電鑄機床中的PLC控制技術(shù)
摘 要：本文介紹了基于PLC控制的電鑄機床控制系統的設計。主要介紹采用可編程序控制器和觸摸屏技術(shù)的數控電解加工機床的結構特點(diǎn)、控制系統的軟、硬件結構及其關(guān)鍵技術(shù)，和機床的主要先進(jìn)功能。電鑄就是利用金屬離子陰極電沉積原理，在導電原模上沉積金屬、合金或復合材料，并將其與原模分離以制取制品的原理，它是電鍍的特殊應用。該系統利用觸摸屏作為顯示和外部控制終端，采用EB8000界面編輯軟件，設計良好的人機交互界面。使用三菱FX系列PLC作為核心控制器，步進(jìn)電機是通過(guò)FX2N-1PG脈沖輸出模塊改變脈沖頻率以及方向信號來(lái)實(shí)現調速、正反轉控制及位置控制。觸摸屏作為人機接口,可以實(shí)現對運動(dòng)和加工參數的修改、控制加工流程的執行、顯示運動(dòng)參數的變化,使系統控制界面友好,簡(jiǎn)單直觀(guān),便于操作。大大提高了電鑄機床自動(dòng)化程度，使電鑄加工更加高效、快捷。
關(guān)鍵詞：電鑄機床;可編程控制器;觸摸屏;脈沖輸出模塊;步進(jìn)電機
1.電鑄加工原理及控制系統方案設計
1.1 電鑄加工的基本原理
電鑄是用金屬電沉積的方法制備產(chǎn)品的一種特種加工工藝，主要用于某些特種產(chǎn)品的成型。用導電的原模作陰極，用于電鑄的金屬作陽(yáng)極，電鑄溶液是含有陽(yáng)極金屬離子的金屬鹽溶液，在電源的作用下，電鑄溶液中的金屬離子在陰極導電原模(芯模)上還原成金屬[1]，沉積于導電原模表面，同時(shí)陽(yáng)極金屬源源不斷地變成離子溶解到電鑄液中進(jìn)行補充，市電鑄液中金屬離子的濃度保持不變[2]。其原理如圖1所示。
電鑄成形是利用電化學(xué)過(guò)程中的陰極沉積現象來(lái)進(jìn)行成形加工的。當陰極導電原模上的電鑄層逐漸增加，達到要求厚度時(shí)，停止電鑄，將鑄件與原模分離，獲得與原模型面相反的電鑄件，這種電鑄件的形狀和表面粗糙度與原模相似。
電鑄所用的設備及電鑄溶液與一般電鍍中所使用的基本相同，但是在制品的要求上電鑄與電鍍有兩個(gè)主要不同點(diǎn)：第一，一般電鍍層要求與基體金屬牢固結合，而電鑄層與原模并不要求牢固結合，有時(shí)反而要求點(diǎn)鑄件能很容易地從原模上分離下來(lái);第二，電鑄層的厚度要求比一般電鍍層厚得多，約十倍甚至數十倍[3]。
與其他方法相比，電鑄加工有自己獨特的優(yōu)點(diǎn)[4]：
1)電鑄品的機械性質(zhì)容易調整，例如硬度、抗拉強度等等。
2)可減小與母模之誤差，加工精度高，公差可達±2.5μm。
3)能將傳統加工方式難于加工的零件內表面轉化為原模外表面，可通過(guò)制造易成型的原模材料而獲得難成型的金屬材料，尤其是制作薄壁金屬零件。
4)可以制成多層結構件，將多種金屬、非金屬拼鑄成一個(gè)整體。
5)適合制作一個(gè)或量產(chǎn)，而且電鑄層的厚度范圍寬。
電鑄加工缺點(diǎn)：
1)電鑄速度慢，生產(chǎn)時(shí)間比其它方法長(cháng)，塑料成形用模具的電鑄有時(shí)需2-3周。
2)電鑄制品的尖角或凹槽部位的電鑄層厚度不均勻，制品存在一定的內應力。原模的劃痕、斑點(diǎn)等會(huì )復制到制品表面。
3)制造原模需要用精密機械加工設備和照相制版等技術(shù)，成本較高。
4)可真實(shí)復制外形或模樣，所以母模上的小傷痕也會(huì )再生，這是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)。
1.2 電鑄工藝的特點(diǎn)
1)表面細微特征的復制能力特別強。由電鑄工藝過(guò)程可知，電鑄層緊貼在芯模表面以原子直徑的尺寸(亞納米級)逐漸堆積、向外生長(cháng)，故它能準確復制出芯模表面精度達到納米級的細微特征，因此，當將電鑄層與芯模分離后，即可得到粗糙度與芯模相當、紋理相反的鏡像表面，這就是電鑄技術(shù)最基本的、也是最典型的工藝特點(diǎn)。這一特性已被廣泛用于印刷制版、光盤(pán)模具及光學(xué)部件的加工中。光盤(pán)表面用于記錄信息的溝槽，其寬度為0.4μm，深度為0.12μm[5]。
除對表面粗糙度要求極高的光學(xué)部件外，這一特有的復制能力還被應用于部分采用傳統技術(shù)無(wú)法加工的零件制備上。如波導管、文氏管等對內表面的尺寸及精度要求較高、同時(shí)內表面直徑小的零件，采用傳統加工技術(shù)無(wú)法加工，無(wú)法使內表面尺寸及精度達到要求。如果采用電鑄技術(shù)，可使難以實(shí)施的內型面加工轉變?yōu)槿菀讓?shí)施的外型面加工。其加工過(guò)程如下：先加工一個(gè)外表面的形狀、尺寸及精度與波導管、文氏管內表面完全一致的芯模，再利用電鑄技術(shù)在芯模的外表面上制備厚度超過(guò)圖紙要求的電鑄層，也就得到了內表面的形狀、尺寸及精度與芯模外表面完全一致的電鑄層，然后按照圖紙要求對電鑄層外表面進(jìn)行機加工，最后將芯模退除，即獲得內表面尺寸及精度均符合要求的高品質(zhì)的產(chǎn)品。
2)生產(chǎn)周期及成本電鑄層是金屬原子一層層逐漸堆積而成的，其生長(cháng)速度與所使用的電鑄工藝參數(如溶液溫度及pH值、陰極電流密度等)有關(guān)。適當提高陰極電流密度可以提高電鑄層的生長(cháng)速度，但陰極電流密度的提高受電沉積過(guò)程三個(gè)因素的限制：金屬離子從溶液本體向陰極表面遷移的速度、金屬離子在陰極表面的還原反應速度、離子還原后在陰極表面的遷移和晶粒成核及晶粒長(cháng)大的速度[6]。
2.機床控制系統總體方案設計
2.1 總體方案設計準則
設計電鑄機床的控制系統時(shí)，首先要進(jìn)行該課題的總體方案設計。分析系統需要的功能和技術(shù)要求，選擇合理的PLC以及觸摸屏。根據系統要求選擇處理速度快，靈活實(shí)用的可編程控制器。觸摸屏作為新型的人機界面，顯示直觀(guān)，操作簡(jiǎn)單，可靠性高，不但在日常生活中的很多領(lǐng)域得到應用，而且工業(yè)控制中業(yè)得以廣泛應用。它是目前最簡(jiǎn)單、方便的輸入和顯示設備。具有反應速度快和易于交流等優(yōu)點(diǎn)。在設計電鑄加工總體方案時(shí)，要使設計合理、高效，設計時(shí)應遵循一定的設計準則，即在滿(mǎn)足系統功能和技術(shù)指標要求下，應做到[7]：
1)結構設計合理，能實(shí)現技術(shù)協(xié)議中的功能要求。
2)分系統設計滿(mǎn)足技術(shù)指標要求，并力求簡(jiǎn)單。
3)用戶(hù)使用操作使用方便，即使用戶(hù)誤操作也不會(huì )產(chǎn)生不良后果。
4)盡可能考慮環(huán)境因素。
5)對使用對象、使用方法也要充分考慮。
2.2 設計方案
電鑄加工的PLC控制系統性能是整個(gè)加工系統性能優(yōu)劣的一項重要指標�，F代控制系統中，PLC作為廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的控制器，它的功能越來(lái)越強，性能越來(lái)越先進(jìn)。用PLC控制電機很方便，尤其是為了配合步進(jìn)電機的控制，通過(guò)1PG可以很好地對步進(jìn)電機進(jìn)行控制。
對于電鑄加工PLC控制系統，應滿(mǎn)足以下要求:結構簡(jiǎn)單，具有一定的速度調節范圍，具有良好的可靠性和穩定性，抗干擾能力強，實(shí)時(shí)控制性好，對過(guò)程電信號突變能快速響應，控制執行機構作相應動(dòng)作，調節速度快，精度高。
系統硬件部分由控制器PLC、人視界面觸摸屏、1PG、驅動(dòng)器和步進(jìn)電機等組成。觸摸屏負責人機交互界面管理和控制系統實(shí)時(shí)監控，它通過(guò)串口與PLC通訊，可通過(guò)觸摸按鍵方式實(shí)現對步迸電機的啟停、調速、轉向等控制，在觸摸屏上動(dòng)態(tài)照示步進(jìn)電機運行位置、速度等參數。
這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：大大減少系統設計的工作量，不存在各部分接口信號的匹配問(wèn)題，提高系統的可靠性。PLC具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)，輸出信號的頻率可以達到數千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機的速度響應能力，提高整個(gè)系統的快速性，而且可靠性大大提高。
采用PLC直接控制電機技術(shù)，減少了系統設計的工作量，大大縮短了開(kāi)發(fā)研制周期，在一定范圍內，有較高的推廣和實(shí)用價(jià)值。
人機交互界面主要用于顯示設備和系統狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息，界面上的按鈕可產(chǎn)生相應的輸入數值、字符或開(kāi)關(guān)信息與PLC進(jìn)行數據交換，從而產(chǎn)生相應的動(dòng)作以實(shí)現系統的控制。觸摸屏作為人機界面，實(shí)現了對電機的轉向、轉速和陰極行程的監控，并可對工藝參數進(jìn)行設定。
根據設計要求選擇控制體統，本課題選擇PLC結合觸摸屏的方式進(jìn)行控制，使得整個(gè)體統性能更加穩定，監控功能比較完善。
電鑄機床的PLC控制系統總體控制方案如圖2所示。
本系統采用三菱GX Developer編程，用EB 8000編輯觸摸屏界面。利用PLC程序對整個(gè)系統進(jìn)行控制。與傳統的計算機控制相比，PLC集數據處理、程序控制、參數調節等功能于一體,它編程容易、使用方便、可靠性高,可以在電解加工等工業(yè)控制現場(chǎng)的惡劣環(huán)境中可靠地工作。而觸摸屏技術(shù)是近幾年新興的一種多媒體技術(shù),它具有簡(jiǎn)單易學(xué)、操作方便、穩定性好等特點(diǎn)。綜合上述優(yōu)點(diǎn)，此次課題選用PLC和觸摸屏來(lái)構成對系統的設計。
這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是:整個(gè)控制系統是由PLC、FX2N-1PG脈沖輸入模塊、驅動(dòng)器和步進(jìn)電機組成。由于PLC具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)，輸出信號的頻率可以達到數千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進(jìn)電機的速度響應能力，提高整個(gè)系統的快速性。并且，PLC有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿(mǎn)足步進(jìn)電機各相繞組數10V級脈沖電壓、1A級脈沖電流的驅動(dòng)要求。PLC在控制直流電機時(shí)就更加簡(jiǎn)單，速度控制容易滿(mǎn)足使用要求，而且可靠性大大提高。
采用PLC直接控制電機技術(shù)，減少了系統設計的工作量，大大縮短了開(kāi)發(fā)研制周期，在一定范圍內，有較高的推廣和實(shí)用價(jià)值。
PLC是控制系統的核心，相當于人的大腦，它接受到觸摸屏的控制信號，通過(guò)其內部認可的程序對附屬部件1PG收發(fā)運行脈沖，并對一些地址數據進(jìn)行運算，結果或是發(fā)給1PG，或回饋到觸摸屏。驅動(dòng)器包括環(huán)形分配器、功率放大器、和一些輔助電路組成，這樣1PG發(fā)來(lái)的脈沖經(jīng)過(guò)脈沖分配、功率放大后就可以驅動(dòng)步進(jìn)電機按控制要求進(jìn)行運行.
3.電氣控制電路設計
基于控制系統的需求，本課題也進(jìn)行了對機床的電氣控制電路設計。此電路采用的是三相電流，該圖主要是對系統中的觸摸屏、驅動(dòng)器、32A接觸器以及PLC的連接情況，主電路圖中，首先是三相380V的電壓接入，與其相連的是組合開(kāi)關(guān)，分三路，三條支路分別接上PLC(L1、L2線(xiàn))，L1、L2、L3和接觸器連接，緊接著(zhù)和驅動(dòng)器DRIVER1上的L1、L2、L3連接，同時(shí)L1、L2線(xiàn)和驅動(dòng)器上的L1C、L2C連接。其中三相引出的三條線(xiàn)需要采用2.5平方毫米的線(xiàn)，整個(gè)主電路圖，布局簡(jiǎn)潔，具體圖如圖3所示。
4.總結
本系統采用觸摸屏結合PLC方式進(jìn)行控制,使得整個(gè)系統性能穩定,監控功能較完善。PLC提供豐富的I/O接口模塊和存儲卡功能,使得系統的維護和改造具較強的靈活性,用戶(hù)可根據生產(chǎn)需要靈活設計、自行組合,以實(shí)現最優(yōu)化控制。而采用步進(jìn)電機控制陰極的進(jìn)給運動(dòng)也進(jìn)一步提高了速度穩定性和加工精度。經(jīng)過(guò)實(shí)際的運行,工作穩定,完全達到了設計要求。
參考文獻：
[1]丁蘇赤,陳遠龍,萬(wàn)勝美等.電解加工機床PLC控制系統的設計與實(shí)現[J].電加工與模具,2005.
[2]祝紅芳.PLC及其在數控機床中的應用[M].人民郵電出版社,2007,10.
[3]田艷芳.PLC在鉆孔組合機床控制中的應用[J].機床與液壓,2003(04).
[4]廖常初.可編程序控制器應用技術(shù)(第五版)[M].重慶大學(xué)出版社,2007.
[5]潘紅斌.基于PLC技術(shù)的工業(yè)設備控制系統設計和應用研究[D].東南大學(xué)碩,2006:5-13,69.
[6]張金姣.兩面加工組合機床的PLC控制設計[J].機床電器,2008(02):1-2.
[7]吳安德,黎生蘭,黃因慧等.數控噴射電鑄機床數控系統的研究[J].電加工與模具,2002(06):1-3.
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