基于PLC的电解去毛刺机床控制系统的设计

李 明

(皖西学院实验实训教学管理部，安徽 六安 237001)

加工金属零件时，在内孔交叉处[1-2]、孔与型腔的交叉处等易产生毛刺[3-4]，毛刺的体积很小且大小不一，常规的去除方法较为困难，特别是在深孔交叉处，普通加工方法无法达到良好的加工效果。电解去毛刺技术已广泛应用于发动机、航空航天等领域[5]，其去毛刺效果和效率使得电解去毛刺成为目前主流的去毛刺方法，并随着现代控制技术及装备的发展，电解去毛刺技术也在不断地更新和发展。PLC技术提供高精度、高可靠性的工业控制解决方案，基于PLC技术以及相匹配的精简界面组态技术，可设计实现高精度电解去毛刺控制系统及友好的人机交互渠道。

电解去毛刺基于电化学阳极溶解原理，在加工时，工具与工件之间留有加工间隙，电解液从间隙中高速流过，同时施加高密度电流，使阳极工件快速蚀去。电解加工工艺复杂，影响因素众多，包括电场、流场、温度场、气泡[6-7]等，所以设计实现高精度、高效率、高可靠性的整套控制系统则尤为重要。本文基于PLC控制技术、界面组态技术和电解去毛刺工艺，设计一套电解去毛刺机床控制系统，以实现工件的高精度电解去毛刺加工。

1 控制系统硬件设计

1.1 机床与控制系统整体结构

机床与控制系统整体组成如图1所示，图1分为六个部分：机床本体、工艺装备、检测电路、电源、电解液系统和控制系统。

图1 机床与控制系统整体组成

图1中的机床本体是电解去毛刺的工作区域，完成工件和工具的安装、定位、夹紧等工作。控制系统协调并控制各个组分的工作和加工过程中的加工参数。工艺装备由工具阴极和夹具组成。电源给加工区的溶解提供电能。检测电路的作用是在阴阳极通电加工之前能够检测出工件与电极之间是否短路。电解液系统给加工区提供适当电解液压力、流量等。这六个组成部分相互作用，相互协调，共同组成机床及其一整套控制系统。

1.2 PLC选型与继电器配置

PLC控制器种类繁多，每一种都有其特点和局限。根据电解去毛刺加工工艺和控制要求，可选择三菱公司的FX2N系列PLC控制器，本文选择FX2N-48MRPLC，该种控制器满足控制所需的处理与运算能力、I/O接口及通讯模块和电源。FX2N 系列采用16位的8096单片机，兼容FX1N/1S系列的全部功能，使CPU运算能力得到提高；开关量输入输出各24点，I/O最大可扩展为256点，通信接口采用RS-422，常用于人机界面之间的通信，具有传输距离较远、速率较高、抗干扰能力强等特点。

根据选择的PLC设计继电器配置输入与输出接口电路如表1所示。“启动”按钮的功能是在没有任何报警和错误的情况下自动启动设备和控制系统；当系统有报警输入时，只有用户处理完报警事件后，按下“复位”按钮，将报警状态解除，才能进入下一个加工循环。

表1 输入输出接口设计

电解液温度是加工的重要工艺参数，不同工件所需要的电解液温度不同。根据电解液温度参数的控制要求，配置CD-901温控器，对电解液温度进行实时控制，同时具备温度上下限报警功能。CD-901温控仪是多功能的调节仪表，体积小、抗干扰能力强，拥有PID参数模糊自适应整定技术。PHG-217D型工业PH仪具有一般工业PH仪的全部功能，且能够控制外部设备，工作电压为220±22V AC，工作频率为50±0.5Hz，能够自动温度补偿，输出上下限可无级调整及配备上下限报警功能。PH值测量范围0～14.00，PH测量分辨率0.01，基本误差0.05，能够满足电解液PH值测量功能。

1.3 主回路设计

主回路主要连接的是机床的大功率设备，包括电压转换、交直变换、抗干扰等环节，如图2所示。

图2 主回路

从电网连接380V三相交流电，经过隔离变压器，输出220V交流电，用于开关电源、PLC等设备供电。气源机和电解电源等通过交流接触器(KM1～KM7)来控制；其它负载通过继电器(KA1～KA7)来控制。在各个支路上安装熔断器，实现对器件的保护作用。开关电源为24V直流稳压电源，用于给触摸屏和PLC控制回路等供电。

1.4 短路检测电路设计

电化学去毛刺加工中，由于毛刺的大小、长短不一且易于活动，导致阴极极易和阳极的突起毛刺相接触，发生短路，故应增加图3所示的短路检测及保护机制。

图3 短路检测电路设计

系统短路时工具与工件之间将会通过很大的电流，导致工件烧伤，损坏电源等。因此在电极通电之前，首先进行短路检测，禁止电解电源的接通，并随时产生报警信号。通过PLC处理短路信号，则可避免电源受损和工件被烧伤。

2 软件设计

2.1 电解去毛刺整体控制流程

软件设计可充分发挥硬件性能，提升机床的整体水平。电解去毛刺控制整体流程包括工艺参数的确定、加工准备、判断准备就绪、手动加工模块、自动加工模块等，如图4所示。

由图4分析可知，系统启动时进入初始化状态，包括系统起始位置初始化、PLC底层硬件初始化、各继电器和接触器初始化等。当系统初始化完成后方可进行加工参数的设定。对于未知加工工艺的零件可选择手动加工模式，通过手动加工模式选择合适的加工工艺参数；当工件的工艺参数已知时，可直接选择自动加工模块，对工件加工完毕后系统自动回位到初始状态，准备好进入下一次加工循环。在选择工作模式时，可选择故障处理模块进入故障排查程序；选择管理模块进入生产的监控，生成生产日志等；进入模拟量模块进行加工电压信号和加工电流信号的采集，实现电压和电流检测以及加电时间的计时等。

图4 整体控制流程

2.2 自动加工控制流程

在自动加工控制程序设计时必须加入报警程序、故障检测程序和故障排除程序，加工控制程序流程如图5所示。

2.3 通信机制设计

工件加工之前及加工过程中均会产生各种各样的数据，这些数据的收发需要通过一定的数据总线，系统还需能够完成数据的共享及消息传递等功能。控制系统的通信主要包括PLC与触摸屏的通信、触摸屏与上位机的通信等，其通信机制如图6所示。

触摸屏与PLC的通讯配置在组态软件EB8000和编程软件GX developer中实现。在配置中通信总线的接口类型、PLC预设站号、波特率、数据位等通信总线参数要与真实物理硬件参数配置一致。触摸屏与PC间的通信标准为USB2.0，PLC与PC之间采取“穿透通讯”方式，以避免系统调试阶段接口端的反复插拔。

2.4 控制系统界面设计

设计控制系统界面方便技术工人对机床进行操作，界面设计主要包括主界面设计、准备模块界面、手动加工界面、自动加工界面、报警窗口界面、管理查询界面等，图7所示为主界面。图8所示为手动加工界面。图9所示为准备模块界面。

图5 自动加工程序流程

图6 通信机制设计

图7 主界面设计

图8 手动加工界面设计

图9 准备模块界面设计

2.5 机床与控制系统调试

机床与控制系统调试主要包括PLC输出信号与硬件动作的响应；温控器、PH仪的功能调试；模拟量的检查与处理；故障报警功能调试等。

调试实验完成以下主要功能和作用。

(1)电解电源、电解液系统和控制系统工作相互协调，无干涉和冲突，能够保证工件的去毛刺过程顺利进行。

(2)PLC模块运行稳定，能够对内部设备及外围设备进行控制，通过数据总线与上位机和触摸屏完成通信。

(3)触摸屏界面显示正常，触摸操作流场，数据显示稳定，无闪屏等现象产生。

(4)温控仪、PH仪等辅助控制设备运行稳定，并能够对测得信号准确地反馈到PLC控制器，内部算法运行稳定，能够对温度等进行较精确地控制，满足去毛刺加工工艺的要求。

(5)各故障检测模块运行正常，与故障检测和处理程序设计流程相对应，在检测到故障时能够进行相应的处理，并将处理结果通知到技术部门。

3 结束语

分析了电解去毛刺加工工艺特点，基于PLC控制技术和界面软件组态技术设计实现了电解去毛刺机床控制系统，配置了PLC的输入输出接口连接，采用温控仪和PH仪等辅助控制设备实现了电解液温度和PH值的反馈控制。设计了控制主回路及短路检测电路，并根据工艺要求设计了控制系统的程序流程与人机交互界面，机床调试结果表明系统运行稳定，保证了加工精度及效率，达到对毛刺的良好去除效果。