所需目标变量，即确定等离子熔射层质量评价指标。（）结合确定的特征变量和目标变量，进行机器人等离子熔射工艺参数研究，通过实验得出系统所需的原始工艺数据样本集。 2.1.2 等离子熔射质量诊断系统组成及功能本文将模式识别的方法和等离子熔射工艺结合组建基于模式识别的等离子熔射质量诊断系统。系统构架见图2.1，是由软件和硬件两部分，共五个模块构成。其中软件部分四个模块：熔射质量判断模块、熔射质量预测模块、工艺参数影响程度分析模块和工艺参数调控模块。硬件部分即机器人等离子熔射设备。 华中科技大学硕士学位论文 15熔射质量判断样本映射工艺参数工艺参数影响程度分析特征抽提特征判别线分析结果映射复原优化参数优化特征工艺参数调控熔射质量预测确定维数预测结果机器人等离子熔射喷枪熔射控制柜是否满足是否 图2.1 基于模式识别的等离子熔射质量诊断系统架构 下面分别介绍各部分的组成和功能： （1）熔射质量判断模块：为系统的核心部分，在此采用模式识别映射法在等离子熔射过程工艺参数特征变量的基础上构筑模式空间，按照物以类聚的原理对熔射质量进行聚类分析，划分出具有质量差异的聚集区域。（2）熔射质量预测模块：在熔射质量判断模块的基础上消除参数间的相关性，提取出主要参数，确定映射图的维数。然后通过计算待预测样本点在映射图中的好区隶属度对等离子熔射质量进行预测，提高等离子熔射成形效率。 （3）工艺参数影响程度分析模块：利用模式识别中特征抽提方法分析等离子熔射过程中影响熔射质量的主要工艺参数，并且将主要工艺参数对熔射质量的影响程度进行排序，为后期工艺参数优化调控提供依据。 （4）工艺参数调控模块：也是系统的重要组成部分，寻找映射图中好区的优化特征，利用模式识别中映射复原的方法得出优化参数区间。 （5）机器人等离子熔射模块：也就是硬件组成部分，能够接收机器人的运行轨迹文件和等离子熔射工艺参数，实现机器人如实地按照所设定的轨迹和工艺参数带动喷枪运行，最终实现等离子熔射质量诊断系统。 通过上述五个模块，对于等离子熔射过程中的主要工艺参数，可以先预测给定华中科技大学硕士学位论文 16工艺条件下将得到的熔射质量是否满足要求。如果满足，则可直接进行熔射；否则可利用调控模块对该工艺参数进行优化，然后按照优化后的工艺条件进行熔射。该方法能提高等离子熔射工艺成形性和熔射质量，自适应程度高，而且能减少工艺周期和成本，提高机器人等离子熔射效率。 2.2 机器人等离子熔射平台 2.2.1 机器人系统 机器人加工平台作为机器人等离子熔射快速制模新工艺（Rapid Plasma Spray ToolingRPST）的核心是由机器人软硬件系统和数控转台组成。（1）机器人硬件系统 本文进行实验研究所采用的工业机器人为日本YASKAWA公司生产，由北京首钢MOTOMAN公司销售的UP20型垂直多关节工业机器人，该机器人具有传动精度高、结构紧凑、重量轻、工作范围大等特点。主要由机器人本体、控制柜和变压器组成。其组成结构和加工范围示意图如图2.2中所示。其末端执行器的最大额定载荷为20kg，重复定位误差为0.08mm，最大有效作业半径1658mm，高度方向为-9002047mm，共有六个自由度，每一个机械臂关节分别由步进电机和减速器独立驱动，其中三个移动自由度确定机器人的末端执行器位置，另外三个转动自由度确定末端执行器的姿态。UP20型机器人的主要