2萬安培大型電解加工機床PLC控制系統(tǒng)的研制

陳遠龍，陳 輝，曹雪濤

（合肥工業(yè)大學特種加工研究所，安徽合肥230009）

2萬安培大型電解加工機床PLC控制系統(tǒng)的研制

陳遠龍，陳 輝，曹雪濤

（合肥工業(yè)大學特種加工研究所，安徽合肥230009）

介紹了2萬安培大型三軸臥式數(shù)控電解加工機床的結(jié)構(gòu)、特點及控制要求。為了滿足電解加工機床的加工要求，采用了PLC與觸摸屏相結(jié)合的先進控制系統(tǒng)、電解液溫度自動控制系統(tǒng)和電解液液位自動控制系統(tǒng)，設計了控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖、溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并進行了關鍵硬件的選型、PLC程序模塊的設計和觸摸屏界面的設計。

電解加工機床；控制系統(tǒng)；可編程控制器；觸摸屏

電解加工機床是利用電化學陽極溶解原理加工工件的特種加工機床，主要用于加工航空、航天、汽車、兵器等工業(yè)領域的一些難加工金屬材料[1]。本文設計的電解加工機床為2萬安培三軸臥式機床，其主要技術參數(shù)如下：X軸（橫移工作臺）工作行程：≥±300 mm；Y軸 （縱移工作臺）工作行程：≥±300 mm；Z軸（滑枕頭）工作行程：≥500 mm；X/Y/Z軸快動速度：300 mm/min；X/Y/Z軸點動速度：10 mm/ min；陰極進給速度：0.1～10 mm/min。

1 機床結(jié)構(gòu)及控制要求

1.1 機床結(jié)構(gòu)

三軸臥式電解加工機床由床身、工作臺、工作箱、滑枕頭、進給系統(tǒng)、導電系統(tǒng)等組成，見圖1。

圖1 機床結(jié)構(gòu)示意圖

床身是機床的基礎部件，采用臥式、整體鑄造結(jié)構(gòu)。工作臺采用花崗巖材料制成，剛性好，不會吸潮變形，絕緣強度高，易于達到高精度。工作箱是進

行電解加工的場所，工作箱罩采用不銹鋼板焊接結(jié)構(gòu)?；眍^由滑枕體、導軌、陰極安裝板三部分組成。進給系統(tǒng)為交流伺服電機拖動、高精度滾珠絲杠傳動的半閉環(huán)系統(tǒng)。導電系統(tǒng)由可控硅直流穩(wěn)壓密封水冷電源、水冷電纜、導電銅排等組成[2]。

1.2 控制要求

該機床要求采用基于PLC的控制系統(tǒng)，其控制要求為：①能控制加工參數(shù)，并顯示參數(shù)的實測值；②具有手動加工、自動加工、定時加工等方式；③具有過電流、掉速度、欠電壓等保護功能；④有緊急停止開關，出現(xiàn)故障時能自動報警，并關閉電源、電解液泵和機床。

2 硬件設計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)機床的控制要求，設計了基于PLC的控制系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)見圖2[3]。

（1）參數(shù)控制：通過觸摸屏與CJ1M-CPU22連接，能實現(xiàn)對加工參數(shù)的控制。

（2）位置控制：通過CJ1M-CPU22與2個伺服驅(qū)動器連接，能實現(xiàn)對橫移工作臺、縱移工作臺的位置控制；通過位置控制單元、高速計數(shù)器單元與伺服驅(qū)動器連接，能實現(xiàn)對陰極的位置控制。

（3）開關量控制：通過開關量輸入單元接受開關信號，開關量輸出單元輸出信號給執(zhí)行繼電器，能實現(xiàn)對機床動作的控制。

（4）模擬量控制：通過模擬量輸入單元與脈沖電源、溫度傳感器的連接，能實現(xiàn)對加工電壓、加工電流、電解液溫度等模擬量的控制。

（5）上位機控制：通過上位機與串口通信單元的連接，能實現(xiàn)對加工現(xiàn)場的遠程控制。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 控制系統(tǒng)伺服結(jié)構(gòu)

綜合考慮控制要求、成本等多方面因素，本文采用了半閉環(huán)交流伺服系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PLC發(fā)送指令信號給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖序列給伺服電機的同時，光電編碼器采集信號反饋到伺服驅(qū)動器，伺服電機通過絲杠帶動滑枕。采用這種半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的主要優(yōu)勢有：①交流伺服系統(tǒng)在穩(wěn)定性、快速性、準確性等方面都優(yōu)于步進驅(qū)動系統(tǒng)；②半閉環(huán)控制系統(tǒng)較開環(huán)控制系統(tǒng)具有位置反饋，能提高位置精度；③ 半閉環(huán)控制系統(tǒng)較閉環(huán)控制系統(tǒng)能降低設計的復雜性，提高設備的經(jīng)濟性。

2.1.3 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電解液溫度是影響電解加工的因素之一，溫度過高或過低，均可能導致短路、燒傷，還可能引起工件甚至工作箱熱變形。因此，為了保證加工精度，采用恒溫（或控制溫度變化范圍）加工，其溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文采用PLC和觸摸屏相結(jié)合的方式來控制電解液的溫度。

（1）通過觸摸屏預設電解液溫度值，當溫度傳感器檢測到電解液溫度高于或低于設定值時，PLC會執(zhí)行程序關閉或開啟加熱器。

（2）通過PLC內(nèi)部定時器設定定時時間，設定時間值一到，PLC會執(zhí)行程序開啟加熱器。

（3）加熱器是一種大功率設備，本文利用可控硅來調(diào)節(jié)加熱器的開啟和關閉。

2.1.4 液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在電解加工中，電解液一般要經(jīng)過沉淀槽、加溫槽、加工區(qū)，再到沉淀槽的循環(huán)。因此，加溫槽液位是動態(tài)變化的。為了保證加工過程中加溫槽液位的穩(wěn)定，本文設計了基于PLC的液位自動控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 液控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當液位傳感器檢測到液位高于或低于設定值時，PLC執(zhí)行液位程序控制模塊來控制補液泵的關閉和開啟。

2.2 硬件選型

2.2.1 PLC的選型

PLC是計算機技術與繼電器邏輯控制技術相結(jié)合的一種新型控制器，其與計算機輔助設計與加工（CAD/CAM）、機器人（ROBOT）一起成為當代工業(yè)自動化的三大支柱。PLC按結(jié)構(gòu)形式可分為整體式和模塊式兩類，其中應用較廣的是模塊式。

本文選用型號為歐姆龍CJ1W-CPU22的模塊式PLC，其優(yōu)點在于輸入輸出點數(shù)多，模塊組合靈活且便于擴展。

2.2.2 觸摸屏的選型

工業(yè)觸摸屏是通過觸摸式工業(yè)顯示器把人與機器連為一體的人機交互界面。工業(yè)觸摸屏按工作原理可分為電阻式、電容式、紅外線式、表面聲波式等4種類型，其中應用最廣的是電阻式觸摸屏。

本文選用型號為威倫MT8121T的電阻式觸摸屏，其優(yōu)點在于工作環(huán)境與外界隔離，抗干擾能力強，可用任何物體觸摸。

2.2.3 交流伺服電機及其驅(qū)動器的選型

設計伺服系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)是伺服電機及其驅(qū)動器的選型，選型主要考慮的因素有負載/電機慣量比、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、矩頻特性曲線等[4]。綜合考慮這些因素，本文選用的交流伺服電機及其伺服驅(qū)動器分別為：

X軸：MSMD042G1A、MBDHT2510E；Y軸：MSMD082G1B、MCDHT3520H；Z軸：MSME102GCG、MDDHT5540E。

3 軟件設計

3.1 PLC程序設計

為實現(xiàn)機床的控制要求，設計了軟件流程圖（圖6），以此進行程序的編寫。為了降低編寫難度，PLC程序采用模塊化結(jié)構(gòu)進行編寫[5]。

（1）手動加工模塊：手動控制電解加工循環(huán)過程，包括手動加電加液，手動調(diào)節(jié)加工電壓和加工電流，加工結(jié)束時手動斷電斷液，手動返回機床原點等。

（2）自動加工模塊：自動控制電解加工循環(huán)過程，包括自動加電加液，自動調(diào)節(jié)加工電壓和加工電流，加工結(jié)束時自動斷電斷液，自動返回機床原點等。

（3）定時加工模塊：實現(xiàn)陰極在某一預定位置停留指定時間，然后自動返回機床原點，停留的時間用觸摸屏設定。

（4）自動對刀模塊：電解加工前，自動對刀確認機床原點。

（5）溫度控制模塊：控制電解液溫度的穩(wěn)定，避免溫度過高或過低。

（6）斷電保護模塊：當加工過程中電解電源意外斷電時，PLC執(zhí)行輸入中斷程序，陰極立即停止進給運動。

（7）聯(lián)鎖保護模塊：當檢測到加工電壓和電解液壓力過高或過低時，陰極立即停止進給運動。

圖6 軟件流程圖

3.2 觸摸屏程序設計

本著操作方便和美觀大方的原則，本文設計的觸摸屏界面包括準備界面、參數(shù)設定（圖7）、手動加工、自動加工（圖8）、自動對刀、報警查詢等6個基本界面[6]。

The Design and Implementation of 20000 Amperes NC ECM Machines PLC Control System

Chen Yuanlong，Chen Hui，Cao Xuetao
（Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

The structure，characteristics and control requirements of 20000 amperes of large triaxial of horizontal NC electrochemical machines are described.The advanced control systems of combining PLC and touch screen for the electrochemical machine tools，electrolyte temperature automatic control system and electrolyte liquid level automatic control system are applied.The overall structure of the control system，temperature control system structure，and liquid level control system structure are designed.The selection of the key hardware type，the design of PLC program module and the design of touch-screen interface are carried on.

electrochemical machines；control system；PLC；touch screen

圖7 參數(shù)設定界面

TG662

A

1009－279X（2014）01－0057-03

2013-09-30

陳遠龍，男，1964年生，教授，博士生導師。