電化學去毛刺機床控制系統(tǒng)的設計*

陳遠龍，李 明，唐火紅

(合肥工業(yè)大學特種加工研究所，合肥 230009）

0 引言

機械零件在金屬加工制造過程中經常產生毛刺。毛刺雖小，但危害很大，對工件的精度、定位、操作安全都會產生巨大的影響。目前，去除毛刺的方法有很多種，電化學去毛刺效率很高，已經廣泛應用于汽車發(fā)動機、航空航天、氣壓液壓等行業(yè)。電化學去毛刺機床是利用電化學反應的原理，對金屬零件有選擇的完成去除毛刺與飛邊的作業(yè)［1-2］。

長期以來，電解加工的裝備工作在一個潮濕、有腐蝕性氣體和電氣干擾性較強的惡劣環(huán)境。傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)在這種環(huán)境下故障率較高。隨著PLC控制技術的發(fā)展，我們越來越能感受到PLC在工業(yè)環(huán)境下的優(yōu)勢，PLC也被國外稱為“專為工業(yè)環(huán)境下設計的計算機(PC）”。因此，將PLC控制器引入電化學去毛刺裝備的控制系統(tǒng)中，提高了裝備的抗干擾能力，豐富了系統(tǒng)的加工模式，提升了控制系統(tǒng)的自動化水平。

1 電化學去毛刺原理

與電化學加工類似，電化學去毛刺也是基于金屬在電解液中發(fā)生電化學陽極溶解反應的原理。加工時，工件接電源正極，工具接電源負極，工具與工件之間保持較小的間隙，具有一定壓力的電解液從間隙中流過。這時工件的毛刺由于與工具電極的距離最近，電流密度最高，最先發(fā)生溶解反應，從而很快被去除，形成電解產物并被高速流動的電解液帶走［3］。圖1為電化學去毛刺原理示意圖。

圖1 電化學去毛刺原理示意

2 控制要求

考慮到電化學去毛刺加工的特殊要求，控制系統(tǒng)必須具有以下功能:

(1）基本功能:具有基本的手動加工功能和自動加工功能。

(2）參數控制:包括加工電壓、加工電流、加工間隙、加工時間和電解液(包括溫度、PH值、液位）等，這些都是電化學去毛刺工藝中影響工件加工質量的幾個關鍵參數［4］。

(3）邏輯控制:要求按照給定的程序，控制氣缸主軸、電解電源、電解液系統(tǒng)和短路預檢裝置等的運作，使他們相互協調。

(4）短路檢測和報警處理:在電解加工過程中可能會出現電解液泵壓力報警、過濾泵壓力報警、液位報警、陰陽極短路報警、電解液溫度報警、電導率報警和加工電壓過高或過低報警等現象，為保證加工過程的正常進行，控制系統(tǒng)應能對加工過程出現的故障及時進行自動診斷、顯示并處理［5］。

(5）保護和聯鎖:除了一般電氣元件所要求的保護和聯鎖功能之外，電化學去毛刺機床還應滿足下列特殊要求:a加工過程中產生有害氣體和電解液水霧，系統(tǒng)應配備氣霧收集裝置;b電解液容易在循環(huán)流動中飛濺，霧氣容易進入控制柜，系統(tǒng)需保證通液時工作箱門處于密閉狀態(tài)。

3 控制系統(tǒng)的硬件設計

如圖2所示，本控制系統(tǒng)的硬件結構可分為以下幾個部分。

圖2 硬件結構

(1）控制器:由PLC、開關量I/O單元、模擬量I/O單元和通訊單元組成。PLC選用三菱公司的FX2N-48MR，基本配置為:FXCPU處理器;I/O點數為48(I/O最大可擴展至256點）;內置24V直流電源。FX2N系列PLC是FX系列中規(guī)格最大、性能最高、功能最強的一個系列。應用指令大為豐富，達到132種、309條;編程元及用戶程序存儲器容量也比FX1N系列大為增加。可以使用的內部繼電器、定時器、計數器、數據存儲器容量、用戶程序存儲器的容量等也是FX1N系列的2～3倍［6］。

(2）人機界面:選用威倫通公司的MT6100i型號，這款觸摸屏為Weintek研發(fā)出的新一代人機界面。在隨時滿足客戶操作方便的原則下，MT6000不僅扮演著人機界面功能的角色，并且可以作為資料備份交換的中心。這款觸摸屏配置了多種通訊接口，有 USB Host port，USB Device port，COM1(RS-232/RS-4852W/4W），COM2(RS-232），COM3(RS-232/RS-4852W），其中的RS-4854W等同于RS-422。

(3）硬件通訊:圖3所示為PC、人機界面和PLC三者之間的通訊設計。采用數據線USB 2.0連接觸摸屏的USB 2.0 Host端口和PC的RS-232端口，分別設置好觸摸屏和PC兩端的參數后，可將在PC上組建好的頁面下載至觸摸屏里。觸摸屏與PLC之間用一根RS422數據線連接即可。由于FX2N系列PLC的通訊接口只有RS422，觸摸屏與PLC之間的通訊采用穿透通訊這種方式。在觸摸屏頁面上放置兩個元件LW9901、W9902，使用穿透通訊方式時，向這兩個元件分別輸入數字2、1，將數據來源端定義和數據目標端定義為COM2(232）、COM1(4854W），即可實現穿透通訊。

圖3 硬件通訊設計

(4）強電回路:控制系統(tǒng)的強電電路即系統(tǒng)的主電路，主要為系統(tǒng)的大功率設備以及控制電路提供電能，包括電壓轉換、交直變換、抗干擾等。

(5）電源控制:電解電源由交流變壓模塊、整流濾波模塊、保護電路模塊等組成。可實現穩(wěn)壓加工和穩(wěn)流加工兩種加工方式;輸出電壓可調范圍為0V～24V，輸出電流可調范圍為0A～200A。電解電源通過模擬I/O模塊連接至PLC，進行數據(加工電壓信號與加工電流信號）傳送和轉換，實現自動調壓和實時監(jiān)控加工電壓與電工電流。

(6）短路檢測:在陰陽極通電加工之前，接通短路檢測電路能夠檢測出工件與電極之間是否短路。如果陰陽極短路，則檢測電路會有報警信號產生，然后由PLC來處理短路信號。短路檢測電路能夠保護電源受到短路過載的危害，同時也避免工件的燒傷。

4 控制系統(tǒng)的軟件設計

4.1 PLC程序設計

本系統(tǒng)的PLC程序設計，采用GX developer編程軟件進行設計。程序類型選用梯形圖語言進行設計，程序的編制采用模塊化結構，各個模塊具有相對獨立的職能，具體模塊如下。PLC控制系統(tǒng)的軟件結構如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)的軟件結構

軟件的頁面設計，采用畫面組態(tài)軟件Easybuilder 8000。根據系統(tǒng)工作的特點，配置了初始化頁面、主頁面、加工準備頁面、加工參數頁面、自動加工頁面、手動加工頁面、報警查詢頁面、報警彈出小窗口和管理查詢頁面。圖5為主頁面，用戶可以點擊按鈕，進入對應的頁面進行操作。圖6為自動加工頁面，點擊“啟動”按鈕后，觸摸屏自動跳入該頁面。在該頁面中，可以用戶可以看到加工電壓、加工電流的數據顯示和程序執(zhí)行狀態(tài)。加工時，如有報警輸入，會有“報警小窗口”自動彈出，PLC會有報警輸出。待故障解除后，該窗口會自動隱藏，報警小窗口如圖7所示。

圖5 主頁面

圖6 自動加工頁面

圖7 報警小窗口

(1）準備模塊:當系統(tǒng)得電后，主程序調用該模塊，在觸摸屏上開啟氣源、氣霧收集、板框機、溫控儀、PH儀和超聲機等儀器。

(2）加工參數模塊:該模塊主要完成一些工藝參數的處理，如加工電壓和加工電流的信號采集和數據處理，加工時間的設定，電解液的PH值與溫度等其他工藝參數的監(jiān)控。

(3）自動加工模塊:該模塊可實現對工件進行自動加工，系統(tǒng)依次關閉氣動門(機床的工作箱門），下降氣缸主軸，打開電解液，接通預警檢測裝置。沒有發(fā)生短路報警，則系統(tǒng)關閉短路檢測，接通電解加工專用電源。達到設定的加工時間后，自動關閉電解電源，關閉電解液，主軸上升，打開氣動門。程序順利執(zhí)行一個加工周期后，一次加工循環(huán)完成，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。該模塊還包括對加工流程和加工參數的監(jiān)控，監(jiān)控的具體狀態(tài)在觸摸屏中實時顯示。

(4）手動加工模塊:調用該模塊可對工件進行手動加工。

(5）故障處理模塊:加工過程中一旦出現故障，根據故障出現的級別，系統(tǒng)決定加工是否繼續(xù)進行，并將報警事件類型生成，送至觸摸屏顯示，同時系統(tǒng)以故障發(fā)生的日期、時間和類型形成歷史記錄，便于用戶查詢。

(6）管理模塊:該模塊用于記錄系統(tǒng)啟動(自動加工啟動）、復位的日期、時間、班數以及總次數等重要的信息。

4.2 觸摸屏操作頁面設計

觸摸屏界面用于顯示加工狀態(tài)與系統(tǒng)狀態(tài)的實時信息。界面上的元件產生開關信息、數字信息，并與PLC進行數據交換，從而實現了對系統(tǒng)加工參數的修改和對加工過程的控制。

為防止用戶誤操作，本系統(tǒng)進行了容錯性防護設計，在每個頁面左上角處加入一頁面激活元件。用戶進入一個頁面后，須待該頁面激活后，才能對該頁面上的其他按鈕進行操作。

觸摸屏不僅可以完成對生產的監(jiān)控，還可以產生生產日志，方便查看生產狀況，對管理起到一定的輔助作用。根據生產運行需要，將工人按照時間劃分為幾個生產小組。各個小組的運行信息可以分別保存，便于查詢。點擊管理查詢頁面，登錄賬號，可查詢系統(tǒng)啟動、復位的日期、時間、班數以及總次數等重要的信息，管理查詢頁面如圖8所示。這些信息也可以打印出來，供管理者對工人進行績效評定。

圖8 管理查詢頁面

5 結束語

采用PLC結合觸摸屏的方式進行設計，提高了控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和自動化程度，簡化了系統(tǒng)的硬件結構，完善了系統(tǒng)的監(jiān)控功能。經過設計、安裝與調試，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，完全達到了電化學去毛刺機床的控制要求。

［1］朱樹敏，陳遠龍，等.電化學加工技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2006.

［2］陳遠龍，張超，王天霽.電化學加工技術的概況與展望［C］.第十三屆全國特種加工學術會議，2009.

［3］徐家文，云乃彰，等.電化學加工技術——原理·工藝及應用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008.

［4］S Sarkar，S Mitra，B Bhattacharyya.Mathematical modeling for controlled electrochemical deburring(ECD）［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004(147）:241-246.

［5］陳遠龍，賈志華，黃振東，等.基于PLC的電解加工機床控制系統(tǒng)的設計與實現［J］.組合機床與自動化加工技術，2008(7）:77-80.

［6］陳蘇波，楊俊輝，等.三菱 PLC快速入門與實例提高［M］.北京:人民郵電出版社，2009.