阴极轨迹式平动型电铸机床PLC控制系统设计与实验

郑文书，郭钟宁，江树镇，罗红平

（广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）

阴极轨迹式平动型电铸机床PLC控制系统设计与实验

郑文书，郭钟宁，江树镇，罗红平

（广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）

对阴极轨迹式平动型电铸机床的PLC控制系统进行了设计。机床采用基于PLC与触摸屏相结合的控制系统，实现阴极的轨迹式平动、温度的PID控制及液位的稳定控制。应用该机床进行精密模具的电铸成形实验，结果表明：采用轨迹式平动的阴极进行电铸比采用静止不动的阴极电铸得到的模具成形精度更高、质量更好。

阴极平动；电铸机床；电铸成形；可编程控制器

电铸是一种重要的增材成形制造工艺，其本质属于电化学沉积工艺。理论上，这类工艺能达到纳米级的制造精度，适用于制造形状复杂、精度要求高的金属零部件；且工艺过程简单方便、成本低，便于大批量生产，故具备广阔的应用前景[1]。

电铸工艺应用中经常遇到铸层不均匀的问题，研究人员尝试从以下几方面来改善铸层均匀性的问题：①调整铸液成分以获得适合的电导率和阴极极化条件[2-3]；②利用象形阳极、辅助电极和屏蔽阴极[4-6]；③采用脉冲和负向脉冲电源[7-8]。

本文从改善电铸过程中阴极的传质条件和电场分布入手，以PLC为控制核心，设计阴极轨迹式平动的电铸机床控制系统，最终达到改善铸层均匀性的目的。

1 机床结构及控制要求

1.1 机床结构

阴极轨迹式平动型电铸机床由床身、电气控制柜、电铸电源等组成（图1）。

图1 电铸机床总体结构

床身是机床的主体，采用立式设计结构，包括电铸反应槽、储液槽、循环泵、过滤柱、X-Z两轴步进驱动平台、平动阴极、悬挂式阳极、pH计探头、钛加热器、温度计探头、液位开关等零部件，主要结构材料选用耐腐蚀的PP塑料。电气控制柜主要包括PLC控制器、触摸屏人机交换界面、步进电机驱动器、控制循环泵和加热器的继电器按钮开关等。

1.2 控制要求

机床采用基于PLC的控制系统，其控制要求为：①能实现阴极在X-Z轴平面的轨迹式循环运动，且有多种轨迹的平动模式供选择；②能实现阴极在X-Z轴平面的点动；③能实现对铸液温度的PID控制；④能实时监测pH值、液位等物理量。

2 控制系统设计

2.1 控制系统结构

2.1.1 X-Z两轴轨迹式运动控制系统结构

基于PLC控制器的平面插补计算通常需要增加价格昂贵的定位模块。阴极轨迹式平动型电铸机床只需控制阴极在平面内按一定的轨迹运行，精度要求不高。因此可直接通过控制PLC两个高速脉冲输出口的脉冲频率和脉冲方向来实现，其运动控制系统结构见图2。本机床设计了两种阴极平动轨迹模式（图3）。

图2 X-Z平动轨迹控制系统结构

图3 阴极平动轨迹

2.1.2 温度PID控制系统结构

电铸液温度是影响电铸成形的重要因素，温度过高或过低都将影响铸层成形精度。为保证电铸加工精度，必须精确控制电铸机床的铸液温度，其温控系统结构见图4。

图4 温度PID控制系统结构

工业上广泛使用的控制方法是采用基于差值信号的比例、积分和微分进行控制量的计算，即增量式PID计算法[9]。其控制规律的数学模型为：

式中：T为采集周期；ei、ei-1、ei-2为t时刻、（t-1）时刻和（t-2）时刻的差值信号。

机床采用PLC与HMI相结合的方式来控制铸液温度。通过触摸屏设定铸液温度值，温度传感器检测铸液温度高于或低于设定值时，PLC将自动进行PID计算，根据计算结果来执行程序关闭或启动加热器。

2.1.3 液位控制系统结构

电铸成形过程中，铸液从储液槽中经循环泵抽入过滤柱，然后进入电铸槽发生电化学反应，再回流到储液槽中。加工过程中，电铸槽的液位是动态变化的，为保证电铸工艺的稳定，需控制稳定的液位。机床设计了基于PLC的液位自动控制系统结构（图5）[10]。当液位传感器检测到液位高于或低于设定的液位高度时，PLC将执行液位程序控制模块，控制循环泵的关闭和开启。

图5 液位控制系统结构

2.2 硬件选型

2.2.1 PLC的选型

PLC是计算机技术和继电器逻辑控制技术相结合的一种新型控制器，按结构形式可分为整体式和模块式两类，且模块式的应用较广。本文选用FX1N-24MT控制器，该控制器具有两路高速脉冲输出口，可用于对X-Z两轴步进电机的运动控制。选用的模拟量输入输出模块型号为FX0N-3A，该模块具有2道A/D输入和1道D/A的模拟量输出。

2.2.2 触摸屏的选型

工业触摸屏是通过触摸式工业显示器将人和机器连为一体的人机交互界面。本文选用TK6070iP电阻式触摸屏，其优点在于工作环境与外界隔离，抗干扰能力强。

2.2.3X-Z两轴运动平台

阴极在X-Z平面的轨迹式平动一方面影响阴极表面附近的金属离子传质条件；另一方面，阳极位置相对固定，整个阴极不断地循环运动，阴极上各个位置在整个电铸周期中表现为整体式的电场分布均匀性。因此，阴极的轨迹式循环平动能改善电铸成形的加工精度。

综合考虑定位精度、电机负载等因素后，本文选用的X-Z两轴平台，其每轴行程为150 mm，丝杠螺距为4 mm，两个轴选用的步进电机型号为42BYG01442，配套42系列的步进驱动器。

2.3 PLC和HMI程序设计

2.3.1 PLC程序设计

为实现阴极轨迹式平动型电铸机床的控制要求，采用模块化结构编写PLC程序（图6）。

图6 模块化编程方案

（1）系统参数初始化：对X-Z轴步进电机的频率、铸液温度等参数进行开机初始化。

（2）PID温度控制模块：稳定控制铸液的温度，避免铸液温度波动而影响电铸成形精度，PID的控制参数采用“先比例后积分，最后再把微分加”的试凑法现场整定得到。

（3）液位控制模块：实时监控电铸槽的液位信号，根据液位信号控制循环泵的启停。

（4）阴极平动模块：设定阴极在X-Z轴的运动轨迹。分循环平动和手动两个子模块，手动模块可实现阴极在X-Z平面的手动定位，循环平动则按平动轨迹分成“轨迹一”和“轨迹二”两个模块，供电铸试验时选择。

2.3.2 HMI程序设计

本文设计的触摸屏界面包括主界面、操作台界面和温度控制界面等（图7）。

3 加工试验

图7 触摸屏设计界面

采用阴极轨迹式平动型电铸机床进行微流控芯片模具的电铸成形试验，在其他电铸工艺条件相同的情况下，对比了阴极静止不动和阴极轨迹式平动两种条件下的电铸成形效果。阴极静止不动时，电铸得到的模具铸层边缘效应明显，铸层气孔也较多（图8a）。采用阴极轨迹式平动的电铸工艺可明显改善电铸成形的精度和质量，降低电化学沉积边缘效应，减少铸层气孔（图8b）。

图8 两种阴极运动情况下电铸成形

4 结语

设计的阴极轨迹式平动型电铸机床PLC控制系统可实现阴极轨迹式平动，稳定控制电铸液温度和电铸液液位，工艺稳定性良好。电铸实验结果表明，采用轨迹式平动阴极进行电铸比采用静止不动的阴极电铸得到的模具成形精度更高、质量更好。

[1]MacGeough J A，Leu M C，Rajurkar K P，et al.Electroforming process and application to micro/macro manufacturing[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2001，50（2）：499-514.

[2]Tan Y J，Lim K Y.Understanding and improving the uniformity of electrodeposition[J].Surface and Coatings Technology，2003，167（2）：255-262.

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[4]John S，Ananth V，Vasudevan T.Improving the deposit distribution during electroforming of complicated shapes [J].Bulletin of Electrochemistry，1999，15：202-204.

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[7]Müller C，Sarret M，Andreu T.ZnMn alloys obtained using pulse，reverse and superimposed current modulations[J]. Electrochimica Acta，2003，48（17）：2397-2404.

[8]Tsai W C，Wan C C，Wang Y Y.Frequency effect of pulse plating on the uniformity of copper deposition in plated through holes[J].Journal of The Electrochemical Society，2003，150（5）：C267-C272.

[9]陈炳和.计算机控制原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[10]陈远龙，陈辉，曹雪涛.2万安培大型电解加工机床PLC控制系统的研制[J].电加工与模具，2014（1）：57-59.

PLC Control System Design and Experimental Study on Cathode Trajectory Translational Type Electroforming Machine Tools

Zheng Wenshu，Guo Zhongning，Jiang Shuzhen，Luo Hongping
（Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

A PLC control system of cathode trajectory translational type electroforming machine is designed.Based on the combination of PLC and touch screen technology，the control system realizes the cathode trajectory translation，the PID temperature control and steadily controls the electroforming solution level.Experiment of electroforming mold is carried out by this electroforming machine，the result shows that compared with the stationary cathode electroforming process，molds fabricated by using process with a trajectory translation cathode obtain high precision and good quality.

cathode translation；electroforming machine tools；electroforming；PLC

TG662

A

1009－279X（2014）06－0033-04

2014-08-06

国家自然科学基金重点资助项目（U1134003）；国家自然科学基金青年资助项目（51105080）

郑文书，男，1986年生，硕士研究生。