基于PLC的DJK3225卧式电解加工机床的研制
陈远龙贾志华万胜美丁苏赤
合肥工业大学特种加工研究所合肥  230009
摘要：介绍了自行研制的用于长筒形零件型孔及扩孔加工的DJK3225卧式数控精密电解加工机床。机床主轴进给系统是由交流伺服电动机、滚珠丝杠等精密部件及可编程逻辑控制器(PLC)构成的半闭环控制系统。配备触摸屏作为人机接口，使系统控制界面友好，简单直观，便于操作。
关键词：PLC  电解加工机床卧式
中图分类号：TG662
0  前言
本课题所研制的DJK3225型卧式电解加工机床是针对航空航天、武器装备等制造领域中广泛应用的高强度、高韧性、高硬度等难加工材料的加工所设计的专用机床，主要适用于长筒形零件的型孔及扩孔加工[1]。机床主要技术参数如下：床身长5m；中心高250mm；固定式工作台尺寸350mm×420mm；移动式工作台尺寸300mm×420mm；阴极行程50mm～1500mm；阴极进给速度：0.5mm/min～150mm/min无
级可调，快进速度1000mm/min；阴极重复定位精度：≤±0.025mm；最大工件尺寸：外径φ 120mm，长度1500mm；电源参数：直流，额定电流6500A，输出电压3～36V。
图1  DJK3225卧式电解加工机床工作原理
1. 电解电源
2. 夹具
3. 工件
4. 工具阴极
5. 夹具
6. 拉杆
7. 拉杆座
8. 电解液泵
9. 电解液池 10. 异步电机 11. 移动工作台 12. 丝杠 13. 滚珠丝杠 14. 伺服电机 15. 床身
1  机床结构设计及控制要求
1.1机床结构设计
针对电解加工工艺的特殊性，该数控电解加工机床采用了较为先进的结构布局[2]:
(1) 机床结构形式为卧式，床身选用箱型结构，整体铸造成型。并设置有大尺寸的纵向通筋，以确保高纵向刚性，减少受轴向载荷后的翘曲变形。
(2) 工作台材料均采用耐腐蚀不锈钢制作，精度性能较高，并且抗冲击，具有较好的刚度和强度，承载量均大于500kg。
(3) 移动工作台在其移动范围内能可靠方便锁死，并与尾座的旋压式调节装置相协调以实现对不同长
度工件的夹紧。
(4) 传动部位在全行程内加装不锈钢伸缩式防护罩，以确保传动部件不受外部灰尘及电解液的影响；加工区加装透明玻璃钢防护罩，避免加工过程中电解液外溅。
(5) 采用以PTEE为基的塑料贴面导轨，摩擦力小(摩擦因数小于0.04)，运行平稳，支承刚性好，精度高，且耐腐蚀。由于贴塑导轨磨损主要在软带上，维修时只需要更换软带，同时也彻底避免了导轨中凹。
(6) 阴极进给系统采用交流伺服电机驱动、滚珠丝杠传动，保证了进给速度的均匀和稳定，特别是低速进给时的稳定性。
(7) 电气控制系统采用PLC控制，稳定性高，可靠性好，控制柔性强。控制柜采用全密封式，并配以机柜空调，以确保柜内各元器件正常工作。
(8) 采用触摸屏作为人机界面，大大减少了输入、输出点数，可以直接修改加工参数以适应不同的工艺要求，极大地方便了操作与维修。
1.2控制要求
考虑到电解加工的特殊要求，系统需对电解加工主要参数、电源、电解液、移动工作台和拉杆座的进给运动等进行集中控制，必须具有以下功能或性能[3]：
(1) 自动对刀。在加工前必须确定阴极与工件的准确距离，才能进行后续的加工操作。
(2) 自动加工。在阴极、工件装夹到位，设定好加工时间、加工电流等加工参数后，可以自动开启电解加工循环，包括自动上水、加电、自动恒流加工，加工完毕后自动断电、停水等。
(3) 断电保护。能够在机床意外断电重启后的情况下对刀点坐标位置不丢失。能够使得阴极获得较宽的进给速度和较高的重复定位精度。
(4) 可靠的故障诊断和自动处理。在电解加工过程中可能会出现“打火”或“短路”现象，为保证加工过程的正常进行，控制系统应能对加工过程进行监控，对出现的故障能进行自动诊断和处理。
(5) 较强的抗干扰能力和较高的可靠性。因为电解加工的工作环境较恶劣，且要抵抗工艺电源大电流通断和极间火花的干扰。
2  控制系统硬件设计
2.1系统硬件设计
如图2所示，系统硬件主要由触摸屏、可编程控制器、驱动器和伺服电机等组成。
触摸屏选用光洋ViewJetCmore系列EA7-T12C-C型产品，其画面存储器flash40M，数据存储器SRAM 256M，支持USB、RS232C等外部接口，配套的软件支持离线模拟运行。
PLC选用OMRON公司的CJ1M系列，具体配置为：CJ1W—PA205R电源模块；CJ1M－CPU22处理器单元，I/O容量320点，程序容量10K步，并且内置I/O，支持10个输入(包括4个中断输入、2个高速计数器输入)和6个输出(包括2个脉冲输出及PWM输出)，CPU-22内置I/O电路如图3所示；CJ1W—ID211直流输入单元，支持16点DC输入；CJ1W—OC212继电器输出单元，支持16点继电器输出；CJ1W—AD041模拟量输入单元，支持4点模拟量输入。
综合考虑到拉杆的负载、阴极重复定位精度、进给速度和精度，进给系统采用松下公司MDMA型系列的伺服驱动器和伺服电机构成的半闭环控制系统，这种伺服系统所能达到的精度、速度和动态特性优
于开环伺服系统，而其复杂性和成本却低于闭环伺服系统。并且该系列的伺服电机具有智能化的自动调整、高速高响应、振动抑制等特点。
3  系统软件设计
3.1  PLC程序设计
OMRON的CJ1M系列PLC具有丰富的编程指令，软件设计环境良好，本系统采用梯形图语言编写，利用最新CX-Programmer7.0编程软件编制程序[4]。为达到控制要求，程序的编制采用模块化结构，主要包括：系统初始化模块、参数设置模块、机床调整模块、自动对刀模块、加工准备模块、自动加工模块、手
动加工模块、恒流加工模块。
此外，为保证电解加工安全可靠进行，在控制软件中还设计了故障自动检测和处理模块、温度测量和控制电压自动补偿模块、过流保护模块。控制系统软件流程如图4所示。
图2  系统硬件组成
图3  CPU内置I/O电路图4  控制系统软件流程其中自动加工中阴极位置控制使用CTBL指令登记一个比较表以完成对高速计数器PV值比较，当达到不同指定值，启用相应的中断任务，主要包括快速、快进转工进、低速、位置到、快退减速、回原点，这样阴极能自动完成一次进给循环。
3.2触摸屏界面设计
触摸屏的画面可在计算机上使用其支持软件ViewJetCmore制作，通过软件工具库的工具调用以及相关项的设定或通过宏定义设计出所需画面，对画面中开关按钮或数据显示器赋予与PLC中对应的变量，
再将这些画面通过USB串口传送至触摸屏即可使用。并在触摸屏中设定部分数据设定单元，通过触摸屏就可直接修改PLC 内存中部分数据，比如加工时间。
鉴于系统实际工作的特点，配置了初始化界面、提示界面、调整界面、手动对刀界面、加工准备界面、手动加工界面、自动加工界面等七个基本界面。
最新dj4  结论
本机床采用触摸屏结合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，用户可根据工程需要灵活设计、自行组合，以实现最优化控制。并且在设计过程中，充分考虑到机床的安全防护、防腐、机床与工件的绝缘等，完全满足工业化生产要求。
参考文献
[1] 朱树敏，陈远龙. 电化学加工技术. 北京：化学工业出版社，2006.
[2] 陈远龙，王天霁，万胜美. 基于PLC和触摸屏技术的数控电解加工机床研制. 电加工与模具，2005(3)：56-59.
[3] 丁苏赤，陈远龙，万胜美. 电解加工机床PLC控制系统的设计与实现. 电加工与模具，2005(4)：53-56.
[4] 祁文钊，霍罡. CS/CJ系列PLC应用基础及案例. 北京：机械工业出版社，2006.
DEVELOPMENT OF HORIZONTAL ECM MACHINE TOOL BASED ON PLC
Abstract: Introducing the horizontal numerical exact ECM machine tool which developed by ourselves, it can be used to machining moulding hole and opening hole of long tubular workpiece. The main axle feed system of the tool is half closed-loop control system which composed by the exchange servo motor, the ball screw units and the programmable logical controller (PLC). As a human-computer interface, the interface of the systm is friendly , and it makes the system operated and handled easily.
Key words:PLC  ECM machine tool  Horizontal
作者简介：陈远龙，男，1964年出生，副研究员。主要研究方向为特种加工工艺及设备。