面向微細(xì)電解加工的電解液循環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵忠良

SHAO Zhong-liang

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化工程系，廣州 510635）

0 引言

隨著微電子器件的高頻集成，微細(xì)電解加工得到廣泛的研究和運(yùn)用。微細(xì)電解加工是一種特種加工技術(shù)，是以加工工具為陰極，被加工工件為陽極，陽極以離子的形式發(fā)生陽極溶解，來獲得與陰極形狀相同的微結(jié)構(gòu)。微細(xì)電解加工是非接觸式加工，具有工具電極無損耗、加工范圍廣、加工表面質(zhì)量好、無殘余應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)[1～4]。電解液循環(huán)系統(tǒng)是微細(xì)電解加工機(jī)床的關(guān)鍵組成，不僅要為電解加工持續(xù)供應(yīng)具有足夠壓力和流量的電解液，還要使自身維持恒定的溫度和一定的電解液濃度，電解液溫度和濃度恒定是電解加工一致性和重復(fù)精度的保證[5,6]。特別地，電解液泵通常是采用抗腐蝕離心泵，第一次啟動(dòng)前需要自動(dòng)灌注電解液，暫停期間又不能讓回路中的電解液回流，以免再次啟動(dòng)時(shí)仍需灌注電解液。因此，面對(duì)電解液循環(huán)系統(tǒng)多環(huán)節(jié)控制問題，其控制系統(tǒng)顯得尤為重要[7～10]。

針對(duì)電解加工電解液循環(huán)系統(tǒng)多環(huán)節(jié)自動(dòng)控制問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的電解液循環(huán)控制系統(tǒng)。首先，介紹了電解液循環(huán)系統(tǒng)的工作原理，然后，搭建了控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)架，最后，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1 電解液循環(huán)系統(tǒng)工作原理

電解液循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示。在系統(tǒng)運(yùn)行前，在電解液箱內(nèi)裝入約2/3體積的電解液，將離心泵灌滿電解液，打開電解液中的開關(guān)閥。自然狀態(tài)下，二相二通電磁處于關(guān)閉狀態(tài)，故離心泵內(nèi)的電解液在大氣壓作用下不會(huì)流失。開啟PLC控制系統(tǒng)，攪拌器開始旋轉(zhuǎn)攪拌，溫度傳感器開始檢測電解液溫度，電導(dǎo)率儀開始檢測電解液電導(dǎo)率。如果溫度低于設(shè)定值，則加熱棒工作，加熱至溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值為止。如果電導(dǎo)率不符合設(shè)定值范圍，則需要重新配置電解液，知道滿足要求為止。當(dāng)電解液溫度和電導(dǎo)率都滿足要求后，PLC自動(dòng)控制電磁閥打開和離心泵啟動(dòng)運(yùn)行。

圖1 PLC控制的電解液循環(huán)系統(tǒng)原理圖

電解液從吸液口經(jīng)過濾器吸入泵中，由離心泵以一定的壓力和流量打出，經(jīng)過精過濾器、流量計(jì)、穩(wěn)壓閥、壓力表等元件進(jìn)入電解加工工作箱，參加電化學(xué)反應(yīng)后的溶液，經(jīng)過濾回流到原來的電解液箱。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液的電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化，這種工藝參數(shù)的變化會(huì)影響加工效果和產(chǎn)品的一致性。根據(jù)電解液的不同，電化學(xué)反應(yīng)后一般出現(xiàn)水分的減少或溶質(zhì)的減少兩種情況，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降或上升。系統(tǒng)中有兩個(gè)補(bǔ)料箱，分別裝有去離子水和高濃度溶液，通過PLC分別控制電磁開關(guān)閥1YA或2YA的開啟和關(guān)閉，來定量補(bǔ)充水分的減少或溶質(zhì)的減少。由于散熱影響，當(dāng)電解液溫度低于設(shè)定值，PLC將控制加熱棒通電加熱，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值后，PLC控制加熱棒斷電。這樣就實(shí)現(xiàn)了維持電解液溫度和電導(dǎo)率的恒定控制。

在加工需要暫停更換工件，控制泵停止運(yùn)行，同時(shí)控制3YA斷電，使電磁閥處于閉合位置。這樣做的好處是：可以避免液體回流，省去離心泵再次啟動(dòng)時(shí)需要灌注電解液的麻煩。當(dāng)需要結(jié)束使用時(shí)，控制PLC各輸出量斷電復(fù)位后，再控制電磁閥開啟并延時(shí)20秒后關(guān)閉，使系統(tǒng)管路內(nèi)殘留電解液全部回流到電解液箱。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)電解液循環(huán)系統(tǒng)工作原理可知，其控制系統(tǒng)主要控制功能為起始動(dòng)作順序控制、溫度恒定控制、電導(dǎo)率恒定控制、泵的二次啟動(dòng)控制，如圖2所示。

圖2 控制功能圖

電解加工環(huán)境惡劣，溫度高，某些甚至散發(fā)腐蝕性氣體，所以，特定環(huán)境下的控制系統(tǒng)硬件需要考慮諸多因素，如響應(yīng)速度、抗干擾能力、系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制功能、參數(shù)修改柔性和整體經(jīng)濟(jì)性等。本文設(shè)計(jì)的電解液循環(huán)控制系統(tǒng)硬件構(gòu)架如圖3所示。以PLC為控制核心，輸入為溫度傳感器、電導(dǎo)率儀，可以通過PLC的人機(jī)交互界面管理時(shí)間、溫度和電導(dǎo)率的預(yù)設(shè)值修改。輸出為泵開關(guān)、攪拌開關(guān)、加熱開關(guān)、泵出口電磁閥及兩個(gè)加料電磁閥。具體地，本文根據(jù)實(shí)際需要，控制系統(tǒng)選用FX2N系列PLC，型號(hào)為FX2N-16MT-D，它是具有16個(gè)I/O點(diǎn)基本單元的晶體管輸出型PLC，使用24V直流電源。模擬信號(hào)需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入PLC，因此選擇A/D轉(zhuǎn)換模塊FX2N-4AD轉(zhuǎn)換前向通道的模擬量。溫度傳感器選擇耐腐蝕的T110型數(shù)顯溫度計(jì)，電導(dǎo)率儀選擇CM-230型。輸出開關(guān)量接電磁鐵或繼電器。

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制流程設(shè)計(jì)

根據(jù)電解液循環(huán)系統(tǒng)的工作原理和功能要求，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)程序流程圖，如圖4所示。系統(tǒng)開啟后，首先檢測溫度和電導(dǎo)率值是否在設(shè)定值的范圍內(nèi)，如果不是，則進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。溫度不夠就控制加熱，水分缺少就補(bǔ)充去離子水，溶質(zhì)缺少就補(bǔ)充高濃度溶液。完成參數(shù)的恒定控制后，啟動(dòng)泵運(yùn)行，進(jìn)行電解加工。在加工過程中不斷控制兩參數(shù)的恒定。如果需要更換工件，可以暫停運(yùn)行。

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

3.2 PLC的I/O地址分配

在不考慮觸摸屏的傳統(tǒng)分配時(shí)，給出了PLC上的I/O點(diǎn)地址分配，如表1所示，對(duì)應(yīng)的PLC外部接線圖，如圖5所示。三個(gè)按鈕輸入元件，在觸摸屏的引入后可以虛擬到觸摸屏人機(jī)交互界面中。

表1 I/O點(diǎn)地址分配

圖5 PLC外部接線圖

3.3 PLC程序梯形圖設(shè)計(jì)

PLC最常用的編程語言是梯形圖和指令表。根據(jù)程序流程圖或者功能圖可以很容易設(shè)計(jì)出PLC程序梯形圖，并且可以轉(zhuǎn)換為指令表程序。采用GX Developer模擬調(diào)試軟件可進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程和調(diào)試，然后很方便的將程序?qū)懭氲絇LC中。該控制系統(tǒng)程序梯形圖，如圖6～圖8所示。合并起來即整個(gè)程序梯形圖。

圖6 啟動(dòng)、停止、卸荷程序

圖7 溫度和電導(dǎo)率數(shù)字量讀入程序

圖8 比較控制過程主程序

4 結(jié)論

1）針對(duì)電解加工電解液循環(huán)系統(tǒng)多環(huán)節(jié)自動(dòng)控制問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC的電解液循環(huán)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)主要控制功能為起始動(dòng)作順序控制、溫度恒定控制、電導(dǎo)率恒定控制、泵的二次啟動(dòng)控制。

2）電解液循環(huán)控制系統(tǒng)通過PLC對(duì)溫度傳感器和電導(dǎo)率儀的檢測數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，來實(shí)時(shí)控制加熱棒和加料系統(tǒng)的啟閉，保持電解液溫度和濃度保持恒定；并同時(shí)控制攪拌器、離心泵、電磁閥的啟閉，實(shí)現(xiàn)電解液循環(huán)系統(tǒng)的多環(huán)節(jié)自動(dòng)化控制。

[1] 范植堅(jiān),楊森,唐霖.電解加工技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012(10)∶775-784.

[2] 李江偉,施小婧.微尺度金屬零部件特種加工技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電子制作,2013(02)∶156-159.

[3] 應(yīng)俊龍. 電解加工技術(shù)研究現(xiàn)狀[ J ] . 江西化工,2014(01)∶262-264.

[4] 朱樹敏,陳遠(yuǎn)龍.電化學(xué)加工技術(shù)[M].北京∶化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[5] 賈文娟,蘭卉,李紅志.三電極電導(dǎo)率傳感器測量電路的研制[J].海洋技術(shù),2013(03)∶33-36,45.

[6] 王振起.PLC在恒溫恒壓控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2013(06)∶1-3.

[7] 袁琦.現(xiàn)代電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[8] 李偉光,聶小軍.基于PLC的脈沖電場控制系統(tǒng)的研制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012(04)∶127-129.

[9] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[10] 楊慶東,孫再富,陳秀梅.電主軸中自動(dòng)松拉刀機(jī)構(gòu)測試系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(01)∶220-221,225.