等離子弧金屬快速成型設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許可可，陳克選，袁亮文，仇文杰

（蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

等離子弧金屬快速成型設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許可可，陳克選，袁亮文，仇文杰

（蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

等離子電弧的弧柱溫度高于普通電弧焊的兩倍，且電弧發(fā)散非常小，等離子弧焊接時(shí)熱影響區(qū)非常小，所以利用其進(jìn)行零件制造時(shí)的成型精度高于其他電弧快速成型方法，并且不存在激光、電子束設(shè)備造價(jià)和使用費(fèi)用高的缺陷，因此利用等離子弧作為熱源進(jìn)行快速成型制造成為研究熱點(diǎn)。根據(jù)金屬快速成型的主要特點(diǎn)和工藝流程，設(shè)計(jì)了等離子弧金屬快速成型設(shè)備控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的控制核心為CP1H-PLC，配備了MT8-070iH3觸摸屏、OMRON MY2N-J中間繼電器單元。采用該設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在合適的工藝條件下，成型件達(dá)到設(shè)計(jì)要求，證明該控制系統(tǒng)工作可靠、性能穩(wěn)定。分析試驗(yàn)結(jié)果，初步掌握等離子弧金屬快速成型工藝參數(shù)。

PLC控制；等離子弧；快速成型

0 前言

快速成型技術(shù)（rapid protyping，RP）是基于離散、堆積的原理采用不同方法堆積材料，最終完成零件成型與制造的技術(shù)[1]。快速成型技術(shù)主要包括光固化立體印刷（SLA）、選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）、分層實(shí)體造型（LOM）、三維打印（3DP）、熔融沉積造型（FDM）等[2]，上述RP技術(shù)以激光或者電子束為熱源，存在成型設(shè)備運(yùn)營維護(hù)成本高、成型效率低等局限。

基于常規(guī)弧焊工藝直接金屬成型技術(shù)，使用廉價(jià)的弧焊電源作為成型使用能源，以成熟的焊接工藝作為成型依托，結(jié)合數(shù)字控制技術(shù)與層疊制造原理，形成金屬材料零件，是金屬快速成形技術(shù)的研究熱點(diǎn)和重要發(fā)展方向。等離子弧具有弧柱溫度高、弧柱集束性好、熱影響區(qū)小、加工柔性及成型精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且設(shè)備成本遠(yuǎn)低于激光金屬成型方法，而成型效率明顯高于激光直接成型。目前等離子熔覆加工受工件尺寸和形狀限制，大部分情況下還需手動加工，不可避免地出現(xiàn)加工誤差[3]。本研究以等離子弧快速成型設(shè)備研制為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于PLC和觸摸屏的控制系統(tǒng)，經(jīng)過試驗(yàn)，證明此控制系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)組成

等離子弧金屬快速成型技術(shù)是以等離子弧為熱源，熔化金屬基體（或前層熔積金屬）和金屬填充材料，由計(jì)算機(jī)控制三維運(yùn)動機(jī)構(gòu)和變位機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的層積路徑提供運(yùn)動軌跡掃描，控制等離子弧在層積路徑形成移動的金屬熔池，熔融金屬經(jīng)過快速凝固形成所需的金屬功能零件[4]。

等離子弧金屬快速成型系統(tǒng)由快速成型控制系統(tǒng)、焊接電源、送絲機(jī)、水冷循環(huán)系統(tǒng)組成，其中快速成型控制系統(tǒng)包括歐姆龍CP1H-PLC、觸摸屏和電源開關(guān)按鈕等硬件系統(tǒng)以及對上述硬件系統(tǒng)進(jìn)行控制的PLC程序和人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

圖1 金屬快速成型設(shè)備原理

2 等離子快速成型設(shè)備的控制原理

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的輸入信號包括：觸摸屏和操作點(diǎn)上的電源開關(guān)按鈕、控制按鈕、設(shè)備急停按鈕?？刂葡到y(tǒng)的輸出信號包括：控制中間繼電器的信號，觸摸屏和操作點(diǎn)上按鈕、控制步進(jìn)電機(jī)上升、停止以及變位機(jī)的啟動、停止等信號。由于在等離子弧快速成型過程中參數(shù)調(diào)節(jié)較多，尤其對成型過程時(shí)序的控制比較復(fù)雜，選用CP1H型PLC作為控制核心[5]，配有CP1W-CIF11通信模塊及RS-485通信接口，實(shí)現(xiàn)PLC與觸摸屏數(shù)據(jù)間的快速交換。PLC開關(guān)信號控制各個(gè)繼電器線圈的通斷，經(jīng)過繼電器線圈輸出DC 24 V信號控制快速成型設(shè)備的各個(gè)單元，按照金屬快速成型工藝的時(shí)間順序開始工作。

設(shè)計(jì)了智能化操作控制的人機(jī)界面，采用威綸通MT6070iH3觸摸屏，與PLC通過串口通信模塊CP1W-CIF11進(jìn)行RS-485總線通訊，可完成快速成型設(shè)備各工藝狀態(tài)的設(shè)置與顯示，并對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行報(bào)警和記錄。

該金屬快速成型設(shè)備控制系統(tǒng)主要由CP1HPLC和控制設(shè)備動作的繼電器兩部分組成。當(dāng)收到成型開始的程序信號時(shí)，PLC從開關(guān)量輸出模塊的端子輸出24 V直流電壓信號，每個(gè)PLC的輸出信號接一個(gè)中間繼電器線圈，通過控制其觸點(diǎn)動作來控制該成型設(shè)備的各個(gè)單元。PLC控制系統(tǒng)如圖2所示。CP1H-PLC的I/O口的地址分配如表1所示。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖2 PLC控制系統(tǒng)

表1 I/O地址分配

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PLC程序和人機(jī)界面程序，采用歐姆龍CX-Programmer與威綸通Easy Builder8000組態(tài)軟件進(jìn)行編程。PLC控制單元作為系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，并向外圍設(shè)備發(fā)出命令和接收由外圍設(shè)備返回的信號[6]。程序流程如圖3所示。

軟件要完成的控制功能包括：實(shí)現(xiàn)金屬快速成型設(shè)備各個(gè)單元按照金屬快速成型工藝的時(shí)間順序開始工作；完成RS-485總線通訊功能；工藝參數(shù)預(yù)置及掉電保存；系統(tǒng)故障及報(bào)警。其程序開發(fā)內(nèi)容包括硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通信組態(tài)和程序設(shè)計(jì)。在CX-Programmer程序設(shè)計(jì)中，通過高速計(jì)數(shù)器0中斷來完成對應(yīng)設(shè)備不同的任務(wù)要求，即使用目標(biāo)值一致中斷，編制啟動中斷任務(wù)實(shí)現(xiàn)中斷。

圖3 程序流程

快速成型設(shè)備控制系統(tǒng)的人機(jī)界面采用威綸通MT6070iH3觸摸屏，通過CP1W-CIF11通信模塊與PLC相連，實(shí)現(xiàn)PLC與觸摸屏之間的通訊。將設(shè)定的參數(shù)值發(fā)送至PLC控制器，采用可視化的人機(jī)交互系統(tǒng)，數(shù)據(jù)交換采用配方數(shù)據(jù)傳輸，成型工藝參數(shù)設(shè)置簡單、迅速，成型過程顯示直觀，操作更為靈活?？焖俪尚驮O(shè)備控制系統(tǒng)人機(jī)界面如圖4、圖5所示，有開機(jī)主畫面、快速成型工藝參數(shù)設(shè)定和參數(shù)監(jiān)控顯示等。在滿足快速成型要求的同時(shí)，用戶可以手動調(diào)節(jié)成型工藝參數(shù)。該控制系統(tǒng)有自動和手動兩種，調(diào)至自動時(shí)，整個(gè)快速成型過程根據(jù)PLC設(shè)定的程序依次進(jìn)行。

圖4 人機(jī)界面主窗口

畫面設(shè)計(jì)了急停按鈕與狀態(tài)指示燈，可處理和監(jiān)控緊急情況，當(dāng)按下急停按鈕時(shí)，畫面里相對的急停狀態(tài)指示燈變?yōu)榧t色。

3 快速成型實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

實(shí)驗(yàn)基座為板材Q235鋼，尺寸90 mm×85 mm× 10mm，焊絲采用AWS A5.18 ER70S-6，直徑0.8mm，系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

圖5 成型參數(shù)預(yù)置窗口

表2 快速成型系統(tǒng)參數(shù)

圖6為等離子弧絲材熔覆成型的金屬桶狀零件，零件成型精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖6 等離子快速成型零件

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種以歐姆龍CP1H-PLC為控制核心，并結(jié)合MT8070iH3觸摸屏的等離子弧快速成型設(shè)備控制系統(tǒng)，采用可視化的人機(jī)交互系統(tǒng)，成型工藝參數(shù)設(shè)置簡單。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對等離子弧快速成型設(shè)備熔覆裝置、送絲裝置、變位機(jī)、焊槍運(yùn)動機(jī)構(gòu)以及零件制造過程中各種規(guī)范參數(shù)的有效控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)金屬零件穩(wěn)定、可靠的成型，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

[1]盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打印）技術(shù)發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動化，2013（04）：1-4.

[2]楊永強(qiáng)，劉洋，宋長輝.金屬零件3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].機(jī)電工程技術(shù)，2013，42（4）：1-7.

[3]嚴(yán)大考，張潔溪，唐明奇，等.等離子熔敷技術(shù)的研究進(jìn)展[J].熱加工工藝，2015（04）：20-24.

[4]向永華，徐濱士，呂耀輝.基于微束等離子熔敷的直接金屬快速成型系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2010（5）：56-58.

[5]肖軍，陳克選，柴廷璽.鎳板拼接等離子弧焊控制系統(tǒng)的研制[J].電焊機(jī)，2013，43（9）：25-27.

[6]袁亮文，陳克選，魏萬奎，等.鎳直縫管自動焊接設(shè)備研制[J].電焊機(jī)，2015，45（10）：17-22.

Design of plasma arc metal rapid prototyping equipment control system

XU Keke，CHEN Kexuan，YUAN Liangwen，QIU Wenjie
（School of Materials Science and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

The arc temperature of plasma arc is twice as high as that of common arc，while the arc divergence is very small，and HAZ is very small in plasma arc welding，so the molding precision of the parts made by plasma arc welding is very high.And there is no defect in the high costs of laser and electron beam equipments，therefore，the use of plasma arc as heat source for material manufacturing has become a research hotspot.According to the main characteristics of metal rapid prototyping and technological process，a plasma arc metal rapid prototyping equipment control system is designed with CP1H-PLC as the control core，and is equipped with the MT8070iH3 touch screen and MY2NJ-OMRON intermediate relay unit.This control system is adopted in a test under suitable conditions，the forming parts meet the design requirements，which proves that the control system is reliable and stable in performance.The results show that the appropriate molding process parameters of the PTA material manufacturing are preliminarily grasped.

PLC control；plasma arc；rapid prototyping

TG457.1

A

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻(xiàn)

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于UG的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)[J].電焊機(jī)，2017，47（01）：1-6.

2016-12-01

許可可（1988—），男，河南太康人，在讀碩士，主要從事焊接過程控制與設(shè)備的研究。