1.電鑄加工原理及控制系統(tǒng)方案設計

1.1 電鑄加工的基本原理

電鑄是用金屬電沉積的方法制備產品的一種特種加工工藝，主要用于某些特種產品的成型。用導電的原模作陰極，用于電鑄的金屬作陽極，電鑄溶液是含有陽極金屬離子的金屬鹽溶液，在電源的作用下，電鑄溶液中的金屬離子在陰極導電原模（芯模）上還原成金屬[1]，沉積于導電原模表面，同時陽極金屬源源不斷地變成離子溶解到電鑄液中進行補充，市電鑄液中金屬離子的濃度保持不變[2]。其原理如圖1所示。

電鑄成形是利用電化學過程中的陰極沉積現(xiàn)象來進行成形加工的。當陰極導電原模上的電鑄層逐漸增加，達到要求厚度時，停止電鑄，將鑄件與原模分離，獲得與原模型面相反的電鑄件，這種電鑄件的形狀和表面粗糙度與原模相似。

電鑄所用的設備及電鑄溶液與一般電鍍中所使用的基本相同，但是在制品的要求上電鑄與電鍍有兩個主要不同點：第一，一般電鍍層要求與基體金屬牢固結合，而電鑄層與原模并不要求牢固結合，有時反而要求點鑄件能很容易地從原模上分離下來；第二，電鑄層的厚度要求比一般電鍍層厚得多，約十倍甚至數(shù)十倍[3]。

與其他方法相比，電鑄加工有自己獨特的優(yōu)點[4]：

1）電鑄品的機械性質容易調整，例如硬度、抗拉強度等等。

2）可減小與母模之誤差，加工精度高，公差可達±2.5μm。

3）能將傳統(tǒng)加工方式難于加工的零件內表面轉化為原模外表面，可通過制造易成型的原模材料而獲得難成型的金屬材料，尤其是制作薄壁金屬零件。

4）可以制成多層結構件，將多種金屬、非金屬拼鑄成一個整體。

5）適合制作一個或量產，而且電鑄層的厚度范圍寬。

電鑄加工缺點：

1）電鑄速度慢，生產時間比其它方法長，塑料成形用模具的電鑄有時需2-3周。

2）電鑄制品的尖角或凹槽部位的電鑄層厚度不均勻，制品存在一定的內應力。原模的劃痕、斑點等會復制到制品表面。

3）制造原模需要用精密機械加工設備和照相制版等技術，成本較高。

4）可真實復制外形或模樣，所以母模上的小傷痕也會再生，這是優(yōu)點也是缺點。

1.2 電鑄工藝的特點

1）表面細微特征的復制能力特別強。由電鑄工藝過程可知，電鑄層緊貼在芯模表面以原子直徑的尺寸（亞納米級）逐漸堆積、向外生長，故它能準確復制出芯模表面精度達到納米級的細微特征，因此，當將電鑄層與芯模分離后，即可得到粗糙度與芯模相當、紋理相反的鏡像表面，這就是電鑄技術最基本的、也是最典型的工藝特點。這一特性已被廣泛用于印刷制版、光盤模具及光學部件的加工中。光盤表面用于記錄信息的溝槽，其寬度為0.4μm，深度為0.12μm[5]。

除對表面粗糙度要求極高的光學部件外，這一特有的復制能力還被應用于部分采用傳統(tǒng)技術無法加工的零件制備上。如波導管、文氏管等對內表面的尺寸及精度要求較高、同時內表面直徑小的零件，采用傳統(tǒng)加工技術無法加工，無法使內表面尺寸及精度達到要求。如果采用電鑄技術，可使難以實施的內型面加工轉變?yōu)槿菀讓嵤┑耐庑兔婕庸?。其加工過程如下：先加工一個外表面的形狀、尺寸及精度與波導管、文氏管內表面完全一致的芯模，再利用電鑄技術在芯模的外表面上制備厚度超過圖紙要求的電鑄層，也就得到了內表面的形狀、尺寸及精度與芯模外表面完全一致的電鑄層，然后按照圖紙要求對電鑄層外表面進行機加工，最后將芯模退除，即獲得內表面尺寸及精度均符合要求的高品質的產品。

2）生產周期及成本電鑄層是金屬原子一層層逐漸堆積而成的，其生長速度與所使用的電鑄工藝參數(shù)（如溶液溫度及pH值、陰極電流密度等）有關。適當提高陰極電流密度可以提高電鑄層的生長速度，但陰極電流密度的提高受電沉積過程三個因素的限制：金屬離子從溶液本體向陰極表面遷移的速度、金屬離子在陰極表面的還原反應速度、離子還原后在陰極表面的遷移和晶粒成核及晶粒長大的速度[6]。

2.機床控制系統(tǒng)總體方案設計

2.1 總體方案設計準則

設計電鑄機床的控制系統(tǒng)時，首先要進行該課題的總體方案設計。分析系統(tǒng)需要的功能和技術要求，選擇合理的PLC以及觸摸屏。根據(jù)系統(tǒng)要求選擇處理速度快，靈活實用的可編程控制器。觸摸屏作為新型的人機界面，顯示直觀，操作簡單，可靠性高，不但在日常生活中的很多領域得到應用，而且工業(yè)控制中業(yè)得以廣泛應用。它是目前最簡單、方便的輸入和顯示設備。具有反應速度快和易于交流等優(yōu)點。在設計電鑄加工總體方案時，要使設計合理、高效，設計時應遵循一定的設計準則，即在滿足系統(tǒng)功能和技術指標要求下，應做到[7]：

1）結構設計合理，能實現(xiàn)技術協(xié)議中的功能要求。

2）分系統(tǒng)設計滿足技術指標要求，并力求簡單。

3）用戶使用操作使用方便，即使用戶誤操作也不會產生不良后果。

4）盡可能考慮環(huán)境因素。

5）對使用對象、使用方法也要充分考慮。

2.2 設計方案

電鑄加工的PLC控制系統(tǒng)性能是整個加工系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一項重要指標。現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，PLC作為廣泛應用于工業(yè)自動化領域的控制器，它的功能越來越強，性能越來越先進。用PLC控制電機很方便，尤其是為了配合步進電機的控制，通過1PG可以很好地對步進電機進行控制。

對于電鑄加工PLC控制系統(tǒng)，應滿足以下要求:結構簡單，具有一定的速度調節(jié)范圍，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，抗干擾能力強，實時控制性好，對過程電信號突變能快速響應，控制執(zhí)行機構作相應動作，調節(jié)速度快，精度高。

系統(tǒng)硬件部分由控制器PLC、人視界面觸摸屏、1PG、驅動器和步進電機等組成。觸摸屏負責人機交互界面管理和控制系統(tǒng)實時監(jiān)控，它通過串口與PLC通訊，可通過觸摸按鍵方式實現(xiàn)對步迸電機的啟停、調速、轉向等控制，在觸摸屏上動態(tài)照示步進電機運行位置、速度等參數(shù)。

這種控制方式的優(yōu)點是：大大減少系統(tǒng)設計的工作量，不存在各部分接口信號的匹配問題，提高系統(tǒng)的可靠性。PLC具有實時刷新技術，輸出信號的頻率可以達到數(shù)千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進電機的速度響應能力，提高整個系統(tǒng)的快速性，而且可靠性大大提高。

圖1 電鑄加工原理圖

圖2 電鑄機床的PLC控制系統(tǒng)總體控制方案

圖3 電氣控制主電路圖

采用PLC直接控制電機技術，減少了系統(tǒng)設計的工作量，大大縮短了開發(fā)研制周期，在一定范圍內，有較高的推廣和實用價值。

人機交互界面主要用于顯示設備和系統(tǒng)狀態(tài)的實時信息，界面上的按鈕可產生相應的輸入數(shù)值、字符或開關信息與PLC進行數(shù)據(jù)交換，從而產生相應的動作以實現(xiàn)系統(tǒng)的控制。觸摸屏作為人機界面，實現(xiàn)了對電機的轉向、轉速和陰極行程的監(jiān)控，并可對工藝參數(shù)進行設定。

根據(jù)設計要求選擇控制體統(tǒng)，本課題選擇PLC結合觸摸屏的方式進行控制，使得整個體統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，監(jiān)控功能比較完善。

電鑄機床的PLC控制系統(tǒng)總體控制方案如圖2所示。

本系統(tǒng)采用三菱GX Developer編程，用EB 8000編輯觸摸屏界面。利用PLC程序對整個系統(tǒng)進行控制。與傳統(tǒng)的計算機控制相比，PLC集數(shù)據(jù)處理、程序控制、參數(shù)調節(jié)等功能于一體,它編程容易、使用方便、可靠性高,可以在電解加工等工業(yè)控制現(xiàn)場的惡劣環(huán)境中可靠地工作。而觸摸屏技術是近幾年新興的一種多媒體技術,它具有簡單易學、操作方便、穩(wěn)定性好等特點。綜合上述優(yōu)點，此次課題選用PLC和觸摸屏來構成對系統(tǒng)的設計。

這種控制方式的優(yōu)點是:整個控制系統(tǒng)是由PLC、FX2N-1PG脈沖輸入模塊、驅動器和步進電機組成。由于PLC具有實時刷新技術，輸出信號的頻率可以達到數(shù)千赫茲或更高，使得脈沖分配能有很高的分配速度，充分利用步進電機的速度響應能力，提高整個系統(tǒng)的快速性。并且，PLC有采用大功率晶體管的輸出端口，能夠滿足步進電機各相繞組數(shù)10V級脈沖電壓、1A級脈沖電流的驅動要求。PLC在控制直流電機時就更加簡單，速度控制容易滿足使用要求，而且可靠性大大提高。

采用PLC直接控制電機技術，減少了系統(tǒng)設計的工作量，大大縮短了開發(fā)研制周期，在一定范圍內，有較高的推廣和實用價值。

PLC是控制系統(tǒng)的核心，相當于人的大腦，它接受到觸摸屏的控制信號，通過其內部認可的程序對附屬部件1PG收發(fā)運行脈沖，并對一些地址數(shù)據(jù)進行運算，結果或是發(fā)給1PG，或回饋到觸摸屏。驅動器包括環(huán)形分配器、功率放大器、和一些輔助電路組成，這樣1PG發(fā)來的脈沖經過脈沖分配、功率放大后就可以驅動步進電機按控制要求進行運行.

3.電氣控制電路設計

基于控制系統(tǒng)的需求，本課題也進行了對機床的電氣控制電路設計。此電路采用的是三相電流，該圖主要是對系統(tǒng)中的觸摸屏、驅動器、32A接觸器以及PLC的連接情況，主電路圖中，首先是三相380V的電壓接入，與其相連的是組合開關，分三路，三條支路分別接上PLC（L1、L2線），L1、L2、L3和接觸器連接，緊接著和驅動器DRIVER1上的L1、L2、L3連接，同時L1、L2線和驅動器上的L1C、L2C連接。其中三相引出的三條線需要采用2.5平方毫米的線，整個主電路圖，布局簡潔，具體圖如圖3所示。

4.總結

本系統(tǒng)采用觸摸屏結合PLC方式進行控制,使得整個系統(tǒng)性能穩(wěn)定,監(jiān)控功能較完善。PLC提供豐富的I/O接口模塊和存儲卡功能,使得系統(tǒng)的維護和改造具較強的靈活性,用戶可根據(jù)生產需要靈活設計、自行組合,以實現(xiàn)最優(yōu)化控制。而采用步進電機控制陰極的進給運動也進一步提高了速度穩(wěn)定性和加工精度。經過實際的運行,工作穩(wěn)定,完全達到了設計要求。

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