電鑄機(jī)床的PLC控制

1.電鑄加工原理及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(dǎo)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(dǎo)電原模（芯模）上還原成金屬[1]，沉積于導(dǎo)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(bǔ)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(xiàn)象來(lái)進(jìn)行成形加工的。當(dāng)陰極導(dǎo)電原模上的電鑄層逐漸增加，達(dá)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(shè)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(jié)合，而電鑄層與原模并不要求牢固結(jié)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(shù)十倍[3]。

與其他方法相比，電鑄加工有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[4]：

1）電鑄品的機(jī)械性質(zhì)容易調(diào)整，例如硬度、抗拉強(qiáng)度等等。

2）可減小與母模之誤差，加工精度高，公差可達(dá)±2.5μm。

3）能將傳統(tǒng)加工方式難于加工的零件內(nèi)表面轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhǎng)，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(nèi)應(yīng)力。原模的劃痕、斑點(diǎn)等會(huì)復(fù)制到制品表面。

3）制造原模需要用精密機(jī)械加工設(shè)備和照相制版等技術(shù)，成本較高。

4）可真實(shí)復(fù)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(xì)微特征的復(fù)制能力特別強(qiáng)。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(jí)）逐漸堆積、向外生長(zhǎng)，故它能準(zhǔn)確復(fù)制出芯模表面精度達(dá)到納米級(jí)的細(xì)微特征，因此，當(dāng)將電鑄層與芯模分離后，即可得到粗糙度與芯模相當(dāng)、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、光盤模具及光學(xué)部件的加工中。光盤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(duì)表面粗糙度要求極高的光學(xué)部件外，這一特有的復(fù)制能力還被應(yīng)用于部分采用傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法加工的零件制備上。如波導(dǎo)管、文氏管等對(duì)內(nèi)表面的尺寸及精度要求較高、同時(shí)內(nèi)表面直徑小的零件，采用傳統(tǒng)加工技術(shù)無(wú)法加工，無(wú)法使內(nèi)表面尺寸及精度達(dá)到要求。如果采用電鑄技術(shù)，可使難以實(shí)施的內(nèi)型面加工轉(zhuǎn)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(dǎo)管、文氏管內(nèi)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(nèi)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?qǐng)D紙要求對(duì)電鑄層外表面進(jìn)行機(jī)加工，最后將芯模退除，即獲得內(nèi)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(zhǎng)速度與所使用的電鑄工藝參數(shù)（如溶液溫度及pH值、陰極電流密度等）有關(guān)。適當(dāng)提高陰極電流密度可以提高電鑄層的生長(zhǎng)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(yīng)速度、離子還原后在陰極表面的遷移和晶粒成核及晶粒長(zhǎng)大的速度[6]。

2.機(jī)床控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

設(shè)計(jì)電鑄機(jī)床的控制系統(tǒng)時(shí)，首先要進(jìn)行該課題的總體方案設(shè)計(jì)。分析系統(tǒng)需要的功能和技術(shù)要求，選擇合理的PLC以及觸摸屏。根據(jù)系統(tǒng)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(jī)界面，顯示直觀，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(yīng)用，而且工業(yè)控制中業(yè)得以廣泛應(yīng)用。它是目前最簡(jiǎn)單、方便的輸入和顯示設(shè)備。具有反應(yīng)速度快和易于交流等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)電鑄加工總體方案時(shí)，要使設(shè)計(jì)合理、高效，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循一定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即在滿足系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)要求下，應(yīng)做到[7]：

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能實(shí)現(xiàn)技術(shù)協(xié)議中的功能要求。

2）分系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足技術(shù)指標(biāo)要求，并力求簡(jiǎn)單。

3）用戶使用操作使用方便，即使用戶誤操作也不會(huì)產(chǎn)生不良后果。

4）盡可能考慮環(huán)境因素。

5）對(duì)使用對(duì)象、使用方法也要充分考慮。

2.2 設(shè)計(jì)方案

電鑄加工的PLC控制系統(tǒng)性能是整個(gè)加工系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)。現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，PLC作為廣泛應(yīng)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(qiáng)，性能越來(lái)越先進(jìn)。用PLC控制電機(jī)很方便，尤其是為了配合步進(jìn)電機(jī)的控制，通過(guò)1PG可以很好地對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

對(duì)于電鑄加工PLC控制系統(tǒng)，應(yīng)滿足以下要求:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有一定的速度調(diào)節(jié)范圍，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)控制性好，對(duì)過(guò)程電信號(hào)突變能快速響應(yīng)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)作相應(yīng)動(dòng)作，調(diào)節(jié)速度快，精度高。

系統(tǒng)硬件部分由控制器PLC、人視界面觸摸屏、1PG、驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)等組成。觸摸屏負(fù)責(zé)人機(jī)交互界面管理和控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，它通過(guò)串口與PLC通訊，可通過(guò)觸摸按鍵方式實(shí)現(xiàn)對(duì)步迸電機(jī)的啟停、調(diào)速、轉(zhuǎn)向等控制，在觸摸屏上動(dòng)態(tài)照示步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行位置、速度等參數(shù)。

這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：大大減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量，不存在各部分接口信號(hào)的匹配問(wèn)題，提高系統(tǒng)的可靠性。PLC具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)，輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)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(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性，而且可靠性大大提高。

圖1 電鑄加工原理圖

圖2 電鑄機(jī)床的PLC控制系統(tǒng)總體控制方案

圖3 電氣控制主電路圖

采用PLC直接控制電機(jī)技術(shù)，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量，大大縮短了開(kāi)發(fā)研制周期，在一定范圍內(nèi)，有較高的推廣和實(shí)用價(jià)值。

人機(jī)交互界面主要用于顯示設(shè)備和系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息，界面上的按鈕可產(chǎn)生相應(yīng)的輸入數(shù)值、字符或開(kāi)關(guān)信息與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制。觸摸屏作為人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和陰極行程的監(jiān)控，并可對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇控制體統(tǒng)，本課題選擇PLC結(jié)合觸摸屏的方式進(jìn)行控制，使得整個(gè)體統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，監(jiān)控功能比較完善。

電鑄機(jī)床的PLC控制系統(tǒng)總體控制方案如圖2所示。

本系統(tǒng)采用三菱GX Developer編程，用EB 8000編輯觸摸屏界面。利用PLC程序?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制相比，PLC集數(shù)據(jù)處理、程序控制、參數(shù)調(diào)節(jié)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(xiàn)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(wěn)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(gòu)成對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是:整個(gè)控制系統(tǒng)是由PLC、FX2N-1PG脈沖輸入模塊、驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)組成。由于PLC具有實(shí)時(shí)刷新技術(shù)，輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到數(shù)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(jī)的速度響應(yīng)能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的快速性。并且，PLC有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿足步進(jìn)電機(jī)各相繞組數(shù)10V級(jí)脈沖電壓、1A級(jí)脈沖電流的驅(qū)動(dòng)要求。PLC在控制直流電機(jī)時(shí)就更加簡(jiǎn)單，速度控制容易滿足使用要求，而且可靠性大大提高。

采用PLC直接控制電機(jī)技術(shù)，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量，大大縮短了開(kāi)發(fā)研制周期，在一定范圍內(nèi)，有較高的推廣和實(shí)用價(jià)值。

PLC是控制系統(tǒng)的核心，相當(dāng)于人的大腦，它接受到觸摸屏的控制信號(hào)，通過(guò)其內(nèi)部認(rèn)可的程序?qū)Ω綄俨考?PG收發(fā)運(yùn)行脈沖，并對(duì)一些地址數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果或是發(fā)給1PG，或回饋到觸摸屏。驅(qū)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(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按控制要求進(jìn)行運(yùn)行.

3.電氣控制電路設(shè)計(jì)

基于控制系統(tǒng)的需求，本課題也進(jìn)行了對(duì)機(jī)床的電氣控制電路設(shè)計(jì)。此電路采用的是三相電流，該圖主要是對(duì)系統(tǒng)中的觸摸屏、驅(qū)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），L1、L2、L3和接觸器連接，緊接著和驅(qū)動(dòng)器DRIVER1上的L1、L2、L3連接，同時(shí)L1、L2線和驅(qū)動(dòng)器上的L1C、L2C連接。其中三相引出的三條線需要采用2.5平方毫米的線，整個(gè)主電路圖，布局簡(jiǎn)潔，具體圖如圖3所示。

4.總結(jié)

本系統(tǒng)采用觸摸屏結(jié)合PLC方式進(jìn)行控制,使得整個(gè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定,監(jiān)控功能較完善。PLC提供豐富的I/O接口模塊和存儲(chǔ)卡功能,使得系統(tǒng)的維護(hù)和改造具較強(qiáng)的靈活性,用戶可根據(jù)生產(chǎn)需要靈活設(shè)計(jì)、自行組合,以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制。而采用步進(jìn)電機(jī)控制陰極的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)也進(jìn)一步提高了速度穩(wěn)定性和加工精度。經(jīng)過(guò)實(shí)際的運(yùn)行,工作穩(wěn)定,完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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