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电铸机床中的PLC控制技术
摘 要：本文介绍了基于PLC控制的电铸机床控制系统的设计。主要介绍采用可编程序控制器和触摸屏技术的数控电解加工机床的结构特点、控制系统的软、硬件结构及其关键技术，和机床的主要先进功能。电铸就是利用金属离子阴极电沉积原理，在导电原模上沉积金属、合金或复合材料，并将其与原模分离以制取制品的原理，它是电镀的特殊应用。该系统利用触摸屏作为显示和外部控制终端，采用EB8000界面编辑软件，设计良好的人机交互界面。使用三菱FX系列PLC作为核心控制器，步进电机是通过FX2N-1PG脉冲输出模块改变脉冲频率以及方向信号来实现调速、正反转控制及位置控制。触摸屏作为人机接口,可以实现对运动和加工参数的修改、控制加工流程的执行、显示运动参数的变化,使系统控制界面友好,简单直观,便于操作。大大提高了电铸机床自动化程度，使电铸加工更加高效、快捷。
关键词：电铸机床;可编程控制器;触摸屏;脉冲输出模块;步进电机
1.电铸加工原理及控制系统方案设计
1.1 电铸加工的基本原理
电铸是用金属电沉积的方法制备产品的一种特种加工工艺，主要用于某些特种产品的成型。用导电的原模作阴极，用于电铸的金属作阳极，电铸溶液是含有阳极金属离子的金属盐溶液，在电源的作用下，电铸溶液中的金属离子在阴极导电原模(芯模)上还原成金属[1]，沉积于导电原模表面，同时阳极金属源源不断地变成离子溶解到电铸液中进行补充，市电铸液中金属离子的浓度保持不变[2]。其原理如图1所示。
电铸成形是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成形加工的。当阴极导电原模上的电铸层逐渐增加，达到要求厚度时，停止电铸，将铸件与原模分离，获得与原模型面相反的电铸件，这种电铸件的形状和表面粗糙度与原模相似。
电铸所用的设备及电铸溶液与一般电镀中所使用的基本相同，但是在制品的要求上电铸与电镀有两个主要不同点：第一，一般电镀层要求与基体金属牢固结合，而电铸层与原模并不要求牢固结合，有时反而要求点铸件能很容易地从原模上分离下来;第二，电铸层的厚度要求比一般电镀层厚得多，约十倍甚至数十倍[3]。
与其他方法相比，电铸加工有自己独特的优点[4]：
1)电铸品的机械性质容易调整，例如硬度、抗拉强度等等。
2)可减小与母模之误差，加工精度高，公差可达±2.5μm。
3)能将传统加工方式难于加工的零件内表面转化为原模外表面，可通过制造易成型的原模材料而获得难成型的金属材料，尤其是制作薄壁金属零件。
4)可以制成多层结构件，将多种金属、非金属拼铸成一个整体。
5)适合制作一个或量产，而且电铸层的厚度范围宽。
电铸加工缺点：
1)电铸速度慢，生产时间比其它方法长，塑料成形用模具的电铸有时需2-3周。
2)电铸制品的尖角或凹槽部位的电铸层厚度不均匀，制品存在一定的内应力。原模的划痕、斑点等会复制到制品表面。
3)制造原模需要用精密机械加工设备和照相制版等技术，成本较高。
4)可真实复制外形或模样，所以母模上的小伤痕也会再生，这是优点也是缺点。
1.2 电铸工艺的特点
1)表面细微特征的复制能力特别强。由电铸工艺过程可知，电铸层紧贴在芯模表面以原子直径的尺寸(亚纳米级)逐渐堆积、向外生长，故它能准确复制出芯模表面精度达到纳米级的细微特征，因此，当将电铸层与芯模分离后，即可得到粗糙度与芯模相当、纹理相反的镜像表面，这就是电铸技术最基本的、也是最典型的工艺特点。这一特性已被广泛用于印刷制版、光盘模具及光学部件的加工中。光盘表面用于记录信息的沟槽，其宽度为0.4μm，深度为0.12μm[5]。
除对表面粗糙度要求极高的光学部件外，这一特有的复制能力还被应用于部分采用传统技术无法加工的零件制备上。如波导管、文氏管等对内表面的尺寸及精度要求较高、同时内表面直径小的零件，采用传统加工技术无法加工，无法使内表面尺寸及精度达到要求。如果采用电铸技术，可使难以实施的内型面加工转变为容易实施的外型面加工。其加工过程如下：先加工一个外表面的形状、尺寸及精度与波导管、文氏管内表面完全一致的芯模，再利用电铸技术在芯模的外表面上制备厚度超过图纸要求的电铸层，也就得到了内表面的形状、尺寸及精度与芯模外表面完全一致的电铸层，然后按照图纸要求对电铸层外表面进行机加工，最后将芯模退除，即获得内表面尺寸及精度均符合要求的高品质的产品。
2)生产周期及成本电铸层是金属原子一层层逐渐堆积而成的，其生长速度与所使用的电铸工艺参数(如溶液温度及pH值、阴极电流密度等)有关。适当提高阴极电流密度可以提高电铸层的生长速度，但阴极电流密度的提高受电沉积过程三个因素的限制：金属离子从溶液本体向阴极表面迁移的速度、金属离子在阴极表面的还原反应速度、离子还原后在阴极表面的迁移和晶粒成核及晶粒长大的速度[6]。
2.机床控制系统总体方案设计
2.1 总体方案设计准则
设计电铸机床的控制系统时，首先要进行该课题的总体方案设计。分析系统需要的功能和技术要求，选择合理的PLC以及触摸屏。根据系统要求选择处理速度快，灵活实用的可编程控制器。触摸屏作为新型的人机界面，显示直观，操作简单，可靠性高，不但在日常生活中的很多领域得到应用，而且工业控制中业得以广泛应用。它是目前最简单、方便的输入和显示设备。具有反应速度快和易于交流等优点。在设计电铸加工总体方案时，要使设计合理、高效，设计时应遵循一定的设计准则，即在满足系统功能和技术指标要求下，应做到[7]：
1)结构设计合理，能实现技术协议中的功能要求。
2)分系统设计满足技术指标要求，并力求简单。
3)用户使用操作使用方便，即使用户误操作也不会产生不良后果。
4)尽可能考虑环境因素。
5)对使用对象、使用方法也要充分考虑。
2.2 设计方案
电铸加工的PLC控制系统性能是整个加工系统性能优劣的一项重要指标。现代控制系统中，PLC作为广泛应用于工业自动化领域的控制器，它的功能越来越强，性能越来越先进。用PLC控制电机很方便，尤其是为了配合步进电机的控制，通过1PG可以很好地对步进电机进行控制。
对于电铸加工PLC控制系统，应满足以下要求:结构简单，具有一定的速度调节范围，具有良好的可靠性和稳定性，抗干扰能力强，实时控制性好，对过程电信号突变能快速响应，控制执行机构作相应动作，调节速度快，精度高。
系统硬件部分由控制器PLC、人视界面触摸屏、1PG、驱动器和步进电机等组成。触摸屏负责人机交互界面管理和控制系统实时监控，它通过串口与PLC通讯，可通过触摸按键方式实现对步迸电机的启停、调速、转向等控制，在触摸屏上动态照示步进电机运行位置、速度等参数。
这种控制方式的优点是：大大减少系统设计的工作量，不存在各部分接口信号的匹配问题，提高系统的可靠性。PLC具有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性，而且可靠性大大提高。
采用PLC直接控制电机技术，减少了系统设计的工作量，大大缩短了开发研制周期，在一定范围内，有较高的推广和实用价值。
人机交互界面主要用于显示设备和系统状态的实时信息，界面上的按钮可产生相应的输入数值、字符或开关信息与PLC进行数据交换，从而产生相应的动作以实现系统的控制。触摸屏作为人机界面，实现了对电机的转向、转速和阴极行程的监控，并可对工艺参数进行设定。
根据设计要求选择控制体统，本课题选择PLC结合触摸屏的方式进行控制，使得整个体统性能更加稳定，监控功能比较完善。
电铸机床的PLC控制系统总体控制方案如图2所示。
本系统采用三菱GX Developer编程，用EB 8000编辑触摸屏界面。利用PLC程序对整个系统进行控制。与传统的计算机控制相比，PLC集数据处理、程序控制、参数调节等功能于一体,它编程容易、使用方便、可靠性高,可以在电解加工等工业控制现场的恶劣环境中可靠地工作。而触摸屏技术是近几年新兴的一种多媒体技术,它具有简单易学、操作方便、稳定性好等特点。综合上述优点，此次课题选用PLC和触摸屏来构成对系统的设计。
这种控制方式的优点是:整个控制系统是由PLC、FX2N-1PG脉冲输入模块、驱动器和步进电机组成。由于PLC具有实时刷新技术，输出信号的频率可以达到数千赫兹或更高，使得脉冲分配能有很高的分配速度，充分利用步进电机的速度响应能力，提高整个系统的快速性。并且，PLC有采用大功率晶体管的输出端口，能够满足步进电机各相绕组数10V级脉冲电压、1A级脉冲电流的驱动要求。PLC在控制直流电机时就更加简单，速度控制容易满足使用要求，而且可靠性大大提高。
采用PLC直接控制电机技术，减少了系统设计的工作量，大大缩短了开发研制周期，在一定范围内，有较高的推广和实用价值。
PLC是控制系统的核心，相当于人的大脑，它接受到触摸屏的控制信号，通过其内部认可的程序对附属部件1PG收发运行脉冲，并对一些地址数据进行运算，结果或是发给1PG，或回馈到触摸屏。驱动器包括环形分配器、功率放大器、和一些辅助电路组成，这样1PG发来的脉冲经过脉冲分配、功率放大后就可以驱动步进电机按控制要求进行运行.
3.电气控制电路设计
基于控制系统的需求，本课题也进行了对机床的电气控制电路设计。此电路采用的是三相电流，该图主要是对系统中的触摸屏、驱动器、32A接触器以及PLC的连接情况，主电路图中，首先是三相380V的电压接入，与其相连的是组合开关，分三路，三条支路分别接上PLC(L1、L2线)，L1、L2、L3和接触器连接，紧接着和驱动器DRIVER1上的L1、L2、L3连接，同时L1、L2线和驱动器上的L1C、L2C连接。其中三相引出的三条线需要采用2.5平方毫米的线，整个主电路图，布局简洁，具体图如图3所示。
4.总结
本系统采用触摸屏结合PLC方式进行控制,使得整个系统性能稳定,监控功能较完善。PLC提供丰富的I/O接口模块和存储卡功能,使得系统的维护和改造具较强的灵活性,用户可根据生产需要灵活设计、自行组合,以实现最优化控制。而采用步进电机控制阴极的进给运动也进一步提高了速度稳定性和加工精度。经过实际的运行,工作稳定,完全达到了设计要求。
参考文献：
[1]丁苏赤,陈远龙,万胜美等.电解加工机床PLC控制系统的设计与实现[J].电加工与模具,2005.
[2]祝红芳.PLC及其在数控机床中的应用[M].人民邮电出版社,2007,10.
[3]田艳芳.PLC在钻孔组合机床控制中的应用[J].机床与液压,2003(04).
[4]廖常初.可编程序控制器应用技术(第五版)[M].重庆大学出版社,2007.
[5]潘红斌.基于PLC技术的工业设备控制系统设计和应用研究[D].东南大学硕,2006:5-13,69.
[6]张金姣.两面加工组合机床的PLC控制设计[J].机床电器,2008(02):1-2.
[7]吴安德,黎生兰,黄因慧等.数控喷射电铸机床数控系统的研究[J].电加工与模具,2002(06):1-3.
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