新型陶瓷零件快速成型機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

馬金鋒 高東強(qiáng) 王 偉 陳超群 楊 飛

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 西安 710021)

陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但是由于材料本身的特點(diǎn)，制約了陶瓷產(chǎn)品的應(yīng)用。目前主流的陶瓷零件制造工藝主要采用激光成型，設(shè)備復(fù)雜并且造價(jià)昂貴，對(duì)材料性能要求高［1］。為了解決以上問題，提出了一種基于石蠟的層和速凝成型陶瓷零件技術(shù)［2］，并以該技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一種更加經(jīng)濟(jì)可靠的新型快速成型裝置。

可編程序控制器(PLC)是一種新型的電氣控制裝置，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于編程、可靠性強(qiáng)、性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制中［3］。西門子S7 -200 PLC 系列屬于小型可編程序控制器，既可用于簡(jiǎn)單的控制場(chǎng)合，亦可用于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其指令內(nèi)容豐富，能夠完成用戶要求的特定功能，使用的STEP7 -Micro/WIN32 編程軟件為用戶提供了開發(fā)、編輯和監(jiān)控的良好編程環(huán)境，可以滿足新型快速機(jī)的自動(dòng)控制［4］。

1 新型快速成型機(jī)工作原理

1.1 理論依據(jù)

基于石蠟的層和速凝技術(shù)是新型陶瓷零件快速成型機(jī)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，該技術(shù)以陶瓷為成型材料，石蠟為支撐及粘合材料，首先利用分層軟件，將零件的三維實(shí)體模型分為0.1～2.0 mm 的一系列薄層，得到每層的形狀后，在工作臺(tái)上鋪一層支撐材料，然后由計(jì)算機(jī)控制刻刀雕刻出該層輪廓，最后在支撐材料鏤空處填充成型材料，反復(fù)經(jīng)過累加并且去除支撐并燒結(jié)，最終得到陶瓷零件［5-6］生產(chǎn)工藝流程如圖1 所示［7］。

根據(jù)該技術(shù)原理，將快速成型機(jī)分為3 部分［7］:雕刻系統(tǒng)，鋪料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。雕刻系統(tǒng)利用現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床，便于加工和編程;鋪料系統(tǒng)主要包括料斗攪拌裝置、水平運(yùn)動(dòng)裝置和鋪料臺(tái)升降裝置，分別實(shí)現(xiàn)盛放漿料、料斗水平往返和鋪料臺(tái)豎直下降功能;控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各裝置的自動(dòng)控制和順序運(yùn)動(dòng)，提高加工效率。

1.2 鋪料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

快速成型機(jī)鋪料系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:分別盛放石蠟和陶瓷漿料，水平方向和豎直方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且有加熱和攪拌裝置，防止?jié){料凝固;將鋪料系統(tǒng)固定于數(shù)控機(jī)床上，實(shí)現(xiàn)鋪料系統(tǒng)和雕刻系統(tǒng)的配合?？焖俪尚蜋C(jī)鋪料系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主要由3 部分組成:料斗攪拌裝置包括料斗1、石蠟料斗9、陶瓷料斗10、攪拌軸以及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī);水平運(yùn)動(dòng)裝置包括水平方向絲杠11，限位開關(guān)12，水平方向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其中料斗與絲杠螺母相連，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠，實(shí)現(xiàn)料斗整體水平往復(fù)運(yùn)動(dòng);鋪料臺(tái)升降裝置包括豎直方向絲杠3、橫梁4、帶輪5、豎直方向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌6、豎直方向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其中豎直電動(dòng)機(jī)通過同步帶將運(yùn)動(dòng)傳遞給帶輪5，帶輪5 通過豎直方向絲杠3、橫梁4、豎直方向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌6，實(shí)現(xiàn)鋪料臺(tái)的升降運(yùn)動(dòng)。

料斗1 內(nèi)安裝有加熱裝置，與攪拌軸相互配合，使?jié){料保持熔融狀態(tài)，并且通過攪拌使?jié){料均勻無沉淀。

刮平裝置2 與加熱器相連，待石蠟鋪設(shè)完畢，用熱的刮刀將石蠟薄層上多余的蠟料刮掉，保證石蠟基板平整。

底板8 上開有槽孔，通過螺桿和壓板鋪料系統(tǒng)固定在數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)與雕刻系統(tǒng)的連接。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 快速成型機(jī)順序運(yùn)動(dòng)流程

快速成型機(jī)的運(yùn)動(dòng)流程主要包括:(1)初始狀態(tài)，料斗靜止，進(jìn)給絲杠和刻刀停止，鋪料臺(tái)處于初始位置;(2)打開啟動(dòng)按鈕，水平電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)料斗右行，同時(shí)石蠟料斗開，鋪設(shè)石蠟;(2)料斗右行到位，觸發(fā)右限位開關(guān)，水平電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，料斗左行，石蠟料斗閉合，回到初始位置;(3)返回初始位置后，停止30 s使石蠟?zāi)?(4)石蠟完全凝固，雕刻系統(tǒng)啟動(dòng)，刻刀按照事先編寫的程序在石蠟基板上雕刻出模型輪廓;(5)雕刻完畢，刻刀停止，水平電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)料斗第二次右行，同時(shí)陶瓷料斗開，在基板上鏤空的部分鋪設(shè)陶瓷漿料;(4)料斗右行到位，觸發(fā)右限位開關(guān)，水平電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，料斗第二次左行，同時(shí)陶瓷料斗閉合，第二次回到初始原位，水平電動(dòng)機(jī)停止;(5)豎直電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，正轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋪料臺(tái)下降2 mm，一次循環(huán)完成，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。重復(fù)以上過程，直至完成陶瓷坯件，通過燒結(jié)使石蠟融化，得到陶瓷零件，順序動(dòng)作示意圖如圖3 所示。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)［8-9］

為了滿足順序控制的要求，同時(shí)考慮控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本，使用西門子S7 -200 實(shí)現(xiàn)控制，雕刻系統(tǒng)使用自身的數(shù)控系統(tǒng)，此外需要3 臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3 和4 個(gè)限位開關(guān)SQ1、SQ2、SQ3、SQ4;M1實(shí)現(xiàn)水平方向料斗的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，M2 驅(qū)動(dòng)攪拌軸旋轉(zhuǎn)，M3 實(shí)現(xiàn)豎直方向鋪料臺(tái)的升降運(yùn)動(dòng);SQ1、SQ2 為水平方向限位開關(guān)，SQ3、SQ4 是豎直方向限位開關(guān)。當(dāng)按下啟動(dòng)開關(guān)時(shí)，繼電器線圈KM1 通電，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠，實(shí)現(xiàn)料斗的水平運(yùn)動(dòng)，當(dāng)料斗接觸到限位開關(guān)SQ2，線圈KM1 關(guān)閉，KM2 通電，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，如此實(shí)現(xiàn)料斗的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

豎直方向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌與限位開關(guān)SQ3 接觸，處于初始位置;當(dāng)石蠟完全凝固，雕刻系統(tǒng)啟動(dòng)，刻刀下移并在石蠟基板上雕刻二維輪廓，在此過程中，刻刀受數(shù)控系統(tǒng)控制。雕刻完畢，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)給S7 -200可編程控制器，水平電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)料斗鋪設(shè)陶瓷，鋪設(shè)完畢，料斗回原位，豎直導(dǎo)軌帶動(dòng)鋪料臺(tái)下降0.1～2.0 mm，一次加工循環(huán)完成，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài);當(dāng)導(dǎo)軌下移到極限位置接觸開關(guān)SQ4，豎直電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鋪料臺(tái)回初始位置。

控制系統(tǒng)外部接線圖和I/O 分配表如圖4 和表1所示。

表1 I/O 地址分配表

2.3 控制系統(tǒng)要求［8-9］

(1)在整個(gè)過程中加熱和攪拌裝置始終處于開啟狀態(tài)，避免漿料冷卻，溫度控制在95 ℃左右;(2)為了安全起見，電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)需要進(jìn)行互鎖，石蠟料斗和陶瓷料斗不能同時(shí)打開;(3)刻刀由機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制，在雕刻未完成之前，鋪料系統(tǒng)不能動(dòng)作;雕刻完畢，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)給S7 -200 控制器，鋪料系統(tǒng)恢復(fù)執(zhí)行動(dòng)作。

2.4 控制系統(tǒng)仿真

STEP7 -Micro/WIN32 編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，是西門子公司專門為S7 -200 系列可編程控制器而設(shè)計(jì)開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)在線編程、調(diào)試、下載和監(jiān)測(cè)。

按照快速成型機(jī)順序動(dòng)作流程和控制系統(tǒng)的要求，使用STEP7 -Micro/WIN32 軟件，對(duì)程序進(jìn)行編制和仿真，系統(tǒng)順序輸出結(jié)果和仿真示意圖分別如表2和圖5(當(dāng)I0.3 閉合I0.2 斷開時(shí)，輸出Q0.0，Q0.2，Q0.3，Q0.5)所示，仿真結(jié)果表明，輸入和輸出結(jié)果與預(yù)先設(shè)定結(jié)果一致，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 系統(tǒng)順序輸出結(jié)果

3 控制系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，選用S7 -200 CPU224 作為中央控制器，3 臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別控制電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3，通過USB -PPI 數(shù)據(jù)線將程序下載至S7 -200，從而完成PLC 和PC 機(jī)的通訊。程序下載完畢，對(duì)硬件電路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接線并運(yùn)行，以驗(yàn)證控制系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行效果。

按照表2 的動(dòng)作流程依次輸入，運(yùn)行結(jié)果與仿真輸出一致，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)流程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。

4 結(jié)語

系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，新型陶瓷零件快速成型機(jī)各部分裝置相互配合，可以滿足可靠性和加工精度的要求;刻刀由數(shù)控系統(tǒng)控制，便于編程和操作，使快速成型機(jī)通用性更強(qiáng);使用S7 -200 可編程控制器實(shí)現(xiàn)了鋪料系統(tǒng)的順序運(yùn)動(dòng)，并與數(shù)控系統(tǒng)相配合，可以滿足自動(dòng)控制的要求，提高了效率，而且生產(chǎn)成本降低，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。

［1］郭志剛，高東強(qiáng).新型陶瓷快速成型機(jī)鋪料臺(tái)的有限元分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(4):29 -31.

［2］王秀峰，江紅濤，孫勇，等.一種陶瓷零件的快速成型方法:中國(guó)，CN200510041976.4［P］.2005.

［3］韓偉娜，劉寶華.基于S7 -200 的搬運(yùn)機(jī)械手的PLC 控制［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011，30(2):259 -261.

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［7］高東強(qiáng)，郝大建，田振亞，等.基于層合速凝技術(shù)的陶瓷件快速成型研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008(8):108 -110.

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