2万安培大型电解加工机床PLC控制系统的研制.pdf

工 艺 装备 电 加工与模具 2 0 1 4 年第1 期 2万安培大型电解加工机床 P L C 控制系统的研制 陈远龙 ， 陈辉 ， 曹雪涛 合肥工业大学特种加工研究所 ， 安徽合肥 2 3 0 0 0 9 摘要 介绍了 2万安培大型三轴卧式数控 电解加工机床的结构 、 特点及控制要求。为 了满足 电 解加工机床 的加工要求 ． 采用 了P L C与触摸屏相 结合的先进控制 系统、 电解液温度 自动控制 系统 和电解液液位 自动控制系统。 设计 了控制 系统的总体结构图、 温控 系统结构 图、 液位控制 系统结构 图， 并进行 了关键硬件的选型、 P L C程序模块的设计和触摸屏界面的设计。 关键词 电解加工机床 ； 控制系统 ； 可编程控制器 ； 触摸屏 中图分类号 T G 6 6 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 2 7 9 X 2 0 1 4 0 1 0 0 5 7 0 3 Th e De s i g n a n d I mp l e me n t a t i o n o f 2 0 0 0 0 Amp e r e s NC ECM M a c h i n e s P LC Co n t r o l S y s t e m C h e n Y u a n l o n g ， C h e n Hu i ， C a o Xu e t a o H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， He f e i 2 3 0 0 0 9 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e s t r u c t u r e ， c h a r a c t e r i s t i c s a n d c o n t r o l r e q u i r e me n t s o f 2 0 0 0 0 a mp e r e s o f l a r g e t r i a x i al o f h o riz o n t a l NC e l e c t r o c h e mi c a l ma c h i n e s a r e d e s c ri b e d ． T h e a d v a n c e d c o n t r o l s y s t e ms o f c o mb i n i n g P L C a n d t o u c h s c r e e n f o r t h e e l e c t r o c h e mi c al ma c h i n e t o o l s ， e l e c t r o l y t e t e mp e r a t u r e a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m a n d e l e c t r o l y t e l i q u i d l e v e l a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m a r e a p p l i e d ．T h e o v e r a l l s t ruc t u r e o f t h e c o n t r o l s y s t e m， t e mp e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m s t ruc t u r e， a n d l i q u i d l e v e l c o n t r o l s y s t e m s t r u c t u r e a r e d e s i g n e d ． Th e s e l e c t i o n o f t h e k e y h a r d wa r e t y p e， t h e d e s i g n o f P L C p r o g r a m mo d u l e a n d t h e d e s i g n o f t o u c h s c r e e n i n t e r f a c e a r e c a r r i e d o n ． Ke y wo r d s e l e c t r o c h e mi c al ma c h i n e s ； c o n t r o l s y s t e m； P L C； t o u c h s c r e e n 电解加工机床 是利用 电化学 阳极溶解原理 加 工工件的特种加工机床 。 主要用于加工航空 、 航天 、 汽车 、 兵器等工业领域的一些难加工金属材料【 lJ 。本 文设计 的电解加工机床为 2万安培三轴卧式机床 ， 其主要技术参数如下 轴 横移工作台 工作行程 ≥ 3 0 0 mm； Y轴 纵移工作 台工作行程 ≥ 3 0 0 mm； Z轴 滑枕头 工作行程 I5 0 0 m m； X ／ Y ／ Z轴快 动 速 度 3 0 0 mm ／ mi n ； ／ y ／ z轴 点 动 速 度 1 0 mm ／ mi n ； 阴极进给速度 0 ． 1 ～ 1 0 m m ／ m i n 。 1 机床结构及控制要求 1 ． 1 机床结构 三轴 卧式 电解加工 机床 由床身 、 工作 台、 工作 收稿 日期 2 0 1 3 0 9 3 0 第一作者简介 陈远龙 ， 男 ， 1 9 6 4年生 ， 教授 ， 博 士生导师 。 箱 、 滑枕头 、 进给系统 、 导 电系统等组成 ， 见图 1 。 1 ． 尾座2 ． 滑轮组3 ． 纵移工作台4 ． 横移工作台5 ． 工作台 6 ． 阴极 安装板7 ． 导轨8 ． 导轨座9 ． 滑枕1 O ． 滚珠丝杠 l 1 ． 伺服电机1 2 ． 主轴箱1 3 ． 床身 图 1 机床结构示意图 床 身是机床 的基础部件 ， 采用卧式 、 整体铸造 结构。工作台采用花岗岩材料制成 ， 刚性好 ， 不会吸 潮变形 ， 绝缘强度高 ， 易于达到高精度。工作箱是进 一 5 7 电加工与 模具 2 0 1 4 年第1 期 工 艺 装备 行电解加工 的场所 ， 工作箱罩采用不锈钢板焊接结 构。滑枕头 由滑枕体 、 导轨 、 阴极安装板三部分组 成。进给系统为交流伺服电机拖动 、 高精度滚珠丝 杠传动的半闭环系统。导 电系统由可控硅直流稳压 密封水冷电源 、 水冷电缆 、 导电铜排等组成[ 2 1 。 1 ． 2 控 制要 求 该机床要求采用基于 P L C的控制系统 ． 其控制 要求为 ① 能控制加工参数， 并显示参数的实测值； ② 具有手动加工、自动加工、定时加工等方式； ③ 具有过电流、 掉速度、 欠电压等保护功能； ④ 有紧急 停止开关 ， 出现故障时能 自动报警 ， 并关闭电源 、 电 解液泵和机床。 2 硬件设计 2 ． 1硬 件结 构 2 ． I ． I 控制系统总体结构 为实现机床的控制要求 。 设计 了基于 P L C的控 制系统 ， 其总体结构见图 2 【 3 】 。 1 参数控制 通过触摸屏 与 C J 1 M C P U 2 2连 接 ， 能实现对加工参数的控制 。 2 位置控制 通过 C J 1 M C P U 2 2与 2个伺 服 驱动器连接 ， 能实现对横移工作台、 纵移工作台的 位置控制 ； 通过位置控制单 元 、 高速计数器单元 与 伺服驱动器连接， 能实现对阴极的位置控制。 3 开关 量控 制 通过开关量输入单 元接受开 关信号 ，开关量输 出单元输 出信号给执行继电器 。 能实现对机床动作的控制。 4 模拟 量控制 通过模拟量输入单元与脉冲 电源、 温度传感器 的连接 ， 能实现对加工电压 、 加工 电流、 电解液温度等模拟量的控制。 5 上位 机控制 通过上位机与 串口通信单元 的连接 ， 能实现对加工现场的远程控制。 c 期 电溥 举五 P ／ S R l I卜 47PlI母 冠 l啦 巍 饲 魁 电 lfL l ‘’I1 {TPU22 _ 1 } 元 厂 C ij j 112 1 j l 髓7挝 譬} _瓣 ． C J 一 I132 】 1 L 鞫 ＼ 冗 变 滤 馈 帆 l C ．I ，1 U 2 1 1 曲嚣 卜 缝也 出 b M Ii 5 5 4 Jl P CI 0 ～ n ’ 2 ] 1 l { 灌 n 嚣 I- 疆 } ⋯ 冗 j ’ 1 z 1 1 精 电器蝻出书元 I l 一 ’ 2 ， 1 能 艘枣 J 冠 渡精 奄帆} tI ’ 0 1 1 鼙 l 穑嚣 卜 腻 譬 一 5 I 逛计数堆冗 r J 1 V C T 0 2 l I 簿 卜 壤 抱船 蝻 犁 ， b C t Y -A D O 4 1 幅 终 嚣 l 嘲 i I 通婿 ‘ ． [ 四 】 S n 4 卜 V l 一 5 8 一 图 2控制系统总体结构 图 2 ． 1 ． 2 控制系统伺服结构 综合考虑控制要求 、 成本等多方 面因素 ． 本文 采用了半闭环交流伺服系统 ， 其结构见图 3 。 图 3半 闭环 伺 服 系 统 结构 图 P L C发送指令信号给伺服驱动器 ， 伺服驱动器 发送脉冲序列给伺服电机的同时 。 光电编码器采集 信号反馈到伺服驱动器 ， 伺服电机通过丝杠带动滑 枕。采用这种半闭环伺服系统的主要优势有 ① 交 流伺服 系统在稳定性 、 快速性 、 准确性等方面都优 于步进驱动系统； ② 半闭环控制系统较开环控制系 统具有位置反馈， 能提高位置精度 ； ③ 半闭环控制 系统较闭环控制系统能降低设计的复杂性 ， 提高设 备的经济性。 2 ． 1 ． 3 温度控制系统结构 电解液温度是影 响电解加工的因素之一 ， 温度 过高或过低 ， 均可能导致短路 、 烧伤 ， 还可能引起工 件甚至工作箱热变形 。因此， 为了保证加工精度 。 采 用恒温 或控制温度变化范围 加工 ， 其温控系统结 构见 图 4 图 4温 控 系统 结 构 图 本文采用 P L C和触摸屏相结合的方式来控制 电解 液 的温度 。 1 通过触摸屏预设 电解液温度值 ， 当温度传 感器检测 到电解液温度高于或低 于设定值时 ， P L C 会执行程序关闭或开启加热器。 2 通过 P L C内部定时器设定定时时间 ， 设定 时间值一到 ， P L C会执行程序开启加热器。 3 加热器是一种大功率设备 ， 本文利用可控 硅来调节加热器的开启和关 闭。 2 ． 1 ． 4 液位控制系统结构 在 电解加工中．电解液一般要经过沉淀槽 、 加 温槽 、 加工 区， 再到沉淀槽 的循环 。因此 ， 加温槽液 位是动态变化的。为了保证加工过程中加温槽液位 的稳定 ．本文设计 了基于 P L C的液位 自动控制系 统 ， 其结构见图 5 。 图 5 液控 系统结构 图 工 艺 装备 电加工与模具} 2 0 1 4 年第 1 期 当液位传感 器检测 到液 位高于或低于设定值 时 ， P L C执行液位程序控制模块来控制补液泵的关 闭和开启。 2 ． 2硬 件选型 2 ． 2 ． 1 P L C的选型 P L C是 计算机技术与继 电器 逻辑控制技术相 结合的一种新型控制器 ， 其与计算机辅助设计 与加 工 C A D ／ C AM 、 机器 人 R O B O T 一起 成为 当代工 业 自动化的三大支柱。P L C按结构形式可分为整体 式和模块式两类 ， 其中应用较广的是模块式 。 本文选用 型号为欧姆龙 C J 1 W C P U 2 2的模块 式 P L C， 其优点在于输入输 出点数多 ， 模块组合灵 活且便于扩展。 2 ． 2 ． 2 触摸屏的选型 工业触摸屏是通过触 摸式工业显示器把人 与 机器连为一体的人机交互界面。工业触摸屏按工作 原理可分为电阻式 、 电容式 、 红外线式 、 表面声波式 等 4种类型， 其中应用最广 的是电阻式触摸屏。 本文选用型号为威伦 MT 8 1 2 1 T的电阻式 触摸 屏 ， 其优点在 于工作环境与外界 隔离 ， 抗干扰 能力 强 ， 可用任何物体触摸。 2 ． 2 ． 3 交流伺服电机及其驱动器的选型 设计伺服系统 的重要环节是伺服 电机及其驱 动器的选型 ， 选型主要考虑的因素有负载／ 电机惯量 比、 转速、 转矩 、 矩频特性曲线等嗍 。综合考虑这些因 素 ， 本文选用的交流伺服 电机及其伺服驱动器分别 为 轴 MS MD 0 4 2 G1 A、 MB D H T 2 5 1 0 E y轴 MS MD 0 8 2 G1 B、 MC DH T 3 5 2 0 H Z轴 MS ME 1 0 2 G C G、 MD D H T 5 5 4 0 E。 3 软件设计 3 ． 1 P L C 程序 设计 为实现机床 的控制要 求 ，设计 了软件流 程图 图 6 ， 以此进行程序的编写。为了降低编写难度 ， P L C程序采用模块化结构进行编写【 5 ] 。 1 手动加工模块 手动控制 电解加工循 环过 程 。 包括手动加 电加液 ， 手动调节 加工电压和加工 电流 。 加工结束 时手动断电断液 ， 手动返 回机 床原 点等。 2 自动加工模块 自动控制 电解加工循 环过 程 。 包括 自动加 电加液 ， 自动调 节加工电压和加工 电流 ， 加工结束 时 自动断电断液 ， 自动返 回机床原 点等。 3 定 时加工模块 实现 阴极在某一预定 位置 停 留指定 时间． 然后 自动返 回机床原点 ， 停 留的时 间用触摸屏设定 。 4 自动对刀模块 电解加工前 ， 自动对刀确认 机床原点。 5 温度控制模块 控制电解液温度 的稳定 ， 避 免温度过高或过低。 6 断 电保护模块 当加工过程中电解 电源意 外断电时， P L C执行输入 中断程序 ，阴极立 即停止 进给运动。 7 联锁保护模块 当检测 到加工 电压 和电解 液压力过高或过低时， 阴极立即停止进给运动。 图 6软件 流 程 图 3 ． 2 触 摸屏 程序 设计 本着操作方便和美观大方的原则 ， 本文设计 的 触摸屏界面包括准备界面、 参数设定 图 7 、 手动加 工 、 自动加工 图 8 、 自动对刀、 报警查询等 6个基 本界面[ 6 1 。 补搂 速度匾 点 动速 度哺 零 习 良 功速 度丽 ； 间 隙设定 艏 日 襁 起 点匝 二 加工目豫 嚣 对刀速度葡 固 圜 囵 回 Z 囵 固 固 固 日 囵 4 总结 图 7 参数设定界面 下转第 6 2页 一 5 9 一 蔓 压速问 电前时 护点时 操零定