新型陶瓷零件快速成型機控制系統設計*

馬金鋒 高東強 王 偉 陳超群 楊 飛

(陜西科技大學機電工程學院 西安 710021)

陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕等優點，但是由于材料本身的特點，制約了陶瓷產品的應用。目前主流的陶瓷零件制造工藝主要采用激光成型，設備復雜并且造價昂貴，對材料性能要求高［1］。為了解決以上問題，提出了一種基于石蠟的層和速凝成型陶瓷零件技術［2］，并以該技術為基礎，設計出一種更加經濟可靠的新型快速成型裝置。

可編程序控制器(PLC)是一種新型的電氣控制裝置，以其結構簡單、易于編程、可靠性強、性能優越等優點，被廣泛應用于各種機械和生產過程的自動控制中［3］。西門子S7 -200 PLC 系列屬于小型可編程序控制器，既可用于簡單的控制場合，亦可用于復雜的控制系統，其指令內容豐富，能夠完成用戶要求的特定功能，使用的STEP7 -Micro/WIN32 編程軟件為用戶提供了開發、編輯和監控的良好編程環境，可以滿足新型快速機的自動控制［4］。

1 新型快速成型機工作原理

1.1 理論依據

基于石蠟的層和速凝技術是新型陶瓷零件快速成型機設計的理論依據，該技術以陶瓷為成型材料，石蠟為支撐及粘合材料，首先利用分層軟件，將零件的三維實體模型分為0.1～2.0 mm 的一系列薄層，得到每層的形狀后，在工作臺上鋪一層支撐材料，然后由計算機控制刻刀雕刻出該層輪廓，最后在支撐材料鏤空處填充成型材料，反復經過累加并且去除支撐并燒結，最終得到陶瓷零件［5-6］生產工藝流程如圖1 所示［7］。

根據該技術原理，將快速成型機分為3 部分［7］:雕刻系統，鋪料系統和控制系統。雕刻系統利用現有的數控機床，便于加工和編程;鋪料系統主要包括料斗攪拌裝置、水平運動裝置和鋪料臺升降裝置，分別實現盛放漿料、料斗水平往返和鋪料臺豎直下降功能;控制系統實現各裝置的自動控制和順序運動，提高加工效率。

1.2 鋪料系統結構

快速成型機鋪料系統機械結構系統主要實現以下功能:分別盛放石蠟和陶瓷漿料，水平方向和豎直方向的往復運動，并且有加熱和攪拌裝置，防止漿料凝固;將鋪料系統固定于數控機床上，實現鋪料系統和雕刻系統的配合。快速成型機鋪料系統機械結構如圖2所示。

主要由3 部分組成:料斗攪拌裝置包括料斗1、石蠟料斗9、陶瓷料斗10、攪拌軸以及驅動電動機;水平運動裝置包括水平方向絲杠11，限位開關12，水平方向驅動電動機，其中料斗與絲杠螺母相連，電動機驅動絲杠，實現料斗整體水平往復運動;鋪料臺升降裝置包括豎直方向絲杠3、橫梁4、帶輪5、豎直方向運動導軌6、豎直方向驅動電動機，其中豎直電動機通過同步帶將運動傳遞給帶輪5，帶輪5 通過豎直方向絲杠3、橫梁4、豎直方向運動導軌6，實現鋪料臺的升降運動。

料斗1 內安裝有加熱裝置，與攪拌軸相互配合，使漿料保持熔融狀態，并且通過攪拌使漿料均勻無沉淀。

刮平裝置2 與加熱器相連，待石蠟鋪設完畢，用熱的刮刀將石蠟薄層上多余的蠟料刮掉，保證石蠟基板平整。

底板8 上開有槽孔，通過螺桿和壓板鋪料系統固定在數控機床的工作臺上，實現與雕刻系統的連接。

2 控制系統設計

2.1 快速成型機順序運動流程

快速成型機的運動流程主要包括:(1)初始狀態，料斗靜止，進給絲杠和刻刀停止，鋪料臺處于初始位置;(2)打開啟動按鈕，水平電動機正轉，帶動料斗右行，同時石蠟料斗開，鋪設石蠟;(2)料斗右行到位，觸發右限位開關，水平電動機反轉，料斗左行，石蠟料斗閉合，回到初始位置;(3)返回初始位置后，停止30 s使石蠟凝固;(4)石蠟完全凝固，雕刻系統啟動，刻刀按照事先編寫的程序在石蠟基板上雕刻出模型輪廓;(5)雕刻完畢，刻刀停止，水平電動機啟動，電動機正轉帶動料斗第二次右行，同時陶瓷料斗開，在基板上鏤空的部分鋪設陶瓷漿料;(4)料斗右行到位，觸發右限位開關，水平電動機反轉，料斗第二次左行，同時陶瓷料斗閉合，第二次回到初始原位，水平電動機停止;(5)豎直電動機啟動，正轉帶動鋪料臺下降2 mm，一次循環完成，系統恢復初始狀態。重復以上過程，直至完成陶瓷坯件，通過燒結使石蠟融化，得到陶瓷零件，順序動作示意圖如圖3 所示。

2.2 控制系統硬件設計［8-9］

為了滿足順序控制的要求，同時考慮控制系統的復雜程度和成本，使用西門子S7 -200 實現控制，雕刻系統使用自身的數控系統，此外需要3 臺步進電動機M1、M2、M3 和4 個限位開關SQ1、SQ2、SQ3、SQ4;M1實現水平方向料斗的往復運動，M2 驅動攪拌軸旋轉，M3 實現豎直方向鋪料臺的升降運動;SQ1、SQ2 為水平方向限位開關，SQ3、SQ4 是豎直方向限位開關。當按下啟動開關時，繼電器線圈KM1 通電，驅動電動機帶動絲杠，實現料斗的水平運動，當料斗接觸到限位開關SQ2，線圈KM1 關閉，KM2 通電，電動機反轉，如此實現料斗的往復運動。

豎直方向運動導軌與限位開關SQ3 接觸，處于初始位置;當石蠟完全凝固，雕刻系統啟動，刻刀下移并在石蠟基板上雕刻二維輪廓，在此過程中，刻刀受數控系統控制。雕刻完畢，數控系統發送信號給S7 -200可編程控制器，水平電動機啟動，帶動料斗鋪設陶瓷，鋪設完畢，料斗回原位，豎直導軌帶動鋪料臺下降0.1～2.0 mm，一次加工循環完成，系統恢復初始狀態;當導軌下移到極限位置接觸開關SQ4，豎直電動機反轉，帶動鋪料臺回初始位置。

控制系統外部接線圖和I/O 分配表如圖4 和表1所示。

表1 I/O 地址分配表

2.3 控制系統要求［8-9］

(1)在整個過程中加熱和攪拌裝置始終處于開啟狀態，避免漿料冷卻，溫度控制在95 ℃左右;(2)為了安全起見，電動機正反轉需要進行互鎖，石蠟料斗和陶瓷料斗不能同時打開;(3)刻刀由機床數控系統控制，在雕刻未完成之前，鋪料系統不能動作;雕刻完畢，數控系統發送信號給S7 -200 控制器，鋪料系統恢復執行動作。

2.4 控制系統仿真

STEP7 -Micro/WIN32 編程軟件是基于Windows的應用軟件，是西門子公司專門為S7 -200 系列可編程控制器而設計開發，可以實現在線編程、調試、下載和監測。

按照快速成型機順序動作流程和控制系統的要求，使用STEP7 -Micro/WIN32 軟件，對程序進行編制和仿真，系統順序輸出結果和仿真示意圖分別如表2和圖5(當I0.3 閉合I0.2 斷開時，輸出Q0.0，Q0.2，Q0.3，Q0.5)所示，仿真結果表明，輸入和輸出結果與預先設定結果一致，可以滿足設計要求。

表2 系統順序輸出結果

3 控制系統運行結果

為了進一步驗證控制系統的實際運行結果，選用S7 -200 CPU224 作為中央控制器，3 臺步進電動機驅動器分別控制電動機M1、M2、M3，通過USB -PPI 數據線將程序下載至S7 -200，從而完成PLC 和PC 機的通訊。程序下載完畢，對硬件電路進行現場接線并運行，以驗證控制系統實際的運行效果。

按照表2 的動作流程依次輸入，運行結果與仿真輸出一致，達到預期的設計要求，系統運行平穩，對整個運動流程實現了自動控制。

4 結語

系統實際運行結果表明，新型陶瓷零件快速成型機各部分裝置相互配合，可以滿足可靠性和加工精度的要求;刻刀由數控系統控制，便于編程和操作，使快速成型機通用性更強;使用S7 -200 可編程控制器實現了鋪料系統的順序運動，并與數控系統相配合，可以滿足自動控制的要求，提高了效率，而且生產成本降低，達到了經濟實用的目的。

［1］郭志剛，高東強.新型陶瓷快速成型機鋪料臺的有限元分析［J］.機械設計與制造，2010(4):29 -31.

［2］王秀峰，江紅濤，孫勇，等.一種陶瓷零件的快速成型方法:中國，CN200510041976.4［P］.2005.

［3］韓偉娜，劉寶華.基于S7 -200 的搬運機械手的PLC 控制［J］.機械科學與技術，2011，30(2):259 -261.

［4］高東強.基于層和速凝原理的陶瓷件快速制造設備及材料的成型研究［D］.西安:陜西科技大學，2012.

［5］高東強，張菲.陶瓷零件快速成型機研制及產品加工［J］.制造技術與機床，2011(11):81 -85.

［6］郭志剛.陶瓷零件快速成型機及控制系統研究［D］.西安:陜西科技大學，2010.

［7］高東強，郝大建，田振亞，等.基于層合速凝技術的陶瓷件快速成型研究［J］.機械設計與制造，2008(8):108 -110.

［8］高東強，田振亞，郝大建，等.陶瓷零件快速成型機鋪料機構的PLC控制［J］.機械設計與制造，2008(9):174 -176.

［9］高東強，田振亞，郝大建，等.陶瓷零件快速成型機鋪料機構控制系統的研究［J］.工程設計學報，2008，15(3):229 -232.