面向微细电解加工的电解液循环控制系统设计

2015-04-25邵忠良

制造业自动化 2015年3期

邵忠良

SHAO Zhong-liang

（广东水利电力职业技术学院自动化工程系，广州 510635）

0 引言

随着微电子器件的高频集成，微细电解加工得到广泛的研究和运用。微细电解加工是一种特种加工技术，是以加工工具为阴极，被加工工件为阳极，阳极以离子的形式发生阳极溶解，来获得与阴极形状相同的微结构。微细电解加工是非接触式加工，具有工具电极无损耗、加工范围广、加工表面质量好、无残余应力等优点[1～4]。电解液循环系统是微细电解加工机床的关键组成，不仅要为电解加工持续供应具有足够压力和流量的电解液，还要使自身维持恒定的温度和一定的电解液浓度，电解液温度和浓度恒定是电解加工一致性和重复精度的保证[5,6]。特别地，电解液泵通常是采用抗腐蚀离心泵，第一次启动前需要自动灌注电解液，暂停期间又不能让回路中的电解液回流，以免再次启动时仍需灌注电解液。因此，面对电解液循环系统多环节控制问题，其控制系统显得尤为重要[7～10]。

针对电解加工电解液循环系统多环节自动控制问题，本文设计了一种基于PLC的电解液循环控制系统。首先，介绍了电解液循环系统的工作原理，然后，搭建了控制系统的硬件构架，最后，实现了控制系统的软件详细设计。

1 电解液循环系统工作原理

电解液循环系统如图1所示。在系统运行前，在电解液箱内装入约2/3体积的电解液，将离心泵灌满电解液，打开电解液中的开关阀。自然状态下，二相二通电磁处于关闭状态，故离心泵内的电解液在大气压作用下不会流失。开启PLC控制系统，搅拌器开始旋转搅拌，温度传感器开始检测电解液温度，电导率仪开始检测电解液电导率。如果温度低于设定值，则加热棒工作，加热至温度达到预设值为止。如果电导率不符合设定值范围，则需要重新配置电解液，知道满足要求为止。当电解液温度和电导率都满足要求后，PLC自动控制电磁阀打开和离心泵启动运行。

图1 PLC控制的电解液循环系统原理图

电解液从吸液口经过滤器吸入泵中，由离心泵以一定的压力和流量打出，经过精过滤器、流量计、稳压阀、压力表等元件进入电解加工工作箱，参加电化学反应后的溶液，经过滤回流到原来的电解液箱。随着反应的进行，溶液的电导率会发生变化，这种工艺参数的变化会影响加工效果和产品的一致性。根据电解液的不同，电化学反应后一般出现水分的减少或溶质的减少两种情况，导致电导率下降或上升。系统中有两个补料箱，分别装有去离子水和高浓度溶液，通过PLC分别控制电磁开关阀1YA或2YA的开启和关闭，来定量补充水分的减少或溶质的减少。由于散热影响，当电解液温度低于设定值，PLC将控制加热棒通电加热，当温度达到预设值后，PLC控制加热棒断电。这样就实现了维持电解液温度和电导率的恒定控制。

在加工需要暂停更换工件，控制泵停止运行，同时控制3YA断电，使电磁阀处于闭合位置。这样做的好处是：可以避免液体回流，省去离心泵再次启动时需要灌注电解液的麻烦。当需要结束使用时，控制PLC各输出量断电复位后，再控制电磁阀开启并延时20秒后关闭，使系统管路内残留电解液全部回流到电解液箱。

2 控制系统硬件设计

根据电解液循环系统工作原理可知，其控制系统主要控制功能为起始动作顺序控制、温度恒定控制、电导率恒定控制、泵的二次启动控制，如图2所示。

图2 控制功能图

电解加工环境恶劣，温度高，某些甚至散发腐蚀性气体，所以，特定环境下的控制系统硬件需要考虑诸多因素，如响应速度、抗干扰能力、系统稳定性、控制功能、参数修改柔性和整体经济性等。本文设计的电解液循环控制系统硬件构架如图3所示。以PLC为控制核心，输入为温度传感器、电导率仪，可以通过PLC的人机交互界面管理时间、温度和电导率的预设值修改。输出为泵开关、搅拌开关、加热开关、泵出口电磁阀及两个加料电磁阀。具体地，本文根据实际需要，控制系统选用FX2N系列PLC，型号为FX2N-16MT-D，它是具有16个I/O点基本单元的晶体管输出型PLC，使用24V直流电源。模拟信号需要经过A/D转换模块转换为数字量，才能输入PLC，因此选择A/D转换模块FX2N-4AD转换前向通道的模拟量。温度传感器选择耐腐蚀的T110型数显温度计，电导率仪选择CM-230型。输出开关量接电磁铁或继电器。

图3 控制系统硬件结构框图

3 控制系统软件设计

3.1 控制流程设计

根据电解液循环系统的工作原理和功能要求，设计了控制系统程序流程图，如图4所示。系统开启后，首先检测温度和电导率值是否在设定值的范围内，如果不是，则进行相应的调整。温度不够就控制加热，水分缺少就补充去离子水，溶质缺少就补充高浓度溶液。完成参数的恒定控制后，启动泵运行，进行电解加工。在加工过程中不断控制两参数的恒定。如果需要更换工件，可以暂停运行。