鄭文書，郭鐘寧，江樹鎮(zhèn)，羅紅平

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

陰極軌跡式平動(dòng)型電鑄機(jī)床PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

鄭文書，郭鐘寧，江樹鎮(zhèn)，羅紅平

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

對陰極軌跡式平動(dòng)型電鑄機(jī)床的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。機(jī)床采用基于PLC與觸摸屏相結(jié)合的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)陰極的軌跡式平動(dòng)、溫度的PID控制及液位的穩(wěn)定控制。應(yīng)用該機(jī)床進(jìn)行精密模具的電鑄成形實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：采用軌跡式平動(dòng)的陰極進(jìn)行電鑄比采用靜止不動(dòng)的陰極電鑄得到的模具成形精度更高、質(zhì)量更好。

陰極平動(dòng)；電鑄機(jī)床；電鑄成形；可編程控制器

電鑄是一種重要的增材成形制造工藝，其本質(zhì)屬于電化學(xué)沉積工藝。理論上，這類工藝能達(dá)到納米級的制造精度，適用于制造形狀復(fù)雜、精度要求高的金屬零部件；且工藝過程簡單方便、成本低，便于大批量生產(chǎn)，故具備廣闊的應(yīng)用前景[1]。

電鑄工藝應(yīng)用中經(jīng)常遇到鑄層不均勻的問題，研究人員嘗試從以下幾方面來改善鑄層均勻性的問題：①調(diào)整鑄液成分以獲得適合的電導(dǎo)率和陰極極化條件[2-3]；②利用象形陽極、輔助電極和屏蔽陰極[4-6]；③采用脈沖和負(fù)向脈沖電源[7-8]。

本文從改善電鑄過程中陰極的傳質(zhì)條件和電場分布入手，以PLC為控制核心，設(shè)計(jì)陰極軌跡式平動(dòng)的電鑄機(jī)床控制系統(tǒng)，最終達(dá)到改善鑄層均勻性的目的。

1 機(jī)床結(jié)構(gòu)及控制要求

1.1 機(jī)床結(jié)構(gòu)

陰極軌跡式平動(dòng)型電鑄機(jī)床由床身、電氣控制柜、電鑄電源等組成（圖1）。

圖1 電鑄機(jī)床總體結(jié)構(gòu)

床身是機(jī)床的主體，采用立式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，包括電鑄反應(yīng)槽、儲液槽、循環(huán)泵、過濾柱、X-Z兩軸步進(jìn)驅(qū)動(dòng)平臺、平動(dòng)陰極、懸掛式陽極、pH計(jì)探頭、鈦加熱器、溫度計(jì)探頭、液位開關(guān)等零部件，主要結(jié)構(gòu)材料選用耐腐蝕的PP塑料。電氣控制柜主要包括PLC控制器、觸摸屏人機(jī)交換界面、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制循環(huán)泵和加熱器的繼電器按鈕開關(guān)等。

1.2 控制要求

機(jī)床采用基于PLC的控制系統(tǒng)，其控制要求為：①能實(shí)現(xiàn)陰極在X-Z軸平面的軌跡式循環(huán)運(yùn)動(dòng)，且有多種軌跡的平動(dòng)模式供選擇；②能實(shí)現(xiàn)陰極在X-Z軸平面的點(diǎn)動(dòng)；③能實(shí)現(xiàn)對鑄液溫度的PID控制；④能實(shí)時(shí)監(jiān)測pH值、液位等物理量。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1 X-Z兩軸軌跡式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于PLC控制器的平面插補(bǔ)計(jì)算通常需要增加價(jià)格昂貴的定位模塊。陰極軌跡式平動(dòng)型電鑄機(jī)床只需控制陰極在平面內(nèi)按一定的軌跡運(yùn)行，精度要求不高。因此可直接通過控制PLC兩個(gè)高速脈沖輸出口的脈沖頻率和脈沖方向來實(shí)現(xiàn)，其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。本機(jī)床設(shè)計(jì)了兩種陰極平動(dòng)軌跡模式（圖3）。

圖2 X-Z平動(dòng)軌跡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 陰極平動(dòng)軌跡

2.1.2 溫度PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電鑄液溫度是影響電鑄成形的重要因素，溫度過高或過低都將影響鑄層成形精度。為保證電鑄加工精度，必須精確控制電鑄機(jī)床的鑄液溫度，其溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 溫度PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工業(yè)上廣泛使用的控制方法是采用基于差值信號的比例、積分和微分進(jìn)行控制量的計(jì)算，即增量式PID計(jì)算法[9]。其控制規(guī)律的數(shù)學(xué)模型為：

式中：T為采集周期；ei、ei-1、ei-2為t時(shí)刻、（t-1）時(shí)刻和（t-2）時(shí)刻的差值信號。

機(jī)床采用PLC與HMI相結(jié)合的方式來控制鑄液溫度。通過觸摸屏設(shè)定鑄液溫度值，溫度傳感器檢測鑄液溫度高于或低于設(shè)定值時(shí)，PLC將自動(dòng)進(jìn)行PID計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來執(zhí)行程序關(guān)閉或啟動(dòng)加熱器。

2.1.3 液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電鑄成形過程中，鑄液從儲液槽中經(jīng)循環(huán)泵抽入過濾柱，然后進(jìn)入電鑄槽發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，再回流到儲液槽中。加工過程中，電鑄槽的液位是動(dòng)態(tài)變化的，為保證電鑄工藝的穩(wěn)定，需控制穩(wěn)定的液位。機(jī)床設(shè)計(jì)了基于PLC的液位自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖5）[10]。當(dāng)液位傳感器檢測到液位高于或低于設(shè)定的液位高度時(shí)，PLC將執(zhí)行液位程序控制模塊，控制循環(huán)泵的關(guān)閉和開啟。

圖5 液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 硬件選型

2.2.1 PLC的選型

PLC是計(jì)算機(jī)技術(shù)和繼電器邏輯控制技術(shù)相結(jié)合的一種新型控制器，按結(jié)構(gòu)形式可分為整體式和模塊式兩類，且模塊式的應(yīng)用較廣。本文選用FX1N-24MT控制器，該控制器具有兩路高速脈沖輸出口，可用于對X-Z兩軸步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。選用的模擬量輸入輸出模塊型號為FX0N-3A，該模塊具有2道A/D輸入和1道D/A的模擬量輸出。

2.2.2 觸摸屏的選型

工業(yè)觸摸屏是通過觸摸式工業(yè)顯示器將人和機(jī)器連為一體的人機(jī)交互界面。本文選用TK6070iP電阻式觸摸屏，其優(yōu)點(diǎn)在于工作環(huán)境與外界隔離，抗干擾能力強(qiáng)。

2.2.3X-Z兩軸運(yùn)動(dòng)平臺

陰極在X-Z平面的軌跡式平動(dòng)一方面影響陰極表面附近的金屬離子傳質(zhì)條件；另一方面，陽極位置相對固定，整個(gè)陰極不斷地循環(huán)運(yùn)動(dòng)，陰極上各個(gè)位置在整個(gè)電鑄周期中表現(xiàn)為整體式的電場分布均勻性。因此，陰極的軌跡式循環(huán)平動(dòng)能改善電鑄成形的加工精度。

綜合考慮定位精度、電機(jī)負(fù)載等因素后，本文選用的X-Z兩軸平臺，其每軸行程為150 mm，絲杠螺距為4 mm，兩個(gè)軸選用的步進(jìn)電機(jī)型號為42BYG01442，配套42系列的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。

2.3 PLC和HMI程序設(shè)計(jì)

2.3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)陰極軌跡式平動(dòng)型電鑄機(jī)床的控制要求，采用模塊化結(jié)構(gòu)編寫PLC程序（圖6）。

圖6 模塊化編程方案

（1）系統(tǒng)參數(shù)初始化：對X-Z軸步進(jìn)電機(jī)的頻率、鑄液溫度等參數(shù)進(jìn)行開機(jī)初始化。

（2）PID溫度控制模塊：穩(wěn)定控制鑄液的溫度，避免鑄液溫度波動(dòng)而影響電鑄成形精度，PID的控制參數(shù)采用“先比例后積分，最后再把微分加”的試湊法現(xiàn)場整定得到。

（3）液位控制模塊：實(shí)時(shí)監(jiān)控電鑄槽的液位信號，根據(jù)液位信號控制循環(huán)泵的啟停。

（4）陰極平動(dòng)模塊：設(shè)定陰極在X-Z軸的運(yùn)動(dòng)軌跡。分循環(huán)平動(dòng)和手動(dòng)兩個(gè)子模塊，手動(dòng)模塊可實(shí)現(xiàn)陰極在X-Z平面的手動(dòng)定位，循環(huán)平動(dòng)則按平動(dòng)軌跡分成“軌跡一”和“軌跡二”兩個(gè)模塊，供電鑄試驗(yàn)時(shí)選擇。

2.3.2 HMI程序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的觸摸屏界面包括主界面、操作臺界面和溫度控制界面等（圖7）。

3 加工試驗(yàn)

圖7 觸摸屏設(shè)計(jì)界面

采用陰極軌跡式平動(dòng)型電鑄機(jī)床進(jìn)行微流控芯片模具的電鑄成形試驗(yàn)，在其他電鑄工藝條件相同的情況下，對比了陰極靜止不動(dòng)和陰極軌跡式平動(dòng)兩種條件下的電鑄成形效果。陰極靜止不動(dòng)時(shí)，電鑄得到的模具鑄層邊緣效應(yīng)明顯，鑄層氣孔也較多（圖8a）。采用陰極軌跡式平動(dòng)的電鑄工藝可明顯改善電鑄成形的精度和質(zhì)量，降低電化學(xué)沉積邊緣效應(yīng)，減少鑄層氣孔（圖8b）。

圖8 兩種陰極運(yùn)動(dòng)情況下電鑄成形

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)的陰極軌跡式平動(dòng)型電鑄機(jī)床PLC控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)陰極軌跡式平動(dòng)，穩(wěn)定控制電鑄液溫度和電鑄液液位，工藝穩(wěn)定性良好。電鑄實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用軌跡式平動(dòng)陰極進(jìn)行電鑄比采用靜止不動(dòng)的陰極電鑄得到的模具成形精度更高、質(zhì)量更好。

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PLC Control System Design and Experimental Study on Cathode Trajectory Translational Type Electroforming Machine Tools

Zheng Wenshu，Guo Zhongning，Jiang Shuzhen，Luo Hongping
（Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

A PLC control system of cathode trajectory translational type electroforming machine is designed.Based on the combination of PLC and touch screen technology，the control system realizes the cathode trajectory translation，the PID temperature control and steadily controls the electroforming solution level.Experiment of electroforming mold is carried out by this electroforming machine，the result shows that compared with the stationary cathode electroforming process，molds fabricated by using process with a trajectory translation cathode obtain high precision and good quality.

cathode translation；electroforming machine tools；electroforming；PLC

TG662

A

1009－279X（2014）06－0033-04

2014-08-06

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（U1134003）；國家自然科學(xué)基金青年資助項(xiàng)目（51105080）

鄭文書，男，1986年生，碩士研究生。