面向微細電解加工的電解液循環控制系統設計

2015-04-25 10:00:18邵忠良

制造業自動化 2015年3期

關鍵詞：程序

邵忠良

SHAO Zhong-liang

（廣東水利電力職業技術學院自動化工程系，廣州 510635）

0 引言

隨著微電子器件的高頻集成，微細電解加工得到廣泛的研究和運用。微細電解加工是一種特種加工技術，是以加工工具為陰極，被加工工件為陽極，陽極以離子的形式發生陽極溶解，來獲得與陰極形狀相同的微結構。微細電解加工是非接觸式加工，具有工具電極無損耗、加工范圍廣、加工表面質量好、無殘余應力等優點[1～4]。電解液循環系統是微細電解加工機床的關鍵組成，不僅要為電解加工持續供應具有足夠壓力和流量的電解液，還要使自身維持恒定的溫度和一定的電解液濃度，電解液溫度和濃度恒定是電解加工一致性和重復精度的保證[5,6]。特別地，電解液泵通常是采用抗腐蝕離心泵，第一次啟動前需要自動灌注電解液，暫停期間又不能讓回路中的電解液回流，以免再次啟動時仍需灌注電解液。因此，面對電解液循環系統多環節控制問題，其控制系統顯得尤為重要[7～10]。

針對電解加工電解液循環系統多環節自動控制問題，本文設計了一種基于PLC的電解液循環控制系統。首先，介紹了電解液循環系統的工作原理，然后，搭建了控制系統的硬件構架，最后，實現了控制系統的軟件詳細設計。

1 電解液循環系統工作原理

電解液循環系統如圖1所示。在系統運行前，在電解液箱內裝入約2/3體積的電解液，將離心泵灌滿電解液，打開電解液中的開關閥。自然狀態下，二相二通電磁處于關閉狀態，故離心泵內的電解液在大氣壓作用下不會流失。開啟PLC控制系統，攪拌器開始旋轉攪拌，溫度傳感器開始檢測電解液溫度，電導率儀開始檢測電解液電導率。如果溫度低于設定值，則加熱棒工作，加熱至溫度達到預設值為止。如果電導率不符合設定值范圍，則需要重新配置電解液，知道滿足要求為止。當電解液溫度和電導率都滿足要求后，PLC自動控制電磁閥打開和離心泵啟動運行。

圖1 PLC控制的電解液循環系統原理圖

電解液從吸液口經過濾器吸入泵中，由離心泵以一定的壓力和流量打出，經過精過濾器、流量計、穩壓閥、壓力表等元件進入電解加工工作箱，參加電化學反應后的溶液，經過濾回流到原來的電解液箱。隨著反應的進行，溶液的電導率會發生變化，這種工藝參數的變化會影響加工效果和產品的一致性。根據電解液的不同，電化學反應后一般出現水分的減少或溶質的減少兩種情況，導致電導率下降或上升。系統中有兩個補料箱，分別裝有去離子水和高濃度溶液，通過PLC分別控制電磁開關閥1YA或2YA的開啟和關閉，來定量補充水分的減少或溶質的減少。由于散熱影響，當電解液溫度低于設定值，PLC將控制加熱棒通電加熱，當溫度達到預設值后，PLC控制加熱棒斷電。這樣就實現了維持電解液溫度和電導率的恒定控制。

在加工需要暫停更換工件，控制泵停止運行，同時控制3YA斷電，使電磁閥處于閉合位置。這樣做的好處是：可以避免液體回流，省去離心泵再次啟動時需要灌注電解液的麻煩。當需要結束使用時，控制PLC各輸出量斷電復位后，再控制電磁閥開啟并延時20秒后關閉，使系統管路內殘留電解液全部回流到電解液箱。

2 控制系統硬件設計

根據電解液循環系統工作原理可知，其控制系統主要控制功能為起始動作順序控制、溫度恒定控制、電導率恒定控制、泵的二次啟動控制，如圖2所示。

圖2 控制功能圖

電解加工環境惡劣，溫度高，某些甚至散發腐蝕性氣體，所以，特定環境下的控制系統硬件需要考慮諸多因素，如響應速度、抗干擾能力、系統穩定性、控制功能、參數修改柔性和整體經濟性等。本文設計的電解液循環控制系統硬件構架如圖3所示。以PLC為控制核心，輸入為溫度傳感器、電導率儀，可以通過PLC的人機交互界面管理時間、溫度和電導率的預設值修改。輸出為泵開關、攪拌開關、加熱開關、泵出口電磁閥及兩個加料電磁閥。具體地，本文根據實際需要，控制系統選用FX2N系列PLC，型號為FX2N-16MT-D，它是具有16個I/O點基本單元的晶體管輸出型PLC，使用24V直流電源。模擬信號需要經過A/D轉換模塊轉換為數字量，才能輸入PLC，因此選擇A/D轉換模塊FX2N-4AD轉換前向通道的模擬量。溫度傳感器選擇耐腐蝕的T110型數顯溫度計，電導率儀選擇CM-230型。輸出開關量接電磁鐵或繼電器。

圖3 控制系統硬件結構框圖

3 控制系統軟件設計

3.1 控制流程設計

根據電解液循環系統的工作原理和功能要求，設計了控制系統程序流程圖，如圖4所示。系統開啟后，首先檢測溫度和電導率值是否在設定值的范圍內，如果不是，則進行相應的調整。溫度不夠就控制加熱，水分缺少就補充去離子水，溶質缺少就補充高濃度溶液。完成參數的恒定控制后，啟動泵運行，進行電解加工。在加工過程中不斷控制兩參數的恒定。如果需要更換工件，可以暫停運行。