阴极轨迹式平动型电铸机床PLC控制系统设计与实验.pdf

电加工与模具} 2 0 1 4 年第6 期 设 计 研 究 床身是机床 的主体 ， 采用立式设计结构 ， 包括 电铸反应槽 、 储液槽 、 循环泵 、 过滤柱 、 z两轴步 进驱动平 台、 平动阴极 、 悬挂式 阳极 、 p H计探头 、 钛 加 热 器 、 温 度计 探头 、 液位 开关 等 零部 件 ， 主要结 构 材料选用耐腐蚀的 P P塑料。电气控制柜主要包括 P L C控 制 器 、 触 摸 屏 人 机 交 换 界 面 、 步 进 电机 驱 动 器 、 控制循环泵和加热器的继电器按钮开关等 。 1 ． 2控制 要求 机床采用基于 P L C的控制系统 ，其控制要求 为 ① 能实现 阴极在 z轴平 面的轨迹式循环运 动 ． 且有多种轨迹 的平动模式供选择 ； ② 能实现 阴 极在 z轴平面的点动；③ 能实现对铸液温度的 P I D控制 ； ④ 能实时监测 p H值 、 液位等物理量 。 2控制 系统设计 2 ． 1 控 制 系统结构 2 ． 1 ． I X Z两轴轨迹式运动控制系统结构 基于 P L C控制器的平 面插补计算通常需要增 加价格昂贵的定位模块。阴极轨迹式平动型电铸机 床 只需 控制 阴极 在平 面 内按 一定 的轨迹 运行 ， 精 度 要求不高。 因此可直接通过控制 P L C两个高速脉冲 输 出口的脉冲频率和脉冲方 向来实现 ， 其运 动控制 系统结 构见 图 2 。本机 床设 计 了两 种 阴极平 动轨 迹 模 式 图 3 。 图 2 Z平动轨迹控制系统结构 Z轴 ∞ ‘ A ＼ ／ ＼ ／ ＼ 一 口 Z轴 a 阴极平动轨迹之一 一 ～’ i ＼ ＼ 删 b 阴 极 半 动 轨 迹 之 二 图 3阴极 平 动 轨 迹 2 ． 1 ． 2 温度 P I D控制系统结构 电铸液温度是影响电铸成形的重要因素 ， 温度 过高或过低都将影响铸层成形精度。为保证电铸加 工精度 ， 必须精确控制 电铸机床 的铸液温度 ， 其温 控系统 结构 见 图 4 。 图 4温 度 P I D控 制 系 统结 构 工业上广泛使用 的控制方法是采用基于差值 信号 的比例 、 积分和微分进行控制量 的计算 ， 即增 量式 P I D计算法[9 l 。其控制规律的数学模型为 r ， 1 7 1 U o _ 1 [ e f一 表 葫 式中 为采集周期 ； e 、 e 、 e 之为 t 时刻 、 t - 1 时刻 和 一 2 时刻的差值信号 。 机床采用 P L C与 HM I 相结合的方式来控制铸 液温度。通过触摸屏设定铸液温度值 ， 温度传感器 检测铸液温度高于或低于设定值时 ， P L C将 自动进 行 P I D计算 。 根据计算结果来执行程序关闭或启动 加热器 。 2 ． 1 ． 3 液位 控制 系统结 构 电铸成形过程 中， 铸液从储液槽中经循环泵抽 入 过 滤 柱 ， 然 后 进 入 电铸 槽 发 生 电化 学 反 应 ， 再 回 流到储液槽 中。加工过程 中， 电铸槽 的液位是动态 变化的 ， 为保证 电铸工艺的稳定 ， 需控制稳定的液 位。 机床设计了基于 P L C的液位 自动控制系统结构 图 5 [ 1 o l 。当液位传感器检测到液位高于或低于设 定 的液位高度时 ， P L C将 执行 液位程序控制模 块 ， 控 制循 环泵 的关 闭和开 启 。 5液 位 控 制 系 统结 构 2 ． 2 硬 件选型 2 ． 2 ． 1 P L C的选 型 P L C是计算机技术和继 电器逻辑控制技术相 结合的一种新型控制器， 按结构形式可分为整体式 和模块式两类 ，且模块式 的应用较广。本 文选用 F XI N一 2 4 MT控制器 ，该控制器具有两路高速脉冲 输 出 口 ，可用 于对 Z两轴 步进 电机 的运 动 控制 。 选用的模拟量输入输出模块型号为 F X O N 一 3 A， 该模 块具有 2道 A ／ D输入和 l 道 D ／ A的模拟量输 出。 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 将 人 和 机器连为一体 的人机交互界面。本文选用T K 6 0 7 0 i P 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 。 电加工与模具} 2 0 1 4 年第 6 期 设 计 研 究 和电铸液液位 ， 工艺稳定性 良好。电铸实验结果 表 明， 采用轨迹式平动阴极进行 电铸 比采用静止不动 的阴极电铸得到的模具成形精度更高、 质量更好。 参考文献 [ 1 ] Ma c G e o u g h J A， L e u M C， R a j u r k a r K P ， e t a 1 ． E l e c t r o f o r mi n g p r o c e s s a n d a p p l i c a t i o n t o mi c r o ／ ma c r o ma n u f a c - t u r i n g 【 J 1 ．C I R P A n n a l s Ma n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 1 ， 5 0 2 4 9 9 5 1 4 ． 【 2 】T a n Y J ， L i m K Y ． U n d e r s t a n d i n g a n d i mp r o v i n g t h e u n i f o r mi t y o f e l e c t r o d e p o s i t i o n 『 J ] ．S u r f a c e a n d C o a t i n g s T e c h n o l o g y， 2 0 0 3， 1 6 7 2 2 5 5 2 6 2 ． 【 3 ] Y a n g J i a n m i n g ， K i m D H， Z h u D i ， e t a 1 ． I mp r o v e m e n t o f d e p o s i t i o n u n i f o r mi t y i n a l l o y e l e c t r o f o r mi n g f o r r e v o l v i n g p a n s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u ma l o f Ma c h i n e T o o l s a n d Ma n u f a e t u r e， 2 0 08 ， 4 8 3 3 2 9 3 3 7 ． [ 4 ] J o h n S ， A n a n t h V， V a s u d e v a n T ．I mp r o v i n g t h e d e p o s i t d i s t rib u t i o n d u rin g e l e c t r o f o rm i n g o f c o mp l i c a t e d s h a p e s [ J 1 ． B u l l e t i n o f E l e c t r o c h e m i s t r y ， 1 9 9 9 ， 1 5 2 0 2 2 0 4 ． [ 5 ]L e e J M， H a c h m a n J T ， K e l l y J J ， e t a 1 ．I mp r o v e me n t o f c u r r e n t d i s t ri b u t i o n u n i f o rm i t y o n s u b s t r a t e s for mi c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s 『 J ] ．J o u r n a l o f M i c r o ／ N a n o l i t h o g r a p h y， ME MS， a n d MOE MS， 2 0 0 4， 3 1 1 4 6 1 5 1 ． [ 6 ] L e e J M， Mc C r a b b H， T a y l o r E J ， e t a 1 ． C u r r e n t d i s t r i b u t i o n f o r t h e me t a l l i z a t i o n o f r e s i s t i v e w a f e r s u b s t r a t e s u n d e r c o n t r o l l e d g e o me t r i c v a ri a t i o n s [ J ] ． J o u r n a l o f t h e E l e c t r o c h e mi c a l S o c i e t y， 2 0 0 6， 1 5 3 4 C2 6 5 一 C 2 7 1 ． [ 7 1 M a i l e r C ， S a r r e t M， A n d r e u T ． Z n M n a l l o y s o b t a i n e d u s i n g p u l s e ， r e v e r s e a n d s u p e r i m p o s e d c u r r e n t m o d u l a t i o n s 【 J ] ． E l e c t r o c h i mi c a Ac t a， 2 0 0 3， 4 8 1 7 2 3 9 7 - 2 4 0 4 ． [ 8 】 T s a i W C， Wa n C C， Wa n g Y Y ．F r e q u e n c y e f f e c t o f p u l s e p l a t i n g o n t h e u n i f o rm i t y o f c o p p e r d e p o s i t i o n i n p l a t e d t h r o u g h h o l e s[ J 】 ． J o u r n a l o f T h e E l e c t r o c h e m i c a l S o c i e t y， 2 0 0 3， 1 5 0 5 C2 6 7 一 C 2 7 2 ． [ 9 】 陈炳和． 计算机控制原理与应用[ M 】 ． 北 京 北京航 空航 天 大学 出版 社 ． 2 0 0 8 ． [ 1 0 ] 陈远龙 ， 陈辉 ， 曹雪涛． 2万安培大型电解加工机床 P L C 控 制系统 的研制[ J ] ． 电加工与模具 ， 2 0 1 4 1 5 7 5 9 ． 上接 第 2 0页 3 ． 2 机械 结 构 的设 计及 组成 整个设备 的改造以万能摇臂铣床为基础 ， 摇臂 头可前后伸缩 ， 满足大平面加工要求。在铣床夹头 下方装有 坐标轴工作台 ，可实现单方 向的进退 ； 在 工作 台上方装有能实现 回转运动的分度盘 ， 工作 台 的移动和 回转分度盘的旋转都 由步进电机驱动。将 铣 床 的铣 刀换 成一 定 结构 的紫铜 电极 。 考虑 到 加工 表 面 较大 ， 在 设 计 工具 电极 时 ， 需 将 电 极 盘尽 量设 计得 大 一 点 ， 电极 盘 的直 径通 常 为工 件 直径 的 1 ／ 6 ， 电极 盘 的形状类 似 铣刀形 状 。 考虑到电极进 电的问题 ， 在铣床主轴头上装有 碳刷装置。工件安装在分度盘上 ， 分度盘由步进电 机带动旋转。利用铣床主轴 、 分度盘的旋转及工作 台的进给， 可实现大平面加工。在实际加工中 ， 还需 考虑电极 冲液的问题。工作液由高压泵输送到电极 与工件 的间隙处 ， 高压泵配有调节阀 ， 可在线调压 。 在 工作 台周 围 留有导 向槽 ， 电解 液 顺着 导 向槽 流 人 回收箱 。在电火花磨削过程 中， 电解液沿着电极的 旋转方 向进行冲液 ， 由于加工速度较慢 。 冲液压力 一 般不需太大。电极 与工件之间存在相对运动 ， 因 而放 电过程 较顺 畅 。 3 - 3 伺 服及运 动控 制 伺 服 控 制 是 电火 花放 电加 工 能 否 顺 利 进 行 的 关键 。为 了使 电极与工件之间保持一定 的放 电间 隙 ， 伺服系统需具有一定的稳定性和可靠性 。电极 与工件之间维持一定的放 电间隙， 电火花加工就能 得到一个最大的蚀除速度 ， 还能根据放电状态的好 一 3 6 一 坏 自动 调 整放 电间 隙 ． 保 证加 工 稳定 进 行 。在 大平 面电火花磨削加工 中． 由于加工面积较大 ， 电极损 耗 较严 重 ， 加 工表 面 的形 状误 差 很 大 。为 了提 高 加 工表面质量 ， 可采用整体补偿 的方法。伺服控制主 要 由铣床 的主轴完成 ， 工作台的运动控制主要保证 放 电的稳 定性 ， 即发生短路或拉弧 时 ， 工作台迅速 回退 。 4 结语 碳化硅硬脆材料 的大平面加工将是今后科研 工作 者研 究 的热 点 ， 寻 找 到合 适 的加工 方 法是 解 决 该问题的关键。通过对万能摇臂铣床进行改造 ， 设 计相应的进给系统 、冲液系统及伺服控制 系统 ， 可 实现大型平面的加工。加工表面质量较好 、 效率较 高 、 成本较低 ， 但该装置加工精度不高等问题还有 待改 进 。 参 考文献 [ 1 ] 李 朝强 ， 王春生 ， 彭 晓红． 电火 花铣削加工 的原理 与设 计『 J 1． 中国高新技术企业 ， 2 0 0 9 ， 1 2 8 1 7 3 8 3 9 ． 【 2 1 霍盂友 ， 张建 华 ， 艾兴． 电火花放 电加 T间隙状 态检测 方法综述『 J I ． 电加 工与模具 ． 2 0 0 3 3 l 7 2 0 ． 【 3 1 张桂香 ， 赵庆志． 电火花磨削加工状态的识别与伺服控 制f J 1 ． 制造技术与机床 ， 2 0 0 7 1 6 2 6 4 ． f 4 】 张 勤俭 ． 电火 花磨削过程 的计 算机 动态仿真 及其软件 开发【 J J ． 电加工与模具 ， 2 0 0 5 2 2 1 2 3 ． 【 5 ] Z h a o Y， K u n i e d a M， A b e K ． E x p e r i me n t a l i n v e s t i g a t i o n s i n t o E D M b e h a v i o r s o f s i n g l e c r y s t a l s i l i c o n c a r b i d e [ J 1 ． P r o c e d i a C I RP， 2 01 3， 6 1 3 5 1 3 9 ．