李 明

(皖西學(xué)院實驗實訓(xùn)教學(xué)管理部，安徽 六安 237001)

加工金屬零件時，在內(nèi)孔交叉處[1-2]、孔與型腔的交叉處等易產(chǎn)生毛刺[3-4]，毛刺的體積很小且大小不一，常規(guī)的去除方法較為困難，特別是在深孔交叉處，普通加工方法無法達(dá)到良好的加工效果。電解去毛刺技術(shù)已廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)、航空航天等領(lǐng)域[5]，其去毛刺效果和效率使得電解去毛刺成為目前主流的去毛刺方法，并隨著現(xiàn)代控制技術(shù)及裝備的發(fā)展，電解去毛刺技術(shù)也在不斷地更新和發(fā)展。PLC技術(shù)提供高精度、高可靠性的工業(yè)控制解決方案，基于PLC技術(shù)以及相匹配的精簡界面組態(tài)技術(shù)，可設(shè)計實現(xiàn)高精度電解去毛刺控制系統(tǒng)及友好的人機(jī)交互渠道。

電解去毛刺基于電化學(xué)陽極溶解原理，在加工時，工具與工件之間留有加工間隙，電解液從間隙中高速流過，同時施加高密度電流，使陽極工件快速蝕去。電解加工工藝復(fù)雜，影響因素眾多，包括電場、流場、溫度場、氣泡[6-7]等，所以設(shè)計實現(xiàn)高精度、高效率、高可靠性的整套控制系統(tǒng)則尤為重要。本文基于PLC控制技術(shù)、界面組態(tài)技術(shù)和電解去毛刺工藝，設(shè)計一套電解去毛刺機(jī)床控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)工件的高精度電解去毛刺加工。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 機(jī)床與控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

機(jī)床與控制系統(tǒng)整體組成如圖1所示，圖1分為六個部分：機(jī)床本體、工藝裝備、檢測電路、電源、電解液系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

圖1 機(jī)床與控制系統(tǒng)整體組成

圖1中的機(jī)床本體是電解去毛刺的工作區(qū)域，完成工件和工具的安裝、定位、夾緊等工作。控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)并控制各個組分的工作和加工過程中的加工參數(shù)。工藝裝備由工具陰極和夾具組成。電源給加工區(qū)的溶解提供電能。檢測電路的作用是在陰陽極通電加工之前能夠檢測出工件與電極之間是否短路。電解液系統(tǒng)給加工區(qū)提供適當(dāng)電解液壓力、流量等。這六個組成部分相互作用，相互協(xié)調(diào)，共同組成機(jī)床及其一整套控制系統(tǒng)。

1.2 PLC選型與繼電器配置

PLC控制器種類繁多，每一種都有其特點和局限。根據(jù)電解去毛刺加工工藝和控制要求，可選擇三菱公司的FX2N系列PLC控制器，本文選擇FX2N-48MRPLC，該種控制器滿足控制所需的處理與運算能力、I/O接口及通訊模塊和電源。FX2N 系列采用16位的8096單片機(jī)，兼容FX1N/1S系列的全部功能，使CPU運算能力得到提高；開關(guān)量輸入輸出各24點，I/O最大可擴(kuò)展為256點，通信接口采用RS-422，常用于人機(jī)界面之間的通信，具有傳輸距離較遠(yuǎn)、速率較高、抗干擾能力強(qiáng)等特點。

根據(jù)選擇的PLC設(shè)計繼電器配置輸入與輸出接口電路如表1所示?！皢印卑粹o的功能是在沒有任何報警和錯誤的情況下自動啟動設(shè)備和控制系統(tǒng)；當(dāng)系統(tǒng)有報警輸入時，只有用戶處理完報警事件后，按下“復(fù)位”按鈕，將報警狀態(tài)解除，才能進(jìn)入下一個加工循環(huán)。

表1 輸入輸出接口設(shè)計

電解液溫度是加工的重要工藝參數(shù)，不同工件所需要的電解液溫度不同。根據(jù)電解液溫度參數(shù)的控制要求，配置CD-901溫控器，對電解液溫度進(jìn)行實時控制，同時具備溫度上下限報警功能。CD-901溫控儀是多功能的調(diào)節(jié)儀表，體積小、抗干擾能力強(qiáng)，擁有PID參數(shù)模糊自適應(yīng)整定技術(shù)。PHG-217D型工業(yè)PH儀具有一般工業(yè)PH儀的全部功能，且能夠控制外部設(shè)備，工作電壓為220±22V AC，工作頻率為50±0.5Hz，能夠自動溫度補(bǔ)償，輸出上下限可無級調(diào)整及配備上下限報警功能。PH值測量范圍0～14.00，PH測量分辨率0.01，基本誤差0.05，能夠滿足電解液PH值測量功能。

1.3 主回路設(shè)計

主回路主要連接的是機(jī)床的大功率設(shè)備，包括電壓轉(zhuǎn)換、交直變換、抗干擾等環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2 主回路

從電網(wǎng)連接380V三相交流電，經(jīng)過隔離變壓器，輸出220V交流電，用于開關(guān)電源、PLC等設(shè)備供電。氣源機(jī)和電解電源等通過交流接觸器(KM1～KM7)來控制；其它負(fù)載通過繼電器(KA1～KA7)來控制。在各個支路上安裝熔斷器，實現(xiàn)對器件的保護(hù)作用。開關(guān)電源為24V直流穩(wěn)壓電源，用于給觸摸屏和PLC控制回路等供電。

1.4 短路檢測電路設(shè)計

電化學(xué)去毛刺加工中，由于毛刺的大小、長短不一且易于活動，導(dǎo)致陰極極易和陽極的突起毛刺相接觸，發(fā)生短路，故應(yīng)增加圖3所示的短路檢測及保護(hù)機(jī)制。

圖3 短路檢測電路設(shè)計

系統(tǒng)短路時工具與工件之間將會通過很大的電流，導(dǎo)致工件燒傷，損壞電源等。因此在電極通電之前，首先進(jìn)行短路檢測，禁止電解電源的接通，并隨時產(chǎn)生報警信號。通過PLC處理短路信號，則可避免電源受損和工件被燒傷。

2 軟件設(shè)計

2.1 電解去毛刺整體控制流程

軟件設(shè)計可充分發(fā)揮硬件性能，提升機(jī)床的整體水平。電解去毛刺控制整體流程包括工藝參數(shù)的確定、加工準(zhǔn)備、判斷準(zhǔn)備就緒、手動加工模塊、自動加工模塊等，如圖4所示。

由圖4分析可知，系統(tǒng)啟動時進(jìn)入初始化狀態(tài)，包括系統(tǒng)起始位置初始化、PLC底層硬件初始化、各繼電器和接觸器初始化等。當(dāng)系統(tǒng)初始化完成后方可進(jìn)行加工參數(shù)的設(shè)定。對于未知加工工藝的零件可選擇手動加工模式，通過手動加工模式選擇合適的加工工藝參數(shù)；當(dāng)工件的工藝參數(shù)已知時，可直接選擇自動加工模塊，對工件加工完畢后系統(tǒng)自動回位到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備好進(jìn)入下一次加工循環(huán)。在選擇工作模式時，可選擇故障處理模塊進(jìn)入故障排查程序；選擇管理模塊進(jìn)入生產(chǎn)的監(jiān)控，生成生產(chǎn)日志等；進(jìn)入模擬量模塊進(jìn)行加工電壓信號和加工電流信號的采集，實現(xiàn)電壓和電流檢測以及加電時間的計時等。

圖4 整體控制流程

2.2 自動加工控制流程

在自動加工控制程序設(shè)計時必須加入報警程序、故障檢測程序和故障排除程序，加工控制程序流程如圖5所示。

2.3 通信機(jī)制設(shè)計

工件加工之前及加工過程中均會產(chǎn)生各種各樣的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的收發(fā)需要通過一定的數(shù)據(jù)總線，系統(tǒng)還需能夠完成數(shù)據(jù)的共享及消息傳遞等功能?？刂葡到y(tǒng)的通信主要包括PLC與觸摸屏的通信、觸摸屏與上位機(jī)的通信等，其通信機(jī)制如圖6所示。

觸摸屏與PLC的通訊配置在組態(tài)軟件EB8000和編程軟件GX developer中實現(xiàn)。在配置中通信總線的接口類型、PLC預(yù)設(shè)站號、波特率、數(shù)據(jù)位等通信總線參數(shù)要與真實物理硬件參數(shù)配置一致。觸摸屏與PC間的通信標(biāo)準(zhǔn)為USB2.0，PLC與PC之間采取“穿透通訊”方式，以避免系統(tǒng)調(diào)試階段接口端的反復(fù)插拔。

2.4 控制系統(tǒng)界面設(shè)計

設(shè)計控制系統(tǒng)界面方便技術(shù)工人對機(jī)床進(jìn)行操作，界面設(shè)計主要包括主界面設(shè)計、準(zhǔn)備模塊界面、手動加工界面、自動加工界面、報警窗口界面、管理查詢界面等，圖7所示為主界面。圖8所示為手動加工界面。圖9所示為準(zhǔn)備模塊界面。

圖5 自動加工程序流程

圖6 通信機(jī)制設(shè)計

圖7 主界面設(shè)計

圖8 手動加工界面設(shè)計

圖9 準(zhǔn)備模塊界面設(shè)計

2.5 機(jī)床與控制系統(tǒng)調(diào)試

機(jī)床與控制系統(tǒng)調(diào)試主要包括PLC輸出信號與硬件動作的響應(yīng)；溫控器、PH儀的功能調(diào)試；模擬量的檢查與處理；故障報警功能調(diào)試等。

調(diào)試實驗完成以下主要功能和作用。

(1)電解電源、電解液系統(tǒng)和控制系統(tǒng)工作相互協(xié)調(diào)，無干涉和沖突，能夠保證工件的去毛刺過程順利進(jìn)行。

(2)PLC模塊運行穩(wěn)定，能夠?qū)?nèi)部設(shè)備及外圍設(shè)備進(jìn)行控制，通過數(shù)據(jù)總線與上位機(jī)和觸摸屏完成通信。

(3)觸摸屏界面顯示正常，觸摸操作流場，數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，無閃屏等現(xiàn)象產(chǎn)生。

(4)溫控儀、PH儀等輔助控制設(shè)備運行穩(wěn)定，并能夠?qū)y得信號準(zhǔn)確地反饋到PLC控制器，內(nèi)部算法運行穩(wěn)定，能夠?qū)囟鹊冗M(jìn)行較精確地控制，滿足去毛刺加工工藝的要求。

(5)各故障檢測模塊運行正常，與故障檢測和處理程序設(shè)計流程相對應(yīng)，在檢測到故障時能夠進(jìn)行相應(yīng)的處理，并將處理結(jié)果通知到技術(shù)部門。

3 結(jié)束語

分析了電解去毛刺加工工藝特點，基于PLC控制技術(shù)和界面軟件組態(tài)技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了電解去毛刺機(jī)床控制系統(tǒng)，配置了PLC的輸入輸出接口連接，采用溫控儀和PH儀等輔助控制設(shè)備實現(xiàn)了電解液溫度和PH值的反饋控制。設(shè)計了控制主回路及短路檢測電路，并根據(jù)工藝要求設(shè)計了控制系統(tǒng)的程序流程與人機(jī)交互界面，機(jī)床調(diào)試結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，保證了加工精度及效率，達(dá)到對毛刺的良好去除效果。